《多媒體技術(shù)》講稿第2章

第2章多媒體信息的表示

本章主要討論的問題：1.信息量度量2.媒體的表現(xiàn)形式3.

主要的圖象格式

本章作業(yè)第2章多媒體信息的表示2.1.信息量度量

任何媒體都可以承載一定的信息，承載信息的多少，用信息量來描述。信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)(C.E.Shannon)以概率論的觀點和方法，為我們提供了一種度量信息量的方法。(1)信息函數(shù)(2)信息熵第2章多媒體信息的表示

信息量度量

信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)(Shannon)以概率論的觀點方法，提供了一種度量信息量的方法。

(1)

信息函數(shù)定義為：

I(ai)=－logPi(i=1，2，3，…r)(2.1)其中，Pi(i=1，2，…r)

表示隨機(jī)消息集X:{a1,a2，…，ar}中消息ai(i=1，2，…r)的先驗概率。它可以度量每個消息ai(i=1，2，…r)所含的信息量。第2章多媒體信息的表示

(2)信息熵定義為：每個消息的平均信息量稱為消息集合X的平均信息量同時描述了信息冗余度單位：位(bit)

例１：設(shè)有士兵列隊方陣為９排９列，士兵甲被指定站在某個位置的概率為１/81,所以“士兵甲所在方陣位置”的信息量為:－Log（１/81)=6.34(位)例２：設(shè)某地天氣預(yù)報晴天占４/8,陰天占2/8,雨天占1/8,大雨占1/8,則其熵為：

H=-

=(-4/8)Log(4/8)+(-2/8)Log(2/8)+(-1/8)Log(1/8)+(-1/8)Log(1/8)=1.75(位)第2章多媒體信息的表示2.2.媒體的不同表現(xiàn)形式承載信息的媒體有許多不同類型，不同類型的媒體承載的信息量不同。在計算機(jī)中，為簡化信息處理方式，便于人機(jī)交互，常按人的感覺來劃分媒體，如分為視覺類媒體、聽覺類媒體、觸覺類媒體、活動媒體、抽象事實媒體等，并對這些媒體，根據(jù)不同的抽象程度分成若干層次，每一層次對應(yīng)不同的表現(xiàn)形式。

計算機(jī)中常見的媒體返回幾類媒體的不同表現(xiàn)形式:(1)

視覺類媒體(2)聽覺類媒體(3)其它類媒體第2章多媒體信息的表示2.2.1視覺類媒體

凡是通過視覺傳遞信息的媒體，都屬于視覺媒體。包括以下幾類：(1)

位圖圖像

(2)矢量圖形(3)動態(tài)圖像(視頻與動畫）

(4)符號、

(5)文字與數(shù)據(jù)

(6)其它《返回》

位圖圖像是一種對視覺信號進(jìn)行了直接量化的媒體形式，反映了信號的原始形式。根據(jù)量化的顏色深度的不同，可分為二值和灰度（彩色）圖像兩大類。

矩陣（點，灰度值）

技術(shù)參數(shù)：分辨率，圖象深度，數(shù)據(jù)量注意：區(qū)分圖像分辨率、屏幕分辨率、像素分辨率

《返回》圖像數(shù)據(jù)表示的基本形式①將照片或三維景物投影到平面上的模擬信號，變成為計算機(jī)能處理的數(shù)據(jù)形式，稱之為digitalImage，或digitalpicture。這種圖象用整數(shù)元素的矩陣表示。被稱作象素(pictureelement，簡寫為pixel)的離散點構(gòu)成矩陣，如下圖(空間和亮度都離散化）。

模擬圖像數(shù)字圖像灰度，亮度等的分布圖像的主要技術(shù)參數(shù)1).分辨率(resolution)是影響圖像清晰度的主要指標(biāo)。屏幕分辨率——在某一指定的顯示方式下，計算機(jī)屏幕上最大顯示區(qū)域，以水平和垂直的像元表示，例如640×480，即滿屏情況下水平640個像元，垂直480個像元。圖象分辨率——是指數(shù)字圖象的大小，也以水平與垂直方向的像素表示，如320×240的一幅圖，在640×480的屏幕上顯示出來，只占屏幕中的1/4位置。像素分辨率——一個像素的點大小，點距和寬長之比，不同的長寬比將導(dǎo)致圖形變形。圖像分辨率對圖像質(zhì)量的影響2).圖像顏色數(shù)一幅位圖圖像中最多能使用的顏色數(shù)，如：二值圖（亮，暗兩值）灰度圖（2n)如n=8,則256個灰度

