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1、多媒体应用系统技术,计算机科学与技术学院,第2章：多媒体数据压缩技术,数据压缩的基本概念和方法,1,数据压缩的常用编码方法,2,数据压缩编码的国际标准,3,2.1 数据压缩的基本概念和方法,为什么要对多媒体数据进行压缩处理？媒体信息的数据量大，不利于计算机的数据存储和传输什么是数据压缩？用最少的数码来表示信号，叫数据压缩为什么可以对数据进行压缩？数据中存在一些多余的成分（冗余数据），去除这些冗余部分，不会影响人体的感官有哪些数据冗余的形式？空间冗余、结构冗余、知识冗余、视觉冗余、信息熵冗余,2.1 数据压缩的基本概念和方法,时间冗余,动画序列中两幅相邻的图像，后一幅图像与前一幅图像之间有较大的
2、相关性，这反映为时间冗余,举例解释几种冗余数据,2.1 数据压缩的基本概念和方法,时间冗余的实例,2.1 数据压缩的基本概念和方法,注意：无损压缩法只是在压缩时去掉或减少了数据中的冗余，但这些冗余值是可以重新插入到数据中的。,2.1 数据压缩的基本概念和方法,考虑winrar压缩软件采用的是哪种压缩方式？为什么winrar对图片、视频、mp3音乐压缩效果不明显？,无损压缩,图片、视频等本身就是已经压缩过的文件，所以用winrar压缩效果不明显，可以选择有针对性的软件进行压缩,2.1 数据压缩的基本概念和方法,数据压缩的评价标准压缩比率 被压缩的文件大小与压缩后的文件大小之比。压缩质量 在得到较
3、高的压缩比的同时，能确保压缩的质量压缩/解压速度 将原数据压缩，以便存储、传输；将压缩后的数据进行解压缩（还原成原始数据），以便使用。压缩和解压缩的速度越快越好,2.2 数据压缩的常用编码方法,常用的编码方式PCM脉冲编码调制预测编码（帧内预测、帧间预测）帧内预测：DPCM差分脉冲编码调制、ADPCM 帧间预测：运动补偿的帧间预测、帧间插入发变换编码行程编码霍夫曼编码,2.2 数据压缩的常用编码方法,Pcm脉冲调制编码,数字信号,2.2 数据压缩的常用编码方法,2.2 数据压缩的常用编码方法,预测编码什么是预测？知道某时刻以前信号的表现,就可以推断它以后的数值.具体到信号的采样过程,就是通过前
4、几次的样值来预测后一次的样值.预测编码的应用 多用于图像和声音压缩。因为对于图像而言，预测的对象是下一个像点、下一条线或下一帧，像素间存在一定的相关性。声音也是如此类型 帧内预测和帧间预测(DPCM差分脉冲编码调制,ADPCM自适应差分脉冲编码调制),2.2 数据压缩的常用编码方法,预测编码原理（1）根据算法模型，用原有的样本值对新样本进行预测。得到新样本的预测值。（2）新样本的实际数值-预测值=预测误差值（3）对误差值进行编码说明（1）预测越准确，误差越小，压缩率越高（2）预测编码的关键是算法模型，在现实中，算法模型由预测器替代,数字信号,2.2 数据压缩的常用编码方法,预测编码-DPCM与
5、pcm区别PCM:量化每一个样本值DPCM:量化的是实际值与预测值之间的差值实现（1）输入信号是Xn,即样本值（2）预测器计算预测值Xn（3）对误差值en(Xn-Xn)进行量化编码en（4）解码时,用误差编码值en+Xn还原信号 DPCM编码/解码示意图,2.2 数据压缩的常用编码方法,预测编码-DPCM,2.2 数据压缩的基本概念和方法,预测编码-DPCM,举例说明DPCM编码原理：设DPCM系统预测器的预测值为前一个样值，假设输入信号已经量化，差值不再进行量化。若系统的输入为0 1 2 1 1 2 3 3 4 4，则预测值为0 0 1 2 1 1 2 3 3 4，差值为0 1 1 1 0
6、1 1 0 1 0，差值的范围比输入样值的范围有所减小，可以用较少的位数进行编码。,2.2 数据压缩的常用编码方法,预测编码-ADPCMDPCM技术存在的问题 如果某一个像素的编码出错，可能导致后面的像素在预测时产生更大的误差解决方法：ADPCM（自适应差分脉冲编码）根据图像区域的分布特点自动调节预测器的预测系数（自适应预测）和量化器的量化参数（自适应量化）,2.2 数据压缩的常用编码方法,预测编码-帧间预测编码原理：利用视频图像各帧之间的时间相关性（相邻帧间细节变化很小），不直接传送当前帧的像素值，而是传送当前帧和其前一帧或后一帧的对应像素之间的差值。应用：视频、动画类型：运动补偿的帧间预测
7、、帧间内插法,2.2 数据压缩的常用编码方法,预测编码-帧间预测编码运动补偿的帧间预测：用物体x-1帧的图像作为x帧的预测值 说明：小球在k-1帧的位置推算出它在k帧中的位置来，而背景图像，仍以前一帧的背景代替帧间内插法：每隔一段时间丢弃掉一帧或几帧图像,2.2 数据压缩的常用编码方法,变换编码原理：将图像信号从一个域（比如时间域）变换到另一个域（比如频率域），然后对变换后的信号进行量化与编码,2.2 数据压缩的常用编码方法,变换编码例子早期的彩色电视机。由于人眼对亮度的敏感性远远大于对色度的敏感性，所以将最初的基于RGB颜色空间的色彩转换到YCbCr空间，并利用较低的分辨率来表示色差(Cb和
