信息的存储与压缩.ppt

信息的存储与压缩,一、存储技术 1. 磁存储技术 利用小磁体的N极和S极来表示1和0 （书P101） 2. 光盘存储技术 数据表示方法：用盘片上的pits（凹坑）和lands（平面）来分别表示“0”与“1”。,信息的存储与压缩,读取光盘信号原理：根据盘片上光的反射 信号的有无或强弱来决定所读取的数字信 号单元是“0”还是“1”。如果激光照在lands 上，大部分光会反射回来，CD读取头就读 取到较强的反射信号，则表示读取到数字 “1”，如果激光照在pits上，则激光束被散射， CD读取头无法接收到反射信号或反射信号 很弱，则表示读取到数字“0”。,信息的存储与压缩,在介绍图象的压缩编码之前，先举一个例子： 一A4(210mm297mm) 幅面的照片，若用 中等分辨率(300dpi)的扫描仪按真彩色扫描，其 数据量为： (300210/25.4) (300297/25.4)个像 素，每个像素占3个字节，其数据量为26M字 节。,信息的存储与压缩,二、图像数据压缩与编码技术 熵与信息压缩 熵：一条信息中真正需要编码的信息量。 压缩：去掉信息中的冗余，几保留不确定信息，去掉确定的信息（可推知的），也就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有冗余的描述。,信息的存储与压缩,2. 图像数据压缩的可能性 相关性：空间相关性（帧内）、时间相关性（帧间） （1） 空间冗余：画面的大部分区域信号变化 缓慢，尤其是背景。 （2）时间冗余：相邻图象之间的相似性 连续两幅图画的前景与背景没有多 大变化。,信息的存储与压缩,（3）视觉冗余：人的视觉对某些信号具有 不那么敏感的生理特性。 3.图像压缩编码方法与分类 压缩可分为两大类： 无损压缩：这是数学上的一种逆运算，从压缩后的图像能够完全恢复出原来的图象，信息没有任何丢失。 有损压缩：靠丢失大量的冗余信息来降低数字图像或声音所占的空间。,信息的存储与压缩,(1)无损压缩编码种类 哈夫曼编码 算术编码 行程编码 Lempel zev 编码 (2)有损压缩编码种类 预测编码：DPCM，运动补偿 频率域方法：正文变换编码(如DCT)，子带编码 ,信息的存储与压缩,空间域方法：统计分块编码 模型方法：分形编码，模型基编码 基于重要性：滤波，子采样，比特分配， 矢量量化 (3)混合编码 JBIG，H261，JPEG，MPEG等技术标准,信息的存储与压缩,压缩编码方法的评价 压缩比要高； 压缩与解压缩运算速度要快，算法要简单， 硬件实现容易； 解压缩质量要好。,信息的存储与压缩,4. 图像压缩编码方法 预测编码：所谓预测编码是指，去除相邻象素之间的相关性和冗余性，只对新的信息进行编码。 举个简单的例子，因为象素的灰度是连续的，所以在一片区域中，相邻象素之间灰度值的差别可能很小。,信息的存储与压缩,如果我们只记录第一个象素的灰度，其它象素的灰度都用它与前一个象素灰度之差来表示，就能起到压缩的目的。 如：248，2，1，0，1，3，实际上这6个象素的灰度是248，250，251，251，252，255。表示250需要8个比特，而表示2只需要两个比特，这样就实现了压缩。,信息的存储与压缩,变换编码：先对信号进行某种函数变换， 从信号的一种表示空间变换到另一种表示 空间，然后在变换后的域上对变换后的信 号进行编码。 统计编码：根据信息码字出现频率的分布特征而进行压缩编码，寻找频率与码子长度间的最优匹配。 （如P110的 Huffman编码）,信息的存储与压缩,三、静态图像压缩标准JPEG 1. JPEG静态图像专家组，负责制定 开发静态图像压缩、解压缩标准，主 要用于帧内压缩。 JPEG使用的颜色是YUV格式 JPEG算法的原理是利用单帧内的空间相关性， 减小空间冗余度，这种方式称为帧内编码。,信息的存储与压缩,采用JPEG标准可以得到不同压缩比的图像， 在使图像质量得到保证的情况下，可以从每个像 素24bit减到每个像素1bit甚至更小。 2. 压缩过程：,信息的存储与压缩,离散余弦变换：把源图像划分为若干个88 个像素的子块，定义一个8行8列的二维数 组P来表示图像子块中个像素的灰度值和颜 色值，再进行DCT变换。 