多媒体技术基础及应用教学课件-2

1、1第4章 多媒体数据压缩编码技术4.1 多媒体数据压缩编码的重要性和分类4.2 量化 4.3 统计编码4.4 预测编码4.5 变换编码4.6 多媒体数据压缩编码的国际标准2第4章 多媒体数据压缩编码技术本章重点掌握静态图像压缩编码的国际标准(JPEG) 3第4章 多媒体数据压缩编码技术本章讲课思路:静态图像压缩编码的国际标准(JPEG)变换编码统计编码预测编码数据压缩的基本概念4第一部分数据压缩的基本概念5数据压缩的基本概念1.什么叫数据压缩？2.多媒体数据压缩的必要性3.多媒体数据压缩的可能性4.数据压缩技术实现的可能性5.数据压缩标准及应用61.什么叫数据压缩？定义（1）:数据压缩就是以最

2、少的数码表示信源所发的信号，减少容纳给定消息集合或数据采样集合的信号空间。 4.1 多媒体数据压缩编码的重要性和分类7“信源”可以是数据、静止图象、语音、电视或其他需要存储和传输的信号；“信号空间”是指信号集合所占的空域、时域和频域空间。“最少”是指在保证信源的一定质量或者说是有效的前提下的最少。 1.什么叫数据压缩？8空域、时域和频域空间是指：1.物理空间：如存储器、磁盘、磁带、光盘等数据存储介质。2.时间区间：如传输给定信源所需的时间。3.电磁频谱区域：如传输给定信源所需的带宽。 1.什么叫数据压缩？92.多媒体数据压缩的必要性 多媒体信息包括文本、声音、动画、图形、图像以及视频等多种媒体

3、信息。经过数字化处理后其数据量是非常大的，如果不进行数据压缩处理，计算机系统就无法对它进行存储和交换。 10多媒体数据数字化后的海量性512个像素512个像素一幅512512的彩色图像，每像素用8bit表示，则其大小为：51251283=629145bit 6.3M bit =768kB（1）彩色图象数据11多媒体数据数字化后的海量性上述彩色图像按NTSC制，每秒钟传送30帧，其每秒的数据量为：6.3Mbit 30帧/s =188M bit/s = 23.5MB/s一个650MB的硬盘可以存储的图象为：650MB /23.5MB/s = 27.5s（秒） 12多媒体数据数字化后的海量性双通道立

4、体声激光唱盘（CD-A），采样频率为44.1kHz，采样精度为16位/样本，其1秒钟的音频数据量为：44.1103162 =1.41Mb/s一个650MB的硬盘可以存储约1小时的音乐。 （2）音频数据13多媒体数据中存在不存在“数据冗余”吗？（1）信息量与数据量的关系 I = D du其中：I 信息量 D数据量 du冗余量 3.多媒体数据压缩的可能性14多媒体数据中存在不存在“数据冗余”吗？（2）语音数据中文广播员一分钟读180个汉字,一个汉字存储两个字节,共需360个字节。采样频率为8kHz。采样1分钟,其数据量为：8K/s60s = 480 K B/分一分钟的数据冗余为480KB/360B

5、=1000（倍）的冗余 15多媒体数据中存在不存在“数据冗余”吗？（3）图像数据的数据冗余 空间冗余 时间冗余16空间冗余 空间冗余也称为空域相关，一幅图像是由若干个像素组成的，在相邻像素之间相关性很大，有很大的信息冗余，这就是空间冗余。 17 空间冗余 例: 图像中的“A”是一个规则物体。光的亮度、饱和度及颜色都一样，因此，数据A有很大的冗余。A18时间冗余 时间冗余也称为时域相关。在运动图像中，相邻帧之间也存在着很大的相关性。 19时间冗余 例: 序列图像F2F1AA20结构冗余纹理的统计冗余图像区域的相同性冗余知识冗余视觉冗余信息熵冗余（4）其它类型的数据冗余21结构冗余 有些图像有非常

6、强的纹理结构。图像的像素值存在着明显的分布模式。例如，方格状的地板图案、草席图结构等。我们称此为结构冗余。 22纹理的统计冗余 有些图像纹理尽管不严格服从某一分布规律，但是它在统计的意义上服从该规律。利用这种性质也可以减少表示图像的数据量，所以我们称之为纹理的统计冗余。 23图像区域的相同性冗余 是指在图像中的两个或多个区域所对应的所有像素值相同或相近，从而产生的数据重复性存储，这就是图像区域的相似性冗余。 24知识冗余图像的理解与某些基础知识有关。例:人脸的图像有同样的结构：嘴的上方有鼻子，鼻子上方有眼睛，鼻子在中线上 25 视觉冗余 人类的视觉系统对图像场的敏感区是非均匀和非线性的。然而，

7、在记录原始的图像数据时，通常假定视觉系统是线性的和均匀的，对视觉敏感和不敏感的部分同等对待，从而产生了比理想编码（即把视觉敏感和不敏感的部分区分开来编码）更多的数据，这就是视觉冗余。 例:人类视觉分辨率为2 ，但常用2 就是数据冗余。6826信息熵冗余信息量： 指从N个相等的可能事件中选出一个事件所需要的信息度量和含量。信息熵：指一团数据所带的信息量，平均信息量就是信息熵（entropy）。27 从数据压缩技术的发展历程来看，目前有五个因素成就了计算机多媒体数据压缩的可能性。4.数据压缩技术实现的可能性28 第一，经典的数据压缩技术，建立在信息论的基础上，成功的研究了数据压缩的理论极限和数据压