彩色數(shù)(2nx2nx

2n)如16,777,216種顏色3)量化深度(Quantizationdeepness)A/D轉(zhuǎn)換時的量化級數(shù)量。數(shù)量越大，越精細(xì)。二值圖——當(dāng)灰度值僅為兩個等級時?；叶葓D(濃淡圖)——量化級別的數(shù)量，如28=256，灰度值為256個等級彩色圖——顏色數(shù)量的多少，如8位-256色，24位真彩色-16,777,216色。1比特圖像1比特圖像中的每個像素非0即1二進(jìn)制圖像一幅640x480的1比特圖像的數(shù)據(jù)量為640x480/8=38400byte（字節(jié)）數(shù)據(jù)量小，易于存儲傳輸只能描述簡單的圖形和文本8比特灰度圖像在計算機(jī)的輸入輸出中，數(shù)據(jù)是以字節(jié)（byte）為單位進(jìn)行處理的（1byte=8bits）通常用8個比特來記錄圖像中的一個像素可以表達(dá)的取值范圍0～2550黑色255白色8比特灰度圖像一幅640x480的8比特圖像的數(shù)據(jù)量為640×480=307200byte（字節(jié)）數(shù)據(jù)量更大，需要更多的存儲空間和傳輸帶寬描述的內(nèi)容更豐富，信息量更大彩色圖像的表示三基色原理自然界中所有的顏色都可以用紅、綠、藍(lán)(RGB)這三種顏色的光（紅光波長700nm、綠光波長546.1nm、藍(lán)光波長435.8nm）按不同的強(qiáng)度疊加而成顏色的編碼在數(shù)字視頻中，對RGB三基色各進(jìn)行8位編碼（把每種基色按強(qiáng)度劃分為256個等級，0表示沒有，255表示強(qiáng)度最大），就構(gòu)成了大約16兆（224）種顏色，這就是我們常說的真彩色。

例：紅色（R=255G=0B=0） 黃色（R=255G=255B=0） 白色（R=255G=255B=255）

…目錄

返回24比特彩色圖像每個基色用8個比特表示24比特彩色圖像可以表示的顏色總數(shù)為256×256×256=16777216一幅640x480的24比特彩色圖像的數(shù)據(jù)量為640×480×3=921600byte（字節(jié)）8比特彩色圖像為了在圖像質(zhì)量和存儲空間之前獲得折衷，256色圖像質(zhì)量通常是可以接受的利用一張包含256個元素的查找表來存儲實際的顏色信息圖像中每個像素的對應(yīng)8比特表示的是其在查找表中的索引8比特圖像的查找表用能夠代表圖像主要特征的256種顏色構(gòu)成查找表5)數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)量D=w×h×q×cw-水平方向像素h-垂直方向像素q-量化深度c-顏色通道數(shù)量例如：一幅分辨率640x480的彩色圖象數(shù)據(jù)量為D=640x480x8x3=7,372,800（比特）

BMP文件格式

位圖文件(Bitmap-File，BMP)格式是Windows采用的圖像文件存儲格式，在Windows環(huán)境下運行的所有圖像處理軟件都支持這種格式。BMP圖像文件由以下三部分組成：位圖文件頭(BITMAPHEADER)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、位圖信息(BITMAPINFO)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和位圖陣列。目錄

返回位圖文件頭

位圖文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含BMP圖像文件的類型、顯示內(nèi)容等信息。它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：typedefstruct{intbfType;/*always"BM"*/longbfSize；/*filesize*/intbfReserved1；intbfReserved2；longbfOffBits;/*imagedataoffset*/}BITMAPFILEHEADER;目錄

