多媒體技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用課件

多媒體技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用北京廣播電視大學(xué)呂小星副教授1多媒體技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用北京廣播電視大學(xué)呂小星副教授1第4章多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)本章講課思路:靜態(tài)圖像壓縮編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(JPEG)變換編碼統(tǒng)計(jì)編碼預(yù)測(cè)編碼數(shù)據(jù)壓縮的基本概念2第4章多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)本章講課思路:靜態(tài)圖像壓縮編碼第二部分

（二）預(yù)測(cè)編碼3第二部分

（二）預(yù)測(cè)編碼3預(yù)測(cè)編碼（PredictiveCoding）是統(tǒng)計(jì)冗余數(shù)據(jù)壓縮理論的三個(gè)重要分支之一，它的理論基礎(chǔ)是現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)和控制論。預(yù)測(cè)編碼主要是減少了數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的相關(guān)性，因而對(duì)于時(shí)間序列數(shù)據(jù)有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

4.4預(yù)測(cè)編碼4預(yù)測(cè)編碼（PredictiveCoding）是統(tǒng)計(jì)建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型利用以往的樣本數(shù)據(jù)對(duì)新樣本值進(jìn)行預(yù)測(cè)將預(yù)測(cè)值與實(shí)際值相減對(duì)其差值進(jìn)行編碼這時(shí)差值很少可以減少編碼碼位。1.預(yù)測(cè)編碼的基本思想5建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型利用以往的樣本數(shù)據(jù)2.預(yù)測(cè)編碼的分類預(yù)測(cè)編碼分為：線性預(yù)測(cè)和非線性預(yù)測(cè)62.預(yù)測(cè)編碼的分類預(yù)測(cè)編碼分為：63.DPCM和ADPCM

DPCM差分脈沖編碼調(diào)制

DifferentialPulseCodeModulation73.DPCM和ADPCMDPCM差分脈沖編碼調(diào)制

DPCM

編/解碼原理圖8DPCM編/解碼原理圖8信道DPCM系統(tǒng)發(fā)送編碼器預(yù)測(cè)器量化器接收解碼器預(yù)測(cè)器9信道DPCM系統(tǒng)發(fā)送編碼器預(yù)測(cè)器量化器接收解碼器預(yù)測(cè)器9最佳線性預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)域例如：三階線性預(yù)測(cè)系統(tǒng)10最佳線性預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)域例如：三階線性預(yù)測(cè)系統(tǒng)10預(yù)測(cè)域應(yīng)用均方誤差最小準(zhǔn)則，求出預(yù)測(cè)系數(shù)、、11預(yù)測(cè)域應(yīng)用均方誤差最小準(zhǔn)則，11均方誤差的表達(dá)式為12均方誤差的表達(dá)式為12解方程，得、、13解方程，13

DPCM

編/解碼原理圖14DPCM編/解碼原理圖14N階預(yù)測(cè)器的設(shè)計(jì)假定給定樣本序列：、、……預(yù)測(cè)那么預(yù)測(cè)誤差

15N階預(yù)測(cè)器的設(shè)計(jì)假定給定樣本序列：、、……15均方誤差的定義為:

假如是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過程,對(duì)各個(gè)取偏導(dǎo)數(shù),令其為零。16均方誤差的定義為:16通過線性方程組求出預(yù)測(cè)系數(shù)ai就得到n-1線性方程組,解系數(shù)。17通過線性方程組求出預(yù)測(cè)系數(shù)ai就得到n-1線性方程組,解斜率過載當(dāng)預(yù)測(cè)誤差值很大（圖像邊界），而量化器的量化輸出不夠大時(shí)，出現(xiàn)斜率過載，使邊界變模糊。 DPCM線性預(yù)測(cè)系統(tǒng)，較為常見的噪聲18斜率過載DPCM線性預(yù)測(cè)系統(tǒng)，較為常見的噪聲18顆粒噪聲 在圖像灰度平坦區(qū)域（人的面部或背景），預(yù)測(cè)誤差絕對(duì)值較小，而量化器的輸出絕對(duì)值不夠小，將預(yù)測(cè)誤差擴(kuò)大化，使量化輸出忽正忽負(fù)，出現(xiàn)粒狀斑點(diǎn)。

19顆粒噪聲19假輪廓噪聲 對(duì)于圖像中平滑上升或平滑下降區(qū)域，預(yù)測(cè)誤差絕對(duì)值很小，但經(jīng)過量化器后，由于量化器的步距較大，將差值擴(kuò)大，使平滑區(qū)域變成一個(gè)個(gè)臺(tái)階，形成假輪廓噪聲。

