第三章 多媒体数据压缩编码 技术 中国水利水电出版社
第三章 多媒体数据压缩编码 技术 中国水利水电出版社
多媒体技术与应用 3.1多媒体数据压缩的重要性 3.1.1多媒体数据压缩的必要性 信息时代的重要特征是信息的数字化。早期的信息用模拟方式表示,模拟 存在着明显的缺点:在信息的传输过程中会产生噪音和信号丢失;信息在 复制过程中其噪音和误差会逐步积累;模拟信号不适合数字计算机加工处 理。信号的数字化克服了上述缺点,但数字化后未经压缩的视频和音频等 媒体信息的数据量是非常大的。 在多媒体系统中,如果不进行数字信息的压缩处理,计算机系统几乎无法 对多媒体数据进行存取和传输。对多媒体数据进行压缩是非常必要的
多媒体技术与应用 3.1 多媒体数据压缩的重要性 信息时代的重要特征是信息的数字化。早期的信息用模拟方式表示，模拟 存在着明显的缺点：在信息的传输过程中会产生噪音和信号丢失；信息在 复制过程中其噪音和误差会逐步积累；模拟信号不适合数字计算机加工处 理。信号的数字化克服了上述缺点，但数字化后未经压缩的视频和音频等 媒体信息的数据量是非常大的。 在多媒体系统中，如果不进行数字信息的压缩处理，计算机系统几乎无法 对多媒体数据进行存取和传输。对多媒体数据进行压缩是非常必要的。 3.1.1 多媒体数据压缩的必要性
多媒体技术与应用 3.1.2多媒体数据压缩的可行性 可以根据不同的冗余设计相应的数据压缩技术。 时间冗余 今空间冗余 空间冗余和时间冗余是将图像信号看作为随机信号时所反映出的 统计特征,因此有时把这两种冗余称为统计冗余。 今结构冗余 今知识冗余 今视觉冗余 听觉冗余
多媒体技术与应用 3.1.2 多媒体数据压缩的可行性 可以根据不同的冗余设计相应的数据压缩技术。 ❖时间冗余 ❖空间冗余 空间冗余和时间冗余是将图像信号看作为随机信号时所反映出的 统计特征，因此有时把这两种冗余称为统计冗余。 ❖结构冗余 ❖知识冗余 ❖视觉冗余 ❖听觉冗余
多媒体技术与应用 3.2多媒体数据压缩方法 数据压缩技术的性能指标有三个 压缩比 今图象质量: 今压缩和解压的速度: 图像和视频压缩方法 无损压缩 有损压缩 预测编码 哈夫曼编码 变换编码 模型编码 混合编码 DCT编码 JPEG 行程编码 小波变换 分形编码 MPEG 算术编码 运动补偿 子带编码 261 ZW编码 图3-1图像和视频压缩方法
多媒体技术与应用 3.2 多媒体数据压缩方法 数据压缩技术的性能指标有三个： ❖压缩比： ❖图象质量： ❖压缩和解压的速度： 图像和视频压缩方法 哈夫曼编码 行程编码 算术编码 LZW编码 DCT编码 小波变换 子带编码 无损压缩 有损压缩 预测编码 变换编码 模型编码 运动补偿 混合编码 分形编码 JPEG MPEG H.261 图3-1 图像和视频压缩方法
多媒体技术与应用 3.2.1有损压缩编码 预测编码 预测编码方法是根据某一模型,利用以往的样本值进行预测。预测编码方法在图 像数据和语音信号数据压缩中都得到广泛应用,它是针对数据的统计冗余进行压 缩的一种方法 今变换编码 变换编码也是一种对统计冗余进行压缩的方法。变换编码并不直接对信号进行压 缩编码,而首先将信号映射到另一个域中,产生一组变换系数,然后对这些系数 进行量化、编码、传输。一般在空间上具有强相关性的信号,反映在频域上则是 能量被集中在某些特定的区域内,或是变换系数的分布具有规律性。利用这些规 律,在不同的频率区域上分配不同的量化比特数,可以达到压缩数据的目的
多媒体技术与应用 3.2.1 有损压缩编码 ❖预测编码 预测编码方法是根据某一模型，利用以往的样本值进行预测。预测编码方法在图 像数据和语音信号数据压缩中都得到广泛应用，它是针对数据的统计冗余进行压 缩的一种方法。 ❖变换编码 变换编码也是一种对统计冗余进行压缩的方法。变换编码并不直接对信号进行压 缩编码，而首先将信号映射到另一个域中，产生一组变换系数，然后对这些系数 进行量化、编码、传输。一般在空间上具有强相关性的信号，反映在频域上则是 能量被集中在某些特定的区域内，或是变换系数的分布具有规律性。利用这些规 律，在不同的频率区域上分配不同的量化比特数，可以达到压缩数据的目的
多媒体技术与应用 变换编码原理如图3-3所示。 输入端 A 变换 量化 编码器 发送端 输出端 逆变换 解码器 U 图3-3变换编码原理图
多媒体技术与应用 变换编码原理如图3-3所示。 A’ 发 送 端 输入端 G U G’ A 变换 量化 信 道 编码器 逆变换 解码器 U’′ 输出端 图3-3 变换编码原理图
