数据压缩第章 绪论

第1章绪论1.1数据压缩的必要性1.2数据压缩的可行性1.3数据压缩技术的分类1.4数据压缩的标准和应用1.1数据压缩的必要性

例1.以一般彩色电视信号为例，设代表光强、色彩和色饱和度的YIQ空间中各分量的带宽分别为4MHz、1.3MHz和0.5MHz。根据采样定理，仅当采样频率大于或等于2倍的原始信号的频率时，才能保证采样后的信号可被保真地恢复为原始信号。

再设各样点均被数字化为8bit，从而1秒钟的电视信号的数据量为（4＋1.3＋0.5）×2×8bit=92.8Mbit

因而一张640MB容量的CD[CD*2]ROM能够存放的原始电视数据（每字节附有2位校验位）为

640×8／［92.8×(1+0.25)］=44s也就是说，一张普通光盘只能存放44s的原始数据。1.1数据压缩的必要性

例2.

我们再来看看语音信号的数据量，人在正常说话时的音频一般在200Hz～3.4kHz，即人类语音的带宽为3.4kHz。同样依据采样定理，并设数字化精度为8bit，则每秒的数据量为3.4kHz×2×8=54.4kbit在上述采样条件下讲一分钟话的数据量约为400kbit。表1-1列出了支持语音、图像、视频等多媒体信号高质量存储和传输所必需的未压缩速率以及信号特性。1.1数据压缩的必要性表1-1各种信号的特性和未压缩速率

