第三章DVB-S系統(tǒng)信源編碼

第三章DVB-S系統(tǒng)3.1數(shù)字通信系統(tǒng)的基本知識(shí)

3.2DVB-S系統(tǒng)信源編碼

3.1數(shù)字通信系統(tǒng)的基本知識(shí)通信：指信息的傳輸與交換。通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。消息(message)：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。信息(information)：是消息中包含的有效內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺(tái)…電的：如電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測(cè)、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信等。

單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞桨腚p工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)收發(fā)的工作方式全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式

3.1.1

通信方式：?jiǎn)喂?、半雙工和全雙工通信并行傳輸和串行傳輸并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸

優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快：不需要字符同步措施 缺點(diǎn)：需要n條通信線路，成本高

串行傳輸：將數(shù)字信號(hào)碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸

優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路； 缺點(diǎn)：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施3.1.2數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有效性和可靠性有效性：指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘繒r(shí)所占用的信道資源（頻帶寬度和時(shí)間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}?？煽啃裕褐附邮招畔⒌臏?zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。

碼元傳輸速率RB：定義為單位時(shí)間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡(jiǎn)記為B。式中T

表示一個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間（秒）

信息傳輸速率Rb：定義為單位時(shí)間內(nèi)傳遞的比特?cái)?shù)或平均信息量，單位為比特/秒，簡(jiǎn)記為b/s

，或bps

碼元速率和信息速率的關(guān)系

或

對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)：M=2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。

對(duì)于多進(jìn)制，例如在八進(jìn)制（M=8）中，若碼元速率為1200B，，則信息速率為3600b/s。頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即

或可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。誤碼率誤信率，又稱誤比特率 在二進(jìn)制中有η越大，ηb越大，有效性越好；采用多進(jìn)制可以提高ηb解：

依題意

則

得系統(tǒng)的誤碼率

例1：

已知某八進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)的信息速率為3000bit/s，在收端10分鐘內(nèi)測(cè)得出現(xiàn)18個(gè)錯(cuò)誤碼元，試求該系統(tǒng)的誤碼率。

信道容量是指信道中信息無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笏俾?。編碼信道是一種離散信道，可以用離散信道的信道容量來表征。

離散信道容量

根據(jù)奈奎斯特(Nyquist)準(zhǔn)則，帶寬為Ｂ的信道，所能傳送的信號(hào)最高碼元速率為2B波特(Baud)。因此，無噪聲離散信道的信道容量為

C=2Blog2L(bit/s)

3.1.3信道容量例2：一個(gè)四進(jìn)制無噪聲數(shù)字信道，帶寬為3000Hz，求該信道的信道容量。解：C=2Blog2L=2×3000×log24=12000bit/s

3.2信源編碼壓縮的必要性以4：2：2信號(hào)格式為例，采用10比特編碼，標(biāo)清信號(hào)的比特率達(dá)到270Mbit/s，因此要求信道提供135MHz的帶寬。信號(hào)的存儲(chǔ)困難，一個(gè)1GB容量的光盤，僅能存約半分鐘的標(biāo)清電視數(shù)據(jù)。

HDTV系統(tǒng)中，一幀畫面1280×720點(diǎn)，24bit真彩色，60幀/s，每秒數(shù)據(jù)量:1280×720×3×60=166MB=1.33Gb目前數(shù)字傳輸能力，6MHz帶寬，只有30Mb/s的傳輸速率，需要壓縮比:1330/20=44.4結(jié)論：1）如果不降低數(shù)字電視數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)碼率，就無法在普通的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備有效地存儲(chǔ)數(shù)字電視信號(hào)；2）無法在適當(dāng)?shù)男诺缼拑?nèi)有效地傳輸數(shù)字電視信號(hào)；

因此，要想降低數(shù)字電視的數(shù)據(jù)量和碼率，就需要對(duì)數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行壓縮。通常，將對(duì)數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行壓縮的過程稱為信源編碼。壓縮的可能性圖像數(shù)據(jù)的壓縮機(jī)理來自兩個(gè)方面：一是利用圖像中存在大量冗余度可供壓縮；二是利用人眼的視覺特性帶來的數(shù)據(jù)冗余。1．圖像數(shù)據(jù)的冗余度（幀內(nèi)和幀間）(1)空間冗余在一幅圖像中規(guī)則的物體和規(guī)則的背景都具有很強(qiáng)的相關(guān)性。例1靜止圖像信息的冗余

（相鄰像素間的空間冗余）例2活動(dòng)圖像信息的冗余（相鄰幀間）圖像序列中不同幀之間存在相關(guān)性引起的時(shí)間冗余(2)時(shí)間冗余帆船在畫面中航行，前后兩幀圖像中只是帆船向前行駛了一段路程，背景基本不變，帆船也是時(shí)間相關(guān)的（3）結(jié)構(gòu)冗余：圖像從大面積上看，存在著有規(guī)律的紋理結(jié)構(gòu)，稱之為結(jié)構(gòu)冗余。如太陽(yáng)是圓的，樓房建筑多為長(zhǎng)方形，人的身體具有對(duì)稱性等。

（4）知覺冗余：知覺冗余是指那些處于人們聽覺和視覺分辨力以下的視音頻信號(hào)，若在編碼時(shí)舍去這種信號(hào)，雖然產(chǎn)生一定失真，但并不能為人所感知。

