多媒體技術(shù)與通信第2章

1、第二章 多媒體信息處理的必要性和可行性,2.1 多媒體信息的特點 2.2 信息壓縮的必要性 2.3 信息壓縮的可行性 2.4 信息壓縮技術(shù)的性能指標(biāo),2.1 多媒體信息的特點 數(shù)據(jù)量龐大 碼率可變、突發(fā)性強(qiáng) 復(fù)合性信息多，同步性、實時性要求高,2.2 信息壓縮的必要性 以一般彩色電視信號為例，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。,2.2 信息壓縮的必要性,根據(jù)采樣定理，僅當(dāng)采樣頻率大于或等于2倍的原始信號的頻率時，才能保證采樣后的信號可能被無失真地恢復(fù)為原始信號。 再設(shè)各樣點均被數(shù)字化8bit，從而1秒鐘的電視信號的數(shù)據(jù)量為(4+1.

2、3+0.5)28bit = 92.8Mbit。,各種信號的特性和未壓縮速率,2.3 信息壓縮的可行性 前提條件： I = D - r 其中， I、 D、 r 分別為信息量、 數(shù)據(jù)量 與冗余量。,2.3 信息壓縮的可行性 在圖像數(shù)據(jù)中，一般存在以下一些數(shù)據(jù)冗余類型。 空間冗余：在任何一幅圖像中，均有許多灰度和顏色都相同的鄰近像素組成的局部區(qū)域，它們形成了一個性質(zhì)相同的集合塊，在圖像中就表現(xiàn)為空間冗余。,2.3 信息壓縮的可行性,2.3 信息壓縮的可行性 對空間冗余的壓縮方法就是把這種集合塊當(dāng)做一個整體，用極少的數(shù)據(jù)量來表示它，從而節(jié)省了存儲空間。這種壓縮方法叫空間壓縮或幀內(nèi)壓縮，它的基本點在于減

3、少鄰近像素之間的空間相關(guān)性。,2.3 信息壓縮的可行性 時間冗余：活動圖像中的兩幅相鄰的圖像有較大的相關(guān)性，這反映為時間冗余。 時間壓縮/幀間壓縮,2.3 信息壓縮的可行性 信息熵冗余（編碼冗余） 所謂信息熵，是指數(shù)據(jù)所帶的信息量。信息熵的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中，Pi為任意一個碼元i出現(xiàn)的概率，k為數(shù)據(jù)碼元的總個數(shù)。,2.3 信息壓縮的可行性 H的單位是bit/碼元。 如果對碼元采用二進(jìn)制編碼，并且第i個碼元yi所分配的比特數(shù)為b(yi)，那么碼元的平均長度（即包含的平均比特數(shù)或平均信息量）為：,為了使編碼后的信息不損失，應(yīng)當(dāng)使d接近H，理論上應(yīng)取b(yi)=-lbPi。實際上，很難估計P0，P

4、k-1，因此，一般總是取b(y0)=b(y1)=b(yk-1)，而等概情況下的平均數(shù)據(jù)量d是最大的，這樣d必定大于H，由此帶來的冗余稱為信息熵冗余或編碼冗余。,2.3 信息壓縮的可行性,結(jié)構(gòu)冗余：有些圖像從整體上看存在著非常強(qiáng)的紋理結(jié)構(gòu)，稱它在結(jié)構(gòu)上存在冗余。,2.3 信息壓縮的可行性,知識冗余：人們通過認(rèn)識世界而得到某些圖像所具有的先驗知識和背景知識，由此帶來的冗余稱為知識冗余。 視覺冗余：人的眼睛是圖像信息的接收端，而人類的視覺系統(tǒng)并不能對圖像畫面的任何變化都能感覺到，這稱為視覺冗余。,2.3 信息壓縮的可行性,空間冗余和時間冗余是將圖像信號看作隨機(jī)信號時反映出來的統(tǒng)計特征，因此有時把這兩

