信源的數(shù)字化與壓縮系統(tǒng)評價3

第二章信源的數(shù)字化

與壓縮系統(tǒng)評價課前回顧2.非線性量化的兩種標準，我國采用何種標準?3.如何實現(xiàn)壓擴量化？1.如何確定最佳量化器算法中的“最佳量化值”和“最佳劃分區(qū)間”？結(jié)論：在預(yù)先劃分量化區(qū)間下，集合中的每個量化值必須是對應(yīng)量化區(qū)間的質(zhì)心。結(jié)論：在預(yù)先給定量化值的情況下，，量化區(qū)間的端點必須是兩個相鄰量化值的中點值。1取樣2標量量化

3矢量量化

4信號壓縮系統(tǒng)的性能評價本章內(nèi)容帶記憶量化實際信號各樣值之間存在著相關(guān)性，如能合理利用這些相關(guān)性，就能進一步壓縮數(shù)據(jù)率

DPCM（DifferentialPulseCodeModulation，差分脈沖編碼調(diào)制）

△M（增量調(diào)制）

VQ(VectorQuantization,矢量量化）帶記憶的量化器2.3矢量量化帶記憶量化對于帶記憶標量量化，量化器的輸出是由當(dāng)前輸入樣值和存儲前樣值的信息共同決定的。帶記憶量化器是對信號采樣值和信號預(yù)測值的差值進行量化和編碼，傳輸?shù)男盘枌嶋H是差值。預(yù)測問題是某一隨機序列的外推問題。若一個由平穩(wěn)隨機信號取樣值構(gòu)成的離散序列,在時間上按如下順序排列，即。當(dāng)前值為，且它們之前相互關(guān)聯(lián)，則當(dāng)前值可以由前面的值來確定，即根據(jù)前面的值來預(yù)測，的預(yù)測值為這里希望有合適的函數(shù)，使預(yù)測的均方誤差最小。帶記憶量化在線性預(yù)測情況下，函數(shù)的誤差值與各離散值的加權(quán)有關(guān)，即線性預(yù)測器的估計值為則線性預(yù)測差值為均方誤差為所謂預(yù)測良好，就是選擇合適的預(yù)測系數(shù),使得均方誤差為最小。帶記憶量化

在DPCM中，只將前1個抽樣值當(dāng)作預(yù)測值，再取當(dāng)前抽樣值和預(yù)測值之差進行編碼并傳輸。這相當(dāng)于在下式

中，p=1，a1=1，故

這時，預(yù)測器就簡化成為一個延遲電路，其延遲時間為1個抽樣間隔時間Ts。差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）此時，量化器的輸入信號為差值信號量化器可以采用均勻量化、非均勻量化，或其它自適應(yīng)量化。經(jīng)量化后，量化器的輸出信號為量化誤差

對于PCM，在發(fā)射端是用二進制或多進制碼組來表示每個量化采樣值，會引入量化誤差。為了減小量化誤差，應(yīng)采用較長的碼組，會增加設(shè)備的復(fù)雜度和信道帶寬。

因此引入了增量調(diào)制技術(shù)。

M可以看成是DPCM的一種特例。ΔM是將模擬信號變換成僅有一位二進制碼組成的數(shù)字信號序列，來表示相鄰信號的相對大小，通過相鄰抽樣值的相對變化反應(yīng)模擬信號的變化規(guī)律。ΔM只用一位編碼，不是表示采樣值的大小，而是表示采樣時刻波形的變化趨勢。增量調(diào)制矢量量化信源序列:個取樣值每K個為一組分為N個K維隨機矢量構(gòu)成信源空間

，

在每一個子空間中找一個代表矢量,記恢復(fù)矢量集為：

：輸出空間（或碼書、碼本）

：為碼矢（CodeVector）或碼字（CodeWord）J：碼書長度(2.3.2)(2.3.3)

將劃分成個互不相交的子空間，即滿足：編碼過程

輸入一個任意矢量，矢量量化器首先判斷它屬于哪個子空間；

然后輸出該子空間的代表矢量:VQ過程就是用代替

（2.3.4）

式中Q為量化函數(shù)

VQ編碼、解碼的過程

從K

維歐氏空間中的矢量X

到空間中有限子集Y

的映射矢量量化

接收端解碼：

發(fā)射端編碼：

圖2.2

矢量量化的基本結(jié)構(gòu)VQ的壓縮能力

為每個矢量所需要的編碼比特數(shù)，

K為每個矢量所包含的信號取樣數(shù)。當(dāng)K=1時，VQ退化為標量量化VQ的特點：

壓縮能力很強；

一定產(chǎn)生失真，但失真量容易控制（碼書中的碼字越多，失真就越小，碼書設(shè)計是關(guān)鍵技術(shù));