視覺冗余

人眼的視覺效果是圖像質(zhì)量的最直接也是最終的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于人眼難以識(shí)別的數(shù)據(jù)或?qū)σ曈X效果影響甚微的數(shù)據(jù)，都可認(rèn)為是多余的數(shù)據(jù)，可以省去。這些多余部分就是視覺冗余。4bit量化8bit量化空間分辨力

空間分辨力是指對(duì)一幅圖像相鄰像素的灰度和細(xì)節(jié)的分辨力，視覺對(duì)于不同圖像內(nèi)容的分辨力不同。對(duì)于靜止圖象，視覺具有較高的空間分辨力。對(duì)于活動(dòng)圖象，視覺具有較低的空間分辨力，且隨著運(yùn)動(dòng)速度的提高而迅速下降。信源編碼的方框圖

消除空間與時(shí)間冗余消除知覺冗余降低結(jié)構(gòu)冗余消除統(tǒng)計(jì)(熵)冗余幀內(nèi)預(yù)測(cè)幀間預(yù)測(cè)自適應(yīng)預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)K-L變換哈爾（Haar）變換離散余弦變換（DCT）沃爾什（Walsh）變換霍夫曼編碼算術(shù)編碼

MPEG標(biāo)準(zhǔn)

1988年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）共同組建了運(yùn)動(dòng)圖像專家組MPEG（MovingPictureExpertsGroup），對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。

1992年和1994年分別通過了MPEG-1和MPEG-2壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)不同的應(yīng)用，MPEG現(xiàn)在已經(jīng)有了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3、MPEG-4、MPEG-7一系列標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)高質(zhì)量的活動(dòng)圖象、聲音實(shí)現(xiàn)壓縮主要用于廣播電視、活動(dòng)圖象的壓縮編碼和解碼數(shù)據(jù)壓縮編碼方法的分類根據(jù)解壓重建后的圖像和原始圖像之間是否有誤差，可以分成兩類。

無損壓縮編碼（可逆壓縮編碼(ReversibleCoding)）原始數(shù)據(jù)可完全從壓縮數(shù)據(jù)中恢復(fù)出來，即在壓縮和解壓縮過程中沒有信息損失。壓縮比2:1左右。有損壓縮編碼(不可逆壓縮編碼(Non-ReversibleCoding))

原始數(shù)據(jù)不能完全從壓縮數(shù)據(jù)中恢復(fù)出來，即恢復(fù)數(shù)據(jù)只是在某種失真度下的近似。如果視覺上能夠接受甚至覺察不出質(zhì)量的降低，則這種壓縮就是可行的。壓縮比1000:1。

根據(jù)壓縮機(jī)理的不同，數(shù)據(jù)壓縮編碼方法可以分成：預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、熵編碼。1、預(yù)測(cè)編碼（PredictiveCoding）

(幀間編碼)

利用過去的樣值對(duì)當(dāng)前樣值進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后當(dāng)前樣值的實(shí)際數(shù)與預(yù)測(cè)值相減得到一個(gè)誤差值，只對(duì)這一預(yù)測(cè)誤差值進(jìn)行編碼。編碼系統(tǒng)主要由加法器、預(yù)測(cè)器、量化器和編碼器構(gòu)成。差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM：DifferentialPulseCodeModulation）是預(yù)測(cè)編碼中最重要的一種編碼方法。

DPCM原理

DPCM原理任一像點(diǎn)的灰度值可由它前面出現(xiàn)的若干個(gè)像素進(jìn)行估計(jì)(預(yù)測(cè))數(shù)字圖像相鄰像素間存在較強(qiáng)的相關(guān)性

求出估計(jì)值與實(shí)際值的差值對(duì)差值進(jìn)行量化、編碼、傳輸

設(shè)tk時(shí)刻的輸入信號(hào)取樣值為Xk；tk時(shí)刻前N個(gè)鄰近像素取樣序列為，現(xiàn)由此N個(gè)值估計(jì)，得估計(jì)值預(yù)測(cè)差值為,

對(duì)ek進(jìn)行量化、編碼、傳輸可達(dá)到壓縮目的。

DPCM原理DPCM系統(tǒng)的性能決定于預(yù)測(cè)器與量化器的設(shè)計(jì)。DPCM系統(tǒng)的主要問題是存在誤碼擴(kuò)散：若傳輸中產(chǎn)生誤碼，由于遞歸預(yù)測(cè)算法，對(duì)于幀間編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到后續(xù)的若干幀中。注意:

因?yàn)殪o止圖像前后幀空間位置對(duì)應(yīng)像素完全一樣，簡(jiǎn)單幀間預(yù)測(cè)對(duì)于靜止圖像畫面壓縮非常有效。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)第一幀圖像數(shù)據(jù)，其后連續(xù)幀可以反復(fù)讀出。對(duì)于活動(dòng)圖像內(nèi)容，前后幀相應(yīng)位置像素差值很大，量化后比特?cái)?shù)仍然很大，壓縮效果不佳。

解決辦法：運(yùn)動(dòng)估計(jì)