2020邊沿繁忙 不同幀之間在同一像素位置產(chǎn)生的量化誤差各不相同，使邊緣處看到不斷閃爍變化的忙亂現(xiàn)象。21邊沿繁忙21ADPCM自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼這種編碼方法中，量化器的步長(zhǎng)和預(yù)測(cè)器的參數(shù)均能根據(jù)圖象的局部特征作自適應(yīng)的調(diào)整。22ADPCM自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼這種編碼方法中，量化器的已知三階預(yù)測(cè)器:設(shè)量化器最大輸出為emax，最小輸出為emin，某一個(gè)預(yù)測(cè)誤差的量化輸出為e′23已知三階預(yù)測(cè)器:設(shè)量化器最大輸出為emax，最小輸出為emi當(dāng)不變 自動(dòng)增大 自動(dòng)減小24當(dāng)不變244.幀間預(yù)測(cè)編碼幀間編碼技術(shù)處理的對(duì)象是序列圖像（也稱為運(yùn)動(dòng)圖像）。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，已有可能把幾幀的圖像存儲(chǔ)起來作實(shí)時(shí)處理，利用幀間的時(shí)間相關(guān)性進(jìn)一步消除圖像信號(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)。254.幀間預(yù)測(cè)編碼幀間編碼技術(shù)處理的對(duì)象是序列圖像（也稱為運(yùn)動(dòng)ONMLUKJIQPABCDEFGHRSTZ當(dāng)前場(chǎng)的像素前一場(chǎng)的像素前一幀的像素圖4.19

幀間預(yù)測(cè)像素位置示意圖若最小，則用同一場(chǎng)同一掃描行上的前一個(gè)像素H最小，則用同一場(chǎng)上一掃描行上的像素B最小，則上一幀對(duì)應(yīng)位置像素M（1）幀間預(yù)測(cè)26ONMLUKJIQPABCDEFGHRSTZ當(dāng)前場(chǎng)的像素前一（1）條件傳送和內(nèi)插條件傳送：設(shè)置一個(gè)閾值“T”，對(duì)于幀間對(duì)應(yīng)位置像素的亮度或色差信號(hào)值，大于T值傳送，小于T值者不傳送。一幀電視畫面，只傳送其中一部分活動(dòng)比較明顯像素的幀間差值信號(hào)，可以有效降低傳輸比特率。這種傳送方式，稱為條件傳送。27（1）條件傳送和內(nèi)插條件傳送：設(shè)置一個(gè)閾值“T”，對(duì)于幀間（1）條件傳送和內(nèi)插內(nèi)插方法：當(dāng)幀內(nèi)像素的空間分辨率降低時(shí)，如果采樣頻率降低一倍，那么對(duì)于未采樣像素的亮度或色差信號(hào)值，可用內(nèi)插（插補(bǔ)）方法補(bǔ)充。28（1）條件傳送和內(nèi)插28（1）條件傳送和內(nèi)插內(nèi)插方法舉例：fi-1圖4.17同一掃描行上像素插補(bǔ)fifi+129（1）條件傳送和內(nèi)插內(nèi)插方法舉例：fi-1圖4.17（1）條件傳送和內(nèi)插內(nèi)插方法舉例：fCfifAfBfD4.18隔場(chǎng)鄰近點(diǎn)像素插補(bǔ)30（1）條件傳送和內(nèi)插內(nèi)插方法舉例：fCfifAfBfD4.

3.運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

近幾年運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)(MotionCompensation)十分活躍。在H.261，MPEG標(biāo)準(zhǔn)編碼中都用到這個(gè)技術(shù)。313.運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償31

運(yùn)動(dòng)估計(jì)有下述三種方法：

(1)塊匹配法

（BlockMatchingAlgorithmBMA）(2)像素遞歸法

（PixelRecursiveAlgorithmPRA）(3)傅立葉變換法。32運(yùn)動(dòng)估計(jì)有下述三種方法：32塊匹配法圖4.19塊匹配位移估計(jì)算法33塊匹配法圖4.19塊匹配位移估計(jì)算法33塊匹配法假定當(dāng)前幀中的一個(gè)M×N子塊是從第k—Ns幀平行移動(dòng)而來，并設(shè)M×N子塊內(nèi)所有像素都具有同一個(gè)位移值（i，j）。假定運(yùn)動(dòng)物體在Ns幀差時(shí)間內(nèi)水平和垂直最大位移均為L(zhǎng)，這樣我們可以在第k—Ns幀搜索區(qū)SR內(nèi)進(jìn)行搜索，這里SR搜索區(qū)為（M+2L，N+2L）34塊匹配法假定當(dāng)前幀中的一個(gè)M×N子塊是從第k—Ns幀平行移動(dòng)匹配算法歸一化相關(guān)函數(shù)NCCF均方誤差MSE幀間絕對(duì)差MAD35匹配算法歸一化相關(guān)函數(shù)NCCF35計(jì)算兩幀中子塊的相關(guān)函數(shù)

當(dāng)NCCF相關(guān)函數(shù)最大時(shí)，i,j就被定為子塊的水平和垂直的偏移值，但此式計(jì)算量大.36計(jì)算兩幀中子塊的相關(guān)函數(shù)36MSE是均方誤差,MAD是絕對(duì)差

