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1、 第第6章章 自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制 027 87541764计算机学院计算机学院 陈加忠陈加忠6.1 概述概述n几十年来，人们一直致力于压缩数字化语音几十年来，人们一直致力于压缩数字化语音占用频带的工作，也就是在相同质量指标下，占用频带的工作，也就是在相同质量指标下，努力降低数字化语音比特率，以提高数字通努力降低数字化语音比特率，以提高数字通信系统的频带利用率信系统的频带利用率n语音压缩方法有语音压缩方法有DPCM SBC ATC CELP MPLPC VQ ADPCMnADPCM在更低的码率下在更低的码率下(16-8kbps)，质量，质量明显下降明显下降6.2 DPCM基本原
2、理基本原理 P1416.3 ADPCM基本原理基本原理 P142n极点预测器极点预测器n预测误差滤波器预测误差滤波器n重建滤波器重建滤波器6.4 语音压缩编码语音压缩编码n原理框图原理框图6.4.1 语音编码技术概述语音编码技术概述n语音编码：语音编码：移动通信数字化的基础移动通信数字化的基础 第第1/2代蜂窝系统根本区别代蜂窝系统根本区别n语音编码的意义：语音编码的意义：u提高通话质量 (数字化+信道编码纠错)u提高频谱利用率 (低码率编码)u提高系统容量 (低码率，语音激活技术)6.4.2 语音编码分类语音编码分类语音编码器波形编码器参量编码器频域时域非差分子带编码自适应变换域编码差分PC
3、MDPCMM连续可变斜率MADPCMAPC线性预测编码声码器信道声码器共振峰声码器倒频谱声码器语音激励声码器多脉冲激励LPC码本激励LPC矢量和激励LPC6.4.3 语音编码分类语音编码分类n波形编码：波形编码：将时域模拟话音的波形信号进过采样、量化和编将时域模拟话音的波形信号进过采样、量化和编码形成数字语音信号码形成数字语音信号-现代通信原理现代通信原理u编码速率较高，16k64ku包括：PCM，ADPCM，M，CVSDM，APC等u占用较高带宽，适合有线n参量编码：参量编码：基于人类语音的产生机理建立数学模型，根据输基于人类语音的产生机理建立数学模型，根据输入语音得出模型参数并传输，在收端
4、恢复。入语音得出模型参数并传输，在收端恢复。u编码速率较低，1.24.8 kbpsu包括各种线形预测编码(LPC)方法和余弦声码器u语音质量中等，不满足商用要求n混合编码：混合编码：波形编码波形编码+参量编码参量编码 (LPAS)u包括GSM的RPE-LPC编码和VSELP编码6.4.4 语音编码的标准语音编码的标准nG.711 PCM (64k bps)nG.721 ADPCM (32k bps)nG.722 7kHz带宽带宽64k bps速率内的音频编码速率内的音频编码nG.723 6.3k/5.6k 双速率多媒体语音编码双速率多媒体语音编码nG.728 16k bps 语音编码语音编码
5、LD-CELPnG.729 8k bps多媒体语音编码多媒体语音编码6.4.5 语音编码的发展语音编码的发展n极低速率语音编码，极低速率语音编码，600bpsn高保真语音编码高保真语音编码n自适应多速率语音编码自适应多速率语音编码n新的编码分析技术：新的编码分析技术：u非线形预测u多精度时频分析技术(子波分析技术)u高阶统计分析技术6.4.6 线形预测编码的原理线形预测编码的原理n原理：模型化人类语音信号产生的机制，提取原理：模型化人类语音信号产生的机制，提取模型参数，并且只传输模型的参数。模型参数，并且只传输模型的参数。n语音信号的产生模型：语音信号的产生模型：u语音的产生，声带和声道u不同
