（通信与信息系统专业论文）watm中图像业务的分析.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 由于a t m 技术有相当多的优点，因此它在多媒体传输方面有相当广阔 的发展空间。但是随着人们需求的发展，有线业务已经不能再满足当前的需 要，因此，无线a t m 技术应运而生。 在无线业务的多媒体传输中，图像业务是重点。但同时它所占用的网络 带宽在各多媒体业务中也是最大的，因此图像在进入无线信道之前，必须进 行图像压缩。本文以图像压缩技术为基础，介绍了在图像压缩领域比较经典 的压缩技术，包括游程编码、h u f f m a n 编码、预测编码和基于运动补偿的预 测编码以及离散余弦变换( d c t ) 编码等，这些编码都是在m p e g 一2 图像压 缩技术中所用得到编码技术。 为了进一步降低图像的带宽，本文研究了视频码流的转码技术，并在前 人的基础之上，提出了一种适合于本系统的抽帧算法，并给出了算法流程。 这种算法使得视频输出端可以输出任意速率的码流，具有很强的实用价值。 同时，本文提出了一种基于p h i l i p s 最新m p e g 2 视频编码专用芯片 s a a 6 7 5 2 实现m p e g 2 码流的方案，并且完成了硬件、软件的调试工作。 关键词：w a t m ；图像压缩；转码；m p e g 一2 ；s a a 6 7 5 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea t mt e c h n o l o g yh a sm a n ym e r i t s ，s o ，i tw a ss e e m e da sap o p u l a r t e c h n o l o g yw i t hp r o m i s i n gd e v e l o p m e n tp r o s p e c t i nm u l t i m e d i at r a n s p o n ，b u t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep e o p l e sd e m a n d ，t h ec a b l es y s t e mi sn o tf i tf o rt h e c u r r e n ts i t u a t i o n ，a n ds ot h e r ec o m e st h ew a t m i nt h ew i r e l e s sm u l t i m e d i at r a n s p o r t ，v i d e oi st h em o s ti m p o r t a n ts e r v i c e s t h eb a n d w i d t hi tn e e d si sa l s ot h eb i g g e s t ，t h e r e f o r e ，b e f o r et r a n s p o r t i n gi n w i r e l e s sc h a n n e l ，v i d e os h o u l db ec o m p r e s s e d i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c em a n y c l a s s i cv i d e o c o m p r e s s e d m e t h o dw h i c hb a s e do nt h ev i d e o c o m p r e s s e d t e c h n o l o g y , j u s tl i k er l c ，h u f f m a nc o d i n g , p r e d i c t i v ec o d i n g , p r e d i c t i v ec o d i n g b a s e do nm o t i o nc o m p e n s a t i o na n dd c t c o d i n g a l lt h e s ec o d i n gm e t h o da r e w e l lu s e di nm p e g 一2 t e c h n o l o g y a i m i n ga tr e d u c i n gt h eb a n d w i d t h t h a tt h ev i d e ou s e d ，w es t u d yt h ec o d i n g t r a n s f o r ma n dp u tf o r w a r daf r a m es k i p p i n ga r i t h m e t i ca n ds o f t w a r ef l o wb a s e d o nf o r m e rs t u d y t h ep r a c t i c a la r i t h m e t i ci ss u i tf o rt h es u b j e c ta n d c a ne x p o r ta n y f r a m er a t e i nt h ep a p e r , w ed e s i g nam