多媒體技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用本

多媒體技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用本第1頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四章多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)本章要重點(diǎn)掌握的知識(shí)點(diǎn)：

多媒體數(shù)據(jù)壓縮的必要性和可能性，數(shù)據(jù)壓縮方法分類，常用的壓縮編碼和算法（統(tǒng)計(jì)編碼、預(yù)測(cè)編碼、變換編碼）數(shù)據(jù)壓縮編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG、MPEG等。

★哈夫曼編碼、JPEG第2頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四章多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)(1)

為什么要進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮多媒體信息包括了文本、數(shù)據(jù)、聲音、動(dòng)畫、圖形、圖像以及視頻等多種媒體信息。雖然經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理后其數(shù)據(jù)量是非常大的，如果不進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就無(wú)法對(duì)它進(jìn)行存儲(chǔ)和交換。另一個(gè)原因是圖像、音頻和視頻這些媒體具有很大的壓縮潛力。因?yàn)樵诙嗝襟w數(shù)據(jù)中，存在著空間冗余、時(shí)間冗余、結(jié)構(gòu)冗余、知識(shí)冗余、視覺(jué)冗余、圖像區(qū)域的相同性冗余、紋理的統(tǒng)計(jì)冗余等。它們?yōu)閿?shù)據(jù)壓縮技術(shù)的應(yīng)用提供了可能的條件。因此在多媒體系統(tǒng)中必須采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，它是多媒體技術(shù)中一項(xiàng)十分關(guān)鍵的技術(shù)。第3頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四數(shù)據(jù)壓縮方法的分類

（1）根據(jù)質(zhì)量有無(wú)損失可分為有損失編碼和無(wú)損失編碼。（2）按照其作用域在空間域或頻率域上分為：空間方法、變換方法和混合方法。（3）根據(jù)是否自適應(yīng)分為自適應(yīng)性編碼和非適應(yīng)性編碼。

第4頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四數(shù)據(jù)壓縮方法的分類依據(jù)壓縮算法分類：（1）脈沖編碼調(diào)制（2）預(yù)測(cè)編碼（3）變換編碼

（4）統(tǒng)計(jì)編碼

（5）混合編碼第5頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（1）脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制實(shí)際上是連續(xù)模擬信號(hào)的數(shù)字采樣表示。脈沖編碼調(diào)制（PCM）編碼器和解碼器位于一個(gè)圖像編碼系統(tǒng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)。下面幾種編碼方法都是在多媒體數(shù)據(jù)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)PCM編碼后再進(jìn)行的壓縮編碼方法。第6頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）預(yù)測(cè)編碼編碼器記錄與傳輸?shù)牟皇菢颖镜恼鎸?shí)值，而是它與預(yù)測(cè)值的差。這一方法稱為差值脈沖編碼調(diào)制（DPCM）方法。第7頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（3）變換編碼變換編碼的主要思想是利用圖像塊像素值之間的相關(guān)性，把圖像變換到一組新的基上，使得能量集中到少數(shù)幾個(gè)變換系數(shù)上，通過(guò)存儲(chǔ)這些系數(shù)而達(dá)到壓縮的目的。在變換編碼中，由于對(duì)整幅圖像進(jìn)行變換的計(jì)算量太大，所以一般把原始圖像分成許多個(gè)矩形區(qū)域子圖像獨(dú)立進(jìn)行變換。常用的有離散余弦變換（DCT）第8頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（4）統(tǒng)計(jì)編碼最常用的統(tǒng)計(jì)編碼是Huffman編碼。它對(duì)于出現(xiàn)頻率大的符號(hào)用較少的位數(shù)來(lái)表示，而對(duì)出現(xiàn)頻率較小的符號(hào)用較多的位數(shù)來(lái)表示。其編碼效率主要取決于需編碼的符號(hào)出現(xiàn)的概率分布，越集中則壓縮比越高。另外還有算術(shù)編碼、游程編碼。第9頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（5）混合編碼混合編碼是指合并變換和預(yù)測(cè)技術(shù)的編碼，通常有兩種編碼形式。第10頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四量化的基本原理量化的作用是在圖像質(zhì)量或聲音質(zhì)量達(dá)到一定保真度的前提下，舍棄那些對(duì)視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)影響不大的信息。量化的過(guò)程是模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的映射。模擬量是連續(xù)量，而數(shù)字量是離散量，因此量化操作實(shí)質(zhì)上是用有限的離散量代替無(wú)限的連續(xù)模擬量的多對(duì)一的映射操作。第11頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四量化的基本原理量化概念主要來(lái)自于從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，即A/D轉(zhuǎn)換，也就是通過(guò)采樣把連續(xù)的模擬量離散化。量化過(guò)程預(yù)先設(shè)置一組判決電平和一組重建電平，各個(gè)判決電平覆蓋一定的區(qū)間，所有判決電平將覆蓋整個(gè)有效取值區(qū)間。量化時(shí)將模擬量的取樣值同這些電平比較，若采樣值幅度落在覆蓋區(qū)間之上，則取這個(gè)量化級(jí)的代表值，稱為碼字。一個(gè)量化器只能取有限多個(gè)量化級(jí)，因此量化過(guò)程不可避免地存在量化誤差。第12頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四量化器的設(shè)計(jì)要求