（MotionEstimation）

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊效應(yīng)（1）運(yùn)動(dòng)估計(jì)簡(jiǎn)單說運(yùn)動(dòng)估計(jì)是對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的位移作出估計(jì)。編碼圖象中的當(dāng)前宏塊相對(duì)于參考圖象中的匹配宏塊所移動(dòng)的距離和方向，就是運(yùn)動(dòng)矢量（MotionVector）。求運(yùn)動(dòng)矢量的過程稱為運(yùn)動(dòng)估計(jì)。abc當(dāng)前幀后一幀運(yùn)動(dòng)矢量MV運(yùn)動(dòng)估計(jì)，找到匹配塊前一幀（2）運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償最終預(yù)測(cè)圖象是用兩種類型的參數(shù)一起來表示：當(dāng)前要編碼的圖象宏塊和參考圖象宏塊之間的差值；宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量?？紤]了運(yùn)動(dòng)估計(jì)而對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)編碼稱為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。2、變換編碼

變換編碼(TransformCoding)的基本思想是將在通常的空間域描寫的圖像信號(hào)變換到另外的向量空間(變換域)進(jìn)行描寫，然后再根據(jù)圖像在變換域中系數(shù)的特點(diǎn)和人眼的視覺特性進(jìn)行編碼。如將時(shí)域信號(hào)變換到頻域，因?yàn)槁曇?、圖像大部分信號(hào)都是低頻信號(hào)，在頻域中信號(hào)的能量較集中。(1)一般來說圖像變換不是對(duì)整幅圖像一次進(jìn)行，而是在存儲(chǔ)器中把一幅圖像分成許多像塊，然后依次將每個(gè)像塊內(nèi)的N×N個(gè)樣點(diǎn)同時(shí)送入變換器進(jìn)行變換運(yùn)算。(2)變換器把輸入的N×N點(diǎn)的像塊由原空間域變換到變換域中，映射成同樣大小的N×N點(diǎn)的變換系數(shù)矩陣，經(jīng)過變換后的系數(shù)矩陣更有利于壓縮。變換編碼流程(3)量化器用有限個(gè)值來表示變換后的系數(shù)矩陣，通過量化器舍棄一些小幅度的變換系數(shù)。(4)編碼器給量化器輸出的每一個(gè)符號(hào)指定一個(gè)二進(jìn)制碼字，可以是定長(zhǎng)碼也可以是變長(zhǎng)碼。變換編碼流程變換編碼系統(tǒng)框圖分塊DCT變換量化編碼解碼反量化反DCT變換塊組合輸入數(shù)據(jù)接收輸出信道右圖為8×8DCT基圖像示意圖注：變換后的系數(shù)矩陣中，不同位置處的系數(shù)值對(duì)應(yīng)不同空間頻率分量的大小，低頻分量處在左上角附近，高頻分量處在右下角附近。

變換之后需要對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化，這時(shí)可利用人眼的視覺冗余性?？蓪?duì)系數(shù)矩陣左上角附近的系數(shù)進(jìn)行細(xì)量化（量化比特?cái)?shù)高）而對(duì)右下角附近的系數(shù)進(jìn)行粗量化（量化比特?cái)?shù)低），即對(duì)不同的DCT系數(shù)采用不同的量化間隔。不同的量化間隔DCT編碼是有損壓縮對(duì)圖像帶來失真的主要原因如下：(1)由于量化舍去高頻系數(shù)而使圖像輪廓產(chǎn)生模糊；(2)對(duì)某些系數(shù)采用粗量化引起圖像亮度緩變區(qū)在鄰近的兩個(gè)量化電平之間變化，造成顆粒狀的雜波；(3)像塊的劃分使相鄰像塊人為地造成亮度不連續(xù)，即塊效應(yīng)。例：把DCT變換后的系數(shù)按一定方式讀出。

Z形掃描游程編碼：（0，79），（1，－2），（0，－1），（0，－1），（0，－1），（2，－1），EOBZ形讀出：

3、游程編碼(RLC，RunLengthCoding)游程編碼的方法是將一維序列轉(zhuǎn)化為一個(gè)由二元數(shù)組(run,level)組成的數(shù)組序列，其中run表示連零的長(zhǎng)度，level表示緊接在這串連零之后出現(xiàn)的非零值。當(dāng)剩下的所有系數(shù)都為零時(shí)，用符號(hào)EOB(EndofBlock)來代表。

游程編碼(RLC，RunLengthCoding)注：游程編碼一般不直接使用，為了達(dá)到較好的壓縮效果，通常與其他編碼方法一起使用，如和正交變換一起使用。為解決連0的表達(dá)方式采用游程編碼。游程長(zhǎng)度編碼(RLC)圖在量化的DCT交流（AC）系數(shù)中，將每一串連0系數(shù)與其后面的一個(gè)非0系數(shù)組成一個(gè)數(shù)組，并用一對(duì)符號(hào)表示：

符號(hào)1符號(hào)2

（游程長(zhǎng)度Run,位長(zhǎng)）（幅值）游程長(zhǎng)度：非零系數(shù)前連0的個(gè)數(shù)；位長(zhǎng)為后續(xù)非“0”系數(shù)的編碼位長(zhǎng)。