返回位圖信息主要由兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成BITMAPINFOHEADERRGBQUAD定義每一種RGB顏色4個字節(jié)大小位圖信息biBitPlanes設(shè)備位平面數(shù)，必須為1biBitCount每個像素的位數(shù)biCompress該圖像所用的壓縮格式biClrImportant給出重要的顏色索引值Typedefstruct{longbiSize;longbiWidth;longbiHeight;IntbiBitPlanes;IntbiBitCount;LongbiCompress;LongbiSizeImage;LongbiXpelsPerMeter;LongbiYpelsPerMeter;LongbiClrUsed;LongbiClrImportant;}BITMAPFILEHEADER位圖陣列記錄圖像中每一個像素值非壓縮格式壓縮格式BI_RLE8由兩個字節(jié)組成，第一個表示連續(xù)像素的數(shù)目，第二個表示顏色索引值壓縮格式BI_RLE4每個字節(jié)包含兩個像素BMP圖像文件的例子Synthetic.BMP文件內(nèi)容：目錄

返回第2章多媒體信息的表示2.2.1.2矢量圖形對圖像進(jìn)行抽象化的結(jié)果，反映了圖像中實體最重要的特征。抽象化（矢量化）過程可以由計算機(jī)自動進(jìn)行，也可以由人工進(jìn)行。矢量圖形不直接產(chǎn)生描述數(shù)據(jù)的每一個點，而是描述產(chǎn)生這些點的過程和方法圖形(1)基本表示方法是矢量圖。計算機(jī)圖形學(xué)=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+圖形算法+語言如矩形，RECT0，0，200，200，RED，BLUE。描述了矩形點、線、面。四個點的坐標(biāo)，邊線和內(nèi)面的顏色

(2)用特征量來構(gòu)成圖形(歐氏空間)點→線，線→面，面→體二次曲線：用單位長度Δx,Δy或來插補(bǔ)，擬合自由曲線和曲面：三次樣條→曲線三次混合函數(shù)→曲面(四個向量)矢量圖形矢量圖形占用的存儲空間比位圖少得多位圖比矢量圖運行速度快矢量圖形變換無失真如放大無失真位圖變換會出現(xiàn)失真如放大會產(chǎn)生階梯效應(yīng)矢量圖形能以圖元為單位進(jìn)行屬性編輯位圖只能對像素或分塊進(jìn)行處理2.2.1.4線圖像結(jié)構(gòu)（圖象特殊的表現(xiàn)形式）

線狀圖在計算機(jī)內(nèi)有三種表示(見下圖)它們之間可以互相轉(zhuǎn)換。(a)二值圖象（矩陣）

(b)坐標(biāo)序列

?

鏈碼(3.6),(4.7),(5.7),(6.6),(7.5),(8.5),(9.5),(10.4),(10.3),(9.2)

(b)坐標(biāo)序列(3.6)701100123

（c）鏈碼數(shù)字視頻(DigitalVideo)

數(shù)字視頻是一系列相關(guān)圖像，其特點是：速度高：每秒25幀，每幀1/25秒，每點約ns級容量大：數(shù)據(jù)量B=h*w*q*c*f*s(垂直、水平、量化、波段、幀率、專門算法)多制式：NTSC（30），PAL（25），SECAM色坐標(biāo)變換

---球坐標(biāo)（I,,）轉(zhuǎn)換公式色坐標(biāo)變換（R，G，B）球坐標(biāo)（I,,）其中I表示了亮度值，，決定該點的顏色YUV顏色模式

該模式由—個亮度信號Y和兩個色差信號u、V組成。它是將RGB顏色通過下述公式

轉(zhuǎn)換為—個亮度信號Y和兩個色度分量信號U、V。

目錄

返回YUV特點YUV表示法的重要性是它的亮度信號(Y)和色度信號(U、V)是相互獨立的，也就是說Y信號分量構(gòu)成的黑白灰度圖與用U、V信號構(gòu)成的另外兩幅單色圖是相互獨立的。由于Y、U、V是獨立的，所以可以對這些單色圖分別進(jìn)行編碼。黑白電視能接收彩色電視信號就是利用了YUV分量之間的獨立性。YUV特點YUV表示法的另一個優(yōu)點是可以利用人眼的特性來降低數(shù)字彩色圖像所需要的存儲容量。人眼對彩色細(xì)節(jié)的分辨能力遠(yuǎn)比對亮度細(xì)節(jié)的分辨能力低。例如，要存儲RGB8:8:8的彩色圖像，即R、G和B分量都用8位二進(jìn)制數(shù)表示，圖像的大小為640×480像素，那末所需要的存儲容量為921600字節(jié)。如果用YUV來表示同一幅彩色圖像，Y分量仍然為640×480，并且Y分量仍然用8位表示，而對每四個相鄰像素(2×2)的U、V值分別用相同的一個值表示，那末存儲同樣的一幅圖像所需的存儲空間就減少到460800字節(jié)。這實際上也是圖像壓縮技術(shù)的一種方法。目錄

