信息的存儲(chǔ)與壓縮

信息的存儲(chǔ)與壓縮第一頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日信息技術(shù)的核心在于信息的處理與存儲(chǔ)。多媒體信息包括文本、圖形、圖像、聲音等，由于這些媒體的信息量相當(dāng)大，數(shù)字化后要占用大量的存儲(chǔ)空間，使得存儲(chǔ)與處理都十分困難。尤其在圖像信息的存儲(chǔ)和壓縮方面，其重要性作用表現(xiàn)得尤為明顯。第二頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日本章小結(jié)

在信息技術(shù)的幾個(gè)環(huán)節(jié)（獲取、傳輸、存儲(chǔ)、顯示、處理）中，信息存儲(chǔ)是重要的環(huán)節(jié)之一。為減少數(shù)字化信息在存儲(chǔ)和傳輸時(shí)所占用的空間和時(shí)間，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)就成為信息處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。信息存儲(chǔ)涉及到材料科學(xué)、電子學(xué)、光電子學(xué)、光子學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等，是一個(gè)綜合性的技術(shù)。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)了解磁存儲(chǔ)技術(shù)與光存儲(chǔ)技術(shù)的主要特點(diǎn)，理解圖像壓縮的基本概念，以及預(yù)測(cè)編碼、變換編碼和統(tǒng)計(jì)編碼的主要思想，并對(duì)JPEG和MPEG的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)現(xiàn)方法有一定的了解。第三頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.1

信息存儲(chǔ)技術(shù)的三次革命

歷史學(xué)家通常把文字的出現(xiàn)當(dāng)做文明史的開端。文字記載是人在大腦之外尋找記憶載體的方式。通過(guò)記載，人的思想和關(guān)于歷史事件傳說(shuō)得到保存、復(fù)制和流傳。人們由此而有了歷史。文字的出現(xiàn)是人類歷史上第一次劃時(shí)代的信息載體革命，這場(chǎng)革命的實(shí)質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)了腦外信息貯存方式。隨著印刷術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生，它是人類歷史上規(guī)模空前的信息復(fù)制革命，可以說(shuō)是繼文字出現(xiàn)之后的第二次信息載體革命?？茖W(xué)史家通常把電訊業(yè)的出現(xiàn)當(dāng)做人類歷史上第三次信息(載體)革命。不過(guò)今天也有人把這一佳冠授予計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)。

第四頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.2

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)

信息存儲(chǔ)技術(shù)的金字塔結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備從體系結(jié)構(gòu)上看可分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器。內(nèi)存儲(chǔ)器直接與計(jì)算機(jī)的CPU相連，處于金字塔的最上層。它的存取速度要求能與CPU相匹配，通常由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片組成，由于成本高，容量通常不太大。再下一層是鄰機(jī)存儲(chǔ)器，它由存取速度比硬盤更慢的光盤機(jī)、光盤庫(kù)等設(shè)備組成。磁盤（包括軟盤和硬盤）與光盤均提供聯(lián)機(jī)服務(wù)。最底層是脫機(jī)存儲(chǔ)器（或稱離線存儲(chǔ)器），由磁帶機(jī)和磁帶庫(kù)組成。

第五頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.2

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)

磁存儲(chǔ)技術(shù)

磁存儲(chǔ)技術(shù)就是利用磁介質(zhì)的這一特性來(lái)存儲(chǔ)信息的。數(shù)據(jù)（聲像）以電信號(hào)的形式通過(guò)錄制磁頭轉(zhuǎn)換成磁信號(hào)儲(chǔ)存在磁性介質(zhì)上。重放時(shí)，只要通過(guò)磁頭將磁性介質(zhì)上的磁信號(hào)還原成電信號(hào)，就可以在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出信息。軟磁盤存儲(chǔ)硬盤磁盤陣列磁帶存儲(chǔ)第六頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.2

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)

光存儲(chǔ)技術(shù)光存儲(chǔ)介質(zhì)與磁存儲(chǔ)介質(zhì)之間的本質(zhì)區(qū)別在于前者使用光技術(shù)，而后者使用磁技術(shù)。光存儲(chǔ)技術(shù)通過(guò)光學(xué)的方法讀出和寫入數(shù)據(jù)，由于使用的光源基本上是激光(也可以使用其他光源)，所以又稱為激光存儲(chǔ)。光盤具有一切存儲(chǔ)介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，如大容量、耐用、易保存、標(biāo)準(zhǔn)化等。由于它非常適合于大量生產(chǎn)，作為計(jì)算機(jī)軟件、多媒體出版物、計(jì)算機(jī)游戲等發(fā)行量大的電子出版物是非常合適的。

第七頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.3

圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼技術(shù)

熵與信息壓縮

從信息論的角度來(lái)看，壓縮就是去掉信息中的冗余，即保留不確定的信息，去除確定的信息(可推知的)，也就是用一種更接近信息本質(zhì)的描述來(lái)代替原有冗余的描述。所以，將香農(nóng)的信息論觀點(diǎn)運(yùn)用到圖像信息的壓縮，所要解決的問(wèn)題就是如何將圖像信息壓縮到最小，但仍攜有足夠信息以保證能復(fù)制出與原圖近似的圖像。第八頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.3

圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼技術(shù)

圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性多媒體視頻信號(hào)的冗余度存在于結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)兩方面。在結(jié)構(gòu)上的冗余度表現(xiàn)為很強(qiáng)的空間（幀內(nèi)）、和時(shí)間（幀間）相關(guān)性?？臻g冗余時(shí)間冗余視覺(jué)冗余

