多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)

1、多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(ISO)，國際電子學(xué)委員會(IEC),國際電信協(xié)會(ITU)等國際組織，于90年代領(lǐng)導(dǎo)制定了三個重要的多媒體國際標(biāo)準(zhǔn)，JPEG標(biāo)準(zhǔn)，H.261標(biāo)準(zhǔn)；MPEG標(biāo)準(zhǔn)。我們在概述中只對這三個標(biāo)準(zhǔn)的制定做簡單的介紹：靜態(tài)圖像壓縮編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)(JPEG)聯(lián)合圖像專家小組，多年來一直致力于標(biāo)準(zhǔn)化工作，他們開發(fā)研制出，連續(xù)色調(diào)、多級灰度、靜止圖像的數(shù)字圖像壓縮編碼方法。這個壓縮編碼方法稱為JPEG算法。JPEG算法被確定為JPEG國際標(biāo)準(zhǔn)，它是國際上，彩色、灰度、靜止圖像的第一個國際標(biāo)準(zhǔn)。JPEG標(biāo)準(zhǔn)是一個適用范圍廣泛的通用標(biāo)準(zhǔn)。它不僅適于靜圖像的壓縮；電視圖像

2、序列的幀內(nèi)圖像的壓縮編碼，也常采用JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)。在JPEG編碼中用到了我們已學(xué)過的變換編碼、預(yù)測編碼和熵編碼等原理和方法。這一章前面幾節(jié)講的內(nèi)容是這一部分的基礎(chǔ)。因此我們把重點(diǎn)放在JPEG的編碼算法的具體實(shí)現(xiàn)上。JPEG標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種基本壓縮算法：一是：基于DCT變換有失真的壓縮算法。二是：基于空間預(yù)測編碼DPCM的無失真壓縮算法。我們將重點(diǎn)講述基于DCT變換有失真的壓縮算法。基于離散余弦變換（DCT）的有失真壓縮編碼（1）基于DCT的有失真編碼處理過程圖基于DCT解碼器處理步驟首先來看基于DCT的編碼器處理步驟圖。從這幅圖我們可以看出JPEG編碼的處理過程，從總的來說是這樣的：對于一幅圖

3、像首先將其分成許多個8X8的小塊，也就是每個小塊有8X8=64個像素;分成多少個小塊要看圖像的分辨率,分辨率高，分的塊就多，分辨率小，分的塊就少。然后對（每一個）8X8的塊進(jìn)行DCT變換（二維），經(jīng)過DCT變換后就得到頻域的64個離散余弦變換系數(shù)，得到64個離散余弦變換系數(shù)后，要對這64個系數(shù)進(jìn)行量化，量化是根據(jù)表說明也就是量化表進(jìn)行的，量化表是JPEG組織根據(jù)人的眼睛視覺特性規(guī)定好的，直接用量化表去除得到的64個系數(shù)就是量化，量化后得到的仍是一個（8X8）64的系數(shù)，而這一系數(shù)已是低頻集中在左上角的一個8X8的系數(shù)了。最后再利用熵編碼表對其進(jìn)行熵編碼，熵編碼后的到的就是已壓縮的圖像數(shù)據(jù)。這是

4、一個總的過程，我把剛才說的歸納如下：2）基于DCT的有失真編碼處理總過程：.將圉像分成SX8的塊$64于像素值.進(jìn)行DCT變換|“曲個DCT系數(shù)根據(jù)量化表進(jìn)行量化|64-tfi化后系數(shù)根據(jù)爛編碼表進(jìn)行爛編碼4“輸出壓縮編碼在對總體有了一個認(rèn)識后，再細(xì)說各部分是如何具體實(shí)現(xiàn)的。（3）各步驟的具體實(shí)現(xiàn)將圖像分成8X8的塊對于第一步，將圖像分成8X8的塊，我們想解釋的是:按什么次序分？是按從左到右，從上到下的次序來分，并按該順序送入DCT編碼器，一個接一個的變換。第二個要說的是：被壓縮的圖像可以是黑白圖像，也可以是彩色圖像，對于黑白圖像每小塊只有64個灰度值作為下一步的輸入；對于彩色圖像不僅要有64