幅值：非零系數(shù)值。

DC和AC系數(shù)的統(tǒng)計(jì)量不一樣，它們采用不同的Huffman表。符號(hào)對(duì)由符號(hào)1和符號(hào)2組成。對(duì)于直流差分系數(shù)，符號(hào)1中只有位長(zhǎng)。符號(hào)2表示幅值，即不為0的AC系數(shù)值。其游程長(zhǎng)度編碼結(jié)果：(25),（0,4)(10),（0,2)(3）,(2,2)(-2),(0,2)(2),(7,1)(-1),(0,0)第一個(gè)數(shù)是直流（DC）系數(shù)。游程編碼使64個(gè)系數(shù)只需7對(duì)符號(hào)，用7個(gè)碼字表示即可。游程編碼后的熵編碼多用霍夫曼編碼（VLC)。編碼標(biāo)準(zhǔn)提供霍夫曼碼表，根據(jù)游程編碼得到的符號(hào)直接查表，得到相應(yīng)的碼字。碼表是根據(jù)概率分布并對(duì)大量典型圖像素材進(jìn)行統(tǒng)計(jì)制成的位長(zhǎng)與DC差分值和AC系數(shù)對(duì)應(yīng)表亮度和色度直流系數(shù)的Huffman碼表亮度交流系數(shù)的Huffman碼表色度交流系數(shù)的Huffman碼表幅度值的可變長(zhǎng)二進(jìn)制編碼表游程編碼后的熵編碼對(duì)符號(hào)1中的數(shù)據(jù)，從亮度和色度的系數(shù)碼表查出霍夫曼編碼；符號(hào)2中的數(shù)據(jù)仍用自然二進(jìn)數(shù)編碼，也稱可變長(zhǎng)整數(shù)（VLI）編碼，碼字長(zhǎng)度也是可變的；直流系數(shù)DC采用與相鄰像塊DC的差值編碼；對(duì)前面圖中的游程編碼結(jié)果進(jìn)行熵編碼，結(jié)果是：11011001101110100111111110010101101111101001010壓縮比計(jì)算

以上由64個(gè)像點(diǎn)樣值編碼所得數(shù)據(jù)的總位數(shù)是47?？捎贸闃游宦时硎緣嚎s程度，即用平均每個(gè)像點(diǎn)占用多少位來表示。對(duì)于此8×8像塊的抽樣位率計(jì)算如下：也可以用壓縮比CR來度量壓縮程度。本例按原圖象用8比特量化的8×8像塊計(jì)算，可得壓縮比為：4、熵編碼原理熵編碼（EntropyCoding）是一類無損編碼，編碼后的平均碼長(zhǎng)接近信源的熵。

霍夫曼(Huffman)編碼：變長(zhǎng)編碼，對(duì)出現(xiàn)概率大的信源符號(hào)分配較短的碼字，對(duì)出現(xiàn)概率小的信源符號(hào)分配較長(zhǎng)的碼字，以獲得較短的平均碼長(zhǎng)。

一、概率

概率通常是指某一事件發(fā)生的相對(duì)頻數(shù)。設(shè)信息源中有k個(gè)符號(hào){a1,a2,...ak}從這組符號(hào)中任取n次符號(hào)，而在這n次選取的符號(hào)里，取得ai的次數(shù)為m，則當(dāng)n很大時(shí)，比率m/n就稱為取出符號(hào)ai概率。用P(ai)表示，即

一、概率事件的概率總是正數(shù)，并總是處在0與l之間，即

o＜P(ai)＜1。如果P(ai)＝0，說明是不可能事件;

如果P(ai)＝1，則說明是必然事件。

二、信息量所謂信息量，實(shí)際是對(duì)消息中所含信息多少的一種度量。消息中所含信息量的大小與消息發(fā)生的概率有密切關(guān)系。一件事發(fā)生的概率越小，越使人感到意外和驚奇，此消息所含的信息量就越大；若消息出現(xiàn)的概率P(ai)→0，其消息的信息量就趨于無窮大。當(dāng)消息發(fā)生的概率P(ai)→l時(shí)，則說明是一個(gè)必然事件，其所含的信息量為零。

二、信息量在信息論中，消息所含的信息量I由下式表示

單位為比特。由該式可看出：當(dāng)消息發(fā)生的概率P＝1/2時(shí)，消息所含的信息量I=l比特；當(dāng)P＝1/4時(shí)，I＝2比特。若要傳送8個(gè)等概率出現(xiàn)的消息之一,即P＝1/8，I＝3,至少需要三位二進(jìn)制。這樣，所傳輸消息的信息量就與傳送所需要的最少二進(jìn)制位數(shù)建立了一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。三、熵的概念設(shè)有2個(gè)編號(hào)為“1”的小球，編號(hào)為“1”的小球占總數(shù)6個(gè)球的1/3；有3個(gè)編號(hào)為“2”的小球，編號(hào)為“2”的小球占總數(shù)6個(gè)球的1/2；有1個(gè)編號(hào)為“3”的小球，編號(hào)為“3”的小球占總數(shù)6個(gè)球的1/6。求編號(hào)平均值方法一：求編號(hào)平均值方法二：三、熵的概念信源的平均信息量稱之為熵。設(shè)有n個(gè)信號(hào)電平a1,a2...an，其對(duì)應(yīng)的概率分別為Pl，P2，…Pn，信號(hào)所攜帶的信息量分別是log(1/P1),log(1/P2)...,log(1/Pn)

比特，則熵便可由下式求出:三、熵的概念

即：

設(shè)信源輸出M個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的符號(hào)x1,x2,…,xM，它們出現(xiàn)的概率分別為P(x1),P(x2),…，P(xM)，則每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值即離散信源的平均信息量為