6、语音产生的原因：声音激励源和声道不同u声音分类：浊音和清音n发声过程发声过程u口腔和鼻腔形成时变滤波器6.4.7 清音和浊音清音和浊音 清浊音频谱清浊音频谱 清浊音信号清浊音信号6.4.8 语音产生模型语音产生模型n语音模型的建立：语音模型的建立：1. 产生激励，产生激励，2.响应响应n模型参数：基音，共振峰频率及强度，清浊音模型参数：基音，共振峰频率及强度，清浊音判决判决u低码率编码v码率降低有限码率降低有限v合成的语音波形失去了自然度和音质合成的语音波形失去了自然度和音质周期脉冲发生器随机噪声发生器G时变数字滤波器清/浊音开关声道参数基音周期6.4.9 LPC语音编码语音编码n使误差均方最
7、小，可求得一组预测系数使误差均方最小，可求得一组预测系数ak，n传送：预测系数，基音周期合增益，清浊音判决传送：预测系数，基音周期合增益，清浊音判决6.5 图像编码图像编码n变换：变换：n编码编码6.5.1 图像压缩标准图像压缩标准n可压缩的原因可压缩的原因n已有的标准已有的标准n为什么要变换和量化为什么要变换和量化变换变换量化量化熵编码熵编码具有优良频率特性的滤波器作变换工具，有利于得到平稳的能量分布，有利于进一步的量化处理原始信号的信息损失主要发生在量化阶段，好的量化能以尽可能少的量化误差换取最小的码率+=高质量编码器6.5.2 编码与变换、量化编码与变换、量化6.6 DFT与与DCTn
8、DFT变换变换 结果有虚部和实部结果有虚部和实部n 对对DFT变换系数量化后，吉布斯效应明显变换系数量化后，吉布斯效应明显n 把把x(n)对称延拓，可以消除其中的虚部，得对称延拓，可以消除其中的虚部，得 到到DCT变换变换6.6.1 正交变换的一个例子正交变换的一个例子假设图象的大小只有一个假设图象的大小只有一个44的块，即一共的块，即一共16个点，个点，其中每个象素点都有一定的值，我们把这个值叫灰其中每个象素点都有一定的值，我们把这个值叫灰度值。对图象而言，这些值为度值。对图象而言，这些值为0255之间的整数。之间的整数。假设一幅假设一幅44的图象，它的灰度值如下：的图象，它的灰度值如下：
9、下下面面我我们们对对这这个个44的的图图象象做做变变换换，变变换换矩矩阵阵我我们选：们选：一一般般我我们们希希望望它它是是正正交交矩矩阵阵，即即变变换换矩矩阵阵和和它它的的逆矩阵的乘积，为单位矩阵，即：逆矩阵的乘积，为单位矩阵，即：对上述图像作变换，可以验证：对上述图像作变换，可以验证： 我们希望这个过程是可逆的，即可以验证：我们希望这个过程是可逆的，即可以验证： = 6.6.2 二维二维44 DCT变换变换若若 表示矩阵对应元素相乘，表示矩阵对应元素相乘，d=b/c，那么上式可，那么上式可以表示为以表示为 时，为最优变换矩阵时，为最优变换矩阵在这里，在这里，d取取52，非常接近最优值，非常接
10、近最优值 此时，此时， ，得到整数变换矩阵的正变换为：得到整数变换矩阵的正变换为： 6.6.3 二维二维44 DCT整数整数变换变换6.6.4 二维二维44 DCT变换与量化变换与量化对于对于9比特的预测误差数据做变换，变换矩阵每一行比特的预测误差数据做变换，变换矩阵每一行绝对值之和的最大值为绝对值之和的最大值为14，因此对于变换后的矩阵，因此对于变换后的矩阵元素需要元素需要 位来表示。现在大多数处理装置位来表示。现在大多数处理装置（如（如CPU，DSP）为）为32位宽，用上述变换进行处理位宽，用上述变换进行处理就没有数据溢出的危险。就没有数据溢出的危险。 一旦得到变换后的系数，我们就可以对变
