數(shù)據(jù)傳輸壓縮方法

1、數(shù)據(jù)由于從在冗余信息，利用人類感知冗余的特點(diǎn)，對從在的數(shù)據(jù)可進(jìn)行壓縮。衡量數(shù)據(jù)壓縮的性能主要有三個指標(biāo)：1） 壓縮比2） 壓縮質(zhì)量3） 壓縮與解壓縮的效率根據(jù)解碼后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)是否完全一致，數(shù)據(jù)壓縮方法劃分為兩類：可逆與不可逆。圖像壓縮編碼1、無損壓縮：霍夫曼編碼、算數(shù)編碼、行程編碼、K-Z編碼2、有損壓縮：運(yùn)動補(bǔ)償、離散余弦編碼、離散小波編碼、離散傅里葉變換編碼、分型編碼、矢量編碼、JPEG編碼、MPEG編碼、H.264編碼1、赫夫曼編碼：赫夫曼編碼是可變字長編碼（VLC）的一種。Huffman于1952年提出一種編碼方法，該方法完全依據(jù)字符出現(xiàn)概率來構(gòu)造異字頭的平均長度最短的碼字，有時

2、稱之為最佳編碼，一般就稱Huffman編碼。下面引證一個定理，該定理保證了按字符出現(xiàn)概率分配碼長，可使平均碼長最短。霍夫曼編碼原理：設(shè)某信源產(chǎn)生有五種符號u1、u2、u3、u4和u5,對應(yīng)概率P1=0.4,P2=0.1,P3=P4=0.2,P5=0.1。首先，將符號按照概率由大到小排隊(duì)，如圖所示。編碼時，從最小概率的兩個符號開始，可選其中一個支路為0,另一支路為1。這里，我們選上支路為0,下支路為1。再將已編碼的兩支路的概率合并，并重新排隊(duì)。多次重復(fù)使用上述方法直至合并概率歸一時為止。從圖（a）和（b）可以看出，兩者雖平均碼長相等，但同一符號可以有不同的碼長，即編碼方法并不唯一，其原因是兩支路

3、概率合并后重新排隊(duì)時，可能出現(xiàn)幾個支路概率相等，造成排隊(duì)方法不唯一。一般，若將新合并后的支路排到等概率的最上支路，將有利于縮短碼長方差，且編出的碼更接近于等長碼。這里圖（a）的編碼比（b）好。赫夫曼碼的碼字（各符號的代碼是異前置碼字，即任一碼字不會是另一碼宇的前面部分，這使各碼字可以連在一起傳送，中間不需另加隔離符號，只要傳送時不出錯，收端仍可分離各個碼字，不致混淆。實(shí)際應(yīng)用中，除采用定時清洗以消除誤差擴(kuò)散和采用緩沖存儲以解決速率匹配以外，主要問題是解決小符號集合的統(tǒng)計(jì)匹配，例如黑（1）、白（0）傳真信源的統(tǒng)計(jì)匹配，采用0和1不同長度游程組成擴(kuò)大的符號集合信源。游程，指相同碼元的長度（如二進(jìn)碼

4、中連續(xù)的一串0或一串1的長度或個數(shù)）。按照CCITT標(biāo)準(zhǔn)，需要統(tǒng)計(jì)2X1728種游程（長度），這樣，實(shí)現(xiàn)時的存儲量太大。事實(shí)上長游程的概率很小，故CCITT還規(guī)定：若l表示游程長度，則l=64q+r。其中q稱主碼，r為基碼。編碼時，不小于64的游程長度由主碼和基碼組成。而當(dāng)l為64的整數(shù)倍時，只用主碼的代碼，已不存在基碼的代碼。長游程的主碼和基碼均用赫夫曼規(guī)則進(jìn)行編碼，這稱為修正赫夫曼碼，其結(jié)果有表可查。該方法已廣泛應(yīng)用于文件傳真機(jī)中。赫夫曼編碼的具體方法：先按出現(xiàn)的概率大小排隊(duì)，把兩個最小的概率相加，作為新的概率和剩余的概率重新排隊(duì)，再把最小的兩個概率相加，再重新排隊(duì)，直到最后變成1。每次相

5、加時都將“0”和“1”賦與相加的兩個概率，讀出時由該符號開始一直走到最后的“1”，將路線上所遇到的“0”和“1”按最低位到最高位的順序排好，就是該符號的赫夫曼編碼。相應(yīng)的赫夫曼編碼通過MATLAB編程后刻入硬件芯片即可用于實(shí)際操作。2、算數(shù)編碼：也是一種嫡編碼的方法。和其它嫡編碼方法不同的地方在于，其他的嫡編碼方法通常是把輸入的消息分割為符號，然后對每個符號進(jìn)行編碼，而算術(shù)編碼是直接把整個輸入的消息編碼為一個數(shù)，一個滿足（0.0&n<1.0的小數(shù)no3、行程編碼：僅存儲一個像素值以及具有相同顏色的像素?cái)?shù)目的圖象數(shù)據(jù)編碼方式稱為行程編碼，或稱游程編碼，常用RLE（Run-Lengt