5、個亮度值，而且還有色差值，這兩種值要分別做DCT變換。分法：從左到右，從上到下黑白圖像：64個灰度值彩色圖像：64個亮度分量，64個色差分量例如：分辨率為576行X720列的彩色圖像有亮度子塊:576/8X720/8=6480個有色差子塊：576/8X360/8=3240圖像分成8X8的塊進(jìn)行DCT變換JPEG在編碼時用的是離散余弦正變換（FDCT）其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：FDCT變換：1）式中：其輸入數(shù)據(jù)是：把原始圖像分成8X8的多個子塊的同時將原始圖像的采樣數(shù)據(jù)從無符號整數(shù)變成有符號的整數(shù)。即若采樣精度為P位，采樣數(shù)據(jù)在范圍卩曠-1內(nèi)，則變換成在范圍卜2-1-!內(nèi)，以此作為DCT的輸入。輸出數(shù)據(jù)是

6、：DCT變換系數(shù)-64個基信號的幅值。每個8X8二維源圖像采樣數(shù)據(jù)塊，實(shí)際上是64點(diǎn)離散信號，該信號是空間二維參數(shù)x和y的函數(shù)。FDCT把這些信號作為輸入，然后把它分解成64個正交基信號，每個正交基信號對應(yīng)于64個獨(dú)立二維（2D）空間頻率中的一個，這些空間頻率是由輸入信號的頻譜組成。FDCT的輸出是64個基信號的幅值，或稱DCT系數(shù)，每個系數(shù)值由64點(diǎn)輸入信號唯一地確定。即離散余弦變換的變換系數(shù)。量化量化的方法：JPEG在JPEG標(biāo)準(zhǔn)中采用線性均勻量化器。均勻量化我們已經(jīng)講過了，在此稍提一下：就是多到一的映射，它的定義為：均勻量化定義為，對64個DCT變換系數(shù)fd，除以量化步長，四舍五入取整，

7、如下：其中。（山卩）是量化器步長。比如：下圖是均勻量化的特性圖，表示當(dāng)輸入值在“0-0.5”時量化輸出的的結(jié)果為0；當(dāng)輸入值在“0.5-1.5”時（4舍5入）量化輸出的的結(jié)果為1。這樣實(shí)現(xiàn)多到一的映射。圖4.27量化特性量化器步長QS巧是量化的關(guān)鍵，JPEG標(biāo)準(zhǔn)給出了一個參考標(biāo)準(zhǔn)-量化表，量化表就是給出了量化步長。量化器步長應(yīng)如何定義呢？人的眼睛對亮度比較敏感，對色差不敏感，對亮度和色差采用不同的量化步長。因而有了亮度量化表和色度量化表，這兩張表如下：亮度量化表1611101624405161121214192658605514131624405769561417222951878062182

8、237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399色度量化表17182447999999991821266699999999242656999999999947669999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999從這兩張表可以看出，對亮度的量化步長劃分的細(xì)一些，對色度的量化步長劃分的粗一些；兩張表都是在低頻部分（左上角）步長小一些，在高頻部分（右下角）步長大許多。因?yàn)镈CT變換后能量大部分集中在左上

9、角，所以對其細(xì)一些。這樣一量化，量化就是用DCT系數(shù)除以量化表。那么量化后高頻部分會出現(xiàn)一些0，就實(shí)現(xiàn)了壓縮，而且失真也就是在此發(fā)生的。再強(qiáng)調(diào)一下，JPEG標(biāo)準(zhǔn)的具體做法是用64個DCT系數(shù)除以（對應(yīng)）量化表中的64個數(shù)。下一步對量化后的結(jié)果進(jìn)行熵編碼DC系數(shù)的編碼和AC系數(shù)的行程編碼在做熵編碼之前，先明確兩個概念：DC系數(shù)和AC系數(shù)。量化后得到的仍是64個系數(shù)，量化并沒有改變系數(shù)的性質(zhì)大家知到DCT變換是將數(shù)據(jù)域從時（空）域變換到頻域，在頻域平面上變換系數(shù)是二維頻域變量u和v的函數(shù)。對應(yīng)于u=0，v=0的系數(shù)，稱做直流分量，即DC系數(shù)，其余63個系數(shù)稱做AC系數(shù)，即交流分量。如圖，紅點(diǎn)位置上

