數(shù)據(jù)壓縮第章 緒論

第1章緒論1.1數(shù)據(jù)壓縮的必要性1.2數(shù)據(jù)壓縮的可行性1.3數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的分類1.4數(shù)據(jù)壓縮的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用1.1數(shù)據(jù)壓縮的必要性

例1.以一般彩色電視信號(hào)為例，設(shè)代表光強(qiáng)、色彩和色飽和度的YIQ空間中各分量的帶寬分別為4MHz、1.3MHz和0.5MHz。根據(jù)采樣定理，僅當(dāng)采樣頻率大于或等于2倍的原始信號(hào)的頻率時(shí)，才能保證采樣后的信號(hào)可被保真地恢復(fù)為原始信號(hào)。

再設(shè)各樣點(diǎn)均被數(shù)字化為8bit，從而1秒鐘的電視信號(hào)的數(shù)據(jù)量為（4＋1.3＋0.5）×2×8bit=92.8Mbit

因而一張640MB容量的CD[CD*2]ROM能夠存放的原始電視數(shù)據(jù)（每字節(jié)附有2位校驗(yàn)位）為

640×8／［92.8×(1+0.25)］=44s也就是說(shuō)，一張普通光盤只能存放44s的原始數(shù)據(jù)。1.1數(shù)據(jù)壓縮的必要性

例2.

我們?cè)賮?lái)看看語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)據(jù)量，人在正常說(shuō)話時(shí)的音頻一般在200Hz～3.4kHz，即人類語(yǔ)音的帶寬為3.4kHz。同樣依據(jù)采樣定理，并設(shè)數(shù)字化精度為8bit，則每秒的數(shù)據(jù)量為3.4kHz×2×8=54.4kbit在上述采樣條件下講一分鐘話的數(shù)據(jù)量約為400kbit。表1-1列出了支持語(yǔ)音、圖像、視頻等多媒體信號(hào)高質(zhì)量存儲(chǔ)和傳輸所必需的未壓縮速率以及信號(hào)特性。1.1數(shù)據(jù)壓縮的必要性表1-1各種信號(hào)的特性和未壓縮速率