返回YUV模式主要用于PAL制式的電視機(jī)。與YUV顏色模式類似的一種稱為YIQ模式，主要用于NTSC制式的電視機(jī)，另一種稱為YCrCb模式，主要適用于計算機(jī)用的顯示器。2.2.4視頻制式標(biāo)準(zhǔn)NTSC一種兼容的彩色電視制式每幅525條水平掃描線每秒30幀速率隔行掃描，即每幅由兩次掃描完成，每次掃描畫出一場(需1/60秒)，兩場構(gòu)成一幀采用YIQ彩色空間這里Y等價于彩色圖中的亮度，它集中了大部分能量，占4MHZ帶寬I代表phase—相位，色調(diào)值，占1.3MHZ帶寬Q代表Quadrate，飽和度，占0.5MHz帶寬YIQ與R.G.B的關(guān)系

YIQ相位敏感隔行掃描和逐行掃描第一場（稱為奇數(shù)場）掃描第1、3、5...等奇數(shù)行，第二場（稱為偶數(shù)場）掃描第2、4、6...等偶數(shù)行。2場合起來構(gòu)成一副畫面，稱為一幀。所以，每秒光柵閃爍次數(shù)50次，而實際顯示的畫面只有25幅，即場頻為50Hz，而幀頻只有25Hz。與逐行掃描相比，其掃描速度只是后者的一半。傳輸相同細(xì)節(jié)的情況下，所需視頻帶寬為逐行掃描的1/2。隔多行會出現(xiàn)閃爍。返回PAL制(PhaseAlternationLine)在我國和德國等國采用利用了視覺特性的輔助平均作用625條掃描線數(shù)，場頻50Hz(畫面720×576)每秒25幀速度克服了NTSC的相位敏感性色差信號分U\V分量SECAM(法語Séquentielámémoīre)在法國至東歐國家采用·逐行依次傳遞色度信號(R-Y)和(B-Y)·按時分原則，在同一時間內(nèi)在傳輸信道內(nèi)只有一個信號存在，以免發(fā)生互串R-Y和B-Y與RGB關(guān)系：Y=0.299R+0.587G+0.114BI=R-YQ=B-Y視頻信號的三種類型分量視頻Componentvideo復(fù)合視頻CompositevideoS-video分量視頻高端視頻系統(tǒng)分別使用三路視頻信號來表示紅、綠、藍(lán)三種圖像平面通常是將紅綠藍(lán)三色進(jìn)行變換后，得到一路亮度和兩路色差信號，再進(jìn)行傳輸優(yōu)點：三路信號之間沒有任何亮度和色度的干擾，顏色再現(xiàn)能力最好缺點：需要更多的帶寬和分量間良好的同步機(jī)制復(fù)合視頻亮度信號與顏色信號混合在一個載波上進(jìn)行傳輸用于彩色電視廣播，兼容黑白電視廣播優(yōu)點：節(jié)省帶寬缺點：亮度和色度之間的干擾不可避免S-video亮度單獨傳輸，兩個色度信號混合在一起進(jìn)行傳輸作為分量視頻與復(fù)合視頻的折衷方案亮度還原準(zhǔn)確色度有一定失真第2章多媒體信息的表示2.2.5聽覺類媒體凡是通過聲音形式以聽覺傳遞信息的媒體，都屬于聽覺類媒體，它的范圍比視覺類媒體要小得多，主要有以下幾類：

波形聲音

語音

音樂

《返回》第2章多媒體信息的表示2.2.5.1波形聲音所謂波形聲音，實際上已經(jīng)包含了所有的聲音形式，因為可以把任何聲音都按采樣量化，并恰當(dāng)恢復(fù)出來。事實上，波形聲音就是自然界中所有聲音的“