10、的系數(shù)就是直流系數(shù)，其它63個綠點(diǎn)位置上的系數(shù)就是交流分量。DC系數(shù)：對應(yīng)于u=0，v=0的系數(shù)，稱做直流分量，即DC系數(shù)。AC系數(shù)：其余63個系數(shù)稱做AC系數(shù)，即交流分量。一止c系數(shù)（交疣分量）DC系數(shù)是64個圖像采樣平均值。因?yàn)樵谝环鶊D像中像素之間的灰度或色差信號變化緩慢，相鄰的8X8塊之間有更強(qiáng)的相關(guān)性，所以相鄰塊的DC系數(shù)值很接近，對量化后前后兩塊之間的DC系數(shù)差值，進(jìn)行編碼，可以用較少的比特數(shù)。DC系數(shù)包含了整個圖像能量的主要部分，遠(yuǎn)離直流系數(shù)的高頻交流系數(shù)大多數(shù)為零或趨于零。例如，下圖是某一特定8X8圖像塊的量化后的DCT系數(shù)?？梢奃C系數(shù)值最大,離直流系數(shù)遠(yuǎn)的大部分都為零。例如，

11、圖4.28是某一特定8X8圖像塊的量化后的DCT系數(shù)。4812000000-108000000TOC o 1-5 h z2000000000000000000000000000000000000000000000008X8量化后的系數(shù)圖示的數(shù)據(jù)大部分都是0，用那一種編碼來表示它呢？既能表示出系數(shù)的相對位置有能說明系數(shù)的值，而且編碼效率又比較高。JPEG中對交流分量用了一個字型編碼解決了這一問題。所謂Z字型編碼就是編碼時從左上方O1(.=o,v=i)開始，沿箭頭方向，以Z字形行程掃描，直到甌忌掃描結(jié)束。Z字形排列沿Z字形路徑行進(jìn)，可使值為0AC系數(shù)集中，在這種情況下使用行程編碼方法更有效。63個

12、AC系數(shù)行程編碼的碼字，可用兩個字節(jié)表示，如圖所示。7ij33IaNhlNMhsss1AC系數(shù)行程編碼的碼字熵編碼為了進(jìn)一步達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的，需對量化后的DC系數(shù)，和行程編碼后的AC系數(shù)進(jìn)行基于統(tǒng)計特性的熵編碼。JPEG建議使用兩種熵編碼方法：哈夫曼(Huffman)編碼和自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(AdaptiveBinaryArithmeticCoding)。熵編碼可分成兩步進(jìn)行，首先把DC和AC系數(shù)轉(zhuǎn)換成一個中間格式的符號序列，然后給這些符號賦以變長碼字。（1）熵編碼的中間格式表示對交流系數(shù)AC的中間格式，由兩個符號組成。符號1（行程，尺寸）符號2（幅值）這個中間格式符號就是上面所說的AC系

13、數(shù)行程編碼的碼字?？梢赃@樣理解：符號1就是：第一個字節(jié)（NNNN行程，SSSS尺寸）符號2就是：第二個字節(jié)（幅值-下一個非零值的實(shí)際值。）在這需說明的是：關(guān)于符號1：當(dāng)兩個非零AC系數(shù)之間連續(xù)零的個數(shù)超過15時，用增加擴(kuò)展符號1（15，0）的個數(shù)來擴(kuò)充。對于8X8塊的63個AC系數(shù)最多增加三個（15,0）擴(kuò)展符號1。塊結(jié)束（EOB）以（0,0）表示。關(guān)于符號2直接用二進(jìn)制數(shù)編碼表示，若幅值為負(fù)數(shù)用反碼表示。對于直流分量DC系數(shù)的差，符號1只代表尺寸信息，用以表示DC系數(shù)差值的幅值所需的比特數(shù)；符號2表示差值的幅值大小，（2）可變長度熵編碼可變長度熵編碼就是對符號1、2對序列的統(tǒng)計編碼。對DC系數(shù)和AC系數(shù)中的符號1，查哈夫曼碼表進(jìn)行編碼。哈夫曼變長碼表和哈夫曼變長整數(shù)表是JPEG標(biāo)準(zhǔn)制定的。必須作為JPEG編碼器的一部分輸入。設(shè)NNNN的值為n，SSSS的值為s則符號1可以寫成符號1（n,s）例如符號1（3，4）表示非零兩個符號