第6章 壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)

第6章多媒體數(shù)據(jù)的壓縮本章要求

1、了解數(shù)據(jù)壓縮的必要性和數(shù)據(jù)中存在的各種冗余2、熟悉數(shù)據(jù)壓縮的基本原理和常用的數(shù)據(jù)壓縮方法3、掌握無損壓縮的編碼算法

（行程編碼哈夫曼編碼算術(shù)編碼）4、了解有損壓縮的編碼算法（統(tǒng)計(jì)編碼預(yù)測編碼、變換編碼）5、熟悉常用多媒體數(shù)據(jù)壓縮的標(biāo)準(zhǔn)6.1數(shù)據(jù)壓縮概述

1、

壓縮的必要性

聲音、圖像、視頻和動畫的數(shù)據(jù)量太大聲音1分鐘立體聲音樂采樣頻率為44.1KHZ，16位量化精度的數(shù)據(jù)量為

44.1*1000*16*2*60/8=10.09MB

存儲一首4分鐘的歌曲約需40MB圖像

1副640*480的RGB彩色圖像的存儲容量為

640*480*24/8=900KB視頻

1秒鐘（25幀/秒）的視頻數(shù)據(jù)量為

25*900KB=21.97MB1張650MB的CDROM光盤只能存儲約650/21.97=29.59秒的視頻空間冗余：圖像內(nèi)部相鄰像素之間的相關(guān)性時(shí)間冗余：視頻序列中前后幀之間的相關(guān)性視覺或聽覺冗余（人眼或人耳具有一定的掩蔽效應(yīng)）知識冗余（具有規(guī)律性的結(jié)構(gòu)，用于圖像理解上，如人臉）統(tǒng)計(jì)冗余（字符出現(xiàn)的頻率具有一定的規(guī)律性）結(jié)構(gòu)冗余（具有紋理結(jié)構(gòu)的圖像區(qū)域）信息熵冗余（即編碼冗余，用相同位數(shù)進(jìn)行編碼產(chǎn)生的冗余）2數(shù)據(jù)冗余6.2數(shù)據(jù)壓縮的基本原理1、信息編碼基礎(chǔ)壓縮的實(shí)質(zhì)：根據(jù)數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系將數(shù)據(jù)從一種編碼映射為另一種編碼，又叫壓縮編碼。編碼器（壓縮）存儲器或網(wǎng)絡(luò)解碼器（解壓縮）輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)壓縮過程數(shù)據(jù)壓縮方法的衡量指標(biāo)

壓縮率：越大越好

壓縮質(zhì)量：數(shù)據(jù)失真越小越好

壓縮與解壓縮的速度：速度越快越好2、數(shù)據(jù)壓縮方法無損壓縮有損壓縮混合編碼預(yù)測編碼變換編碼PCM編碼DPCM編碼ADPCM編碼幀間預(yù)測編碼離散余弦變換K-L變換小波變換JPEGMPEGH.261行程編碼哈夫曼編碼算術(shù)編碼香農(nóng)編碼LZW編碼統(tǒng)計(jì)編碼6.3數(shù)據(jù)壓縮的編碼算法無損壓縮編碼算法行程編碼哈夫曼編碼算術(shù)編碼

有損壓縮編碼算法

PCM（脈沖編碼調(diào)制）預(yù)測編碼變換編碼重點(diǎn)一、無損壓縮原理：

減少或去除數(shù)據(jù)中的冗余；優(yōu)點(diǎn)：可以無失真地還原成原來的數(shù)據(jù)；缺點(diǎn)：但是壓縮比率較小，一般在2：1到5：1之間；應(yīng)用：壓縮數(shù)據(jù)或程序；1.行程編碼（游程編碼）原理:將連續(xù)相同的數(shù)據(jù)序列用重復(fù)次數(shù)和單個(gè)數(shù)據(jù)來表示。應(yīng)用：用于圖像文件的壓縮（尤其適合于由計(jì)算機(jī)生成的圖像）如bmp和tiff等圖像格式。

（1）多值信息的編碼

編碼格式：信息重復(fù)次數(shù)+被重復(fù)的信息

例：字符串為：atttefppppppddddss 行程編碼為：a3tef6p4d2s

（2）二值信息的編碼

編碼格式：0或1重復(fù)的次數(shù)

例如二進(jìn)制數(shù)據(jù)流為000111111000001111假設(shè)行程約定以0開始，則編碼為：3654若約定以1開始，則編碼為：036542.哈夫曼（Huffman）編碼算法步驟（1）按照符號出現(xiàn)的概率大小進(jìn)行排序（2）把最小的兩個(gè)概率值相加，得到一個(gè)新的概率序列（3）重復(fù)上述兩個(gè)步驟，直到概率值為1（4）從后往前進(jìn)行編碼，概率大的賦予1，概率小的賦予0。（反過來也可以)（5）寫出每個(gè)符號的碼字例1：字母ABCDE出現(xiàn)的概率分別為0.15、0.25、0.1、0.37和0.13，其哈夫曼編碼為：P(C)=0.1P(E)=0.13P(CE)=0.23P(A)=0.15P(ACE)=0.38P(B)=0.25P(D)=0.37P(BD)=0.62P(ACEBD)=100001111A:00B:10C:010D:11E:011