通常設(shè)計(jì)量化器有下述兩種情況：（1）給定量化分層級(jí)數(shù)，滿足量化誤差最小。（2）限定量化誤差，確定分層級(jí)數(shù)，滿足以盡量小的平均比特?cái)?shù)，表示量化輸出。第13頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四信息、信息量、信息熵（1）信息：

信息是用不確定性的量度定義的。一個(gè)消息的可能性愈小，其信息愈多；而消息的可能性愈大，則其信息愈少。第14頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四信息、信息量、信息熵（2）信息量：

所謂信息量是指從N個(gè)相等可能事件中選出一個(gè)事件所需要的信息度量或含量，也就是在辯識(shí)N個(gè)事件中特定的一個(gè)事件的過(guò)程中所需要提問(wèn)“是或否”的最少次數(shù)第15頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四信息、信息量、信息熵（3）熵：

如果將信源所有可能事件的信息量進(jìn)行平均，就得到了信息熵(entropy)。熵就是平均信息量。第16頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四最佳編碼定理在變字長(zhǎng)碼中，對(duì)于出現(xiàn)概率大的信息符號(hào)編以短字長(zhǎng)的碼，對(duì)于出現(xiàn)概率小的信息符號(hào)編以長(zhǎng)字長(zhǎng)的碼，如果碼字長(zhǎng)度嚴(yán)格按照符號(hào)概率的大小的相反順序排列，則平均碼字長(zhǎng)度一定小于按任何其它符號(hào)順序排列方式得到的碼字長(zhǎng)度。第17頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Huffman編碼Huffman編碼的步驟：（1）概率統(tǒng)計(jì)，得到n個(gè)不同概率的信息符號(hào)；（2）將n個(gè)信源信息符號(hào)的n個(gè)概率，按概率大小排序；（3）將n個(gè)概率中，最后兩個(gè)小概率相加，這時(shí)概率個(gè)數(shù)減為n-1個(gè)；（4）將n-1個(gè)概率，按大小重新排序；（5）重復(fù)（3），將新排序后的最后兩個(gè)小概率相加，相加和與其余概率再排序；（6）如此反復(fù)重復(fù)n-2次，得到只剩兩個(gè)概率序列；（7）以二進(jìn)制碼元（0，1）賦值，構(gòu)成哈夫曼碼字，編碼結(jié)束。第18頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四010.39010.35010.611000.261010.11a1a2a3a4a5a6a70.200.190.180.170.150.100.01101100000101001100111信源符號(hào)概率Huffman碼編碼過(guò)程Huffman編碼過(guò)程第19頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四x1x2x3x4x5x6x70.350.200.150.100.100.060.040.350.200.150.100.100.100.350.200.200.150.100.350.250.200.200.400.350.250.600.40信源符號(hào)概率編碼過(guò)程第一步第二步第五步第四步第三步輸入輸入Huffman編碼步驟第20頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖4.8Huffman碼字的構(gòu)成x1x2x3x4x5x6x70.350.200.150.100.100.060.040.350.200.150.100.100.100.350.200.200.150.100.350.250.200.200.400.350.250.600.40第一步第二步第五步第四步第三步碼長(zhǎng)輸入哈夫曼碼2233344001001001111011101111