5、種冗余稱為統(tǒng)計冗余。它們也是圖像數(shù)據(jù)處理中兩種最主要的數(shù)據(jù)冗余。,2.3 信息壓縮的可行性,2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo) 1 壓縮比 壓縮性能常常用壓縮比來定義，也就是壓縮過程中輸入數(shù)據(jù)量和輸出數(shù)據(jù)量之比。 壓縮比越大，說明數(shù)據(jù)壓縮的程度越高。 在實際應(yīng)用中，壓縮比可以定義為比特流中每個樣點所需要的比特數(shù)。,2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo) 2 重現(xiàn)質(zhì)量 重現(xiàn)質(zhì)量是指比較重現(xiàn)時的圖像、聲音信號與原始圖像、聲音之間有多少失真，這與壓縮的類型有關(guān)。 圖像和聲音質(zhì)量的評估常采用客觀評估和主觀評估兩種方法。,圖像質(zhì)量的評價方法： 方法一：主觀評價 觀察者依據(jù)自己的感覺對圖像質(zhì)量進(jìn)行評價。 常用基于5級

6、質(zhì)量制或5級損傷制的平均意見分（MOS分），它由ITU-R BT.500標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。,2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo),質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn),2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo),主觀評價的方法是將待評價的圖像序列播放給評論者觀看，并記錄他們的打分，然后對所有評論者的打分進(jìn)行統(tǒng)計，得出平均分作為評價結(jié)果。 ITU-R BT500-7定義了兩種標(biāo)準(zhǔn)的主觀評價方法。,2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo),（1）雙刺激連續(xù)質(zhì)量分級法（DSCQS：Double Stimulus Continuous Quality Scale）,2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo),雙刺激連續(xù)質(zhì)量分級法的評分公式： 平均分?jǐn)?shù)= 其中：j為分值，取

7、15；nj為某分值的人數(shù)。,2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo),（2）單刺激連續(xù)質(zhì)量評價方法（SSCQE：Single Stimulus Continuous Quality Evaluation） 這種方法只把被評價的圖像序列播放給評估者看，評價時間長達(dá)30s，評估者在觀看的同時給出評價分值。,2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo),主觀評價的不足之處： 觀察者一般需要是一個群體，其中既包含未受過專業(yè)訓(xùn)練的“外行”，也包含訓(xùn)練有素的“內(nèi)行”。 圖像內(nèi)容與情節(jié)千變?nèi)f化，觀察者個體差異大，容易發(fā)生主觀上的偏差。 僅僅只有平均分，如果評測分?jǐn)?shù)低，也無法確切定位問題出在哪里。,2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo),方

8、法二：客觀評價 又稱為圖像逼真度計量法。 在此方法中，首先給出一系列標(biāo)準(zhǔn)的或理想的圖像作為參考圖像，然后定義一個數(shù)學(xué)公式，利用該公式計算待評價的圖像與參考圖像的接近程度，所得到的計算結(jié)果就是測量結(jié)果。,2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo),常采用兩種計算方法：一種是均方差，一種是峰值信噪比。 客觀評價的好處：不僅減少了對人力、物力的需求，而且測量時間大大縮短，甚至可以做到實時監(jiān)測。,2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo),均方誤差：,峰值信噪比：,信噪比：,2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo),3 壓縮和解壓縮的速度 壓縮與解壓縮的速度是兩項單獨的性能度量。 有些應(yīng)用中，壓縮與解壓縮都需要實時進(jìn)行，這稱為對稱壓縮，如電視會議的圖像傳輸； 在有些應(yīng)用中，壓縮可以用非實時壓縮， 而只要解壓縮是實時的，這種壓縮稱為非對稱壓縮， 如多媒體CD-ROM的節(jié)目制作。,2.4 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的性能指標(biāo),1、多媒體數(shù)據(jù)存在哪些類型的冗余？去掉這