數(shù)據(jù)壓縮預(yù)測編碼

第5章預(yù)測編碼

具有M種取值的符號(hào)序列，第L符號(hào)的熵滿足：預(yù)測

1第5章預(yù)測編碼

5.1DPCM基本原理工作過程：1）先發(fā)送

2）在基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測，得到預(yù)測值；3）差分，量化和編碼4）重復(fù)一樣的過程，預(yù)測器必須相同

25.2最佳線性預(yù)測非時(shí)變線性預(yù)測：預(yù)測誤差：一、MMSE線性預(yù)測預(yù)測誤差的均方值MSE最小的必要條件35.2最佳線性預(yù)測定義自相關(guān)函數(shù)得到由于自相關(guān)函數(shù)滿足當(dāng)廣義平穩(wěn)時(shí)有45.2最佳線性預(yù)測得到實(shí)對稱的Toeplitz矩陣，正定，可逆。如果各態(tài)歷經(jīng)的且N足夠大由上述方法求出的最佳預(yù)測系數(shù)得到的最小均方誤差55.2最佳線性預(yù)測二、預(yù)測階數(shù)的選擇當(dāng)N

足夠大使預(yù)測誤差不相關(guān)再增大N不會(huì)使均方誤差在減小。若為N

階馬爾克夫過程，則用N階預(yù)測。例5-2設(shè)為一階馬爾克夫序列，其相關(guān)系數(shù)求解的公式若N=1，則65.2最佳線性預(yù)測誤差：有若加大N=2,與N=1時(shí)的預(yù)測表達(dá)式完全相等。75.3音頻信號(hào)與聽覺感知人耳可聽到的聲音頻率范圍：20Hz~20KHz一、語音信號(hào)的時(shí)域冗余度1、幅度非均勻分布2、樣本間的相關(guān)性3、基音之間的相關(guān)性語音濁音（嗓音）清音（非嗓音）4、話音間隔5、長時(shí)自相關(guān)函數(shù)85.3音頻信號(hào)與聽覺感知二、語音信號(hào)的頻域冗余度1、非均勻的長時(shí)功率譜密度2、語音特有的短時(shí)功率譜密度95.3音頻信號(hào)與聽覺感知三、單音的聽覺感知人類聽覺系統(tǒng)（HAS,HumanAuditorySystem）帶通濾波器組，一系列帶寬遞增的帶通濾波器組成

可聞閾（聽覺閾）：人耳剛能聽見的聲壓級(jí)疼痛閾：使人耳有痛感的聲壓級(jí)聽覺范圍：疼痛閾和可聞閾之差HAS表現(xiàn)特性（純音）1）響度：與頻率有關(guān)1kHz/10dB200Hz/30dB

2）頻率：可聞閾與頻率有關(guān)2~4kHZ低<40Hz或>16kHz高

3）相位：對相位感知不敏感105.3音頻信號(hào)與聽覺感知三、多音的掩蔽效應(yīng)

掩蔽效應(yīng)：一個(gè)聲音的存在會(huì)影響人耳對另一個(gè)聲音的聽覺能力。掩蔽閾：單音都有一個(gè)掩蔽閾其聲壓級(jí)越高，對其周圍頻率聲音的掩蔽效應(yīng)越強(qiáng)。

115.4語音信號(hào)的預(yù)測編碼一、基于預(yù)測的語音壓縮技術(shù)

波形編碼：被編碼的語音信號(hào)與重建信號(hào)波形基本相同。

語聲編碼：重建信號(hào)聽起來與原始聲音基本一樣

混合編碼：綜合兩種方法。幾個(gè)階段：1）增量調(diào)制DM,Deltamodulation

125.4語音信號(hào)的預(yù)測編碼2）DPCM3）ADPCM預(yù)測器或量化器中引入自適應(yīng)調(diào)節(jié)1986-1990ITU-T制定的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)基礎(chǔ)4）LPC聲碼器：不傳送預(yù)測誤差，傳送參數(shù)波形編碼參數(shù)編碼135.4語音信號(hào)的預(yù)測編碼5）混合編碼RELP:殘差激勵(lì)線性預(yù)測CELP：碼激勵(lì)線性預(yù)測（1984提出）LD-CELP：低時(shí)延的碼激勵(lì)線性預(yù)測（G.728建議，1992）ACELP：代數(shù)碼激勵(lì)線性預(yù)測（G.723.1建議，1996）CS-ACELP：共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵(lì)線性預(yù)測（G.729建議，1996）145.5靜止圖像的預(yù)測編碼一、預(yù)測器設(shè)計(jì)