p e g 一2c o d i n gs y s t e mw h i c hu s e sp h i l i p s m p e g 2c o d i n gc h i p ，s a a 6 7 5 2a n d f u l f i l la l lt h ew o r ko f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e yw o r d s ：w a t m ，v i d e oc o m p r e s s ，c o d et r a n s f o r m ，m p e g 2 ，s a a 6 7 5 2 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) 考垦篮 日期：“年；月歹日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 无线a t m 及其前景 异步传送模式( a t m ) 是种数据传输技术。其特点是统计复用、信元长 度固定、虚通道( v p ) 与虚通路( v c ) 交换、带宽的动态分配、能综合多 种业务。人们相信a t m 将成为未来宽带综合业务数字网( b - i s d n ) 的标准。 从业务的角度来看a t m 在一个有线网络上同时提供数据和多媒体信息，并 且能够适应从骨于网到企业网的不同规模。 从发展初期以来，a t m 的目标是在广域网络环境下统一通信协议，提供 端到端的通信，公司不必购买额外的设备( 像路由器和网关) 来将局域网 ( l a n ) 连接进去。a t m 被认为可减少网络的复杂性，并在提供端到端的传 输性能的同时改善网络的灵活性。 无线个人通信网( p c n ) 在2 0 世纪9 0 年代得到了飞速的发展，目前，移 动掌上设备，包括电话和寻呼机等已经得到了普遍的应用。然而，由于受到 带宽和业务质量( q o s ) 等的限制，这些设备无法满足月益发展的多媒体业 务。由于a t m 在有线网络上的成功应用，许多人都建议采用a t m 信元传递模 式作为下一代无线传输结构的基础( ”。w i t f l 可以被认为是下一代个人通信网 的解决方案，或者是( b i s d n )网络的无线扩展，最终能够支持在无线网 络上的综合业务传输，包括数据、话音、视频等，以及提供对业务质量的支 持。 在个人通信网络( p c n ) 上采用a t m 信元传输有以下几项有利因素： 对许多应用，包括一些仍未定义的，都有灵活的带宽分配和服务类型 选择； 可有效复用从突发数据到多媒体的传输； 在无线及有线网络上提供端到端的宽带服务； 适合于在a t m 交换设备中作内部信元交换； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 改善分组交换技术的服务可靠性； 易于与构成通信主干的有线b 。t s d n 系统接口。 w a t m 的总目标是设计整体的无线业务网络，以相对透明的、无缝的、 有效的方式提供基于光纤的a t m 网的无线业务延伸，可以间时满足人们对于 多媒体和移动性的业务需求。w a t m 的结构和协议目前尚未有制定的标准。 目前a t m 论坛正在制定w a t m 系统的基线标准，致力于制定a t m 网络中的 移动性控制和a t m 向移动设各的无线扩展等方面的标准制定。 l 。2 图像处理技术的发展状况 现在语音通信在信息产业中己经比较成熟，但是图像通信还处于待发展 的阶段。这是由于图像信号本身的性质所决定的，图像信号的突出特点就是 包含的信息量大，所以给图像信号的存储、处理和传输都带来了极大的困难。 这就需要对图像信源进行压缩编码，以减少图像信源的数据量。 二十世纪七、八十年代是数字信号处理发展极为活跃的时期，而图像编 码特别是视频序列的压缩算法，由于引入了一系列新的理论和方法，也在这 一时期呈现出繁荣景象。在九十年代，经典的视频压缩算法己逐渐形成一系 列的国际标准体系，如有关会议电视图像编码的h 2 6 x 系列建议，h 3 2 0 系列建议以及m p e g 系列建议等，而在这些数字视频压缩技术的国际通用标 准中占有重要地位的m p e g 2 协议，在视听工业、多媒体计算机、多媒体通 信、数字视频广播以及未来的信息高速公路等领域有着广阔的前景。 m p e g 标准是出国际标准化组织i s o 和国际电工委员会i e c 共同制定 的。m p e g 为m o v i n g p i c t u r e e x p e r t s g r o u p 的缩写，m p e g 委员会初建于1 9 8 8 年，负责指定m p e g 标准，目前己经成功的指定了m p e g 一1 ， m p e g 一2 ， m p e g 一4 等标准。m p e g 2 标准于1 9 9 4 年正式推出，其标准的编号为i s o i e c 13 8 1 8 。标准包括三大部分，i s o i e c1 3 8 1 8 1 系统，规定几种伴音和图像数 据的复用，以及加入同步信号后形成系统的技术要求；i s o f l e c1 3 8 1 8 2 视频， 规定了视频编码的技术要求：i s o f l e c1 3 8 1 8 3 音频，规定了音频编码的技术 要求。 