多媒体技术与应用 3.2.2无损压缩编码 哈夫曼编码属于一种变字长码,把信息源事件按概率大小顺序排列,对岀现概 率大的信息源事件赋予短码字,而对于概率小的信息源事件赋予长码,只要码 字长度按照信息出现的概率大小逆顺序排列,则平均码字长度一定小于其它任 何事件顺序的排列方式。 实现哈夫曼编码的步骤是: 1.将信息源事件按概率递减顺序排列:如P(1)>P(2)>..>P(Sm-1)>P(Sm 2.把其中两个最小的概率P(Sm-1)、P(Sm)挑出来,且将事件“1”赋给其中最 小的即 3.把两个最小概率相加作为新事件的概率,即求出:P(Si)=P(Sm-1)十 P(Sm)。P(Si)是对应于一个新的消息的概率 4.将PSi)与上面未处理的(m-2)个消息P(Sm-2)的概率重新由大到小再排 列,构成一个新的概率序列 5.重复步骤2)、3)、4),在每次合并信息源时,将被合并的信源分别赋 “0和“1”直到所有m个事件的概率均已全部合并处理为止 6.寻找从每一个信息源事件到概率总和为1处的路径,对每一信息源事件写出 “1”、“03序列(从树根到信息源事件节点)作为码字
多媒体技术与应用 3.2.2 无损压缩编码 哈夫曼编码属于一种变字长码，把信息源事件按概率大小顺序排列，对出现概 率大的信息源事件赋予短码字，而对于概率小的信息源事件赋予长码，只要码 字长度按照信息出现的概率大小逆顺序排列，则平均码字长度一定小于其它任 何事件顺序的排列方式。 实现哈夫曼编码的步骤是： 1. 将信息源事件按概率递减顺序排列: 如P(1)＞P(2)＞…＞P(Sm-1)＞P(Sm) 2. 把其中两个最小的概率P(Sm-1)、P(Sm)挑出来，且将事件“1”赋给其中最 小的即 3. 把两个最小概率相加作为新事件的概率，即求出: P(Si) =P(Sm-1) 十 P(Sm)。P(Si)是对应于一个新的消息的概率。 4. 将P(Si)与上面未处理的（m－2）个消息P(Sm-2)的概率重新由大到小再排 列，构成一个新的概率序列。 5. 重复步骤2）、3）、4），在每次合并信息源时，将被合并的信源分别赋 “0”和“1”直到所有m个事件的概率均已全部合并处理为止。 6. 寻找从每一个信息源事件到概率总和为1处的路径，对每一信息源事件写出 “1”、“0”序列（从树根到信息源事件节点）作为码字
多媒体技术与应用 3.3多媒体数据压缩的国际标准 3.3.1JPEG标准 JPEG标准有两种基本的压缩算法,一种是基于离散余弦变换DCT的有损压缩 算法;另一种是基于空间预测的无损压缩算法。在压缩比为25:1的有损压缩 算法下,压缩还原后得到的图像与原始图像相比较几乎没有区别,因此基于 离散余弦变换DCT的有损压缩算法得到了广泛的应用
多媒体技术与应用 3.3 多媒体数据压缩的国际标准 JPEG标准有两种基本的压缩算法，一种是基于离散余弦变换DCT的有损压缩 算法；另一种是基于空间预测的无损压缩算法。在压缩比为25:1的有损压缩 算法下，压缩还原后得到的图像与原始图像相比较几乎没有区别，因此基于 离散余弦变换DCT的有损压缩算法得到了广泛的应用。 3.3.1 JPEG标准
多媒体技术与应用 8×8图像块 DCT基编码器 FDCT 量化器 熵编码器 压缩图像数据 源图像数据 量化表 熵编码表 图3-5DCT基压缩编码步骤 DCT基解码器 压缩图像数据 熵解码器 重构图像数据 熵编码表 量化表 图3-7DCT基解压缩步骤
多媒体技术与应用 DCT基解码器 压缩图像数据 熵解码器 逆量化器 IDCT 重构图像数据 熵编码表 量化表 图3-7 DCT基解压缩步骤 DCT基编码器 FDCT 量化器 熵编码器 压缩图像数据 源图像数据 8×8图像块 量化表 熵编码表 图3- 5 DCT基压缩编码步骤
多媒体技术与应用 3.3.2MPEG标准 ◆MPEG-1标准:称为多媒体运动图像和伴音的数据压缩编码标准 令MPEG-2标准:称为“活动图像及有关声音信息的通用编码”标准。 令MPEG-4标准:是为解决多媒体计算机技术中对数据压缩编、解码技术及 其遵循标准的高需求而推出的新的国际标准 令MPEG7标准:称作“多媒体内容描述接口”。它为各种类型的多媒体信 息规定一种标准化的描述。 ◆MPEG21标准:正式名称为多媒体框架。试图用多媒体框架将各种服务 综合在一起并进行标准化
多媒体技术与应用 3.3.2 MPEG标准 ❖ MPEG-1标准：称为多媒体运动图像和伴音的数据压缩编码标准。 ❖ MPEG-2标准：称为“活动图像及有关声音信息的通用编码”标准。 ❖ MPEG-4标准：是为解决多媒体计算机技术中对数据压缩编、解码技术及 其遵循标准的高需求而推出的新的国际标准。 ❖ MPEG-7标准：称作“多媒体内容描述接口”。它为各种类型的多媒体信 息规定一种标准化的描述。 ❖ MPEG-21标准：正式名称为多媒体框架。试图用多媒体框架将各种服务 综合在一起并进行标准化