11、换系数进一旦得到变换后的系数，我们就可以对变换系数进行量化操作。对于某个量化步长行量化操作。对于某个量化步长QStep，对应一个量，对应一个量化参数化参数Q，量化参数，量化参数Q的取值范围为的取值范围为0到到44整数，量整数，量化就是把变换得到的结果都除以化就是把变换得到的结果都除以QStep： 可以得到：可以得到：其中，其中， ，floor表示向负无穷取整。量表示向负无穷取整。量化参数化参数Q与量化步长与量化步长QStep的对应关系如表的对应关系如表1。从。从表表1中可以看出，量化参数中可以看出，量化参数Q每增加每增加5时，量化步时，量化步长长QStep就随之翻倍增加。就随之翻倍增加。可以得
12、到可以得到Q01234567891011QStep 0.625 0.6875 0.8125 0.875 11.251.375 1.625 1.75 2 2.5 2.75 Q1419 24 29 34 39 QStep 48 163264128 表表1 量化参数量化参数Q与量化步长与量化步长QStep的对应关系的对应关系 nMoret首先提出了小波的概念首先提出了小波的概念(Moret(Moret小波函数是小波函数是GrossmannGrossmann和和MorletMorlet在在19841984年提出的年提出的) )，在很多学者的共同努力下，小，在很多学者的共同努力下，小波理论得到了完善和发
13、展。特别是波理论得到了完善和发展。特别是Mallat，他提出的多分，他提出的多分辨率分析辨率分析(Multiresolution analysis, MRA)理论，对小波理论，对小波构造理论起到了十分重要的作用。构造理论起到了十分重要的作用。 n1976年，年，Crochiere等人首先把子带编码应用于语音编码。等人首先把子带编码应用于语音编码。在语音编码中，用作频谱在语音编码中，用作频谱QMF (Quadrature mirror filter)滤波器能够很好地解决过度带频率混叠问题，而且滤波器能够很好地解决过度带频率混叠问题，而且很自然地，人们把很自然地，人们把QMF引入二维信号处理。引入
14、二维信号处理。n子带就是小波分解后，得到不同的频带分量的时域或者空子带就是小波分解后，得到不同的频带分量的时域或者空域域表现。表现。n子带编码的基本思想是，把信号分成多个子带，然后对各子带编码的基本思想是，把信号分成多个子带，然后对各个子带进行编码。个子带进行编码。6.7 小波变换与小波变换与QMF6.7.1 QMF滤波器滤波器n混叠问题混叠问题(aliasing)n从信号处理角度看：从信号处理角度看：QMF滤波器能够很好地解决过度带频率混叠问题滤波器能够很好地解决过度带频率混叠问题。假设：得到：同理：6.7.2 小波分解小波分解n从函数正交分解角度看：小波分解从函数正交分解角度看：小波分解能
15、够很好地解决信号的重构问题能够很好地解决信号的重构问题。nMeyer于于1985-1986年度在年度在Boubaki研讨会上提出了二进小波概念，完善了研讨会上提出了二进小波概念，完善了QMF滤波器的理论，为滤波器的理论，为QMF把频谱以二分分解提供了理论依据。把频谱以二分分解提供了理论依据。n 对于具有紧支的标准正交函数系，任何连续可积函数的取样值为： n 那么，x(t)可以写成： n 由于 (t-n)对不同的n正交，对x(t)的小波分解算法可以写成： n 可以证明， (t-n)对不同的n正交，等价于： Mallat提出了多分辨率分析提出了多分辨率分析(Multiresolution anal