取MES或MAD最小時(shí)的i,j值就是水平和垂直的偏移量。37MSE是均方誤差,MAD是絕對(duì)差37搜索方法窮盡搜索法二維對(duì)數(shù)法（TDL）三步搜索法（TTS）38搜索方法窮盡搜索法38取MAD最小值，新得到的i,j就是水平和垂直的偏移量。窮盡搜索法窮盡搜索法39取MAD最小值，新得到的i,j就是水平和垂直的偏移量。窮盡搜二維對(duì)數(shù)法(TDL)此算法用MSE均方誤差作為匹配準(zhǔn)則，并在搜索窗口中用沿著最小誤差方向執(zhí)行對(duì)數(shù)二維搜索過程。40二維對(duì)數(shù)法(TDL)此算法用MSE均方誤差作為匹配40（1）5個(gè)初始點(diǎn)如圖所示取MSE為最小點(diǎn),如（2）下一步搜索三個(gè)新位置，如最小誤差位置同前，如（3）步長(zhǎng)除以2，并搜索圍繞次最小誤差的9個(gè)（3*3）點(diǎn)如41（1）5個(gè)初始點(diǎn)如圖所示取MSE為最小點(diǎn),如三步搜索法(TTS)此搜索過程是一個(gè)由粗到細(xì)的過程，每一步搜索9個(gè)點(diǎn)，用MSE度量，找到最小搜索步長(zhǎng)減半再搜索，共25個(gè)點(diǎn)。

三步搜索法42三步搜索法(TTS)此搜索過程是一個(gè)由粗到細(xì)的過程，每預(yù)測(cè)編碼小結(jié)重點(diǎn)掌握:預(yù)測(cè)編碼的基本思想預(yù)測(cè)編碼的分類ADPCM編碼方法中自適應(yīng)系數(shù)m的變化條件43預(yù)測(cè)編碼小結(jié)重點(diǎn)掌握:43

多媒體技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用呂小星副教授北京廣播電視大學(xué)理工教學(xué)部E-Mail:lvxx@Tel:621236482007.944多媒體技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用呂小星副教授44第4章多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)本章講課思路:靜態(tài)圖像壓縮編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(JPEG)變換編碼統(tǒng)計(jì)編碼預(yù)測(cè)編碼數(shù)據(jù)壓縮的基本概念45第4章多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)本章講課思路:靜態(tài)圖像壓縮編碼第二部分

（三）變換編碼46第二部分

（三）變換編碼461.什么叫數(shù)據(jù)壓縮？定義（1）:數(shù)據(jù)壓縮就是以最少的數(shù)碼表示信源所發(fā)的信號(hào)，減少容納給定消息集合或數(shù)據(jù)采樣集合的信號(hào)空間。

4.5變換編碼471.什么叫數(shù)據(jù)壓縮？4.5變換編碼47第四章多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)4.1數(shù)據(jù)壓縮編碼的重要性和分類4.2預(yù)測(cè)編碼4.3變換編碼4.4統(tǒng)計(jì)編碼4.5數(shù)據(jù)壓縮編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)48第四章多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)4.1數(shù)據(jù)壓縮編碼的1、變換編碼的特點(diǎn)利用預(yù)測(cè)編碼可以去除圖象數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間的冗余。它的優(yōu)點(diǎn)是直觀、簡(jiǎn)捷、易于實(shí)現(xiàn)，特別是用于硬件實(shí)現(xiàn)。但壓縮能力有限，DPCM一般只能壓縮到2~4bit/像素。491、變換編碼的特點(diǎn)利用預(yù)測(cè)編碼可以去除1、變換編碼的特點(diǎn)變換編碼是進(jìn)行一種函數(shù)變換，映射變換從信號(hào)域變換到另一個(gè)信號(hào)域。501、變換編碼的特點(diǎn)變換編碼是進(jìn)行一種函數(shù)例：有兩個(gè)相鄰采樣值X1和X2，每一采樣值用3bit編碼，因此有8個(gè)幅度等級(jí)，兩個(gè)為：8×8=64種。y2x2y1x151例：有兩個(gè)相鄰采樣值X1和X2，每一采變換編碼的系統(tǒng)構(gòu)成信源序列變換變換域采樣量化編碼存儲(chǔ)和傳輸解碼反變換再現(xiàn)序列52變換編碼的系統(tǒng)構(gòu)成信源序列變換變換域采樣量化編碼存儲(chǔ)和傳輸解2、K-L變換(Karhunen—Loeve)它是以統(tǒng)計(jì)特性為基礎(chǔ)的，也稱為特征向量變換。最優(yōu)的正交變換：特征向量矩陣向量指向數(shù)據(jù)變化最大的方向。缺點(diǎn)：計(jì)算過程復(fù)雜，變換速度慢。532、K-L變換(Karhunen—Loeve)它是以統(tǒng)計(jì)一、Y向量的平均向量為0，直流分量為0。二、Y的協(xié)方差矩陣協(xié)方差等于0方差對(duì)角線按減序排列K-L變換是最佳變換54一、Y向量的平均向量為0，直流分量為0。