0010010011110111

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第21頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四x1x2x3x4x5x6x70.350.200.150.100.100.060.04碼長(zhǎng)哈夫曼碼2233344001001001111011101111

信源符號(hào)概率編碼過(guò)程010.25010.60010.4001010.20010.10第22頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四碼字的平均碼長(zhǎng)N按下式計(jì)算：Pj：信源符號(hào)Xj出現(xiàn)的概率Lj：編碼長(zhǎng)度0.350.200.150.100.100.060.04碼長(zhǎng)2233344001001001111011101111

概率哈夫曼碼第23頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四熵：對(duì)數(shù)的換底公式：第24頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四預(yù)測(cè)編碼概念（P114）預(yù)測(cè)編碼是根據(jù)某一模型利用以往的樣本值對(duì)于新樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后將樣本的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值相減得到一個(gè)誤差值，對(duì)這一誤差值進(jìn)行編碼。第25頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四幀間預(yù)測(cè)編碼（P119）

幀間預(yù)測(cè)編碼技術(shù)的對(duì)象是序列圖象。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，已有可能把幾幀的圖象存起來(lái)作實(shí)時(shí)處理，利用幀間的時(shí)間相關(guān)性進(jìn)一步消除圖象信號(hào)的冗余度，提高壓縮比。幀間編碼的技術(shù)基礎(chǔ)是預(yù)測(cè)技術(shù)。第26頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四★JPEG標(biāo)準(zhǔn)（P135）

JPEG算法被確定為JPEG國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它是國(guó)際上彩色、灰度、靜止圖像的第一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。JPEG標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)適合范圍廣泛的通用標(biāo)準(zhǔn)。它不僅適于靜圖像的壓縮，電視圖像序列的幀內(nèi)圖像的壓縮編碼也常采用JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

JPEG的目的是為了給出一個(gè)適用于連續(xù)色調(diào)圖象的壓縮算法。第27頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四JPEG算法具有四種操作方式（P135）（1）順序編碼；（2）累進(jìn)編碼；（3）無(wú)失真編碼；（4）分層編碼。第28頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四JPEG編碼的原理簡(jiǎn)化框圖如下圖所示：

壓縮的圖象數(shù)據(jù)表說(shuō)明表說(shuō)明編碼器第29頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四①把圖像分成8×8的塊②

DCT正變換③量化器④熵編碼器

第30頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四什么是信息“熵”

和

熵編碼？第31頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四信息“熵”是信源隨機(jī)變量的平均信息量；熵編碼是無(wú)失真數(shù)據(jù)壓縮編碼，在編碼過(guò)程中不丟失信息量，熵編碼是建立在隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性基礎(chǔ)上的。第32頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

JPEG標(biāo)準(zhǔn)采用了哪些混合編碼方法？

第33頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四JPEG標(biāo)準(zhǔn)采用了：預(yù)測(cè)編碼變換編碼熵編碼第34頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

詳述JPEG靜態(tài)圖像壓縮編碼原理及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

第35頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四JPEG的工作原理如下圖所示

恢復(fù)圖像信道DCT變換量化器熵編碼器量化表熵編碼表IDCT逆變換逆量化器熵解碼器量化表熵編碼器源圖像數(shù)據(jù)88塊第36頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四首先把一幅圖像（單色圖像的灰度值或彩色圖像的亮度分量、色差分量信號(hào)）分成8×8的塊離散余弦正變換（FDCT）第37頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四量化（查表）熵編碼（查表）傳輸或存儲(chǔ)解碼逆量化離散余弦逆變換（IDCT）第38頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四JPEG建議使用兩種熵編碼方法：哈夫曼(Huffman)編碼和自適二進(jìn)制算術(shù)編碼。（P138）第39頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四運(yùn)動(dòng)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEGMPEG標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)全活動(dòng)視頻的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)包括：MPEG系統(tǒng)、MPEG視頻、MPEG音頻、MPEG測(cè)試和驗(yàn)證四大部分。