6、hEncoding）表示。該壓縮編碼技術(shù)相當(dāng)直觀和經(jīng)濟(jì)，運(yùn)算也相當(dāng)簡單，因此解壓縮速度很快。RLE壓縮編碼尤其適用于計(jì)算機(jī)生成的圖形圖像，對減少存儲容量很有效果。4、混合編碼：H.264、GPEG、MPEGH.264編碼：H.264是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國際電信聯(lián)盟（ITU）共同提出的繼MPEG4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式。H264標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)如下：1 .更高的編碼效率：同H.263等標(biāo)準(zhǔn)的特率效率相比，能夠平均節(jié)省大于50%的碼率。2 .高質(zhì)量的視頻畫面：H.264能夠在低碼率情況下提供高質(zhì)量的視頻圖像，在較低帶寬上提供高質(zhì)量的圖像傳輸是H.264的應(yīng)用亮點(diǎn)。3 .提高網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力

7、：H.264可以工作在實(shí)時通信應(yīng)用（如視頻會議）低延時模式下，也可以工作在沒有延時的視頻存儲或視頻流服務(wù)器中。4 .采用混合編碼結(jié)構(gòu)：同H.263相同，H.264也使用采用DCT變換編碼力口DPCM的差分編碼的混合編碼結(jié)構(gòu)，還增加了如多模式運(yùn)動估計(jì)、幀內(nèi)預(yù)測、多幀預(yù)測、基于內(nèi)容的變長編碼、4x4二維整數(shù)變換等新的編碼方式，提高了編碼效率。5 .H.264的編碼選項(xiàng)較少：在H.263中編碼時往往需要設(shè)置相當(dāng)多選項(xiàng)，增加了編碼的難度，而H.264做到了力求簡潔的回歸基本：降低了編碼時復(fù)雜度。6 .H.264可以應(yīng)用在不同場合：H.264可以根據(jù)不同的環(huán)境使用不同的傳輸和播放速率，并且提供了豐富的錯

8、誤處理工具，可以很好的控制或消除丟包和誤碼。7 .錯誤恢復(fù)功能：H.264提供了解決網(wǎng)絡(luò)傳輸包丟失的問題的工具，適用于在高誤碼率傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)中傳輸視頻數(shù)據(jù)。8 .較高的復(fù)雜度：264性能的改進(jìn)是以增加復(fù)雜性為代價(jià)而獲得的。據(jù)估計(jì)，H.264編碼的計(jì)算復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的3倍，解碼復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的2倍。JPRG編碼：由于JPEG的有損壓縮方式(Lossymodeofoperation)并不比其他的壓縮方法更優(yōu)秀，因此我們著重來看它的有損壓縮中最常用的基線JPEG算法(baselinesequential)。以一幅24位彩色圖像為例，JPEG的壓縮步驟分為：1 .顏色轉(zhuǎn)換JP

9、EG支持圖像采用任何一個色彩空間，支持14個顏色分量?；叶葓D像顏色分量數(shù)為1。RGB、YUV、YCbCr等擁有3種顏色分量。4種顏色分量的例子是青、洋紅、黃和黑(Cyan,Magenta,Yellow,andBlack,CMYK)。為了減少色度通道包含的大量的冗余信息，本例中采用YCbCr色彩空間。首先需要進(jìn)行從RGB到Y(jié)CbCr的色彩空間變換：Y=0.299000R+0.587000G+0.114000BCb=-0.168736R-0.331264G+0.500002BCr=0.500000R-0.418688G-0.081312B其中，Y表示亮度分量，Cb和Cr表示藍(lán)紅色度分量。2 .DC

10、電平偏移最初，在圖像中的像素存儲在無符號的整數(shù)中。對于數(shù)學(xué)計(jì)算，在圖像中任何變換或數(shù)學(xué)計(jì)算開始之前，根本上是將這些采樣轉(zhuǎn)換成兩個補(bǔ)碼表示。DC電平偏移的目的是保證輸入圖像的采樣有近似地集中在零附近的動態(tài)范圍。DC電平偏移執(zhí)行的圖像采樣只通過無符號數(shù)表示。方法：假設(shè)圖片分量的采樣精度為n,那么分量中的每個像素值應(yīng)減去2的(n-1)次哥。對于圖像而言他的采樣由無符號的整數(shù)表示，例如CT(X光斷層成像)圖像，動態(tài)范圍已經(jīng)集中于零附近，所以不需要DC電平偏移。3 .子采樣色彩空間轉(zhuǎn)換之后，圖像的大多數(shù)空間信息包含在亮度分量Y中。色度分量Cb和Cr包含大量冗余的顏色信息，所以我們運(yùn)用子采樣較少色度數(shù)據(jù)量