从1 9 9 4 年1 1 月m p e g ，2 标准正式公布以来，世界各国很多v l s i 厂商 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相继开发出了自己的m p e g 一2 编码及解码专用芯片，并在s d t v ，d v d ，d v b 等新兴的视频领域里得到了广泛的应用。 1 3 w a t m 网络中采用m p e g 2 压缩标准的意义 a t m 本质上是一种基于信元交换、面向连接的高速技术，能够传送任何 业务，不管这些业务有什么样的特征( 诸如比特率、质量要求、突发特性等) 。 a t m 的优势在于可以与应用需求相符合的业务建立联系，视频业务正是由 a t m 提供的高速宽带业务的重要应用之一。典型的视频业务包括电视会议、 视频点播( v o d ) 、远程教学和远程医疗等，其特征是流量具有突发性及苛 刻的实时要求。a t m 网络具有高速率、低比特差错率、灵活的业务类型和高 复合能力等特点，使得它很适合传输有服务质量( q o s ) 要求的视频业务。 随着用户需求的不断发展，传统的固定a t m 网络已经不能再适应当今 的需要，因此，w a t m 技术应运而生。由于原a t m 网络传输介质为光纤， 具有极大的带宽( 以g h z 为单位) ，因此图像业务可以无损失、高保真的在 信道内传输。但无线信道带宽相对于光纤来讲则要小得多，因此带宽是最为宝 贵的资源。由于这个原因，各种关于无线网络的流量控制理论研究获得了极 大的发展。但无论流量控制的算法如何先进，都没有将信源进入网络的数据 量减到最低来的直接、有效。 s o i 3 8 1 8 国际标准中的第一部分定义了规范的系统编码，它定义了复合 视频和音频数据的复用结构，使得多种视频流、音频流可以以传输流( t s ) 的形式在信道内传输。同时，m p e g 一2 也可用于视频会议系统，并提供高质 量清晰流畅的图像和声音。m p e g 一2 编码的图像质量明显优于m p e g 一1 和 h 2 6 1 h 2 6 3 。m p e g 一2 编码技术还采用了基于运动补偿的编码方案，可大 大降低传输数据量，同时，m p e g 一2 还兼顾了与a t m 网络的适配问题。 综上，m p e g 一2 编码方案在w a t m 网络中传输的意义总结如下： 1 m p e g 2 也可用于视频会议系统，并提供高质量清晰流畅的图像和声 音。m p e g 一2 编码的图像质量明显优于m p e g 1 和h 2 6 1 h 2 6 3 。 2 m p e g 一2 标准的系统部分强调将一个或更多的音频、视频或其他的基 本数据流合成为单个或多个数据流，以适应于存储和传送。按照该说明中的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 句法和语法进行系统编码，可以在一个很宽的恢复和接收条件下进行同步译 码。 3 采用了基于帧间运动补偿的压缩编码方法。帧间运动补偿技术是消除 时间冗余的最基本和最重要的方法。这种方法以图像分割为基础，把每一帧 图像相对于前一帧分割成变化和不变的区域。未变化的部分表示静止的背景， 变化的部分代表运动和遮挡区域。 运动补偿方法通过对变化区域中像素相对于前一帧图像的位移变化值进 行编码。只要能够精确地估算出位移矢量，m c d p c m ( 基于于动补偿的 d p c m 编码) 方法就能产生更有效的压缩。在m c 压缩中最经常使用的运动 估算方法是块匹配算法。 a t , i 信元结构 m p e g 一2 传送分组结构 图1 1a t m 信元结构与m p e g - 2 传送分组结构比较 4 m p e g ，2 适应于与a t m 信元的适配。由图1 1 所示，从a t m 信元 结构与m p e g 2 传送分组结构的比较可知，a t m 是一种将各种业务都划成固 定长度的信元( c e l l ) 来进行交换的信息转移模式，每个信元长5 3 字节， 由5 个字节首部及4 8 个字节净荷组成。而m p e g 一2 的一个传送包长1 8 8 字 节，因此若干个a t m 信元可以传输一个m p e g 一2 分组长度的信号，相应地， 一个m p e g 一2 分组的长度可以装载相同数量的a t m 信元，也就是说，a t m 与m p e g 2 信号的传输具有灵活的互操作性。 基于以上原因，在w a t m 网络中，采用m p e g 一2 的编码方式较为适合。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 本课题的主要工作 本课题以图像压缩理论为基础，研究了w a t m 中的图像业务，并独立完 成了以下工作： 1 研究了转码技术的理论，尤其是码率变换的基本原理，并在前人研究 的基础上提出了适合于本课题的码率下变换方法，并给出了具体的软件流程。 2 研究了图像压缩的基本方法，尤其是m p e g 一2 协议所用到编码方法。 深入学习了m p e g 一2 的编码、解码原理，提出一种基于p h i l i p s 公司最新生 产的m p e g 一2 专用编码芯片8 a a 6 7 5 2 编码方案，并独立完成了整个系统硬 件制作、软件的调试工作。 