顯然，對(duì)于多媒體處理系統(tǒng)所要求的語(yǔ)音與音頻、圖像、視頻、文本、數(shù)據(jù)的結(jié)合，信號(hào)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)和傳輸之前，必須進(jìn)行處理，而最關(guān)鍵的處理方法是進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。多媒體信息壓縮技術(shù)的對(duì)象主要是視頻、音頻和文本信息這三大類。例如，現(xiàn)代數(shù)字壓縮技術(shù)可以對(duì)多數(shù)圖像實(shí)現(xiàn)大于100∶1的壓縮比，而質(zhì)量沒(méi)有重大損失。1.2數(shù)據(jù)壓縮的可行性數(shù)據(jù)中通常包含很大的冗余，數(shù)據(jù)的大小與所攜帶的信息量的關(guān)系由下式給出：I=D-r(1-1)其中，I、D、r分別為信息量、數(shù)據(jù)量與冗余量。以存儲(chǔ)一本200萬(wàn)字的中文百科全書(shū)為例，每個(gè)漢字以2字節(jié)計(jì)算，該書(shū)的數(shù)據(jù)量為4MB。我們只要使用后面介紹的Huffman算法，就可簡(jiǎn)單地將大約2MB左右的冗余數(shù)據(jù)尋找出來(lái)并壓縮掉，這樣就可以節(jié)省出2MB的存儲(chǔ)空間。圖1-1空間冗余1．空間冗余空間冗余是在圖像數(shù)據(jù)中經(jīng)常存在的一種冗余。在任何一幅圖像中，均有許多灰度或顏色都相同的鄰近像素組成的局部區(qū)域，它們形成了一個(gè)性質(zhì)相同的集合塊，即它們之間具有空間（或空域）上的強(qiáng)相關(guān)性，在圖像中就表現(xiàn)為空間冗余。例如，圖1-1是一張俯視圖，圖中央的黑色是一塊表面均勻的積木塊，在圖中，黑色區(qū)域所有點(diǎn)的光強(qiáng)和色彩以及飽和度都是相同的，因而黑色區(qū)域的數(shù)據(jù)表達(dá)有很大的冗余。對(duì)空山間冗塔余的貪壓縮鑰方法場(chǎng)就是舞把這腎種集聚合塊犁當(dāng)作削一個(gè)逐整體歌，梳用極井少的鍬數(shù)據(jù)縫量來(lái)刪表示莫它，和從構(gòu)而節(jié)伍省了升存儲(chǔ)舞空間漆。玩這種寨壓縮炸方法扎叫空甜間壓范縮或踩幀內(nèi)菌壓縮尖，傾它的恰基本琴點(diǎn)就奧在于腐減少禁鄰近移像素臺(tái)之間掛的空域間（姓或空義域）簡(jiǎn)相關(guān)泳性。2．時(shí)間誘冗余時(shí)間補(bǔ)冗余移是活淺動(dòng)圖材像和嘉語(yǔ)音還數(shù)據(jù)鏟中經(jīng)挨常包手含的槍冗余奏。炭活動(dòng)以圖像橋中的筐兩幅拔相鄰羽的圖做像有泡較大亮的相拉關(guān)性陣，枝這反猾映為喊時(shí)間蝴冗余惡。搬同理丸，車在語(yǔ)陸音中轎，讓由于滅人在倍說(shuō)話廢時(shí)其瞇發(fā)出市的音慣頻是矩一個(gè)割連續(xù)體和漸藏變的哀過(guò)程召，蠶而不除是一隨個(gè)完野全的終時(shí)間帶上獨(dú)譯立的椒過(guò)程秩,濾因而鳥(niǎo)存在斧著時(shí)耽間冗駝?dòng)?。醋圖浸1-搞2中蠶F乞1幀中中有慨一輛往汽車藏和一僵個(gè)路房誠(chéng)標(biāo)P秤，閃在經(jīng)膛過(guò)時(shí)歌間T能后的功圖像技F2堡仍包鏟含以極上兩油個(gè)物番體，只是冒小車鏈向前撞行駛卻了一顏段路摔程。另此宜時(shí)，F(xiàn)1和F2是時(shí)寨間相尼關(guān)的播，吧后一梳幅圖痛像F2在參服照?qǐng)D燙像F1的基稈礎(chǔ)上伯只需背很少響數(shù)據(jù)們量即上可表置示出造來(lái)，痰從算而減打少了險(xiǎn)存儲(chǔ)繡空間顯，我實(shí)現(xiàn)兩了數(shù)槽據(jù)壓培縮。偷這拋種壓假縮對(duì)宏運(yùn)動(dòng)錫圖像鎖往往窩能得曬到很閱高的絡(luò)壓縮污比，拳這筐也稱萬(wàn)為時(shí)隔間壓罰縮或貿(mào)幀間核壓縮枯。圖1徑-2蠻時(shí)萍間冗黨余3．信息陡熵冗精余（繡編碼村冗余淺）所謂騙信息逐熵，義是發(fā)指數(shù)搶據(jù)所繡帶的塔信息騰量。肌信具息量弦是指謀從N個(gè)相橋等可尺能事津件中番選出研一個(gè)娃事件脊所需理要的絲式信息菊度量嚼或含袖量，例即巧在N個(gè)事潤(rùn)件中臺(tái)辨識(shí)薄一個(gè)技特定吉事件秧的過(guò)冊(cè)程中旱需要饅提問(wèn)魔“是醋”或斜“否走”的旨最少乏次數(shù)扯。爛將信懂源所博有可值能事笑件的墾信息漆量進(jìn)簽行平乒均，叔就金得到殘信息排的“易熵”倉(cāng)（En啞tr蝴op攏y）。仗昌熵就掌是平堅(jiān)均信辨息量璃。督通常蠢，耐信息載熵的嫌數(shù)學(xué)讓表達(dá)娃式為（1戚-2鏡）式中來(lái)，Pi為任惡意一滲個(gè)數(shù)i的概番率，k為數(shù)掃據(jù)類首數(shù)或殃碼元聲的個(gè)富數(shù)。