量化：这里的量化操作，就是将某一个值除 以量化表中对应的值。量化表为 88矩阵， 与DCT系数一一对应，表中的元素为1到255之间的任意整数。 注：量化是产生信息损失的根源。,信息的存储与压缩,编码：（略） 3. 新一代静态图像压缩标准JPEG2000 目前网站上80%的图像采用这个标准 JPEG2000特点：（书P116） 高压缩率（比传统的提高30%-50%） 同时支持有损和无损压缩 实现渐进传输 支持“感兴趣区域”,信息的存储与压缩,课后练习： P124 2.、4、8、9,信息的存储与压缩,四、视频图像压缩标准MPEG 1. MPEG运动图像专家组。它是ISO下的一个工作组，成立于1988年，有300名专家10个小组。该标准用于全运动视频图像，生成全屏幕活动视频标准文件MPEG文件。 MPEG格式文件：1024786 分辨率，每秒钟25帧（或30 ）的速度同步播放全运动视频图像和CD音乐伴音。,信息的存储与压缩,2. MPEG家族 （1）MPEG-1：1993.8公布,包括MPEG视频、 MPEG音频和MPEG系统三个标准。 应用： 通信网络：图像传输，MP3音乐源于 MPEG-1音频的音频标准。 媒体存储：VCD光盘，视频片段下载,信息的存储与压缩,（2）MPEG-2：1994.11公布，全称为运动图像及其伴音的编码。它主要针对高清晰度电视（HDTV）所需要的视频及伴音信号。 应用：DVD，数字视盘和数字电视卫星 技术 （3） MPEG-4：对AV（音视对象）场景进行分层描述，基于内容的交互。 （4） MPEG-7：支持多种音频和视觉的描述，,信息的存储与压缩,它根据信息的抽象层次，提供一种描述多媒体材 料的方法以便表示不同层次上的用户对信息的要 求。 注：MPEG技术不是无偿使用的。 MPEG标准采用了帧间和帧内相结合的压缩算法。,信息的存储与压缩,4. MPEG压缩过程 MPEG-1的图像类型（3种I帧、P帧和B帧） 在MPEG编码的过程中，部分视频帧序列压缩成为I帧；部分压缩成P帧；还有部分压缩成B帧。 I帧法 ：是帧内压缩法，也称为“关键帧”压缩法。I帧法是基于离散余弦变换DCT（ Discrete Cosine Transform ）的压缩技术。 I帧是对整幅图像采用JPEG编码的图像，它是一个独立的帧，其信息由自身的画面决定，不需要参照其他画面，它是P帧和B帧的参考图。 采用I帧压缩可达到1/6的压缩比而无明显的压缩痕迹。,信息的存储与压缩,P帧法：是一种前向预测算法，它考虑相邻帧之间的相同信息或数据，也即考虑运动的特性进行帧间压缩。P帧法是根据本帧与相邻的前一帧（I帧或P帧）进行运动补偿预测来产生图像，从而达到压缩目的。P帧图像中，与I帧相同的信息不传送，只传送主体变化的差值，生成的P帧又可以作为其下一帧的参考帧。 P帧又称为向前预测帧。 采取P帧和I帧联合压缩的方法可达到更高的压缩且无明显的压缩痕迹。,信息的存储与压缩,B帧法：是双向预测的帧间压缩算法。当把一帧压缩成B帧时，它根据相邻的前一帧、后一帧（I帧或P帧）以及本帧数据的不同点来进行运动补偿预测从而产生图像，仅记录本帧与前后帧的差值，它只反映I、P画面的运动主体变化情况。所以，B帧被称为双向预测帧。 B帧数据只有I帧数据的百分之十五、P帧数据的百分之五十以下。 B帧的压缩比最大。,信息的存储与压缩,MPEG-1的压缩过程 采用类似4：2：2的采用格式，压缩后亮度信 号的分辨率为352240，两个色度信号分辨率均 为176120，这两种不同分辨率信息的帧率都是 每秒30帧。 其编码的基本方法是在单位时间内，首先采 集并压缩第一帧的图像为I帧。然后对于其后的 各帧，在对单帧图像进行有效压缩的基础上，只 存储其相对于前后帧发生变化的部分。,信息的存储与压缩,帧间压缩的过程中也常间隔采用帧内压缩法。 帧间压缩的过程中也常间隔采用帧内压缩法，由 于帧内（关键帧）的压缩不基于前一帧，一般隔 15帧设一关键帧，这样可以减少相关前一帧压缩 的误差积累。MPEG编码器首先要决定压缩当前帧 为I帧或P帧或B帧，然后采用相应的算法对其进 行压缩。一个视频序列经MPEG全编码压缩后可能 的格式为：IBBPBBPBBPBBPBBIBBPBBPBBPBBPBBI,信息的