哈尔滨工程火学硕士学位论文 2 1a t m 技术 第2 章无线a t m 技术 为了支持未来宽带综合业务数字网( b i s d n ) 的业务，国际电联( i t u t ) 将a t m 确定为承载b - i s d n 业务的目标技术。 a t m 之所以称为异步传输模式是因为任何形式信息输入a t m 网络时， 即转化成信元形式，非周期在网络上传输【2 。a t m 异步复用采用统计时分复 用的方式，根据各种业务的统计特性，在保证业务质量要求的情况下，在各 个业务之间动态分配网络带宽，以达到最佳的资源利用率。统计复用示意图 如图2 1 所示。一条数据连接只在有数据要传输时才被分配时隙进行传输， 没有数据需要传输时则不占用带宽。 用户数摒 。1 。1 。_ _ _ - h 。_ _ 。- 。一 圈口翻口b 霸口嘲嗣c 口口口口b 口圈口口a 甜向抽 图2 1 统计复用示意图 a t m 主要技术特点如下： 1 采用固定长度的短分组。a t m 采用了对各种信源进行固定长度的短 分组( 5 3 b ) ，提高交换速率；丽且便于实现各种业务的综合，还易于支持未来新 业务的接入，具备更强的灵活性。 2 信道带宽可动态利用。类似于数据分组交换网，a t m 网络中，用户在 有信息传输时才占用带宽资源，信道利用率较高。 3 在交换时作了简化。在交换节点中，不进行链路的差错控制和流量控 制，而把它们移至用户终端根据需要而进行，减小了时延。 6 哈尔滨工程人学硕士学位论文 4 顽向连接。a t m 是面向连接的，一旦呼叫建立，通信就可以畅通地 进行。省去了路由选择和转发。当信息需要发送时，发送方就与网络协商一 条“请求路径”，以建立至终点的连接。在建立此连接时，发送方规定信元 的类型、速度和其它属性。这种连接可以是永久性的或临时性的。 5 服务质量( q o s ) 。共享介质以太网不同用户之间的通信采用介质共享 的信道，因此，在共享介质环境中o o s 是无法得到保证的。交换式以太网在这 点上有所改善，但仍不能按要求提供有保证的带宽。a t m 能对连接的类型 和速度进行协商，以决定该连接的点到点的服务质量。 2 2 无线a t m 技术 随着a t m 技术的发展，无线a t m 方式在未来将服务于多媒体业务【3 】。 1 9 9 2 年所提出的无线a t m 基本概念目前已经成为能支持具有一定业务 质量的综合多媒体业务的无线通信网。1 9 9 6 年7 月，国际a t m 论坛技术委 员会又成立了无线a t m 工作小组着手深入研究无线a t m 技术。无线a t m 即a t m 技术和移动通信技术的结合，它面临着以下几个问题1 4 j ： 1 a t m 要求传输的比特错误率非常低，在无线信道的高噪声环境 下a t m 网络能否正常运行。 2 无线信道带宽是一种昂贵资源，因此，对于无线信道而言，每个信元 携带1 0 的信元头开销显得太大了。 3 由于a t m 能够发送单个a t m 信元，这就要求w a t m 也应该能够 发送单个信元，这样就会增加物理层的复杂性。 2 2 ，1 无线a t m 与传统a t m 区别 无线a t m 网络结构如图2 2 所示，与常规a t m 网络相比，能提供多媒 体业务的无线a t m 网络在技术上有三点差别，它们是： 1 移动终端上有无线a t m 网络接口单元n i u ( n e t w o r k i n t e r f a c e u n i t ) ， 在a t m 网络上有网络接口单元的无线端口( r a d i op o a ) ，把a t m 业务通过 无线介质寻址接入层延伸到移动终端。 哈尔滨二 程人学硕士学位论文 2 a t m 网络层次结构上增设支持移动性的逻辑功能，使网络能识别和 跟踪移动终端并为其提供业务。 3 在a t m 信元格式的头和尾位置添加了控制无线信道寻址接入、数 据链路和无线网络的字节，从而构成了无线a t m 信元。 图2 2 无线a t m 基本网络结构 2 2 2 无线a t m 关键技术 目前，对无线a t m 的研究主要集中在如下几个方面：物理层技术、介 质访问控制协议、差错控制等等。 1 物理层技术 物理层的主要功能之一是完成对信号的调制与解调。由于无线a t m 工 作在半径为几十米至五百米左右的微小区环境下，并且要求有较高的传输速 率( 如峰值速率为2 0 m b p s ，有些情况下甚至高达l s s m b p s ) ，工作频段可能 为5 g h z 或高达4 0 g h z ，因此其调制解调技术必须支持较短的突发同步 ( 2 b i t s h z ) 。目前考虑得比较多的是 o f d m ( 多载波正交频分复用) 、q a m ( 正交调幅) 和o q p s k ( 偏移正交移 向键控) 调制技术。 2 多址访问控制协议 由于无线链路的共享性、广播性以及无线a t m 网络需要支持多种业务 的综合传输与交换，设计性能优异的、可保证各种业务( 如a b r 、v b r 、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c b r 和u b r ) ，端到端服务质量( q o s ) 的多址访问协议( m a c ) 显得十分 重要。同时，无线a t m 的m a c 协议还需具有较高的频谱利用率和较小的处 理延迟。