假設(shè)共有100個(gè)字符,若采用等長編碼，每個(gè)字符至少需要3位二進(jìn)制，100個(gè)字母需要300位，采用哈夫曼編碼則只需要15*2+25*2+10*3+37*2+13*3=223位。壓縮比為300：223=1.34：1例2：字母ABCDE出現(xiàn)的概率分別為0.53、0.25、0.07、0.05和0.1，其哈夫曼編碼為：A:1B:01C:0011D:0010E:000

若采用等長編碼，至少需要3位二進(jìn)制，100個(gè)字母需要300位，采用哈夫曼編碼則需要:53*1+25*2+7*4+5*4+10*3=181位壓縮比為300：181=1.65:10P(E)=0.1P(D)=0.05P(C)=0.07P(DC)=0.12P(EDC)=0.22P(B)=0.25P(EDCBA)=1000111P(EDCB)=0.47P(A)=0.53013、算術(shù)編碼編碼原理：將被編碼信源表示為[0，1）區(qū)間的一個(gè)實(shí)數(shù)，根據(jù)各符號出現(xiàn)的概率構(gòu)造其所在區(qū)間，隨著信息字符的不斷出現(xiàn)，其所在區(qū)間越來越小，對應(yīng)表示的實(shí)數(shù)也越來越小。例：假設(shè)有一個(gè)4個(gè)符號的信源A={a1，a2，a3，a4}，各符號出現(xiàn)的概率及起始編碼區(qū)間如下表：信號字符出現(xiàn)概率起始編碼區(qū)間a10.2[0,0.2)a20.4[0.2,0.6)a30.2[0.6,0.8)a40.2[0.8,1.0)新區(qū)間的計(jì)算方法：新區(qū)間起始位置：前面區(qū)間起始位置+當(dāng)前區(qū)間左端*前面區(qū)間長度

新區(qū)間長度：當(dāng)前符號的概率*前面區(qū)間長度假設(shè)要傳送的消息為a1a2a3a2，算術(shù)編碼的過程為：①a1，取值區(qū)間為[0，0.2)②a2，起點(diǎn)：0+0.2*0.2=0.04，長度0.4*0.2=0.08，新區(qū)間為[0.04，0.12)③a3，起點(diǎn)：0.04+0.6*0.08=0.088，長度0.2*0.08=0.016，新區(qū)間為[0.088，0.104)④a2，起點(diǎn)：0.088+0.2*0.016=0.0912，長度0.4*0.016=0.0064，新區(qū)間為[0.09120.0976)編碼結(jié)果：0.0912信號字符出現(xiàn)概率編碼范圍a10.2[0,0.2)a20.4[0.2,0.6)a30.2[0.6,0.8)a40.2[0.8,1.0)信息：a1a2a3a2信源符號0.20.120.1040.097600.040.0880.0912輸出區(qū)間內(nèi)任一數(shù)編碼區(qū)間a4a3a2a10.20.60.801二、有損壓縮原理：

減少或去除數(shù)據(jù)中的冗余，壓縮時(shí)會丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)，且丟失的數(shù)據(jù)無法恢復(fù)；優(yōu)點(diǎn)：壓縮比率較大；缺點(diǎn)：解壓縮以后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)不完全一致；應(yīng)用：壓縮視頻、圖像和音頻等；1.PCM（PulseCodeModulation,脈沖編碼調(diào)制）采樣：按固定時(shí)間間隔獲取一個(gè)樣本值量化：按允許的誤差將樣本對應(yīng)到近似的數(shù)值（幅度上的離散化）。有均勻量化和非均勻量化。編碼：用二進(jìn)制代碼表示采樣量化后的樣本值。2.預(yù)測編碼（1）DPCM（差分脈沖編碼調(diào)制）編碼器量化器輸入預(yù)測器編碼器信道信道s+-ee’++s’s”編碼器預(yù)測器++s’s”e’輸出解碼器原始信號為：s，預(yù)測器產(chǎn)生的預(yù)測值為：s”預(yù)測誤差：e=s-s”發(fā)送端：發(fā)送經(jīng)過量化的誤差e’接收端：用相同的預(yù)測器獲得預(yù)測值s”,

輸出s’=s”+e’最終誤差為：

s’-s=s”+e’-s=e’–(s-s”)=e’-e（即量化器產(chǎn)生的量化誤差）（2）ADPCM（自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制）

自適應(yīng)量化：當(dāng)信號分布不均勻時(shí)，能隨輸入信號的變化改變量化區(qū)間的大小。自適應(yīng)預(yù)測：采用過去的樣本值估算下一個(gè)輸入樣本的預(yù)測值，得到最小的實(shí)際樣本值與預(yù)測值之間的差值。（3）幀間預(yù)測編碼

