7-信息的存儲(chǔ)與壓縮.ppt

1、信息的存儲(chǔ)與壓縮,一、存儲(chǔ)技術(shù) 1. 磁存儲(chǔ)技術(shù) 利用小磁體的N極和S極來表示1和0 （書P101） 2. 光盤存儲(chǔ)技術(shù) 數(shù)據(jù)表示方法：用盤片上的pits（凹坑）和lands（平面）來分別表示“0”與“1”。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,讀取光盤信號(hào)原理：根據(jù)盤片上光的反射 信號(hào)的有無或強(qiáng)弱來決定所讀取的數(shù)字信 號(hào)單元是“0”還是“1”。如果激光照在lands 上，大部分光會(huì)反射回來，CD讀取頭就讀 取到較強(qiáng)的反射信號(hào)，則表示讀取到數(shù)字 “1”，如果激光照在pits上，則激光束被散射， CD讀取頭無法接收到反射信號(hào)或反射信號(hào) 很弱，則表示讀取到數(shù)字“0”。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,在介紹圖象的壓縮編碼之前，先

2、舉一個(gè)例子： 一A4(210mm297mm) 幅面的照片，若用 中等分辨率(300dpi)的掃描儀按真彩色掃描，其 數(shù)據(jù)量為： (300210/25.4) (300297/25.4)個(gè)像 素，每個(gè)像素占3個(gè)字節(jié)，其數(shù)據(jù)量為26M字 節(jié)。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,二、圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼技術(shù) 熵與信息壓縮 熵：一條信息中真正需要編碼的信息量。 壓縮：去掉信息中的冗余，幾保留不確定信息，去掉確定的信息（可推知的），也就是用一種更接近信息本質(zhì)的描述來代替原有冗余的描述。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,2. 圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性 相關(guān)性：空間相關(guān)性（幀內(nèi)）、時(shí)間相關(guān)性（幀間） （1） 空間冗余：畫面的大部分區(qū)域信號(hào)變化

3、緩慢，尤其是背景。 （2）時(shí)間冗余：相鄰圖象之間的相似性 連續(xù)兩幅圖畫的前景與背景沒有多 大變化。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,（3）視覺冗余：人的視覺對(duì)某些信號(hào)具有 不那么敏感的生理特性。 3.圖像壓縮編碼方法與分類 壓縮可分為兩大類： 無損壓縮：這是數(shù)學(xué)上的一種逆運(yùn)算，從壓縮后的圖像能夠完全恢復(fù)出原來的圖象，信息沒有任何丟失。 有損壓縮：靠丟失大量的冗余信息來降低數(shù)字圖像或聲音所占的空間。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,(1)無損壓縮編碼種類 哈夫曼編碼 算術(shù)編碼 行程編碼 Lempel zev 編碼 (2)有損壓縮編碼種類預(yù)測(cè)編碼：DPCM，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償頻率域方法：正文變換編碼(如DCT)，子帶編碼,信息的存儲(chǔ)與

4、壓縮,空間域方法：統(tǒng)計(jì)分塊編碼 模型方法：分形編碼，模型基編碼 基于重要性：濾波，子采樣，比特分配， 矢量量化 (3)混合編碼 JBIG，H261，JPEG，MPEG等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),信息的存儲(chǔ)與壓縮,壓縮編碼方法的評(píng)價(jià) 壓縮比要高； 壓縮與解壓縮運(yùn)算速度要快，算法要簡(jiǎn)單， 硬件實(shí)現(xiàn)容易； 解壓縮質(zhì)量要好。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,4. 圖像壓縮編碼方法 預(yù)測(cè)編碼：所謂預(yù)測(cè)編碼是指，去除相鄰象素之間的相關(guān)性和冗余性，只對(duì)新的信息進(jìn)行編碼。 舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，因?yàn)橄笏氐幕叶仁沁B續(xù)的，所以在一片區(qū)域中，相鄰象素之間灰度值的差別可能很小。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,如果我們只記錄第一個(gè)象素的灰度，其它象素的灰度都用它與前