一般说来，无线a t m 的m a c 协议都采用了信道动态分配算法来支 持业务速率的可变。 3 差错控制 差错控制的目的是在信元传送到a t m 层之前采用纠错编码技术，减少 无线信道对信元差错率的影响。由于无线环境下信元的错误类型比较复杂， 既有随机错误，也存在衰落造成的严重的突发错误，因此无线a t m 网络需 要较强的差错控制功能。同时，由于需要支持多种业务，而各种业务对差错 率的要求不相同，例如话音业务对延时比较敏感，但对b e r ( 比特差错率) 的要求不高：而数据业务对b e r 的要求很高，但对延时不敏感。因此，无线 a t m 的差错控制应针对不同的业务采用不同的方式。 2 3 本章小节 本章首先介绍了a t m 的技术特点，及其在b i s d n 中的重要性。然后论 述了无线a t m 与传统a t m 的区别，最后介绍了w a t m 中的几项关键技术。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章图像压缩编码技术 随着现代信息社会对通信业务要求的不断增长，图像通信与通信网容量 的矛盾日益突出，特别是具有庞大数据量的数字图像通信，更是难以传输与 存储。这样就对我们获取和利用图像信息造成了很大的困难，成为了图像通 信发展中的“瓶颈”问题。因此图像压缩问题成为了越来越多的科研工作者 的研究热点。从九十年代至今，图像压缩技术日臻完善，产生出了很多优秀 的算法。如离散余弦变换、霍夫曼编码、运动估计与补偿等。在这些算法的 基础上又形成了一系列的国际标准。如j p e g ，j p e g 2 0 0 0 ，h ，2 6 1 ，h 2 6 3 ， m p e g 一1 ，m p e g 一2 ，m p e g 4 ，m p e g 7 ，m p e g 一2 1 等。这些标准的制定极 大地推动了图像编码技术的实用化和产业化。 3 1 图像压缩的可能- | 生 图像压缩编码的目的是以尽量少的比特数表征图像，同时保证复原图像 的质量，使它符合预定应用场合的需要。压缩数据量、提高有效性是图像压 缩编码的首要目的。通常把图像压缩编码简称为图像编码。图像编码是- - 9 0 信源编码，其信源是各种类型的图像信息。 计算机网络和通信的高速发展，已经深入到了世界的每一个角落。这样 使得人们对多煤体信息如声音、图像等的需求正在以指数级速度增长。而我 们知道数字化了的图像、音频等的数据量是非常大的。例如，一幅具有中等 分辨率( 6 4 0 4 8 0 ) 的真彩图像( 2 4 位像素) ，它的数据量约为7 3 7 m b i t 帧。 若要达到每秒2 5 帧的全动态显示要求，每秒所需的数据量为1 8 4 m b i t ，而且 系统的数据传输率必须达到1 8 4 m b i t ，这在目前是很难做到的。 图像数据的表示中存在着大量的冗余，通过去除冗余数据可以使原始图 像数据量极大地减少，从而解决图像数据量巨大的问题。进行图像压缩研究 的起点是研究图像数据的冗余性。图像数据中主要有以下这些常见的冗余p 】： 1 编码冗余 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对图像编码时需要建立码本以表达图像数据。这里码本是指用来表达一 定量的信息或一组事件所需的一系列符号。其中对每个信息或事件所赋的码 符号序列称为码字，而每个码字里的符号个数称为码字的长度。如果编码所 用的码本不能使每像素所需的平均比特数达到最小，就说明存在编码冗余。 2 像素间冗余 在很多形式的图像数据中，像素与像素间无论是行方向还是列方向都具 有很大的相关性，因而整体上数据的冗余度很大，在允许一点限度失真的前 提下，可以对图像数据进行很大程度的压缩。这种与像素间相关性直接联系 着的数据冗余叫像素间冗余，也称为空间冗余，另外在连续序列图像中的帧 间冗余也算是一种特例。一幅图像各像素的值可以比较方便地由他邻近像素 的值预测出来，每个独立的像素所携带的信息相对较少。为了减少图像中的 像素间冗余，需要将常用的二维像素矩阵表达形式转换为某种更有效的表达 形式。 3 心理视觉冗余 眼睛所感受到的图像区域亮度不仅仅与区域的反射光有关，这种现象的 产生是由于眼睛并不是对所有视觉信息有相同的敏感度。有些信息在通常的 视觉过程中相对来说不那么重要，这些信息可认为是心理视觉冗余的。心理 视觉冗余的存在与人观察图像的方式有关，人在观察图像时主要是寻找某些 比较明显的目标特征，而不是定量地分析图像中每个像素的亮度。人通过脑 子里分析这些特征并与先验知识结合以完成对图像的解释过程。 正是由于以上原因，图像的数据压缩是可能的。图像数据压缩技术是多 媒体图像技术中十分重要的组成部分。如果不进行有效的数据压缩，则无论 传输还是存储都很难实用化。 3 2 图像压缩的基本方法 数据之所以能够压缩是基于原始信源的数掘存在着很大的冗余度。信息 理论认为：若信源编码的熵大于信源的实际熵，该信源中一定存在着冗余度。 去掉冗余不会减少信息量，仍可原样恢复数据；但若减少了熵，数据则不能 完全恢复。不过在允许的范围内损失一定的熵，数据可以近似为恢复。因此， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图像的压缩方法可以分为有损压缩和无损压缩两类，主要编码方法如图3 1 所示。 图臣 像 lll 和 i 视 频 数 一 据 压 。