16、ysis, MRA)理论，希望得到图象理论，希望得到图象3 3个方向的纹个方向的纹理特征，以便机器识别理特征，以便机器识别6.7.3 小波和小波和QMF的比较的比较n完备性概念完备性概念n具有相同的信号完全重构的条件具有相同的信号完全重构的条件n具有相同的信号分解和重构的算法具有相同的信号分解和重构的算法n小波分解采用的是小波分解采用的是L2空间中完备的正交基空间中完备的正交基n小波理论，能构造出相同抽头小波理论，能构造出相同抽头(Taps)下，不同性能的滤波下，不同性能的滤波器器n小波分析有更广泛的应用，除了编码，还能用在信号检测、小波分析有更广泛的应用，除了编码，还能用在信号检测、微分方程
17、、曲面拟合等领域。微分方程、曲面拟合等领域。6.7.4 正交小波的构造正交小波的构造根据根据MRA的思想，的思想，Daubechies设计了正交性能良设计了正交性能良好的高低通滤波器组，好的高低通滤波器组，但是它们不对称即不满足线但是它们不对称即不满足线性相位，因此不能完全重构图象的边界性相位，因此不能完全重构图象的边界6.7.5 双正交小波的构造双正交小波的构造 3/5双正交小波双正交小波 -1/8 -1/8 3/5小波分解与重构中的对齐问题小波分解与重构中的对齐问题 x2 x1 x0 x1 x2 xn-4 xn-3 xn-2 xn-1 xn-2 ck -1/8 1/4 3/4 1/4 -1
18、/8-1/8 1/4 3/4 1/4 -1/8 dk (-1)n 1/4 1/2 1/4 1/4 1/2 1/4 0 0 c0c0 0 c1 0 -2 0 cn-1 0 c1 0 -2 0 cn-1 0 0 cn-1cn-11/4 1/2 1/4 .1/4 1/2 1/41/4 1/2 1/4 .1/4 1/2 1/4 0 d0 0 d0 0 0 d0 0 d1. dn-2 0 d0 0 d1. dn-2 0 dn-1dn-1 0 dn-2 0 dn-2(-1)(-1)n n -1/8 1/4 3/4 1/4 -1/8 -1/8 1/4 3/4 1/4 -1/8-1/8 1/4 3/4 1/4
19、 -1/8 -1/8 1/4 3/4 1/4 -1/8分解取偶数点，重构时补分解取偶数点，重构时补0在奇数点，分解时在奇数点，补在奇数点，分解时在奇数点，补0在偶数点。然后在偶数点。然后以边界点为中心对称延拓，分解和重构时延拓方式是一样的。以边界点为中心对称延拓，分解和重构时延拓方式是一样的。6.7.6 矢量小波矢量小波(Multiwavelets)SOM多重小波具有很好的低通、带通和多重小波具有很好的低通、带通和高通特性，具有提高编码质量的潜力高通特性，具有提高编码质量的潜力6.7.7 零树量化零树量化(EZW SPIHT)6.7.8 Wavelet与与DCT的比较的比较(Y)Wavelet
20、与DCT的比较(U V)DCT变换编码变换编码, 17.95 dBWavelet变换编码变换编码, 20.98 dB小波变换可以有效的克服块效应小波变换可以有效的克服块效应(a) Lenna原图原图 (b) 0.005bpp, PSNR=20.76dB (c) 0.01bpp, PSNR=22.72dB (d) 0.02bpp, PSNR=24.21dB (e) 0.05bpp, PSNR=27.30dB (f) 0.1bpp, PSNR=28.81dB 小波编码在高码率和低码率情况下都取得很很好的实验结果小波编码在高码率和低码率情况下都取得很很好的实验结果编码的尺寸编码的尺寸可伸缩性可伸缩性
21、编码的质量编码的质量可伸缩性可伸缩性6.7.9 小波变换编码具有可伸缩性小波变换编码具有可伸缩性小波编码的数据结构的量化手段十分有小波编码的数据结构的量化手段十分有利于可伸缩性编码和解码利于可伸缩性编码和解码 6.8 视频编码与视频编码与H.264随着数字技术的发展，欣赏数字影视成为大众娱随着数字技术的发展，欣赏数字影视成为大众娱乐生活的重要内容。数字影视以数字信号形式，乐生活的重要内容。数字影视以数字信号形式，或者说以或者说以bit的形式在各种介质（或者叫存储器）的形式在各种介质（或者叫存储器）存储和传输。我们希望在容量有限的存储器内存存储和传输。我们希望在容量有限的存储器内存放更多的电影数