H(x)=-(bit/符號(hào))信源的平均信息量又稱“信源熵”?？梢宰C明:最大信源熵發(fā)生在信源的每個(gè)符號(hào)等概獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，最大信源熵為Hmax(x)=log2M(bit/符號(hào))例一個(gè)由字母A,B,C,D組成的字，對(duì)于傳輸?shù)拿恳粋€(gè)字母用二進(jìn)制脈沖編碼，00代表A，01代表B，10代表C，11代表D，每個(gè)脈沖寬度為5ms。（1）不同的字母是等可能出現(xiàn)時(shí)，試計(jì)算傳輸?shù)钠骄畔⑺俾?；?）若每個(gè)字母的出現(xiàn)可能性分別為

試計(jì)算傳輸?shù)钠骄畔⑺俾省?/p>

解（1）每個(gè)字母的持續(xù)時(shí)間為2×5ms，所以字母?jìng)鬏斔俾蕿椴煌淖帜傅瓤赡艹霈F(xiàn)時(shí)，每個(gè)字母的平均信息量為

平均信息速率為（2）每個(gè)字母的平均信息量為

所以，平均信息速率為

三、熵的概念圖像信源編碼中：

信源的熵是壓縮編碼的一個(gè)理論極限，它表示無失真編碼所需的比特率的下限。

比特率是編碼表示一個(gè)像素所需的平均比特?cái)?shù)。

編碼輸出的平均碼長(zhǎng)要≥信源熵。

信源壓縮編碼的目的之一，是使平均碼長(zhǎng)盡可能的接近信源的熵。平均碼長(zhǎng)：m=20.25+20.25+20.20+30.15+40.10+40.05=2.45bit/符號(hào)熵：bit/符號(hào)編碼效率：

MPEG-1/MPEG-2的視頻結(jié)構(gòu)

（1）視頻序列（VS）

視頻序列也稱圖像序列，它是隨機(jī)選取節(jié)目的一個(gè)基本單元。從節(jié)目?jī)?nèi)容看，一個(gè)視頻序列大致對(duì)應(yīng)于一個(gè)鏡頭，切換一個(gè)鏡頭，即表示開始一個(gè)新的序列。

（2）圖像組(GOP)

圖像組由幾幀連續(xù)圖像組成，簡(jiǎn)稱為GOP。它是對(duì)編碼后的視頻碼流進(jìn)行存取的基本單元。其第一幀總是I幀。大的圖像組包含10~15幀圖像。小圖像組只有2~3幀圖像。（3）圖像(P)

圖像是一個(gè)獨(dú)立的顯示單元，也是圖像編碼的基本單元?？煞譃镮PB三種編碼圖像，分別對(duì)應(yīng)三種壓縮編碼模式，即幀內(nèi)壓縮編碼（I幀編碼）前向預(yù)測(cè)編碼（P幀編碼）和雙向預(yù)測(cè)編碼（B幀編碼）。

（4）像條(SLICE)

像條由一系列連續(xù)的宏塊組成。就是行（5）宏塊(MB)

宏塊是運(yùn)動(dòng)估計(jì)的基本單元。運(yùn)動(dòng)估計(jì)以宏塊為單位得到最佳匹配宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量。運(yùn)動(dòng)估計(jì)只對(duì)亮度數(shù)組進(jìn)行，色差數(shù)組使用和亮度數(shù)組相同的運(yùn)動(dòng)矢量。

（6）塊

塊是DCT變換的基本單元。一幅圖像以亮度數(shù)據(jù)數(shù)組為基準(zhǔn)被分成為若干個(gè)8×8像素的數(shù)組，簡(jiǎn)稱為塊?？梢允橇炼葔K或色差信號(hào)塊。

1234597116108124：2：0宏塊結(jié)構(gòu)4：2：2宏塊結(jié)構(gòu)4：4：4宏塊結(jié)構(gòu)GOP1GOPSCGOP頭圖像1圖像2圖像3…圖像N圖像SC圖像頭條1條2條3…條m條SC條頭宏塊1宏塊2宏塊3…宏塊nY1宏塊編碼信息Y2Y3Y4C1C28×8系數(shù)塊序列層GOP層圖像層宏塊層像塊層序列SC序列擴(kuò)展序列頭GOP2…序列EC0x000001B3視頻基本碼流結(jié)構(gòu)MPEG標(biāo)準(zhǔn)中三種類型圖像I幀/P幀/B幀

I幀:幀內(nèi)編碼圖像,僅利用該幀圖像本身信息進(jìn)行預(yù)測(cè)編碼,壓縮比不高；

幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼預(yù)測(cè)值由同一行前面的相臨像素和上面相臨行的相關(guān)像素來產(chǎn)生時(shí)，稱為二維預(yù)測(cè)。二維預(yù)測(cè)可去除空間冗余。預(yù)測(cè)精度越高，編碼效率越高。MPEG標(biāo)準(zhǔn)中三種類型圖像P幀:預(yù)測(cè)編碼圖像,根據(jù)前面最靠近的I幀或者另一個(gè)P幀進(jìn)行預(yù)測(cè),屬于前向預(yù)測(cè)；

由于使用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，P幀比I幀壓縮更大，并可作為后面P/B幀的基準(zhǔn)，會(huì)傳播誤碼。壓縮比大于I幀。B幀:雙向預(yù)測(cè)編碼圖像,它既用過去的幀作基準(zhǔn)，也用后來的幀作基準(zhǔn)，即前向和后向預(yù)測(cè)都有，預(yù)測(cè)精度較高。B幀壓縮最大,且不傳播誤碼；