l 。 缩 l 竺兰卜 算 法 3 2 1 无损压缩 图3 1 图像数据压缩编码的基本分类 无损压缩又称为无失真编码，也称为熵编码( e n t r o p yc o d i n g ) 。它是根 据信息出现概率的分布特性而进行的压缩编码技术，解码后能无失真的恢复 图像而进行的压缩编码技术。其方法是：识别一个给定的流中出现概率最高 的比特或者字节模式，并用比原始比特更少的比特数来对其编码，也就是说， 出现概率越低的模式，其编码的位数就越多，出现概率越高的模式编码位数 就越少。如果码流中所有模式出现的概率相等，则平均信息量最大，信源没 有冗余。但由于无失真压缩技术在原理上大多采用概率统计编码，因而一般 对在内容上重复较多的数据压缩倍数比较大，而对没有重复或重复较小的数 据，则压缩倍数就较低。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 1 1 游程编码( r u n l e n g t hc o d i n g ) 游程编码主要用于量化后出现大量连续重复出现的相同数据的情形，利 用游程来表示连续相同的数据，可以降低表示连续相同数据的数据量。这种 编码方法用一个计数比特和跟在其后面的被编码的二进制数来表示一串重复 的二进制数。其编码方法举例如图3 2 所示 32 12h u f f m a n 编码 黼褊缫 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 b 0 0 0 眦! + 0 0 0 0 0 t p 0 0 3 l 压缩算法 l i 蠲麓 订0 4 + 7 0 2 + i + 7 0 3 图3 2 游程编码举例 霍夫曼于1 9 5 2 年提出了对统计独立信源能达到最小平均码长的编码方 法，也即最佳码，其具体编码方法如下 6 】 1 消息按期出现的概率由大到小地排成一个概率序列； 2 把概率最小两个消息分成一组，其中一个消息编为0 ，另一个编为1 ， 然后求其概率和，并把这个瓤概率与其他尚未处理过的概率重新按概率由大 到小排成一个新的概率序列； 3 ，重复步骤，直到所有概率都已联合处理完为止； 4 从左边开始，沿着这个消息为出发点的路线一直走到最右边，将遇到 的二元数字依次由最低写到最高位所得的二元数字序列，就是最佳的二元非 续长代码。 但霍夫曼编码很少能达到8 ：l 的压缩比，这主要是因为霍夫曼编码依赖 于信源的统计特性，必须先统计得到信源的概率特性才能编码，这就限制了 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它的实际应用。此外，霍夫曼编码缺乏构造性，即它不能用某种数学方法建 立起消息与码字之间的一一对应关系，而只能通过某种查表的方法建立起它 们的对应关系。 3 2 2 有损压缩 有损压缩法主要是利用人的视觉特性使解压缩后的图像看起来与原始图 像一样，但实际上它们之间是存在一定误差的。有损编码是对熵进行了压缩， 从而减少了信息量，但这些损失的信息是不能再恢复的。因而这类编码技术 往往可以获得较大的压缩比。 3 22 1 预测编码 预测编码是根据图像在帧内和帧间的相关性以及人眼的视觉特性，利用 前面出现的m 个像素值来预测当前值，再将当前值与预测值之差进行量化编 码的方法【”。设x n 为待编码像素，其前面n 1 个像素为 x i i i = 1 ，n l 。在 图像信号的线性预测编码中，如用前面n 一1 个像素来预测第x n 个像素，有 x = a l x i + a 2 x 2 + + a n - i x 一l ( 3 - 1 ) 式中，丑。为x n 预测值，在线性预测中，其预测系数a i 是常数。得到的预测 值与真正待发送的x n 相减，得到预测误差e 。，即 e 。= x 一x ( 3 2 ) 显然，预测精度越高，预测误差e 。越小。重要的是，发送端编码传输的 f 是这个差值e 。( 实际中还需要将e 。实施量化编码等措施后才传输) 。毫无 疑问，通过预测，使传输的实际数据量大大减小。如果接收端采用和发送端 类似的预测形式，而且数字信号的优势之一是可以纠正信道传输产生的错码， 则接收端第n 个预测值也是x 。，即 x = a t xl + d 2 2 + + a n - 1 x 一1 ( 3 3 ) 式中，x 为接收端的第1 个预测值。上述收发两端预测编解码的基本原 理可以用图3 3 说明。 哈尔滨上程大学硕士学位论文 7 i 兰竺竺i7 1 + 一j l + 。广 z 矗 一。黼飘k 图3 3 典型预测编解码系统 因此，接收端恢复的应是预测值与经接收解码的量化值之和，即 1 = x 。+ e ” ( 3 4 ) 由式( 3 一1 ) ( 3 4 ) 可见，信号恢复时产生的误差“： q n = x 一x n = e m en l 3 - j ) 在一般的数字图像处理中，对于常见的静止图像或者变化缓慢的图像， 常见的预测编码形式有： 1 一维预测，即用于预测的点集( x l 与x n 位于同一帧图像的同一行： 2 二维预测，即用于预测的点集 x i 与x n 位于同一帧中，且 x j ) 是与 x 。处于同一行或前几行的像素； 3 三维预测，即用于预测的点集 x i 不仅与x n 有同一帧中的己编码的 像素，而且f x i 还有相邻前几帧的对应位置附近的像素。 