1、預(yù)測器一維預(yù)測：二維預(yù)測：三維預(yù)測：2、相關(guān)性的強(qiáng)弱3、階數(shù)選擇4、預(yù)測器實(shí)現(xiàn)5、系數(shù)確定155.5靜止圖像的預(yù)測編碼二、JPEG無損壓縮模式空間域無量化DPCM，Huffman或算術(shù)編碼165.5靜止圖像的預(yù)測編碼三、JPEG-LS壓縮標(biāo)準(zhǔn)近無損、無損壓縮標(biāo)準(zhǔn)，1998正式公布JPEG-LS編碼系統(tǒng)1）基于上下文的建模計(jì)算其鄰域點(diǎn)變化量判斷進(jìn)入預(yù)測還是游程175.5靜止圖像的預(yù)測編碼2）預(yù)測自適應(yīng)非線性預(yù)測

=3）常規(guī)模式的誤差編碼4）游程模式185.6視頻信號(hào)與視覺感知一、電視信號(hào)概述PAL25幀/s625行視頻帶寬6M

195.6視頻信號(hào)與視覺感知二、數(shù)字化格式CCIT601:對彩色電視信號(hào)的亮度和色差采樣編碼采樣頻率：13.5MHz（亮度）205.6視頻信號(hào)與視覺感知采樣頻率：13.5MHz（亮度）采樣定理行頻的整數(shù)倍兼容三種國際標(biāo)準(zhǔn)制式取樣結(jié)構(gòu)：4:4:44:2:24:1:1數(shù)碼率：r=(13.5+6.75+6.75)*8=216Mb/sr=3*13.5*8=324Mb/s215.6視頻信號(hào)與視覺感知三、電視信號(hào)的冗余度空間冗余：時(shí)間冗余（幀間冗余）：