計算量大，編碼矢量搜索運算量大（難點，關(guān)鍵技術(shù)），接收端計算特別簡單(只需查表),

適用于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用中要求檢索快的場合;

VQ是定長碼，比變長碼容易處理，也有利減小傳輸誤碼的影響。1取樣2標量量化

3矢量量化

4信號壓縮系統(tǒng)的性能評價

本章內(nèi)容2.4信號壓縮系統(tǒng)的性能評價信號壓縮后，常會產(chǎn)生失真，但只要最終用戶的人察覺不出或者能夠容忍這些失真允許對數(shù)字信號進一步壓縮以換取更高的編碼效率1、信號質(zhì)量對信號質(zhì)量的評價，其實就是對于波形逼真度（或失真度）的測量

通過客觀度量，如信噪比來表示。

用主觀度量，如平均評分來表示?？陀^度量一維信號(如語音信號)

連續(xù)波形

波形差值

均方誤差（MSE）

離散波形輸入/輸出樣值之差均方誤差（MSE）

通常

對編碼波形質(zhì)量的客觀評價與優(yōu)化設(shè)計更多地在離散時間域進行。信噪比定義：

抽樣信號方差對重建誤差方差的比值

（2.4.5）

采樣信號方差重建誤差方差二維信號（如圖像信號）峰值信噪比對于8位灰度圖像

(2.4.6b)（2.4.6a）

用MSE來度量波形用SNR來度量數(shù)字波形的主觀感覺并不適宜數(shù)值大的重建誤差比數(shù)值小者對波形失真的影響大得多。意味著歸一化均方誤差（2.4.7）

對NMSE的倒數(shù)取對數(shù)，得到等效的信噪比（2.4.8）（表達黑白圖像的逼真度）為某種運算符，最簡單常見的是，即進行點變換。峰值均方誤差

（2.4.9）對PMSE的倒數(shù)取對數(shù)，得到等效的峰值信噪比

(2.4.10)可以按照人類視覺系統(tǒng)(HVS,HumanVisualSystem)取其他更適宜的視覺心理生理函數(shù),以便與人眼對圖像主觀質(zhì)量的感覺更貼近。運算符主觀度量感覺上的主觀測試對與編碼器的設(shè)計和評價不可缺少，設(shè)計這類實驗的要求:

保證激勵源的次序最隨機，以消除排列先

后對評價的影響；

保證足夠的樣本數(shù)，以平滑判決結(jié)果中的

噪聲或起伏；

實驗人數(shù)必須足夠多，實驗人員的類型也

必須有廣泛的代表性。質(zhì)量的度量：

二元判決

主觀SNR

平均判分（MOS：meanopinionscore）

等偏愛度曲線

多維計分（MDS）

其中MOS最常用

圖像質(zhì)量的主觀評價要把人對圖像質(zhì)量的主觀感覺與客觀參數(shù)和性能聯(lián)系起來；類型：

質(zhì)量測試，評定圖像的質(zhì)量等級；

比較測試，對一幅給定圖像和另一幅圖像作

出質(zhì)量比較。任務(wù)：

語音質(zhì)量的主觀評價類型：

5級質(zhì)量MOS判分（MOS分數(shù)的標準差，來評價結(jié)果的可信度）

可懂度

可接受度2、比特率

單從數(shù)據(jù)壓縮的角度看：

而從通信的角度看：比特率常常體現(xiàn)一個實際編碼系統(tǒng)或理論壓縮算法技術(shù)水平的最主要指標；最終的比特率還應(yīng)與要求的業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS：QualityofService

）和現(xiàn)行的數(shù)字傳輸體制相適應(yīng)。3、復(fù)雜度信號壓縮系統(tǒng)的復(fù)雜度

指為實現(xiàn)編解碼算法所需的硬件設(shè)備量：

其他一些與復(fù)雜度相關(guān)的指標，如CODEC的

算法的運算量

需要的存儲量

體積

重量

價格

功耗數(shù)據(jù)壓縮算法的選擇：

對稱

非對稱針對具體應(yīng)用的要求來選擇恰當(dāng)?shù)男盘枆嚎s算法，有可能使的系統(tǒng)的總復(fù)雜度最低。業(yè)務(wù)分類：

會話型、會議型、消息型：對稱型算法；

分配型、檢索型：解壓盡量簡單，壓縮算法可

有較大運算量；

采集型：壓縮簡單，解壓可采取復(fù)雜的算法保

證總體性能。4、通信延時實際處理延時在1ms到500ms之間，一般要求控制在200ms以內(nèi)。隨著壓縮算法復(fù)雜度增加，處理的延時常常也會相應(yīng)增加，引起較大的通信延時。時延大的算法能不能用于實時通信，取決于使用環(huán)境。編碼與