5、一個(gè)象素灰度之差來表示，就能起到壓縮的目的。 如：248，2，1，0，1，3，實(shí)際上這6個(gè)象素的灰度是248，250，251，251，252，255。表示250需要8個(gè)比特，而表示2只需要兩個(gè)比特，這樣就實(shí)現(xiàn)了壓縮。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,變換編碼：先對(duì)信號(hào)進(jìn)行某種函數(shù)變換， 從信號(hào)的一種表示空間變換到另一種表示 空間，然后在變換后的域上對(duì)變換后的信 號(hào)進(jìn)行編碼。 統(tǒng)計(jì)編碼：根據(jù)信息碼字出現(xiàn)頻率的分布特征而進(jìn)行壓縮編碼，尋找頻率與碼子長(zhǎng)度間的最優(yōu)匹配。 （如P110的 Huffman編碼）,信息的存儲(chǔ)與壓縮,三、靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG 1. JPEG靜態(tài)圖像專家組，負(fù)責(zé)制定 開發(fā)靜態(tài)圖像壓縮、解

6、壓縮標(biāo)準(zhǔn)，主 要用于幀內(nèi)壓縮。 JPEG使用的顏色是YUV格式 JPEG算法的原理是利用單幀內(nèi)的空間相關(guān)性， 減小空間冗余度，這種方式稱為幀內(nèi)編碼。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,采用JPEG標(biāo)準(zhǔn)可以得到不同壓縮比的圖像， 在使圖像質(zhì)量得到保證的情況下，可以從每個(gè)像 素24bit減到每個(gè)像素1bit甚至更小。 2. 壓縮過程：,信息的存儲(chǔ)與壓縮,離散余弦變換：把源圖像劃分為若干個(gè)88 個(gè)像素的子塊，定義一個(gè)8行8列的二維數(shù) 組P來表示圖像子塊中個(gè)像素的灰度值和顏 色值，再進(jìn)行DCT變換。 量化：這里的量化操作，就是將某一個(gè)值除 以量化表中對(duì)應(yīng)的值。量化表為 88矩陣， 與DCT系數(shù)一一對(duì)應(yīng)，表中的元素為1

7、到255之間的任意整數(shù)。 注：量化是產(chǎn)生信息損失的根源。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,編碼：（略） 3. 新一代靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000 目前網(wǎng)站上80%的圖像采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn) JPEG2000特點(diǎn)：（書P116） 高壓縮率（比傳統(tǒng)的提高30%-50%） 同時(shí)支持有損和無損壓縮 實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)傳輸 支持“感興趣區(qū)域”,信息的存儲(chǔ)與壓縮,課后練習(xí)： P124 2.、4、8、9,信息的存儲(chǔ)與壓縮,四、視頻圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG 1. MPEG運(yùn)動(dòng)圖像專家組。它是ISO下的一個(gè)工作組，成立于1988年，有300名專家10個(gè)小組。該標(biāo)準(zhǔn)用于全運(yùn)動(dòng)視頻圖像，生成全屏幕活動(dòng)視頻標(biāo)準(zhǔn)文件MPEG文件。 MPEG格式文件：

8、1024786 分辨率，每秒鐘25幀（或30 ）的速度同步播放全運(yùn)動(dòng)視頻圖像和CD音樂伴音。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,2. MPEG家族 （1）MPEG-1：1993.8公布,包括MPEG視頻、 MPEG音頻和MPEG系統(tǒng)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。 應(yīng)用： 通信網(wǎng)絡(luò)：圖像傳輸，MP3音樂源于 MPEG-1音頻的音頻標(biāo)準(zhǔn)。 媒體存儲(chǔ)：VCD光盤，視頻片段下載,信息的存儲(chǔ)與壓縮,（2）MPEG-2：1994.11公布，全稱為運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音的編碼。它主要針對(duì)高清晰度電視（HDTV）所需要的視頻及伴音信號(hào)。 應(yīng)用：DVD，數(shù)字視盤和數(shù)字電視衛(wèi)星 技術(shù) （3） MPEG-4：對(duì)AV（音視對(duì)象）場(chǎng)景進(jìn)行分層描述，基于內(nèi)容的交