(P159)

第40頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四MPEG將圖像分成三種類型（P152）

I圖像（IntraPicture幀內(nèi)圖）P圖像（PredictedPicture預(yù)測(cè)圖）B圖像（BidirectionalPicture雙向預(yù)測(cè)圖）。第41頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四MPEG視頻壓縮技術(shù)（P152）

MPEG視頻壓縮技術(shù)是針對(duì)運(yùn)動(dòng)圖象的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。為了提高壓縮比，幀內(nèi)圖象數(shù)據(jù)壓縮和幀間圖象數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)必須同時(shí)使用。第42頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四章習(xí)題解答

在MPEG中為了提高數(shù)據(jù)壓縮比，采用了哪些方法：（A）運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償與運(yùn)行估計(jì)（B）減少時(shí)域冗余與空間冗余（C）幀內(nèi)圖象數(shù)據(jù)與幀間圖象數(shù)據(jù)壓縮（D）向前預(yù)測(cè)與向后預(yù)測(cè)第43頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四章習(xí)題解答在JPEG中使用了哪兩種熵編碼方法：（A）統(tǒng)計(jì)編碼和算術(shù)編碼

（B）PCM編碼和DPCM編碼（C）預(yù)測(cè)編碼和變換編碼

（D）哈夫曼編碼和自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼

第44頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四章習(xí)題解答簡(jiǎn)述MPEG和JPEG的主要差別。答：MPEG視頻壓縮技術(shù)是針對(duì)運(yùn)動(dòng)圖象的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。為了提高壓縮比，幀內(nèi)圖象數(shù)據(jù)和幀間圖象數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)必須同時(shí)使用。MPEG通過(guò)幀運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償有效地壓縮了數(shù)據(jù)的比特?cái)?shù)，它采用了三種圖象，幀內(nèi)圖、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(lái)說(shuō)，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)圖象數(shù)據(jù)壓縮編碼。在JPEG壓縮算法中，針對(duì)靜態(tài)圖象對(duì)DCT系數(shù)采用等寬量化，而是MPEG中視頻信號(hào)包含有靜止畫面（幀內(nèi)圖）和運(yùn)動(dòng)信息（幀間預(yù)測(cè)圖）等不同的內(nèi)容，量化器的設(shè)計(jì)不能采用等寬量化需要作特殊考慮。從兩方面設(shè)計(jì)，一是量化器綜合行程編碼能使大部分?jǐn)?shù)據(jù)得到壓縮；另一方面是通過(guò)量化器、編碼器使之輸出一個(gè)與信道傳輸速率匹配的比特流。

第45頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四章習(xí)題解答簡(jiǎn)述預(yù)測(cè)編碼的基本原理(4)

答：預(yù)測(cè)編碼原理是從相臨像素之間有強(qiáng)的相關(guān)性特點(diǎn)考慮的。比如當(dāng)前像素的灰度或顏色信號(hào)，數(shù)值上與其相臨的像素總是比較接近的，除非處于邊界狀態(tài)，那么，當(dāng)前像素的灰度或顏色信號(hào)的數(shù)值就可以用前面出現(xiàn)的像素的值進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到一個(gè)預(yù)測(cè)值并將實(shí)際值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行求差，對(duì)這個(gè)差值進(jìn)行編碼、傳送，這種編碼方法就是預(yù)測(cè)編碼方法。第46頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四章習(xí)題解答

JPEG編碼的原理簡(jiǎn)化框圖如下，則①

、②

、③

。．①DCT正交變換、②量化器、③熵編碼器第47頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四章習(xí)題解答