22、量，或者希望在网络点播中看到放更多的电影数量，或者希望在网络点播中看到更流畅的电影作品。然而存储器的容量或者网络更流畅的电影作品。然而存储器的容量或者网络能提供的带宽总是不能满足人们不断增长的需要，能提供的带宽总是不能满足人们不断增长的需要，这就推动了视频压缩编码技术的发展。这就推动了视频压缩编码技术的发展。对于对于CIF格式的视频流，它的画面大小是格式的视频流，它的画面大小是352288个象素，个象素，每个象素点用每个象素点用8个个bit来表示，对于黑白的画面来说，一来表示，对于黑白的画面来说，一幅画面需要幅画面需要3522888=811,008bit，如果是彩色画面，如果是彩色画面，则需要
23、则需要1,216,512。为了欣赏到连续的画面，根据人类的。为了欣赏到连续的画面，根据人类的视觉特性，每秒差不多要播放视觉特性，每秒差不多要播放25个这样的画面（或者叫个这样的画面（或者叫帧），才不会有快镜头的感觉（比如象卓别林的老电影）帧），才不会有快镜头的感觉（比如象卓别林的老电影）。那么，对于一部。那么，对于一部60分钟长的电影，它需要的存储量为分钟长的电影，它需要的存储量为1,216,512256060=109,486,080,000，约为，约为13,685,760,000个字节，即个字节，即13个个G的存储空间。市场上的的存储空间。市场上的硬盘目前流行的一般为硬盘目前流行的一般为15
24、0个个G，也就是说，这么一个硬，也就是说，这么一个硬盘里面只能放盘里面只能放10部电影，这远远不能满足我们实际的需部电影，这远远不能满足我们实际的需要。而实际上，要。而实际上，150G的硬盘至少可以存放的硬盘至少可以存放100部高质量部高质量的电影，这正是通过视频压缩手段才能做到这一点的。的电影，这正是通过视频压缩手段才能做到这一点的。6.8.1 视频编码框架视频编码框架6.8.2 运动预测运动预测块搜索窗口帧k（当前帧）帧k-1（参考帧）n 多参考帧技术多参考帧技术如果在整个宇宙中找到的最如果在整个宇宙中找到的最亮的恒星，一定不会比在整个银河系中找到的暗亮的恒星，一定不会比在整个银河系中找到
25、的暗当 前 帧=4=2=1前面4个参考帧同一帧中的不同块的预测值可以在不同的参考帧中参。而同一帧中的不同块的预测值可以在不同的参考帧中参。而且考帧越多，越能找到符合要求的预测值。且考帧越多，越能找到符合要求的预测值。以硬件的计算、以硬件的计算、存储能力为代价存储能力为代价1/2精度精度(33.25dB) 整数精度整数精度(33.00dB) n多尺寸预测块多尺寸预测块能根据物体的运动剧烈情况选能根据物体的运动剧烈情况选择预测块的尺寸择预测块的尺寸码率开销码率开销(161616预测误差预测误差+ +一个运动矢量的一个运动矢量的) ) 码率开销码率开销(4个个888预测误差预测误差+4+4个运动矢量的个运动矢量的) )？5个参考帧个参考帧(33.19dB) 1个参考帧个参考帧(31.65dB) n 分精度插值预测技术分精度插值预测技术运动物体半个象素点的运动物体半个象素点的位移，但只能通过整数点象素来表达，影响了预测位移，但只能通过整数点象素来表达，影响了预测的精度的精度AB预测误差预测误差ERROR:|B-A| |B-A|A通过预测滤波器，得到通过预测滤波器，得到A，滤波器的系数为，滤波器的系数为M/2N，有利于硬件的实现，有利于硬件的实现6.8.3 率失真率失真-RD