溝設(shè)正單位艦數(shù)據(jù)枝量d為（1補(bǔ)-3通）圖1針-3世結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)冗余珍示意百圖5．知識(shí)王冗余人們你通過(guò)請(qǐng)認(rèn)識(shí)季世界秤而得嫩到某期些圖離像所捏具有妙的先逮驗(yàn)知蜻識(shí)和置背景見(jiàn)知識(shí)重，塔由此史帶來(lái)墾的冗施余稱使為知葬識(shí)冗密余。當(dāng)例橡如，譽(yù)人彈臉的痛圖像揀有固作定的鵲結(jié)構(gòu)市，店嘴的付上方慨有鼻護(hù)子，促鼻撕子的蛛上方嫌有眼獸睛，沉鼻甜子位原于正虹臉圖島像的犯中線限上等束等。宿這腳類規(guī)炸律的碗結(jié)構(gòu)葵可由韻先驗(yàn)融知識(shí)群和背扛景知崖識(shí)得耍到，搏因圣此這欄類信命息對(duì)銅一般約人來(lái)幟說(shuō)是渴冗余片信息篩。6．視覺(jué)址冗余在多役媒體尼技術(shù)換的應(yīng)壟用領(lǐng)代域中扭，尾人的遵眼睛貞是圖身像信貢息的魄接收萌端。肺而返人類憶的視反覺(jué)系拖統(tǒng)并郵不能棕對(duì)圖他像畫錢面的管任何麻變化秀都能襪感覺(jué)純到，朝視羅覺(jué)系蛋統(tǒng)對(duì)循于圖葡像場(chǎng)尼的注樓意是歉非均趕勻和影非線繩性的屬，伴即注陰意主莖要部夫分質(zhì)明量，籍同燥時(shí)取帶畫面遮的整手體效哥果，鍋不連拘泥敲每一娛個(gè)細(xì)額節(jié)。例如攤，配人的肺視覺(jué)鮮對(duì)于眾圖像驅(qū)邊緣壁的急鈴劇變勾化不高敏感靜，少對(duì)圖撒像的浸亮度負(fù)信息用敏感原，毀對(duì)顏炊色的弟分辨弦率較堡弱等煎。到因此堆，麥如果葬圖像川經(jīng)壓疏縮或折量化鋤發(fā)生灘的變解化（遠(yuǎn)或稱巴引入餐了噪棕聲）菊不能押被視貝覺(jué)所膽感覺(jué)遭，銀則認(rèn)武為圖莊像質(zhì)次量是芝完好醋的或遮是夠餡好的筆，浩即圖侄像壓誦縮并川恢復(fù)片后仍有閱滿意豆的主陶觀圖昨像質(zhì)敞量。7．其他籌冗余多媒擱體數(shù)堡據(jù)除礙了具住有上督面所當(dāng)說(shuō)的美各種伍冗余蛇外，勺還獻(xiàn)存在況一些論其他束的冗絞余類飄型。齒例恩如，撞圖均像的遍空間侮非定獸常特展性所寇帶來(lái)率的冗雙余等筍。空間盈冗余引和時(shí)輪間冗津余是幣將圖機(jī)像信領(lǐng)號(hào)看爐作為泰隨機(jī)會(huì)信號(hào)阻時(shí)所耳反映壺出的烤統(tǒng)計(jì)其特征查，科因此誦有時(shí)刪把這憂兩種帥冗余絨稱為訪統(tǒng)計(jì)游冗余隸。擠它們胳也是圣多媒甘體圖陸像數(shù)吐?lián)幊嗬碇谐硟煞N括最主背要的乖數(shù)據(jù)瘦冗余牙。1.植3血數(shù)據(jù)泥壓縮量技術(shù)省的分盾類⑴信息活熵編的碼：H蜘uf戰(zhàn)fm或an唯編碼柳，行處程編屋碼，算術(shù)居編碼隔，LZ木W(wǎng)編浪碼⑵預(yù)測(cè)識(shí)編碼：差嘩分線紛性預(yù)受測(cè)D矩PC畝M，號(hào)自適解應(yīng)線糞性預(yù)設(shè)測(cè)繞A允DP蕉CM羊，運(yùn)動(dòng)封補(bǔ)償穩(wěn)幀間鵲線性訴預(yù)測(cè)失；非吸線性藝預(yù)測(cè)⑶變換繪編碼：最籠優(yōu)正生交變娃換（殊KL辜T）爺,離珠散傅壞立葉關(guān)變換層（D詞FT啞）紀(jì)離散肢余弦炎變換長(zhǎng)（D造CT笨）,則W渣HT褲變換知，w捷av惰el隸et勇變換1.低3差數(shù)據(jù)夫壓縮熄技術(shù)砍的分畢類⑷矢量批量化蓋編碼：多撞段式枯，分呢離式鴨，全水搜索譜式⑸子帶惜編碼：分邪頻帶款法，星塊切儉割法⑹模型怎編碼趨（參門數(shù)編花碼）：結(jié)抗構(gòu)編迷碼，橫基于陡知識(shí)蛾的編坐碼，盞分析繩／識(shí)課別合真成編鳳碼，償分形勵(lì)（Fr濫ac懼ta滑l）編舒碼⑺混合謹(jǐn)編碼：JP我EG編碼議，MP翁EG編碼鑼，P×揮64編碼1.浙4蔑數(shù)據(jù)咐壓縮丸的標(biāo)援準(zhǔn)和析應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)主要用途標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)H.261ITU-T電視電話、會(huì)議電視90年12月ITU-TRec.H.261JPEGISO/IEC靜止圖像（灰度和彩色）91年3月ISO/IEC10918MPEG-1ISO/IEC數(shù)字存儲(chǔ)媒體92年6月ISO/IEC11172MPEG-2ISO/IEC常規(guī)電視和HDTV93年11月ISO/IEC1381