幀間差值對相鄰兩幀圖像進(jìn)行測試黑白圖像：幀間差值超過3的像素不到4%變化劇烈的彩色序列：亮度>6只有7.5%色度只有千分之7.5可視電話，電視會(huì)議225.6視頻信號(hào)與視覺感知四、人的視覺感知特性彩色電視信號(hào)的數(shù)碼率人類視覺系統(tǒng)（HVS,humanvisualsystem）1）亮度掩蔽特性：背景較明或較暗時(shí)，人眼對亮度分辨能力下降。2）空間掩蔽特性：隨著空間變化頻率的提高，人眼對亮度（灰度）分辨能力下降3）時(shí)間掩蔽特性：隨著時(shí)間變化頻率的提高，人眼對細(xì)節(jié)和亮度分辨能力下降235.7活動(dòng)圖像的預(yù)測編碼一、幀間預(yù)測編碼1、發(fā)展2、編碼方法1）條件幀修補(bǔ)法2）運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測電視圖像特點(diǎn)（可視電話、電視會(huì)議和電視等）背景區(qū)：運(yùn)動(dòng)物體區(qū)：暴露區(qū)：245.7活動(dòng)圖像的預(yù)測編碼3、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測組成1）圖像分割：把圖像分為靜止和運(yùn)動(dòng)兩部分.2）運(yùn)動(dòng)估值：估計(jì)物體的位移量，得到運(yùn)動(dòng)矢量.3）運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：用運(yùn)動(dòng)矢量補(bǔ)償物體的運(yùn)動(dòng)效果，再預(yù)測.4）編碼：幀間運(yùn)動(dòng)誤差和運(yùn)動(dòng)矢量.255.7活動(dòng)圖像的預(yù)測編碼二、快匹配運(yùn)動(dòng)估值對當(dāng)前幀的每一個(gè)子塊，在上一幀某一搜索范圍內(nèi)尋找最優(yōu)匹配，該子塊和最優(yōu)匹配塊之間的位移就是運(yùn)動(dòng)矢量。265.7活動(dòng)圖像的預(yù)測編碼1）判斷準(zhǔn)則歸一化互相關(guān)函數(shù)(NCCF)均方誤差(MSE)最小絕對差(MAD)275.7活動(dòng)圖像的預(yù)測編碼2）搜索策略全局搜索法（FullSearchMethod，F(xiàn)S）二維對數(shù)搜索法（Two-DimensionalLogarithmic，TDL基本思想：從原點(diǎn)開始，以“十”字形分布的五個(gè)點(diǎn)構(gòu)成每次搜索的點(diǎn)群，通過快速搜索跟蹤最小塊誤差MAD點(diǎn)。Step1：從原點(diǎn)開始，選取一定的步長，以十字形分布的五個(gè)點(diǎn)處進(jìn)行MAD值的計(jì)算并比較。Step2：若MBD點(diǎn)在邊緣四個(gè)點(diǎn)處，則以該點(diǎn)為中心點(diǎn)，保持步長不變，重新搜索十字形分布的五個(gè)點(diǎn)；若MBD點(diǎn)位于中心點(diǎn)，則保持中心點(diǎn)位置不變，將十字點(diǎn)群的步長減半，并在五個(gè)點(diǎn)處計(jì)算。Step3：若步長為1，在中心及周圍8個(gè)點(diǎn)處找出MBD點(diǎn)，該點(diǎn)所在位置即對應(yīng)最佳匹配點(diǎn)，算法結(jié)束；否則重復(fù)Step2。285.7活動(dòng)圖像的預(yù)測編碼[0，-4]、[+4，-4]、[+6，-4]是每個(gè)搜索階段的最小塊誤差點(diǎn)若[+5,-4]是8個(gè)點(diǎn)中的最小MBD,則運(yùn)動(dòng)矢量為[+5，-4]，295.7活動(dòng)圖像的預(yù)測編碼2）搜索策略三步搜索法（ThreeStepSearch，TSS）四步搜索法（FourStepSearch，F(xiàn)SS）基于塊的梯度下降搜索法（Block-BasedGradientDescentSearch，BBGDS）菱形搜索法（DiamondSearch）基本思想：兩種搜索模板，5個(gè)檢測點(diǎn)的小模板SDSM和9個(gè)檢測點(diǎn)的大模板LDSM。搜索時(shí)先用大模板計(jì)算，當(dāng)最小塊誤差MAD點(diǎn)出現(xiàn)在中心點(diǎn)處時(shí)，將大模板LDSM換為SDSM，再進(jìn)行匹配計(jì)算，這時(shí)5個(gè)點(diǎn)中的MAD即為最優(yōu)匹配點(diǎn)。305.7活動(dòng)圖像的預(yù)測編碼菱形搜索法SDSMLDSM315.7活動(dòng)圖像的預(yù)測編碼3）塊的劃分H261,MPEG1,216*16H26316*16高級(jí)預(yù)測模式4個(gè)8*8H2647種模式325.8高光譜遙感圖像的預(yù)測編碼對同一對象（區(qū)域或目標(biāo)）在多個(gè)窄光譜波段范圍上獲得的圖像。一、特點(diǎn)1）三維空間冗余譜間冗余2）豐富紋理信息，空間相關(guān)性較弱各波段的成像對象是同一地物，在結(jié)構(gòu)上具有相似性3）預(yù)測、變換和矢量量化等方法去除兩種冗余4）無損壓縮、近無損壓縮。二、DPCM預(yù)測335.8高光譜遙感圖像的預(yù)測編碼三、最小絕對權(quán)值（MAW）預(yù)測樹方法1、原理把一幅圖像看作一個(gè)加權(quán)圖