利用視頻圖像各幀之間的時(shí)間相關(guān)性，減少幀內(nèi)圖像信號的冗余，即不直接傳送當(dāng)前幀的像素值，而是傳送x和其前一幀或后一幀對應(yīng)像素x’之間的差值。運(yùn)動補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測幀間內(nèi)插法（4）線性預(yù)測編碼（LinearPredictiveCoding,LPC）

采用過去的樣本值，以一種前向反饋的方式預(yù)測當(dāng)前采樣值，預(yù)測值可以用過去p個(gè)樣本值的線性組合來表示。該方法被廣泛應(yīng)用于語音處理。3.變換編碼將圖像信號從一個(gè)域（如時(shí)間域）變換到另外一個(gè)域（如頻率域），然后對變換后的信號進(jìn)行量化與編碼。正交變換前兩個(gè)樣本的聯(lián)合事件正交變換后兩個(gè)樣本的聯(lián)合事件例:有兩個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)樣本x1和x2,每個(gè)樣本采用3bit編碼,各自都有8個(gè)幅度等級,兩個(gè)樣本的聯(lián)合事件共有64種可能,用64個(gè)點(diǎn)表示。對一般的像來說,兩個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)樣本很有可能出現(xiàn)近似的幅度,即很可能出現(xiàn)在x1=x2直線附近。對該數(shù)據(jù)進(jìn)行正交變換，將坐標(biāo)系逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度，在新坐標(biāo)系中y1對應(yīng)到x1=x2這條直線，那么變換后的數(shù)據(jù)樣本集中在y1軸上，對這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行量化、編碼和傳輸，其他數(shù)據(jù)不做處理，這樣就達(dá)到了壓縮數(shù)據(jù)的目的。常用的變換編碼方法有：1、K-L變換2、傅立葉變換3、離散余弦變換等1．電話語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)：帶寬為200Hz～3.4kHz，采樣頻率為8kHz，8位量化，傳輸速率為64kb/s

語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)：G.722（64kb/s）、G.721（32kb/s）、G.728（16kb/s）和G.729（8kb/s）

應(yīng)用：數(shù)字電話通信。

6.4 常用多媒體數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)

6.4.1音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)2.調(diào)幅廣播語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)：帶寬為50hz～7khz的調(diào)幅廣播語音，使用16kHz采樣頻率和14位量化位數(shù)時(shí)，所對應(yīng)的速率為224kb/s。

語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)：G.722應(yīng)用：優(yōu)質(zhì)語音、音樂、音頻會議和視頻會議等。3．高保真立體聲的寬帶音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)：采樣頻率44.1kHz，用16位量化，速率為每聲道705kb/s。語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)：MPEG音頻MPEG-1音頻：層Ⅰ（簡化的ASPEC）層Ⅱ（即MUSICAM，又稱MP2）層Ⅲ（又稱MP3）。

MPEG-2音頻：多聲道，5.1聲道形式及7.1聲道形式

應(yīng)用：影劇院、家庭影院系統(tǒng)，及將來的高清晰度電視（HDTV）。6.4.2靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG（jointphotographicexpertsgroup）聯(lián)合照片專家組

1.JPEG標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)于彩色和單色多灰度或連續(xù)色調(diào)的靜止數(shù)字圖像。支持很高的圖像分辨率和量化精度，具有較高的壓縮比和圖像質(zhì)量。包含了基于DCT的有損壓縮方法和基于預(yù)測方法的無損壓縮方法。

2.JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)

特征：支持低比特率傳輸，支持無損和有損壓縮，象素精度和分辨率的漸進(jìn)式傳輸，感興趣域編碼，隨機(jī)碼流訪問和處理。經(jīng)典算法：包含三個(gè)部分：小波變換、畫布坐標(biāo)系統(tǒng)、嵌入式優(yōu)化截?cái)嗑幋a（EBCOT）。

壓縮標(biāo)準(zhǔn)屏幕比例分辨率幀頻備注MPEG-14：3352x24029.97NTSC制式MPEG-14：3352x28825PAL制式MPEG-24：3720×48029.97NTSC制式MPEG-24：3720×57625PAL制式HDTV16：91920*1080p60逐行，但并沒有信號源HDTV16：91920*1080i60隔行掃描，中國標(biāo)準(zhǔn)HDTV16：91280*720p60逐行，中國標(biāo)準(zhǔn)6.4.3運(yùn)動圖像和視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG：運(yùn)動圖像專家組（MovingPictureExpertsGroup）

MPEG標(biāo)準(zhǔn)和HDTV標(biāo)準(zhǔn)視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)1．H.261和H.263標(biāo)準(zhǔn)國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)組織ITU-T制定H.261：主要用來支持在ISDN上進(jìn)行可視電話、視頻會議和其它視聽服務(wù)。H.263：主要用于公共電話交換網(wǎng)絡(luò)（PSTN）上的視頻會議和其它可視化服務(wù)，旨在以盡可能低的碼率（64kpbs以下）進(jìn)行通信。2．H.26L標(biāo)準(zhǔn)

在所有碼率下都能持續(xù)提供較高的視頻質(zhì)量。

支持的