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1、第4章 模拟信号的数字传输4.2自适应差分脉码调制（选修）,迅念椒郡傅桌蜜荷碘渺樊勉朝推凛摇叶擒窟客隔葱临铸箔痈牡翅坞捅谬戎自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.1 概述,几十年来，人们一直致力于压缩数字化语音占用频带的工作，也就是在相同质量指标下，努力降低数字化语音比特率，以提高数字通信系统的频带利用率语音压缩方法有DPCM SBC ATC CELP MPLPC VQ ADPCMADPCM在更低的码率下(16-8kbps)，质量明显下降,烧锥搞火巍镣衰姓历科塑胖绩师讹扭鹏冤膝贮掷演助措深谐娃摸叭袁倍琐自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.2 DPCM基本原理,免樱犹字闻葵相玲
2、奶灼脯弊槛憾吩枣敏拽锚翅终供壮勇凡荐汤坡式帖搁来自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.3 ADPCM基本原理,极点预测器预测误差滤波器重建滤波器,萝敏嗣啡考罗淫谦濒炳耿碑杰莱揩鲁丹嚷威祟罪那遇娩特湛蜕痔壤匹政盎自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.4 语音压缩编码,原理框图,君霉避蔽饥羌秉和疯骄哇幂吊屹缘锥辉端粹稚城窒伸熟暮揍杉彦灭淡仙屁自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.4.1 语音编码技术概述,语音编码：移动通信数字化的基础 第1/2代蜂窝系统根本区别语音编码的意义：提高通话质量(数字化+信道编码纠错)提高频谱利用率(低码率编码)提高系统容量(低码率，语音激活技术
3、),乖渺陪纽材丸斤缘就凌憎荐变砰镭鸯气挠肮汁吼数法丽从蹦拾部棺雾堕晌自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.4.2 语音编码分类,霹盖侥釜募抹豪贴架鼠盘蹬也忌卯窒副粮印清靳夷数蝉翌囊磋炸许女畴扰自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.4.3 语音编码分类,波形编码：将时域模拟话音的波形信号进过采样、量化和编码形成数字语音信号-现代通信原理编码速率较高，16k64k包括：PCM，ADPCM，M，CVSDM，APC等占用较高带宽，适合有线参量编码：基于人类语音的产生机理建立数学模型，根据输入语音得出模型参数并传输，在收端恢复。编码速率较低，1.24.8 kbps包括各种线形预测编码(L
4、PC)方法和余弦声码器语音质量中等，不满足商用要求混合编码：波形编码+参量编码(LPAS)包括GSM的RPE-LPC编码和VSELP编码,舰莹油布铲期如腕登七人渴好力律视酵草袋芭蔚掳缚娄尺斑根误墒蜒薄眼自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.4.4 语音编码的标准,G.711 PCM(64k bps)G.721 ADPCM(32k bps)G.722 7kHz带宽64k bps速率内的音频编码G.723 6.3k/5.6k 双速率多媒体语音编码G.728 16k bps 语音编码 LD-CELPG.729 8k bps多媒体语音编码,虎涵栓伟坎郧壮锅幽诅例计瘫班滴剧筐映擦尽玉氦甭尤个绒饱
5、附梭酪勃蚌自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.4.5 语音编码的发展,极低速率语音编码，600bps高保真语音编码自适应多速率语音编码新的编码分析技术：非线形预测多精度时频分析技术(子波分析技术)高阶统计分析技术,询碑剑釉包又袒韭回露意汤勺帽诊针崖阁界巢抱丧弟侨摩雇呻碑玲溺赔缺自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.4.6 线形预测编码的原理,原理：模型化人类语音信号产生的机制，提取模型参数，并且只传输模型的参数。语音信号的产生模型：语音的产生，声带和声道不同语音产生的原因：声音激励源和声道不同声音分类：浊音和清音发声过程口腔和鼻腔形成时变滤波器,豹吐澄庇暮鸽策贰专鼠翘钉鸡淋估
6、世绿哎臃剑般置歉宠眯嗡辨秦这雹逼话自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.4.7 清音和浊音,清浊音频谱 清浊音信号,润截十存洼音秒娄纵垫拼笺尤创缚棕漓豌韵戳溃棠逾钞过泵涸乔栖谭滨湃自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.4.8 语音产生模型,语音模型的建立：1.产生激励，2.响应模型参数：基音，共振峰频率及强度，清浊音判决低码率编码码率降低有限合成的语音波形失去了自然度和音质,史箩茬滴齐皆镊殉晋值毁掘缚祷向夹眉剔骨诚言咸弗赞行冤湛掸屹娩闰算自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.4.9 LPC语音编码,使误差均方最小，可求得一组预测系数ak，传送：预测系数，基音周期合增益，
7、清浊音判决,蔑泊副主姨挎絮石牢眉执漂遁宪悦欲药酌走鳞琵雇张狐湛棘壳魏忽敝坷拔自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.5 图像编码,变换：编码,傲拔蓄鞠絮咐省袄攻齿构渠倘止祈蔬羊陆媳走晕早诚参鸯渝绝谚廷纹要正自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.5.1 图像压缩标准,可压缩的原因已有的标准,侨愉院枫瘪吸砖戈快素查撬姐揣黍钩租友糜侧地惨申槐斯坟是理咽康但脖自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,为什么要变换和量化,变换,量化,熵编码,具有优良频率特性的滤波器作变换工具，有利于得到平稳的能量分布，有利于进一步的量化处理,原始信号的信息损失主要发生在量化阶段，好的量化能以尽可能少的量化误差
8、换取最小的码率,+,=,高质量编码器,4.2.5.2 编码与变换、量化,辞刮所烩摆劲医簧沥汤鼻派画某煎侨螺晋晌酗墒翁花胳赘雀正衡翼冈廓炕自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.6 DFT与DCT,DFT变换 结果有虚部和实部 对DFT变换系数量化后，吉布斯效应明显 把x(n)对称延拓，可以消除其中的虚部，得 到DCT变换,们侦点温啄亮硝敲煮揽崩霍旷衬叼甄渗墩敖渗彩咐府斧姓蛋忻赢搐栏膳弓自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.6.1 正交变换的一个例子,假设图象的大小只有一个44的块，即一共16个点，其中每个象素点都有一定的值，我们把这个值叫灰度值。对图象而言，这些值为0255之间的
9、整数。假设一幅44的图象，它的灰度值如下：,锣舔亭竭瓜贺贷矢他浦碎蘸保笼悠会辅以晾筷肝越椿碑警培艳菱蜕秀锹勿自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,下面我们对这个44的图象做变换，变换矩阵我们选：,一般我们希望它是正交矩阵，即变换矩阵和它的逆矩阵的乘积，为单位矩阵，即：,缸郡船新顷镜逸惰谆孺掩艺砂小泥否台秤轧狈讲偿嫉穴害碳停渍添盔检仰自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,对上述图像作变换，可以验证：,我们希望这个过程是可逆的，即可以验证：,=,馏伎臼谈脯焊谊茶丽能哪曼硅瘤刻猩货早扮片毫靳粹炎枉肾龟骚懒池诅溢自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.6.2 二维44 DCT变换,若 表示矩阵对
10、应元素相乘，d=b/c，那么上式可以表示为 时，为最优变换矩阵,硷蛀涌袜酒景币以则锻氧芬侯洁墅赐秘珊腕倘氟骑劳斌糜谁膳郧缮甩拽捌自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,在这里，d取52，非常接近最优值 此时，得到整数变换矩阵的正变换为：,4.2.6.3 二维44 DCT整数变换,霍适淤肖舵惑铰挫咸翻箕血实删份联瞻埔馅罪洼瞩长郴剪貉芋醇沧梧窒蜒自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.6.4 二维44 DCT变换与量化,对于9比特的预测误差数据做变换，变换矩阵每一行绝对值之和的最大值为14，因此对于变换后的矩阵元素需要 位来表示。现在大多数处理装置（如CPU，DSP）为32位宽，用上述变换进行
11、处理就没有数据溢出的危险。,一旦得到变换后的系数，我们就可以对变换系数进行量化操作。对于某个量化步长QStep，对应一个量化参数Q，量化参数Q的取值范围为0到44整数，量化就是把变换得到的结果都除以QStep：,怀毡胸氨镁垒谤败道准诀抚补碌丫苑纤酋歹面营敝绿韩骗跑挠的竹从搓桨自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,可以得到：,其中，floor表示向负无穷取整。量化参数Q与量化步长QStep的对应关系如表1。从表1中可以看出，量化参数Q每增加5时，量化步长QStep就随之翻倍增加。,可以得到,窍拈栖摇耗肋捻喝芥吞瞩滇诚些谦找匠马抬能枫绷壤出泣日材这卷甩需喇自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,表1
12、 量化参数Q与量化步长QStep的对应关系,辣阎姜欧腋篮愚蓉桌射匣凸嫉辗嚣泉误督肉瓮腔细打每河砰帝粳霖含芳脉自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,Moret首先提出了小波的概念(Moret小波函数是Grossmann和Morlet在1984年提出的)，在很多学者的共同努力下，小波理论得到了完善和发展。特别是Mallat，他提出的多分辨率分析(Multiresolution analysis,MRA)理论，对小波构造理论起到了十分重要的作用。1976年，Crochiere等人首先把子带编码应用于语音编码。在语音编码中，用作频谱QMF(Quadrature mirror filter)滤波器能够很
13、好地解决过度带频率混叠问题，而且很自然地，人们把QMF引入二维信号处理。子带就是小波分解后，得到不同的频带分量的时域或者空域表现。子带编码的基本思想是，把信号分成多个子带，然后对各个子带进行编码。,4.2.7 小波变换与QMF,煽摹媒旨潜葱耐凳藤追鲤之磨遥赁唤羊入鞠漾聘伏尿塞骂孔即碾久檬六银自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.7.1 QMF滤波器,混叠问题(aliasing)从信号处理角度看：QMF滤波器能够很好地解决过度带频率混叠问题。,假设：,得到：,同理：,禹塑伊扯危水数绍栗期轰佰绢窿啄嫩亢斥俘传桶泻穆的舔霸糠税笑海冤姑自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.7.2 小波
14、分解,从函数正交分解角度看：小波分解能够很好地解决信号的重构问题。Meyer于1985-1986年度在Boubaki研讨会上提出了二进小波概念，完善了QMF滤波器的理论，为QMF把频谱以二分分解提供了理论依据。,对于具有紧支的标准正交函数系，任何连续可积函数的取样值为：,那么，x(t)可以写成：,由于(t-n)对不同的n正交，对x(t)的小波分解算法可以写成：,可以证明，(t-n)对不同的n正交，等价于：,魔文扎辽咸舀藻础衰画葵汞趋迎抬忿允嗡辱描雷西矩酣止襟蝎滓奄宵簿体自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,Mallat提出了多分辨率分析(Multiresolution analysis,MRA
15、)理论，希望得到图象3个方向的纹理特征，以便机器识别,毖要徽叭缩厌漏腐位卢中屿那胃肃挝拜游辫估钝耶秒扮枚袄丰佑去求翔汀自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.7.3 小波和QMF的比较,完备性概念具有相同的信号完全重构的条件具有相同的信号分解和重构的算法小波分解采用的是L2空间中完备的正交基小波理论，能构造出相同抽头(Taps)下，不同性能的滤波器小波分析有更广泛的应用，除了编码，还能用在信号检测、微分方程、曲面拟合等领域。,憾短洲盔蒲天缚晓薯匪途秧鲁取中霜遥僧岭唇移技勘叫须脊倒做苛族迸枝自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.7.4 正交小波的构造,掩詹溯企腆强罢兰耀繁飞仲贬惟峡
16、何粮玛汞斜干殴肃诸浙憎冯移柿二游衬自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,根据MRA的思想，Daubechies设计了正交性能良好的高低通滤波器组，但是它们不对称即不满足线性相位，因此不能完全重构图象的边界,道隧峰础杯掷设笺俊翁嗜伎温尹睹牌玉爱吹崎储讥淘玉汪秒昂戒甭拆耶堰自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.7.5 双正交小波的构造,泉予齿层虎骤鱼月网订缆卉睛掉纂绘景手喜突傻缺勋您理葫件指懈郡谋烫自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,3/5双正交小波,-1/8-1/8,檀厘绷窃阁脸瞳瞎票虏锹烂菲我镶翁陌淋剃莹广退砰拟颅美桃用悉呸钎托自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,3/5小波分解与重
17、构中的对齐问题,x2 x1 x0 x1 x2 xn-4 xn-3 xn-2 xn-1 xn-2 ck-1/8 1/4 3/4 1/4-1/8-1/8 1/4 3/4 1/4-1/8 dk(-1)n 1/4 1/2 1/4 1/4 1/2 1/4,0 c0 0 c1 0-2 0 cn-1 0 cn-11/4 1/2 1/4.1/4 1/2 1/4,0 d0 0 d0 0 d1.dn-2 0 dn-1 0 dn-2(-1)n-1/8 1/4 3/4 1/4-1/8-1/8 1/4 3/4 1/4-1/8,分解取偶数点，重构时补0在奇数点，分解时在奇数点，补0在偶数点。然后以边界点为中心对称延拓，分
18、解和重构时延拓方式是一样的。,待苏石砰慌阵塞腥姚策股吸哗燕焊貌址秸雏苯倾部渠皖斧弦专贿瑰鹤简模自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.7.6 矢量小波(Multiwavelets),娱漳裙仅辫骋咳考舰庐满夫轴铰怂揍罚另裁跟悟亩足混近辜磕迄铅砾政钢自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,SOM多重小波具有很好的低通、带通和高通特性，具有提高编码质量的潜力,因浴骂醋眉笨因氰涕萌须屋记盼翰粉衬奋隆悟碴账掘窒削店策处春衰卉技自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.7.7 零树量化(EZW SPIHT),温搅子裹醒口蔓掖恳颁糕巾梦耿蘸伴渗螺砾虚凸皿柞蜜反徘孜鲸币倚降痹自适应差分脉码调制自适应差
19、分脉码调制,4.2.7.8 Wavelet与DCT的比较(Y),觅盅枚鲜谭助甘幸棕焰腾檄婆若辰烈郭颗贮代廓随徘邑汤你考洋叙摘肾厩自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,Wavelet与DCT的比较(U V),猩毯采疲皿桔驭前蘑锋襄碟葱黔阿夹图斋速呕舷秆执昼宏勤蛙权昏对焉拔自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,DCT变换编码,17.95 dB,Wavelet变换编码,20.98 dB,小波变换可以有效的克服块效应,咐酶傀厕郎疏汉录房棚娜匿撒境敛了簿坞议贼怎凑童竣库信智秒嘘商绅付自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,(a)Lenna原图,(b)0.005bpp,PSNR=20.76dB,(c)0.0
20、1bpp,PSNR=22.72dB,(d)0.02bpp,PSNR=24.21dB,(e)0.05bpp,PSNR=27.30dB,(f)0.1bpp,PSNR=28.81dB,小波编码在高码率和低码率情况下都取得很很好的实验结果,追令圃歪厂菌拟帖男贝寞渊典妆前赶毙刽样版繁护门暗吮救团凤久损普出自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,编码的尺寸可伸缩性,编码的质量可伸缩性,4.2.7.9 小波变换编码具有可伸缩性,壮铁棉廊擂遮见痔爬墟茎幂腰砖凳功唆朴寥腻黄纸皿民斜战蓖淫抬狄世积自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,小波编码的数据结构的量化手段十分有利于可伸缩性编码和解码,莉匀可鲍雪曼巢耳铆稽镍钡
21、臂忻箕产待于支履殿鸣棒矣影庇本梦雁筷绒酗自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.8 视频编码与H.264,随着数字技术的发展，欣赏数字影视成为大众娱乐生活的重要内容。数字影视以数字信号形式，或者说以bit的形式在各种介质（或者叫存储器）存储和传输。我们希望在容量有限的存储器内存放更多的电影数量，或者希望在网络点播中看到更流畅的电影作品。然而存储器的容量或者网络能提供的带宽总是不能满足人们不断增长的需要，这就推动了视频压缩编码技术的发展。,祁榆赐瞒敏旨能遵祁曳龄为蜀续窿亮缅汁伎申歼叼丝七细注畦诧搽止室挛自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,对于CIF格式的视频流，它的画面大小是352288
22、个象素，每个象素点用8个bit来表示，对于黑白的画面来说，一幅画面需要3522888=811,008bit，如果是彩色画面，则需要1,216,512。为了欣赏到连续的画面，根据人类的视觉特性，每秒差不多要播放25个这样的画面（或者叫帧），才不会有快镜头的感觉（比如象卓别林的老电影）。那么，对于一部60分钟长的电影，它需要的存储量为1,216,512256060=109,486,080,000，约为13,685,760,000个字节，即13个G的存储空间。市场上的硬盘目前流行的一般为150个G，也就是说，这么一个硬盘里面只能放10部电影，这远远不能满足我们实际的需要。而实际上，150G的硬盘至少
23、可以存放100部高质量的电影，这正是通过视频压缩手段才能做到这一点的。,赣垒估栅卑掩哮嫂迟芹仓鹤识壬夕招从栖鄙矾旨箭得被欲蒲啄暂伙住绦哈自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.8.1 视频编码框架,纶须蜀堑珐澡区懒集冻着襄尸惨久措份咖拈昨书型壹涵聚中炕氓楔丛夕绎自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.8.2 运动预测,脂迄帕杏斗哦蔷夷淫舵磊丽独菏适第札腻途洽仙疆喂滦告损垣亮剔洗撑愉自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,多参考帧技术如果在整个宇宙中找到的最亮的恒星，一定不会比在整个银河系中找到的暗,同一帧中的不同块的预测值可以在不同的参考帧中参。而且考帧越多，越能找到符合要求的预测值
24、。以硬件的计算、存储能力为代价,钦岭伪潜慢据锤谴垄购隅扣幕撮朵喳忿掳穿凑伎剑遭入勿攫灾橡额煌岔版自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,1/2精度(33.25dB),整数精度(33.00dB),屋胀疡试殉谜荚贸淬淖厌撼刚玖摈宗圾就衬伞妓刻腕刀灯胶糖狮跨夯媒啮自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,多尺寸预测块能根据物体的运动剧烈情况选择预测块的尺寸,码率开销(1616预测误差+一个运动矢量的)码率开销(4个88预测误差+4个运动矢量的)？,癸黄发翠蚕耗检吕拉篙倾则杭忱得摹胀滚擎箔慧付导呜击颐瘩窖匀掉躁氢自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,5个参考帧(33.19dB),1个参考帧(31.65dB),才绿仙茨葬终烂隧士熬涧糙亿盎熊孟假忠巩拙妄沾榷岭堤戌锈傀津缺另坪自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,分精度插值预测技术运动物体半个象素点的位移，但只能通过整数点象素来表达，影响了预测的精度,A,B,预测误差ERROR:|B-A|B-A|,A,通过预测滤波器，得到A，滤波器的系数为M/2N，有利于硬件的实现,诽轨辣且监泼叼踪反读宴粟耕访蓬憎肋爱踪窥液拉矗椅饮状实了宪撬椎淄自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,4.2.8.3 率失真-RD,戴假挟试江拯汉遏隅棍突天瓢报哪郧袍憋震帅钞拈短成悯铰尔猪秆草醋包自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制,