第九頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.3

圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼技術(shù)

壓縮編碼方法的分類與評(píng)價(jià)壓縮編碼的分類方法有許多種，如果從信息論的角度來(lái)認(rèn)識(shí)可分為兩大類：第十頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.3

圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼技術(shù)

無(wú)損壓縮是指數(shù)據(jù)在壓縮或解壓縮過(guò)程中不會(huì)改變或損失原有的信息，解壓縮產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是對(duì)原始對(duì)象的完整復(fù)制，沒(méi)有失真。無(wú)損壓縮從數(shù)學(xué)上講是一種可逆運(yùn)算。有損壓縮算法靠丟掉大量冗余信息來(lái)降低數(shù)字圖像所占的空間，回放時(shí)也不能完整地恢復(fù)原始圖像，而將有選擇地?fù)p失一些細(xì)節(jié)，損失多少信息由需要多高的壓縮率決定。第十一頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.3.4數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展第一代編碼技術(shù)——經(jīng)典編碼方法

1959年，Shannon進(jìn)一步確立了碼率失真理論，以上工作奠定了信息編碼的理論基礎(chǔ)。主要編碼方法有預(yù)測(cè)編碼、變換編碼和統(tǒng)計(jì)編碼，也稱為三大經(jīng)典編碼方法。經(jīng)典編碼技術(shù)又可以稱為“第一代”編碼技術(shù)。

“第二代”編碼方法

“第二代”編碼方法主要有：基于分形的編碼、基于模型的編碼、基于區(qū)域分割的編碼和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編碼等。第十二頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日

圖像壓縮編碼方法數(shù)據(jù)的壓縮都可以看成是一種變換，解壓縮(恢復(fù)數(shù)據(jù))就是一種反變換，變換的實(shí)現(xiàn)方法即編碼技術(shù)，每一種編碼方法都是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的具體操作，對(duì)于不同的多媒體數(shù)據(jù)，可以有選擇地采取某種編碼方法。

預(yù)測(cè)編碼變換編碼統(tǒng)計(jì)編碼混合編碼圖像與視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)第十三頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.4

靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)——JPEG

JPEG(念作“jay-peg”)是“TheJointPhotographicExpertGroup”的縮寫，它是由國(guó)際電報(bào)咨詢委員會(huì)(CCITT)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)聯(lián)合組成的專家組，共同制定的靜態(tài)數(shù)字圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG的算法的基礎(chǔ)是離散余弦變換(DCT)和哈夫曼(Huffman)變換，其壓縮過(guò)程可分成DCT變換、量化和編碼三個(gè)階段。第十四頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.4

靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)——JPEG

離散余弦變換

離散余弦變換(DiscretecosineTransform)，簡(jiǎn)稱DCT。它是變換編碼中的一個(gè)非常重要的成員。

DCT的優(yōu)點(diǎn)很多，主要表現(xiàn)為：1.已證明DCT是許多圖像的最佳變換;2.DCT可以將Ｎ×Ｎ圖像的空間域轉(zhuǎn)換為頻率域，只需要少量的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示圖像；第十五頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.4

靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)——JPEG

3.DCT產(chǎn)生的系數(shù)很容易被量化，以獲得好的塊壓縮；4.DCT算法的性能很好，可以進(jìn)行高效的運(yùn)算，因此使它在硬件和軟件中都容易實(shí)現(xiàn)；5.DCT算法是對(duì)稱的，逆DCT算法可用來(lái)解壓縮圖像。

第十六頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.4

靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)——JPEG

4.4.2量化所謂量化，即根據(jù)不同的要求，設(shè)置不同的量化等級(jí)，以降低數(shù)據(jù)率。量化的作用是在保證主觀圖像質(zhì)量的前提下，丟掉那些對(duì)視覺(jué)效果影響不大的信息。量化是造成DCT編碼信息損失的根源。

編碼

相鄰塊的DC系數(shù)進(jìn)行差分編碼

Z型路徑的游程編碼熵編碼第十七頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.4.4新一代靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)——JPEG2000

JPEG2000主要有以下特點(diǎn)：

高壓縮率同時(shí)支持有損和無(wú)損壓縮實(shí)現(xiàn)了漸進(jìn)傳輸支持“感興趣區(qū)域”

第十八頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.5

視頻圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG

什么是視頻視頻就其本質(zhì)而言，實(shí)際上就是一系列連續(xù)播放的靜態(tài)圖像而已。數(shù)字視頻占用大量的存儲(chǔ)空間，因?yàn)樗鎯?chǔ)每一幀的像素（全速運(yùn)動(dòng)圖像為30幀/秒）和與之同步的伴音。視頻壓縮的目的是致力于使數(shù)字視頻既少占空間，又要保證好的視覺(jué)效果。電視信號(hào)是視頻的重要信息源。

第十九頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.5

視頻圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG

MPEG家族

MPEG在三方面優(yōu)于其他壓縮/解壓縮方案。首先，由于在一開始它就是做為一個(gè)國(guó)際化的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)研究制定，所以，MPEG具有很好的兼容性。其次，MPEG能夠比其他算法提供更好的壓縮比，最高可達(dá)200:1。更重要的是，MPEG在提供高壓縮比的同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的損失很小。MPEG-1MPEG-2MPEG-4MPEG-7第二十頁(yè)，共二十一頁(yè)，2022年，8月28日4.5

視頻圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG

MPEG壓縮過(guò)程

MPEG標(biāo)準(zhǔn)的視頻壓縮主要以兩個(gè)基本技術(shù)為基礎(chǔ)，一是采用