I，P，B三種圖象的數(shù)據(jù)壓縮比：

2～5：1，5～10：1，20～30：1雙向預(yù)測(cè)B幀預(yù)測(cè)方式

I幀圖像:只由幀內(nèi)宏塊組成

P幀圖像:包含前向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償I或PB幀圖像:包含雙向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償I或P解碼時(shí)間標(biāo)簽DTS（DecodingTimeStamp顯示時(shí)間標(biāo)簽PTS（PresentationTimeStamp）MPEG-2碼流的解碼和顯示順序IBBPBBPIBBP傳輸流中的GOP結(jié)構(gòu)傳輸幀序列與顯示幀序列不同MPEG-2傳輸層碼流分為：ES、PES、TS。ES(ElementaryStream)：指只包含1個(gè)信源編碼器的數(shù)據(jù)流。即ES是編碼的視頻數(shù)據(jù)流，或編碼的音頻數(shù)據(jù)流，或其它編碼數(shù)據(jù)流的統(tǒng)稱。打包:為便于傳輸，實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用，基本流ES必須“打包”，就是將順序、連續(xù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流按一定的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行分割，分割的小段叫做“包”，因而打包也稱為分組。PES

(PacketizedElementaryStream)：將ES流分組打包后，在每一個(gè)包前加包頭就構(gòu)成了打包的基本流PES.(包頭用于區(qū)別不同性質(zhì)的ES的數(shù)據(jù)流識(shí)別碼,PTS和DTS)視頻PES一般一幀一個(gè)包，音頻PES一般一個(gè)包的數(shù)據(jù)量不超過64KB。多個(gè)打包后的數(shù)碼流再經(jīng)過復(fù)用器成為傳送流（TS流）。ES生成PESPES包頭信息中加入PTS(PresentationTimeStamp)和DTS（DecodeTimeStamp）用于視頻、音頻同步；同時(shí)加入數(shù)據(jù)流識(shí)別碼。打包器ESPESPES生成TS傳輸流是由一個(gè)或幾個(gè)不同的PES包經(jīng)傳輸復(fù)用器后組成傳輸流。TS流更適合在有干擾或誤碼的環(huán)境中傳輸。TS小包長(zhǎng)度固定為188個(gè)字節(jié)。VPESTS復(fù)用

TS轉(zhuǎn)輸流APESDPES188B188B188B188BPES、PSI、SI調(diào)整字段包、PCRPID、計(jì)數(shù)器…視頻PES1音頻ES1數(shù)據(jù)流1打包器打包器視頻ES1音頻PES1節(jié)目復(fù)用器節(jié)目流播出視頻PES2音頻ES2數(shù)據(jù)流2打包器打包器視頻ES2音頻PES2傳輸復(fù)用器TS流數(shù)字電視碼流之間的層次關(guān)系多媒體圖象編碼壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)多媒體圖象編碼壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)圖象壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG視頻圖象壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG面向?qū)ο笸ㄐ诺囊曨l圖象壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.261(即P×64)P是參數(shù)，1~30。傳輸率為64~384kbps。用于可視電話和視頻會(huì)議。為了適應(yīng)各種為了在狹窄頻帶上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的視頻圖象和高保真的聲音的傳遞。為了對(duì)復(fù)雜圖象（自然的具有連續(xù)灰度或連續(xù)色調(diào)的復(fù)雜的）進(jìn)行壓縮。信道容量的數(shù)據(jù)傳輸，通過調(diào)整參數(shù)P來適應(yīng)不同帶寬的信道，并提供交互控制。視頻圖象序列的幀內(nèi)圖象的壓縮編碼也常用JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)面向通信的視頻圖象壓縮標(biāo)準(zhǔn)

H.263為了在傳輸率低于64kbps的情況下（如，模擬電話網(wǎng)）傳輸視頻。JPEG標(biāo)準(zhǔn)的2類算法JPEG標(biāo)準(zhǔn)的2類算法JPEG標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種相互獨(dú)立的算法：1、可逆編碼（無失真）。DPCM+熵編碼（哈夫曼/算術(shù)編碼）2、非可逆編碼（有失真）。DCT+DPCM+Z型掃描+熵編碼不常用 JPEG2000常用 JPEGJPEG標(biāo)準(zhǔn)之

基于DPCM的無失真編碼原始圖象數(shù)據(jù)DPCM預(yù)測(cè)熵編碼器哈夫曼或算術(shù)編碼無失真編碼器壓縮后的圖象數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)：無失真；容易用硬件實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：壓縮比太低，只有約2∶1編碼表JPEG標(biāo)準(zhǔn)之

基本系統(tǒng)基于DCT的有失真編碼正向離散余弦變換FDCT量化器熵編碼器8×8塊源圖象數(shù)據(jù)壓縮后的圖象數(shù)據(jù)量化表編碼表編碼器MPEG-1的視頻壓縮編碼MPEG-1中視頻編碼的關(guān)鍵壓縮技術(shù)和H.261一樣，是DCT、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和Huffman編碼。編碼器和解碼器的原理框圖也和H.261沒有區(qū)別。

MPEG-1的信源輸入格式是SIF(SourceInputFormat)。CCIR601格式的信源要轉(zhuǎn)換成SIF后進(jìn)入MPEG-1編碼器，解碼器輸出也是SIF格式，顯示時(shí)要經(jīng)內(nèi)插，擴(kuò)充為CCIR601格式。PAL/NTSC都作如此處理。SIF格式如表所示。SIF(525/625)格式