显然，对于多媒体处理系统所要求的语音与音频、图像、视频、文本、数据的结合，信号进行有效的存储和传输之前，必须进行处理，而最关键的处理方法是进行数据压缩。多媒体信息压缩技术的对象主要是视频、音频和文本信息这三大类。例如，现代数字压缩技术可以对多数图像实现大于100∶1的压缩比，而质量没有重大损失。1.2数据压缩的可行性数据中通常包含很大的冗余，数据的大小与所携带的信息量的关系由下式给出：I=D-r(1-1)其中，I、D、r分别为信息量、数据量与冗余量。以存储一本200万字的中文百科全书为例，每个汉字以2字节计算，该书的数据量为4MB。我们只要使用后面介绍的Huffman算法，就可简单地将大约2MB左右的冗余数据寻找出来并压缩掉，这样就可以节省出2MB的存储空间。图1-1空间冗余1．空间冗余空间冗余是在图像数据中经常存在的一种冗余。在任何一幅图像中，均有许多灰度或颜色都相同的邻近像素组成的局部区域，它们形成了一个性质相同的集合块，即它们之间具有空间（或空域）上的强相关性，在图像中就表现为空间冗余。例如，图1-1是一张俯视图，图中央的黑色是一块表面均匀的积木块，在图中，黑色区域所有点的光强和色彩以及饱和度都是相同的，因而黑色区域的数据表达有很大的冗余。对空山间冗塔余的贪压缩钥方法场就是舞把这肾种集聚合块犁当作削一个逐整体歌，梳用极井少的锹数据缝量来删表示莫它，和从构而节伍省了升存储舞空间漆。玩这种寨压缩炸方法扎叫空甜间压范缩或踩帧内菌压缩尖，倾它的恰基本琴点就奥在于腐减少禁邻近移像素台之间挂的空域间（姓或空义域）简相关泳性。2．时间诱冗余时间补冗余移是活浅动图材像和嘉语音还数据铲中经挨常包手含的枪冗余奏。炭活动以图像桥中的筐两幅拔相邻羽的图做像有泡较大亮的相拉关性阵，枝这反猾映为喊时间蝴冗余恶。搬同理丸，车在语陆音中轿，让由于灭人在倍说话废时其眯发出市的音惯频是矩一个割连续体和渐藏变的哀过程召，蚕而不除是一随个完野全的终时间带上独译立的椒过程秩,滤因而鸟存在斧着时耽间冗驼余。醋图浸1-搞2中蚕F乞1帧中中有慨一辆往汽车藏和一僵个路房诚标P秤，闪在经膛过时歌间T能后的功图像技F2堡仍包铲含以极上两油个物番体，只是冒小车链向前撞行驶却了一颜段路摔程。另此宜时，F1和F2是时寨间相尼关的播，吧后一梳幅图痛像F2在参服照图烫像F1的基秆础上伯只需背很少响数据们量即上可表置示出造来，痰从算而减打少了险存储绣空间显，我实现两了数槽据压培缩。偷这抛种压假缩对宏运动锡图像锁往往窝能得晒到很阅高的络压缩污比，拳这筐也称万为时隔间压罚缩或贸帧间核压缩枯。图1径-2蛮时萍间冗党余3．信息陡熵冗精余（绣编码村冗余浅）所谓骗信息逐熵，义是发指数抢据所绣带的塔信息腾量。肌信具息量弦是指谋从N个相桥等可尺能事津件中番选出研一个娃事件脊所需理要的丝式信息菊度量嚼或含袖量，例即巧在N个事润件中台辨识薄一个技特定吉事件秧的过册程中旱需要馒提问魔“是醋”或斜“否走”的旨最少乏次数扯。烂将信懂源所博有可值能事笑件的垦信息漆量进签行平乒均，叔就金得到残信息排的“易熵”仓（En哑tr蝴op拢y）。仗昌熵就掌是平坚均信辨息量璃。督通常蠢，耐信息载熵的嫌数学让表达娃式为（1戚-2镜）式中来，Pi为任恶意一渗个数i的概番率，k为数扫据类首数或殃码元声的个富数。沟设正单位舰数据枝量d为（1补-3通）图1针-3世结构远冗余珍示意百图5．知识王冗余人们你通过请认识季世界秤而得嫩到某期些图离像所捏具有妙的先逮验知蜻识和置背景见知识重，塔由此史带来垦的冗施余称使为知葬识冗密余。当例橡如，誉人弹脸的痛图像拣有固作定的鹊结构市，店嘴的付上方慨有鼻护子，促鼻撕子的蛛上方嫌有眼兽睛，沉鼻甜子位原于正虹脸图岛像的犯中线限上等束等。宿这脚类规炸律的碗结构葵可由韵先验融知识群和背扛景知崖识得耍到，搏因圣此这栏类信命息对铜一般约人来帜说是渴冗余片信息筛。6．视觉址冗余在多役媒体尼技术换的应垄用领代域中扭，尾人的遵眼睛贞是图身像信贡息的魄接收萌端。肺而返人类忆的视反觉系拖统并邮不能棕对图他像画钱面的管任何麻变化秀都能袜感觉纯到，朝视罗觉系蛋统对循于图葡像场尼的注楼意是歉非均赶匀和影非线绳性的属，伴即注阴意主茎要部夫分质明量，籍同燥时取带画面遮的整手体效哥果，锅不连拘泥敲每一娱个细额节。例如摊，配人的肺视觉鲜对于众图像驱边缘壁的急铃剧变勾化不高敏感静，少对图撒像的浸亮度负信息用敏感原，毁对颜炊色的弟分辨弦率较堡弱等煎。到因此堆，麦如果葬图像川经压疏缩或折量化锄发生滩的变解化（远或称巴引入餐了噪棕声）菊不能押被视贝觉所胆感觉遭，银则认武为图庄像质次量是芝完好醋的或遮是够馅好的笔，浩即图侄像压诵缩并川恢复片后仍有阅满意豆的主陶观图昨像质敞量。7．其他筹冗余多媒搁体数堡据除碍了具住有上督面所当说的美各种伍冗余蛇外，勺还献存在况一些论其他束的冗绞余类飘型。齿例恩如，撞图均像的遍空间侮非定兽常特展性所寇带来率的冗双余等笋。空间盈冗余引和时轮间冗津余是币将图机像信领号看炉作为泰随机会信号阻时所耳反映壶出的烤统计其特征查，科因此诵有时删把这忧两种帅冗余绒称为访统计游冗余隶。挤它们胳也是圣多媒甘体图陆像数吐据处赤理中吵两种括最主背要的乖数据瘦冗余牙。1.植3血数据泥压缩量技术省的分盾类⑴信息活熵编的码：H蜘uf战fm或an唯编码柳，行处程编屋码，算术居编码隔，LZ木W编浪码⑵预测识编码：差哗分线纷性预受测D矩PC亩M，号自适解应线粪性预设测绕A允DP蕉CM羊，运动封补偿稳帧间鹊线性诉预测失；非吸线性艺预测⑶变换绘编码：最笼优正生交变娃换（殊KL辜T）爷,离珠散傅坏立叶关变换层（D词FT哑）纪离散肢余弦炎变换长（D造CT笨）,则W渣HT裤变换知，w捷av惰el隶et勇变换1.低3差数据夫压缩熄技术砍的分毕类⑷矢量批量化盖编码：多撞段式枯，分呢离式鸭，全水搜索谱式⑸子带惜编码：分邪频带款法，星块切俭割法⑹模型怎编码趋（参门数编花码）：结抗构编迷码，横基于陡知识蛾的编坐码，盏分析绳／识课别合真成编凤码，偿分形励（Fr滥ac惧ta滑l）编舒码⑺混合谨编码：JP我EG编码议，MP翁EG编码锣，P×挥64编码1.浙4蔑数据咐压缩丸的标援准和析应用标准简称标准化组织标准主要用途标准通过时间标准编号H.261ITU-T电视电话、会议电视90年12月ITU-TRec.H.261JPEGISO/IEC静止图像（灰度和彩色）91年3月ISO/IEC10918MPEG-1ISO/IEC数字存储媒体92年6月ISO/IEC11172MPEG-2ISO/IEC常规电视和HDTV93年11月ISO/IEC1381