11、以在丟失少量信息的情況下壓縮圖像?；€JPEG常用的子采樣格式為4:2:0,同時支持4:2:2和4:4:4顏色格式。3.DCT變換IIM'Tt-¥yC*<'戶.J%HlbFDCTIDCTJ4DCT(DiscreteCosineTransform)是將圖像信號在頻率域上進(jìn)行變換，分離出高頻和低頻信息的處理過程。然后再對圖像的高頻部分(即圖像細(xì)節(jié))進(jìn)行壓縮，以達(dá)到壓縮圖像數(shù)據(jù)的目的。首先將圖像劃分為多個8*8的矩陣。然后對每一個矩陣作DCT變換。變換后得到一個頻率系數(shù)矩陣，其中的頻率系數(shù)都是浮點(diǎn)數(shù)。4 .量化由于在后面編碼過程中使用的碼本都是整數(shù)，因此需要對變換后的

12、頻率系數(shù)進(jìn)行量化，將之轉(zhuǎn)換為整數(shù)。由于進(jìn)行數(shù)據(jù)量化后，矩陣中的數(shù)據(jù)都是近似值，和原始圖像數(shù)據(jù)之間有了差異，這一差異是造成圖像壓縮后失真的主要原因。Sqvu=roundIiblrK.2-ChivjiiuiJEirrqsint遼ulkmtubk17U244799999999K21266699W90992425999999TO994766為99yy999999999999四a99999999W9999W99999999999999W999999999999州999999I'ubkKJ-LmnliMiicrquuilLEMikmtMbk1610624405161121214265S605514

13、1316244057695614172229幻S78062IK223756109103772455S564811041139249647W8710312112U1017192959Hl】2100J0399量化算法4在這一過程中，質(zhì)量因子的選取至為重要。值選得過大，可以大幅度提高壓縮比，但是圖像質(zhì)量就比較差；反之，質(zhì)量因子越?。ㄗ钚?）,圖像重建質(zhì)量越好，但是壓縮比越低。對此，ISO已經(jīng)制定了一組供JPEG代碼實(shí)現(xiàn)者使用的標(biāo)準(zhǔn)量化值（如右圖所示）。右圖的兩個量化表的設(shè)計(jì)是根據(jù)由Lohscheller做的心理視覺實(shí)驗(yàn)來確定二維基函數(shù)的可見閾值。這些表也不適用于各種各樣的圖像，但他們?yōu)榇蠖?位精度

14、自然圖像進(jìn)行亮度和色度采樣提供了合理的、出色的結(jié)果。5 .編碼從前面過程我們可以看到，顏色轉(zhuǎn)換完成到編碼之前，圖像并沒有得到進(jìn)一步的壓縮,DCT變換和量化可以說是為編碼階段做準(zhǔn)備。編碼采用兩種機(jī)制：一是0值的行程長度編碼；二是嫡編碼(EntropyCoding)。zig_zag3字形排序(Zig-zagordering)在JPEG中，采用曲徊序列，即以矩陣對角線的法線方向作之”字排列矩陣中的元素。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是使得靠近矩陣左上角、值比較大的元素排列在行程的前面，而行程的后面所排列的矩陣元素基本上為0值。使用RLE對交流系數(shù)(AC)進(jìn)行編碼行程長度編碼是非常簡單和常用的編碼方式，在此不再贅述。需

15、要注意的是，AC系數(shù)的之字形序列編碼中有兩個特殊符號一一(0,0)和(15,0)。第一個特殊符號指的是塊的結(jié)束(end-of-block,EOB),用來表明在之字形塊中剩余的元素都是零。另一個特殊符號是指零游程長度(zero-run-length,ZRL),用來表明16個零游程?；€JPEG允許的零游程最大長度是16個。如果這里的零超過16個，那么這個游程分成幾個長度為16的零游程。DIFF=DCt-PREDIDC差分編碼4使用DPCM對直流系數(shù)(DC)進(jìn)行編碼DCT系數(shù)量化之后，通過差分編碼對量化后的DC系數(shù)編碼。當(dāng)前塊的DC系數(shù)減去前個塊的DC系數(shù)，然后對其差值進(jìn)行編碼，如右圖所示。這就利用了鄰接塊DC值之間的空間相關(guān)性。W編碼編碼實(shí)際上是一種基于統(tǒng)計(jì)特性的編碼方法。在JPEG中允許采用HUFFMAN編碼或者算術(shù)編碼。而基線JPEG