信號(hào)分量行數(shù)/幀象素?cái)?shù)/行亮度(Y)240/288352色度(U)120/144176色度(V)120/144176

352×240352×288或每幀的分辨率為：MPEG-2與MPEG-1比較MPEG-1，數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，帶寬1.5Mbps，1993年發(fā)布。主要應(yīng)用是VCD，它將圖象數(shù)據(jù)壓縮到1/25~1/200，聲音數(shù)據(jù)壓縮到1/65，并且圖象質(zhì)量還略優(yōu)于錄象帶。分辨率為352×240，播放頻率為30幀/秒MPEG-2，高清晰度數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。帶寬為3~100Mbps。典型應(yīng)用為DVD和HDTV廣播。DVD采用可變速率1~10Mbps，速率大小根據(jù)圖象復(fù)雜程度和聲音多少而改變。分多個(gè)檔次，分辨率和播放頻率也隨之不同。DCT變換不僅可在幀內(nèi)進(jìn)行，也可在場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行（1）MPEG-2是MPEG-1的兼容和擴(kuò)展?？蓮V泛用于多種速率和各種分辨率的情況。（2）在MPEG-2中，視頻序列可以是隔行掃描的，也可以是逐行掃描的，而在MPEG-1中視頻序列只能是逐行的。（3）在MPEG-2中圖像的色度格式還包括4:2:2和4:4:4格式,在MPEG-1中，圖像的色度格式是4:2:0。MPEG-2廣泛應(yīng)用于DVD、SDTV和HDTV中。美國(guó)的ATSC歐洲的DVB日本的ISDB都已把MPEG-2作為信源編碼標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)制定的數(shù)字衛(wèi)星電視和數(shù)字有線電視的標(biāo)準(zhǔn)中，也已經(jīng)采用了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2視頻部分MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了四種輸入圖像格式，稱為級(jí)（Levels），低級(jí)、主級(jí)、高1440級(jí)、高級(jí)，提供了靈活的信源格式。

MPEG-2按壓縮編碼方法劃分為：型（Profiles）共有五個(gè)型：簡(jiǎn)單型、主型、高型、信噪比可分級(jí)型、空間可分級(jí)型?！凹?jí)”與“型”的若干組合構(gòu)成MPEG-2視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的子集：對(duì)某一輸入格式的圖像，采用特定集合的壓縮編碼工具，產(chǎn)生規(guī)定速率范圍內(nèi)的編碼碼流。在20種可能的組合中，目前有11種是已獲通過的，稱為MPEG-2適用點(diǎn)。H.261標(biāo)準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱為P×64）

的傳輸率P是參數(shù)，1~30。傳輸率為64~384kbps。用于可視電話和視頻會(huì)議。為了適應(yīng)各種信道容量的數(shù)據(jù)傳輸，通過調(diào)整參數(shù)P來適應(yīng)不同帶寬的信道，并提供交互控制。當(dāng)P=1或2時(shí)，碼率為64~128kbps。由于碼率太低，只能傳輸清晰度不太高的圖象，所以只適用于面對(duì)面的可視電話。當(dāng)P≥6時(shí)，碼率384kbps，可傳輸清晰度良好的圖象，故可用于會(huì)議電視。圖像格式H.261標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)圖象格式352288176×144176×144176×14488×7288×72CIFQCIFYUVH.263與極低碼率視頻編碼技術(shù)為了在帶寬低于64kbps的情況下（如，模擬電話網(wǎng)）傳輸視頻，實(shí)現(xiàn)可視電話通信。極低碼率視頻編碼技術(shù)：是編碼后的數(shù)據(jù)率低于64kbps的各種編碼技術(shù)的總稱。H.263就是極低碼率視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)之一。H.263H.261和H.263

數(shù)據(jù)率比MPEG-1，-2更低的原因?qū).261和H.263來說，每2幀之間，有3幀不傳（B圖）；計(jì)算沒有傳輸?shù)腂圖時(shí)，H.261和H.263用簡(jiǎn)單的插值法；而在MPEG-1，-2中，同P圖的編碼一樣，用基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)方法。盡管有相同點(diǎn)：在計(jì)算P圖時(shí)，都用基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)方法。但是下面2條不同點(diǎn)導(dǎo)致H.261和H.263的數(shù)據(jù)率更低

：JPEG和MPEG的差別MPEG視頻壓縮技術(shù)是針對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。為了提高壓縮比，幀內(nèi)圖像數(shù)據(jù)和幀間圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)必須同時(shí)使用。MPEG通過幀運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償有效地壓縮了數(shù)據(jù)的比特?cái)?shù)，它采用了三種圖像，幀內(nèi)圖、前向預(yù)測(cè)圖和雙向預(yù)測(cè)圖，有效地減少了冗余信息。對(duì)于MPEG來說，幀間數(shù)據(jù)壓縮、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和雙向預(yù)測(cè)，這是和JPEG主要不同的地方。而JPEG和MPEG相同的地方均采用了DCT幀內(nèi)圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生背景