d p c m 编码方式就是一种典型的预测编码，而且也是较为常用的一种。 采用一、二维预测，即帧内d p c m 编码，适用于压缩比要求不高的系统；三 维预测属于帧间d p c m 编码，适宣于电视或视频等压缩比要求较高并带有运 动补偿的帧间预测系统。 预测编码的不足之处是当传输过程中出现误码时，会导致解码图像中的 大片区域失真，为了防止误码的扩散，可以采取如下方法解决：传输起始时 传输第一帧以及一直到第n 帧的预测值，当第n + i 帧来临时，将预测系数 置为0 ，并传输第n + i 帧以及后面连续n 帧的预测值，这样就可以解决在预 测过程中造成的错误累积问题。说明图如图3 4 所示 哈尔滨工程火学硕士学位论文 闰 同吲 图3 4 第n + i 帧预测系数置0 3 2 2 2 运动补偿预测编码 运动补偿预测方法目前己成为会议电视、可视电话压缩编码以及广播电 视编码的主要方法【_ ”。所以从h 2 6 1 到m p e g l ，m p e g 2 无一例外地采用 了帧间运动补偿技术。它是消除时间冗余的最基本和最重要的方法。 帧间预测编码主要是用前一帧或前几帧的图像( 也可以用后几帧的图像) 对当前图像进行预测。帧间运动补偿压缩编码大致分为三个步骤： 1 相邻帧中估计运动物体的位移值即位移矢量，称为运动估值( 预 测) 或位移估值等。 2 利用所得到的运动估值进行帧问预测编码，即运动补偿。运动补偿 是把参考帧中的像素( 或像素块) 位移后作为当前帧像素( 或块) 的预测。 3 矢量或预测误差进行( 量化) 编码。显然此时的预测误差同样是一 个较小的值，即得到了较大的压缩。 图3 5 的虚线部分是运动补偿预测编码方框图，这里的运动补偿预测器 由帧存储器( 延迟单元) 、运动参数估值器及运动补偿预测器组成【8 】。当前帧 图像，( x ，y ) 进入编码器和预测帧图像：( x ，y ) 相减得到帧误差信号e ，( x ，y ) ， 再经量化器量化后得e ：( z ，y ) 输出进行编码。量化器将产生量化失真 q ( x ，y ) = p ，( x ，y ) p ：( 羔，力，量化后的信号e ： ，力和预测帧图像信号，( x ，y ) 在 另一个加法器中相加得z i 茗，y ) = f ( y ) + e ：( x ，y ) ，或不考虑量化失真，则 ，协，力即为当前帧，( 五y ) 。简单的用前帧的相应位置邻近的像素来预测当 前帧的像素能较大地压缩码率，但当物体在图像中运动时，运动部分的像素 预测值很不准确，误差值很大，因此效率不高。但一般两帧之间的运动主要 m 刮 l rll，llll，llll【 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是平移运动，且位移量不是很大，因此首先是用运动参数估值器找出物体运 图3 5 运动补偿预测编码方框图 动位移的大小并用垂直及水平方向物体的位移大小几及以，即运动矢量 v = ( n + k ) 来表示，这个过程称为运动估计( m o t i o ne s t i m a t i o n ) 。运动参 数估值器的输入一是当前帧：i 工，y ) ，二是前一帧的图像z 。( z ，y ) ( 或前几帧 或后几帧的图像) 。然后根据运动矢量将前一帧( 或前几帧或后几帧) 的运动 图像点作相应位移求出当前帧的估计值，即得到了当前帧的预测帧_ ，：( x ，y ) ， 这一过程称为运动补偿( m o t i o nc o m p e n s a t i o n ) 。运动估计得到的运动矢量不 止要在运动补偿中应用，而且将传送至解码器中，在图像解码时应用。 运动补偿预测的关键是运动参数的估值，即如何估计出最佳的运动矢量， 下面介绍比较重要的块匹配算法。 块匹配算法( b l o c km a t c h i n ga l g o r i t h m ) 是将一帧图像分成m n 个像 素的许多块，假定帧问最大水平位移和垂直位移分别为吸和矿，个像素，对 于当前帧的每一个块在前一帧相应位置开辟大小为( m + 2 矾) ( + 2 。) 的 一块搜索区，如图3 6 所示，在此搜索区内求出当前帧这一块的最佳匹配块， 然后求得运动矢量( 以，矿，) 。 衡量匹配好坏有很多准则，常用的有均方误差最小准则、绝对误差均值 最小准则以及归一化相关函数准则。 f 1 ) 均方误差( m s e ：m e a ns q u a r e de r r o r ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 mn m s e ( 7 ，舻斋善善 肥一) 一“川 川2 ( 3 - 6 ) 图3 6m n 块及前一帻的搜索区 ( 2 1 绝对误差均值( m a d ：m e a n a b s o l u t ed i f f e r e n c e ) 最小准则： m a d ( “) 2 赤e 。e 。1 i , ( x , y ) 以心“，y + j ) l ( 3 - 7 ) 式中，( x ，y ) 代表当前帧m n 像素小块，处于( x , y ) 处的灰度值； ，一，o + f ，y + j ) 代表前帧中位移了( f ，j ) 后的对应块的新坐标o + f ，y + ，) 的 灰度值。 ( 3 ) 最大归一化互相关函数( n c c f ) 准则： z ( x ，歹觇；( x + f ，y + d n c c f ( i ，) = 1 可旦旦矿矿一( 3 8 ) ，2r ( x ，y ) 】1 ” ，2 一( x + f ，y + ) “2 = 1y = ix = lv = i 和前两个相反，当n c c f 最大时为最优匹配。 块匹配算法基于两个基本假设，一是分在同一块内的像素的运动方向一 致，二是预测误差随远离匹配点而单调增加。 总之，运动估值的实时性和精确性是一对矛盾。一般来说，块匹配法能 同时满足实时和精确的要求，是一种实用的运动估计方法。但随着使用面的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不断拓宽，对运动估值的速度和精度提出了更高的要求，许多新的估值方法 将会不断出现。 3 2 2 3 离散余弦变换( d c t ) 编码 32 2 3 1 二维离散余弦变换的一般过程 离散余弦变换( d c t ) 的基本原理吲是根据图像信号的分块情况确定变 换矩阵。只要每帧图像信号的分块数足够，其随块数所确定的d c t 变换矩阵 的基向量，就和人类声像信号的统计特性非常接近。鉴于上述特点，d c t 变 换理论在目前所有的图像变换编码中晟为成熟，在实际应用中也相当广泛。 图3 7d c t 变换编解码系统框图 如图3 7 是一个d c t 变换编解码的系统框图。在图中，把图像分割成 个方块，每一块经过二维正交变换后产生一个变换系数矩阵，变换系 数各自被单独量化或编码。所有块中能量最高的系数被“细量化”，而能量最 低的系数被“粗量化”或被简单的舍弃。编码器把量化系数迸行变字长编码 ( v l c ) 。接收解码基本上是上述的逆过程，其中i d c t 为反变换，i q 为反 量化器。 对于一个像块大小为m n 的数字图像信号f ( x ，y ) ，借助于二维d c t ， 可以将图像( 即x y 平面) 变换到d c t 域( 即u v 平面) 。其二维d c t 定义 如下： 脚) = 赤嘞) c ( vm - i n 。- 1 2 ) 2 e s ( ) c o s 竽c o s 鼍竽( 3 - 9 )脚2 丽嘞) c ( v ) c 0 8 瞄鼍笋 哈尔滨工程人学硕士学位论文 其中，u = o ，1 ，m 一1 ；y = 0 ，1 ，一1 f 1 c ( “) ，c ( v ) = 压 1 1 u v = 0 “，v = 1 ，2 反变换( i d c t ) 为： m = 去善挚m v 小。s 产 x = 0 , 1 ，- - m 一1 ；j ，= 0 , 1 ，t n 1 当m = n 时，f ( x ，y ) 的正反变换分别为： c o s ( 2 y + 1 ) v n 2 f ( u ，v ) = d c t f ( x ，y ) d c t f ( x ，y ) = d c t f ( u ，v ) d c 邪7 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) f 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 其中 d c r 】为二维d c t 的变换矩阵， d c r 7 是【d c r 】的转置矩阵。 设有一个亮度抽样信号值为f ( x ，y ) 。的图像信号如式3 1 4 所示， f ( x ，y ) 8 。8 = 经过d c t 变换后，得到 2 0 ( 3 1 4 ) 4 4 2 9 5 o 3 8 9 9 8 7 8 8 8 7 4 5 4 1 9 2 o 8 g 8 7 8 7 8 8 7 6 6 8 o 8 8 9 5 8 8 7 8 7 7 7 7 2 3 o 6 8 5 7 5 & 8 8 8 7 7 6 7跎跎他卯凹孔的 9 6 7 5 5 8 1 8 7 7 6 7 7 6 7 7 5 8 5 6 o 3 6 7 7 7 7 7 7 6 7 7 9 6 2 4 3 9 6 2 7 7 7 7 7 6 7 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f ( u ，v ) 8 。8 = f 3 1 5 ) 通过对原信号矩阵的分析，并结合m p e g 标准推荐的亮度信号量化矩阵 表，设定量化矩阵 q ( u ，v ) = 1 61 11 0 1 21 21 4 1 41 31 6 1 41 72 2 1 82 23 7 2 43 55 5 4 96 47 8 7 2 9 29 5 则经量化后的矩阵为 k ( u ，v ) = 2 4 2 6 4 0 5 1 6 8 8 1 1 0 3 1 1 2 4 0 5 8 5 7 8 7 1 0 9 1 0 4 1 2 1 1 0 0 5 1 6 0 6 9 9 0 1 0 3 1 1 3 1 2 0 1 0 3 6 1 5 5 5 6 6 2 7 7 9 2 1 0 1 9 9 r 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 由( 3 1 5 ) 式可以发现，通过d c t 可以将时域分布随机的系数，变换到频 率域系数绝对值较大者集中到矩阵左上区域，并以左上角( 能量) 最大。系 数中位于矩阵左上角的是直流系数，其他6 3