8、缩的基本途径。系统的理论研究成就了今天的压缩技术。 4.数据压缩技术实现的可能性29 第二，信号处理能力迅速提高，VLSI在数字信号处理器上的应用和高速微处理器在计算机中的应用，大大提高了计算机能力，使原来很复杂的压缩算法能够得到迅速的处理。 4.数据压缩技术实现的可能性30 第三，基于主观感觉的失真衡量体系解决了多媒体应用产品的性能评价问题。多媒体的应用大多在声音、音乐和视频方面，接受者最终是人的耳朵和眼睛，这样是有损压缩得到广泛的应用，提高了压缩比。 4.数据压缩技术实现的可能性31 第四，压缩编码标准的建立，奠定了技术产业化的基础，减少了制造商和服务商的风险，他们在产品中融入了压缩方法。

9、 4.数据压缩技术实现的可能性32 第五，网络、计算机和通信技术的不断融合和进步提供了新的需要并提供高了数据压缩实现的接受程度，使数据压缩技术得到迅速的提高。 4.数据压缩技术实现的可能性334.数据压缩方法的分类根据质量有无损失可分为有损失编码和无损失编码。按照其作用域在空间域或频率域上分为：空间方法、变换方法和混合方法。根据是否自适应分为自适应性编码和非自适应性编码。34按编码算法原理的分类 (1) 预测编码 (2) 变换编码 (3) 量化与向量量化编码 (4) 信息熵编码 (5) 子带编码 (6) 结构编码 (7) 基于知识的编码35编码方法可以分成下述三类： 1.考虑信源的统计特性：预

10、测编码方法、变换编码方法、矢量量化编码方法、子带小波编码方法、神经网络编码方法等；2. 考虑人眼视觉特性：基于方向滤波的图像编码方法，基于图像轮廓纹理的编码方法；3.考虑图像传递景物特性：分形编码，基于内容的编码方法。 365.数据压缩标准及应用多媒体技术的关键技术之一是关于多媒体数据压缩（编码）和解压（解码）算法。为了解决不同厂家产品的兼容性问题，国际标准化协会ISO，国际电子学委员会IEC,国际电信协会ITU等国际组织于90年代领导制定了三个重要的多媒体国际标准：JPEG标准；H.261标准；MPEG标准。375.数据压缩标准及应用JPEG标准全称为“多灰度静态图像的数字压缩编码”，是用于

11、静态图像压缩的国际标准。385.数据压缩标准及应用目前已有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等3个国际标准，正在完成的有2个：MPEG-7和MPEG-21。MPEG压缩标准用于数字卫星广播、高清晰电视、数字录象机以及网络环境下的电视点播（VOD）、DVD等各方面。395.数据压缩标准及应用MPEG-7标准（ISO/IEC 15938）名称叫“多媒体内容描述接口”，是一个关于表示音/视信息的信息的标准。MPEG-21标准（ISO/IEC 18034），正式名称叫“多媒体框架”。MPEG-21的目标是用于通过网络实现数字内容的电子交易。405.数据压缩标准及应用H.261标准主要用于视频电话

12、和视频会议。目前还有H.263标准和H.264标准。 411.量化原理 （1）数据压缩编码中的量化处理，是指以PCM码作为输入，经正交变换、差分、或预测处理后，熵编码之前，对正交变换系数、差值或预测误差的量化处理。 4.2 量化42（2）量化输入值的动态范围很大，需要以多的比特数表示一个数值，量化输出只能取有限个整数，称作量化级，希望量化后的数值（样本）用较少的比特数便可表示。（3）量化处理是一个多对一的处理过程，是个不可逆过程。（4）量化处理中有信息丢失，或者说，会引起量化误差（量化噪声）。432.量化器的设计（1）给定量化分层级数，满足量化误差最小。（2）限定量化误差，确定分层级数，满足以

13、尽量小的平均比特数，表示量化输出。 443.量化方法分类 量化方法标量量化矢量量化均匀量化非均匀量化自适应量化454.标量量化 标量量化是对单个样本或单个参数的幅值进行量化。“标量”是指被量化的变量维数，即一维变量。46均匀量化特性曲线 均匀量化 47均匀量化特性曲线 步长点量化器步长。过载点；输出阶。量化输出值若是n位，则称为n位量化器。 均匀量化 48均匀量化特性曲线 步长点量化器步长。过载点；输出阶。量化输出值若是n位，则称为n位量化器。 均匀量化 49均匀量化特性曲线 步长点量化器步长。过载点；输出阶。量化输出值若是n位，则称为n位量化器。 均匀量化 50输出阶层数为L的量化器，输出值的位数 （位）。输出量化位数为n的量化器，输出阶数 （位）。均匀量化 51非均匀量化特性曲线 非均匀量化 横轴的量化间隔是不唯一的 525.矢量量化 矢量量化编码是近年来图像、语音信号编码技