-------引例足球比賽轉(zhuǎn)播：球賽現(xiàn)場(chǎng)聲音

和解說員的聲音MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生背景

問題1未來的視聽系統(tǒng)是以嵌入式個(gè)人計(jì)算機(jī)為核心的軟件編碼的開放式系統(tǒng)，電視也將由“純線性”推進(jìn)到“非線性”階段。例如，迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)非線性編輯、交互式計(jì)算機(jī)游戲圖象顯示、交互式視頻點(diǎn)播（VOD）、交互式控制視音頻數(shù)據(jù)庫(kù)中的素材等，都表明電視從“純線性”到“非線性”的發(fā)展趨勢(shì)。為了增強(qiáng)非線性電視的交互性、靈活性，提高編碼效率，就需要制定一個(gè)對(duì)圖象內(nèi)容中的音視頻對(duì)象（AVO）進(jìn)行編碼、組織和傳輸?shù)臏?zhǔn)則。視聽系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)--------非線性和交互性MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生背景

問題1MPEG-1、MPEG-2及MHEG都不能解決非線性和交互性的問題MPEG-1和MPEG-2都以音頻幀、視頻幀為編碼對(duì)象，沒有交互功能（如果說有，也只是在“幀”這一級(jí)有）。MPEG-1和MPEG-2的音頻幀、視頻幀以及MHEG中的大范圍媒體對(duì)象，都不能再細(xì)分為更小的AV對(duì)象。故圖象中的音視頻對(duì)象（AVO）所組成的AV場(chǎng)景不能與人進(jìn)行交互。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生背景

問題2較窄帶寬上的視頻應(yīng)用MPEG-1的數(shù)據(jù)率大約1.5Mbps，MPEG-2的數(shù)據(jù)率大約3~100Mbps隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的音視頻多媒體應(yīng)用越來越廣。在較窄帶寬上的音視頻應(yīng)用產(chǎn)生了一個(gè)很大的市場(chǎng)。傳統(tǒng)編碼器------

編碼對(duì)象是幀(音頻幀、視頻幀)若干音頻幀若干視頻幀MPEG-4編碼器------

編碼對(duì)象是AO和VO將若干視頻幀中的對(duì)象分開MPEG-4的特點(diǎn)MPEG4的重要特點(diǎn)：（1）基于內(nèi)容的普遍性。MPEG4能夠直接選取音頻、視頻內(nèi)容進(jìn)行編碼，并對(duì)其靈活地進(jìn)行控制和顯示，用戶可以自行選擇場(chǎng)景中的物體的解碼質(zhì)量，進(jìn)行家庭影視節(jié)目制作和編輯。（2）以AV為對(duì)象，增強(qiáng)了交互性和擴(kuò)展性，從而提高了交互應(yīng)用的靈活性。（3）將各種功能應(yīng)用在自然的和合成的AV對(duì)象上，增強(qiáng)了節(jié)目編輯制作能力。（4）MPEG4在誤碼環(huán)境中，尤其是在惡劣誤碼條件下的低比特率應(yīng)用中的抗誤碼性，有利于節(jié)目制作、分配和顯示。MPEG-4----傳統(tǒng)、內(nèi)容編碼的統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償紋理DCT比特流運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償紋理(DCT)比特流形狀(反DCT)(傳統(tǒng)編碼，類似于MPEG-1、MPEG-2和H.261、H.263)基于內(nèi)容的編碼通用MPEG-4內(nèi)核編碼器MPEG-4VLBV內(nèi)核編碼器MPEG-4和MPEG-1、-2的區(qū)別MPEG-4的應(yīng)用領(lǐng)域MPEG4在多媒體傳輸、多媒體存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用：(1)低比特率下的多媒體通信，如視頻電話、視頻電子郵件、移動(dòng)多媒體通信、電子新聞等。這些應(yīng)用對(duì)傳輸速率要求較低，在4.8～64kbit/s之間，分辨率為176×144。MPEG4利用很窄的帶寬，通過幀重建技術(shù)壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以最少的數(shù)據(jù)量獲得最佳的圖像質(zhì)量(2)互聯(lián)網(wǎng)上的視頻流與可視游戲，如網(wǎng)上電影。(3)數(shù)字電視、動(dòng)態(tài)圖像、萬維網(wǎng)（WWW）。(4)實(shí)時(shí)多媒體監(jiān)控。(5)基于內(nèi)容存儲(chǔ)和檢索的多媒體系統(tǒng)。(6)基于面部表情模擬的虛擬會(huì)議。(7)DVD上的交互多媒體應(yīng)用。MPEG-4的常見應(yīng)用（軟件）DIVX－MPEG-4影碟網(wǎng)上MPEG-4電影用MPEG-4技術(shù)來編碼、壓縮一部DVD，只需要兩張CD－ROMMPEG-4出臺(tái)后1年內(nèi)，在計(jì)算機(jī)上播放DIVX－MPEG4文件的方法有兩種：1、用DivxPlayer等專門的播放軟件來播放；2、Windows自帶的媒體播放機(jī)中安裝一個(gè)MPEG4插件(Divx)?，F(xiàn)在很多播放器都已經(jīng)支持MPEG-4。MPEG-4格式的ASF流文件，或者AVI文件MPEG-4的常見應(yīng)用（硬件）日本夏普公司推出的應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)VN－EZ1。這臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)利用MPEG4算法，可把影像文件壓縮為ASF（高級(jí)流格式），然后用戶只要利用微軟公司的MediaPlayer播放程序，就可以直接在電腦上進(jìn)行播放。在移動(dòng)多媒體通信領(lǐng)域，摩托羅拉公司，用手機(jī)看電影的技術(shù)。通過GPRS（通用數(shù)據(jù)包無線業(yè)務(wù)）移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸MPEG4格式圖像