多媒體壓縮技術(shù)

1、多媒體緊縮技術(shù)第 7 章7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 數(shù)據(jù)緊縮的必要性 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性 數(shù)據(jù)緊縮根本原理7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 統(tǒng)計編碼 預(yù)測編碼 變換編碼7.3 常見多媒體數(shù)據(jù)緊縮規(guī)范 音頻緊縮規(guī)范 靜態(tài)圖像緊縮規(guī)范 運動圖像和視頻緊縮規(guī)范 教學重點： 教學目的：了解媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識，包括數(shù)據(jù)緊縮的必要性、數(shù)據(jù)緊縮的能夠性、數(shù)據(jù)緊縮根本原理；了解數(shù)據(jù)緊縮的編碼算法，包括統(tǒng)計編碼、預(yù)測編碼、變換編碼；了解常見多媒體數(shù)據(jù)緊縮規(guī)范，包括音頻緊縮規(guī)范、靜態(tài)圖像緊縮規(guī)范、運動圖像和視頻緊縮規(guī)范等。 了解多媒體數(shù)據(jù)緊縮的必要性、多媒體數(shù)據(jù)緊縮的能夠性、數(shù)據(jù)緊縮方法的分類 。 教學進程多媒體緊縮

2、技術(shù) 第 7 章7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.1 數(shù)據(jù)緊縮的必要性隨著多媒體技術(shù)的開展，多媒體數(shù)據(jù)的傳輸和存儲過程日益頻繁。未經(jīng)處置的多媒體數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量宏大，使數(shù)據(jù)在存儲、傳輸和處置等過程中有諸多不便，因此，多媒體數(shù)據(jù)的緊縮是多媒體運用中的關(guān)鍵問題之一。 教學進程教學進程一幅具有800600分辨率的真彩色圖像(24位/像素)，它的數(shù)據(jù)量 為：80060024=10.98Mb=1.37MB 7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.1 數(shù)據(jù)緊縮的必要性BGR相當于72萬漢字在計算機中存儲的數(shù)據(jù)量！教學進程視頻數(shù)據(jù)按我國運用的PAL制式，要到達每秒25幀的全動態(tài)顯示要求。假設(shè)每幀顯示分辨率為

3、640480的真彩色圖像24位/像素，那么每秒所需的數(shù)據(jù)量為7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.1 數(shù)據(jù)緊縮的必要性650MB的CD-ROM光盤只能存放29.6秒的視頻！6404802425=175.8Mb=21.97MB教學進程7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.1 數(shù)據(jù)緊縮的必要性1分鐘高保真立體聲數(shù)字音頻的數(shù)據(jù)量為：4410016260/8=10.09MB一首歌曲的播放時間大約是4分鐘，也就是說，一首歌曲文件的大小是40MB左右，假設(shè)保管在一個容量為512MB的U盤中，只能存儲12首這樣的歌曲。 宏大的多媒體數(shù)據(jù)量對于數(shù)據(jù)的存儲和傳輸帶來了很大的困難，因此，多媒體數(shù)據(jù)必需被緊縮！

4、教學進程多媒體數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是非常宏大的，但這些數(shù)據(jù)量表示的信息量并不等于數(shù)據(jù)量本身的大小，也就是說，多媒體數(shù)據(jù)中存在著數(shù)據(jù)冗余。運用某種編碼方法提取或減少這些數(shù)據(jù)冗余，便可以到達緊縮數(shù)據(jù)的目的，這就是多媒體數(shù)據(jù)可以緊縮的緣由。 7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性可用公式表示如下：du=D-I 其中，D是指數(shù)據(jù)量，I指信息量，du指的是冗余量。 教學進程例如： 180個漢字，在計算機中存儲的數(shù)據(jù)量為1802B=360B7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性廣播員朗誦這些內(nèi)容1分鐘，數(shù)字化時采樣頻率8000Hz，單聲道，8位量化，那么數(shù)據(jù)量為8000

5、 8 1 60/8480000B。可見，傳送同樣信息，音頻數(shù)據(jù)中那么存在冗余。教學進程空間冗余：數(shù)字化圖像中某個區(qū)域的顏色、亮度、飽和度等一樣，那么該區(qū)域里的像素點數(shù)據(jù)也是一樣的，我們只需記下一個像素點的數(shù)據(jù)及其他像素點的位置，就可以得到該區(qū)域的一切信息，大量的反復(fù)像素數(shù)據(jù)就構(gòu)成了空間冗余。 7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性 數(shù)據(jù)冗余類型 空間冗余常存在圖像數(shù)據(jù)中教學進程時間冗余經(jīng)常存在于視頻和音頻數(shù)據(jù)中。視頻是由位于時間軸上的一組延續(xù)的幀構(gòu)成的，相鄰幀之間具有很強的時間相關(guān)性，且往往變化不大，后一幀的數(shù)據(jù)與前一幀的數(shù)據(jù)有許多一樣之處，這樣就構(gòu)成了時間冗余。 7.1

6、 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性教學進程視聽覺冗余：人類的視覺和聽覺系統(tǒng)由于遭到生理特征的限制，對于圖像和聲音信號的一些細微變化是覺得不到的，忽略這些變化后，信號依然被以為是完好的。我們把這些超出人類視聽覺范圍的數(shù)據(jù)稱為視聽覺冗余。 7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性教學進程7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性知識冗余：圖像的記錄方式與某些知識有著定的相關(guān)性，例如，人臉的圖像就有固定的構(gòu)造，鼻子位于中間，上方是眼睛，下方是嘴等。這類規(guī)律性的構(gòu)造可由先驗知識和背景知識得到，但計算機并不具備這些知識，只是一個像素一個像素地存人

7、數(shù)據(jù)，這就構(gòu)成了知識冗余。 教學進程7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性構(gòu)造冗余：在有些圖像的紋理區(qū)，圖像的像素值存在著明顯的分布方式。例如，方格狀的地板圖案等。我們稱這種冗余為構(gòu)造冗余。假設(shè)知分布方式，可經(jīng)過某一過程產(chǎn)生圖像。 教學進程 數(shù)據(jù)緊縮本質(zhì) 數(shù)據(jù)的緊縮實踐上是一種編碼過程，即根據(jù)原始數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)絡(luò)將數(shù)據(jù)從一種編碼映射為另一種編碼，以減少表示信息所需求的總位數(shù)。 7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.3 數(shù)據(jù)緊縮根本原理 數(shù)據(jù)緊縮過程教學進程 數(shù)據(jù)緊縮方法分類 無損編碼 用無損編碼緊縮的數(shù)據(jù)是可以完全恢復(fù)的，解碼后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)完全一致，故也稱無失真編碼或

8、可逆編碼。 有損編碼有損編碼又稱為有失真編碼，即在編碼過程中要喪失一些人的視/聽覺不敏感的信息，且喪失的信息不可恢復(fù)。 7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.3 數(shù)據(jù)緊縮根本原理 混合編碼 混合編碼是指同時運用兩種或兩種以上的編碼方法進展組合編碼的方法。教學進程7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.3 數(shù)據(jù)緊縮根本原理教學進程 數(shù)據(jù)緊縮方法的衡量目的 緊縮率緊縮質(zhì)量緊縮/解緊縮速度7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識 7.1.3 數(shù)據(jù)緊縮根本原理教學進程統(tǒng)計編碼屬于無損編碼，它是根據(jù)信息出現(xiàn)的概率分布規(guī)律來進展緊縮編碼。其方法是：找到音訊和碼字之間的對應(yīng)關(guān)系，以便恢復(fù)時可以準確無誤地將原數(shù)據(jù)再現(xiàn)

9、出來。常用的統(tǒng)計編碼包括行程編碼、哈夫曼編碼和算術(shù)編碼三種。 行程編碼 行程編碼又稱為游程編碼，其編碼原理是將具有一樣值的延續(xù)串用其串長和一個代表值來替代，該延續(xù)串就稱為行程，串長稱為行程長度。 例如：要編碼的字符串為“aabbbcddddd，編碼后為“2a3b1c5d，緊縮前字符個數(shù)為11個，緊縮后字符個數(shù)為8個，緊縮率為11：8。 行程編碼簡單直觀，編碼/解碼速度快，因此許多圖形和視頻文件，如BMP、TIFF及AVI文件均采用這種方法緊縮。 7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計編碼教學進程哈夫曼編碼原理其根本思想是：對于給定的數(shù)據(jù)串，先計算其每個字符的出現(xiàn)頻率，并得到頻率表，運用哈夫

10、曼算法按出現(xiàn)頻率由高到低分配編碼位數(shù)，然后給出一個最優(yōu)的編碼。普通而言，字符出現(xiàn)的頻率越高對應(yīng)的編碼越短，出現(xiàn)頻率越低對應(yīng)的編碼越長。 7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計編碼教學進程哈夫曼編碼過程 1初始化，統(tǒng)計各字符出現(xiàn)的概率，根據(jù)概率的大小給字符排序。 把 2 兩個概率最小的字符的概率加起來，構(gòu)成一個新的概率。 3把這個新的概率看成是一個新字符的概率，并與其他字符概率重新排序。 4反復(fù)步驟13到最后概率等于1為止。 5編碼方法：每次合并概率的時候，把即將合并的兩個概率分別賦值為0和1：可以給大的概率賦值為0，小的復(fù)制為1；也可以給大的概率賦值為1，小的賦值為0。但前后賦值必需一致。

11、 6概率1到信源字符之間的途徑的賦值編碼就是哈夫曼編碼的碼字。 7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計編碼教學進程哈夫曼編碼實例7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計編碼待編碼字符： 教學進程哈夫曼編碼實例7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計編碼編碼過程： 7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 教學進程哈夫曼編碼實例7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計編碼編碼結(jié)果： 編碼以后的信源字符串的平均碼長為：20.3+40.08+40.11+10.37+30.14=2.15位。而采用等長碼長對5個字符進展編碼需求的碼長是3位。 教學進程7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2

12、.1 統(tǒng)計編碼算術(shù)編碼原理其根本思想是：把整個信源字符串看作是一個集合，它把集合表示為實數(shù)線上的0到1之間的一個區(qū)間。這個集合中的每個元素都要用來縮短這個區(qū)間。信源集合的元素越多，所得到的區(qū)間就越小，當區(qū)間變小時，就需求更多的數(shù)位來表示這個區(qū)間，這就是區(qū)間作為代碼的原理。 新老區(qū)間的邊境計算公式如下：新區(qū)間起始位置Ns=前區(qū)間起始位置Fs+當前區(qū)間左端Cl前區(qū)間長度L新區(qū)間終了位置Ne=前區(qū)間起始位置Fs+當前區(qū)間右端Nr前區(qū)間長度L 新區(qū)間長度L=新區(qū)間終了位置Ne-新區(qū)間起始位置Ns 教學進程7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計編碼算術(shù)編碼實例待編碼字符為：X1X3X4X2，其字符出

13、現(xiàn)的概率和初始區(qū)間為：教學進程音訊X1 X3 X4 X2可以轉(zhuǎn)化為范圍0.0646，0.067中的恣意一個數(shù)值，用一個數(shù)值代表了一個字符串，到達了數(shù)據(jù)緊縮的目的 7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計編碼教學進程預(yù)測編碼是根據(jù)離散信號之間存在著一定關(guān)聯(lián)性的特點，利用前面一個或多個信號預(yù)測下一個信號進展，然后對實踐值和預(yù)測值的差預(yù)測誤差進展編碼。假設(shè)預(yù)測比較準確，誤差就會很小。在同等精度要求的條件下，就可以用比較少的比特進展編碼，到達緊縮數(shù)據(jù)的目的。 差分脈沖編碼調(diào)制 自順應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.2 預(yù)測編碼教學進程7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.3變換編碼變換

14、編碼是指先對信號進展某種函數(shù)變換，從一種信號變換到另一種信號，然后再對信號進展編碼。變換編碼系統(tǒng)中緊縮數(shù)據(jù)有變換、變換域采樣和量化三個步驟。變換本身并不進展數(shù)據(jù)緊縮，它只把信號映射到另一個域，使信號在變換域里容易進展緊縮，變換后的樣值更獨立有序。這樣，量化操作經(jīng)過比特分配可以有效地緊縮數(shù)據(jù)。 變換編碼是一種有損編碼的方法。 教學進程 語音緊縮規(guī)范 調(diào)幅廣播語音緊縮規(guī)范 高保真立體聲的寬帶音頻緊縮規(guī)范 7.3 常見多媒體數(shù)據(jù)緊縮規(guī)范 7.3.1音頻緊縮規(guī)范教學進程 JPEG規(guī)范 JPEG2000規(guī)范 7.3 常見多媒體數(shù)據(jù)緊縮規(guī)范 7.3.1靜態(tài)圖像緊縮規(guī)范教學進程 MPEG規(guī)范 H.26X規(guī)范 7.3 常見多媒體數(shù)據(jù)緊縮規(guī)范 7.3.1動態(tài)圖像和視