9、互。 （4） MPEG-7：支持多種音頻和視覺的描述，,信息的存儲(chǔ)與壓縮,它根據(jù)信息的抽象層次，提供一種描述多媒體材 料的方法以便表示不同層次上的用戶對(duì)信息的要 求。 注：MPEG技術(shù)不是無償使用的。 MPEG標(biāo)準(zhǔn)采用了幀間和幀內(nèi)相結(jié)合的壓縮算法。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,4. MPEG壓縮過程 MPEG-1的圖像類型（3種I幀、P幀和B幀） 在MPEG編碼的過程中，部分視頻幀序列壓縮成為I幀；部分壓縮成P幀；還有部分壓縮成B幀。 I幀法 ：是幀內(nèi)壓縮法，也稱為“關(guān)鍵幀”壓縮法。I幀法是基于離散余弦變換DCT（ Discrete Cosine Transform ）的壓縮技術(shù)。 I幀是對(duì)整幅圖像采用

10、JPEG編碼的圖像，它是一個(gè)獨(dú)立的幀，其信息由自身的畫面決定，不需要參照其他畫面，它是P幀和B幀的參考圖。 采用I幀壓縮可達(dá)到1/6的壓縮比而無明顯的壓縮痕跡。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,P幀法：是一種前向預(yù)測(cè)算法，它考慮相鄰幀之間的相同信息或數(shù)據(jù)，也即考慮運(yùn)動(dòng)的特性進(jìn)行幀間壓縮。P幀法是根據(jù)本幀與相鄰的前一幀（I幀或P幀）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)來產(chǎn)生圖像，從而達(dá)到壓縮目的。P幀圖像中，與I幀相同的信息不傳送，只傳送主體變化的差值，生成的P幀又可以作為其下一幀的參考幀。 P幀又稱為向前預(yù)測(cè)幀。 采取P幀和I幀聯(lián)合壓縮的方法可達(dá)到更高的壓縮且無明顯的壓縮痕跡。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,B幀法：是雙向預(yù)測(cè)的幀間壓縮算

11、法。當(dāng)把一幀壓縮成B幀時(shí)，它根據(jù)相鄰的前一幀、后一幀（I幀或P幀）以及本幀數(shù)據(jù)的不同點(diǎn)來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)從而產(chǎn)生圖像，僅記錄本幀與前后幀的差值，它只反映I、P畫面的運(yùn)動(dòng)主體變化情況。所以，B幀被稱為雙向預(yù)測(cè)幀。 B幀數(shù)據(jù)只有I幀數(shù)據(jù)的百分之十五、P幀數(shù)據(jù)的百分之五十以下。 B幀的壓縮比最大。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,MPEG-1的壓縮過程 采用類似4：2：2的采用格式，壓縮后亮度信 號(hào)的分辨率為352240，兩個(gè)色度信號(hào)分辨率均 為176120，這兩種不同分辨率信息的幀率都是 每秒30幀。 其編碼的基本方法是在單位時(shí)間內(nèi)，首先采 集并壓縮第一幀的圖像為I幀。然后對(duì)于其后的 各幀，在對(duì)單幀圖像進(jìn)行有效壓縮的基礎(chǔ)上，只 存儲(chǔ)其相對(duì)于前后幀發(fā)生變化的部分。,信息的存儲(chǔ)與壓縮,幀間壓縮的過程中也常間隔采用幀內(nèi)壓縮法。 幀間壓縮的過程中也常間隔采用幀內(nèi)壓縮法，由 于幀內(nèi)（關(guān)鍵幀）的壓縮不基于前一幀，一般隔 15幀設(shè)一關(guān)鍵幀，這樣可以減少相關(guān)前一幀壓縮 的誤差積累。MPEG編碼器首先要決定壓縮當(dāng)前幀 為I幀或P幀或B幀，然后采用相應(yīng)的算法對(duì)其進(jìn) 行壓縮。一個(gè)視頻序列經(jīng)MPEG全編碼壓縮后可能 的格式為：IBBPBBPBBPBBPBBIBBPBBPBBPBBPBBI.,信息的