8、Cr)信号(也属于某种量化)。这使得彩色电视机可以使用与黑白电视机相同的约6M的带宽来传送，而人眼感觉不到太大差别。常用的变换编码有K-L变换、傅里叶变换、离散余弦变换等,2.2 数据压缩的常用编码方法,行程编码原理：将连续相同的数据值序列用一个重复次数和单个数据值来表示。比如，字符串：AAAAAARRRRTSSSDEEEEEEEEE 行程编码表示为：*6A*4RT*3SD*9E 说明（1）*表示编码的开始，后面的字符表示重复次数（2）连续相同的字符数越多，压缩比越高。（3）是一种无损编码,2.2 数据压缩的常用编码方法,霍夫曼编码原理：基于不同符号出现的不同概率使用不同的编码位数。是一种统计
9、编码，无损编码编码原则（1）将符号按照出现概率递减的顺序排列。（2）将概率最小的两个符号的概率相加，组成新符号 的概率。（3）重复步骤1和2直到概率相加的结果等于1为止。（4）概率大的符号用0表示，概率小的符号用1表示。（5）记录下概率为1处到当前符号之间的0，l序列，从而得到每个符号的编码。特点 概率大的符号编码长度短，概率小的符号编码长度长。,2.2 数据压缩的常用编码方法,霍夫曼编码例题：7个字符出现的概率分别为：0.2、0.19、0.18、0.17、0.15、0.1、0.01，霍夫曼编码过程,复习,数据压缩的基本概念和方法 数据压缩（定义，类型，评价标准）数据压缩的常用编码方式,复习,
10、编码方式的工作原理 PCM:采样、量化、编码 DPCM:预测、量化（误差值=样本实际值-预测值）、编码 ADPCM:自动调节预测器的预测系数（自适应预测）和量化参数（自适应量化）帧间预测：运动补偿的帧间预测（用物体x-1帧图像作为x帧的预测值，背景图像以前一帧的背景代替的方法）、帧间内插法（每隔一段时间丢掉几帧）变换编码：将图像信号从一个域变换到另外一个域，对变换后的信号进行编码 行程编码：把连续的数据值序列用一个重复次数和单个数据值表示。比如*3AB*2C,复习,编码方式的工作原理 霍夫曼编码：基于不同符号出现的不同概率使用不同的编码位数。数据量绿：85青：53紫：18黄：18橙：18,2.
11、3 数据压缩编码的国际标准,音频压缩编码标准音频信号质量指标（参见P79)采样频率：每秒钟采样次数。采样（量化）精度：描述每个采样点的二进制位数 声道数：一次采样所记录产生的声音波形数未压缩的音频文件存储空间的计算 存储空间（字节）=采样频率*采样精度*声道数*时间/8 例如：1分钟采样频率为44.1khz,采样精度为16bit,双声道的声音文件在编码后的音频文件需要多大存储空间 存储空间=44.1*1000*16*2*60/8=10584000字节=10.09M常用音频压缩标准 G系列：G.711、G.721、G.722、G.728 等 MPEG:MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、M
12、PEG-7,2.3 数据压缩编码的国际标准,音频压缩编码标准G系列 G.711(PCM)G.721(ADPCM)G.722(子带编码）G.728（延时码-激励线性预测）MPEG系列 mpeg-1:分为3层音频压缩标准，由低到高层算法复杂性越来越高,相应的性能也越来越高。其中第三层协议被称为MPEG-1 Layer 3，简称MP3。mpeg-2:是专门为数字电视而制定的标准,它的最初目标是高清晰度电视HDTV。该压缩方案能保证相当高的图像质量,并同时提供多声道环绕立体声和伴音 mpeg-4:包括自然音频编码和合成音频编码两部分。,子带编码：输入信号进入滤波器组分成高频子带和低频子带，然后分别进行
13、APDCM编码，最后进入混合器输出。,2.3 数据压缩编码的国际标准,静态图像压缩标准JPEG标准 提出：ISO和CCITT成立了“联合图像专家小组”，他们研究制定了静态图像压缩算法的国际标准，并于1991年正式公布，这个国际标准被称为JPEG标准。层次：基本系统（用于压缩和解压）、扩展系统（用于特殊压缩要求）、特殊无损功能（保证解压数据没有损失）四种工作模式：基于DCT(离散余玄变换）的顺序编码、基于DCT的累进编码、无损编码、分层编码 编码过程：图像变换、量化、熵编码 最新标准：JPEG 2000,2.3 数据压缩编码的国际标准,静态图像压缩标准JPEG编码原理 JEPG编码主要存储颜色变
14、化，尤其是亮度变化，因为人眼对亮度变化要比对颜色变化更为敏感。只要压缩后重建的图像与原来图像在亮度变化、颜色变化上相似，在人眼看来就是同样的图像。其原理是不重建原始画面，而生成与原始画面类似的图像，丢掉那些未被注意到的颜色。JPEG编码步骤(1)图象处理：使用离散余弦变换DCT,把空间域表示的图变换成频率域表示的图。(2)量化：使用加权函数对DCT系数进行量化，这个加权函数对于人的视觉系统视最佳的。(3)熵编码：使用Huffuman可变字长编码器对量化系数进行编码。,2.3 数据压缩编码的国际标准,JPEG编码详解（1）离散余弦变换DCT 按序将图像分成 8*8 的图像子块。对每一个子块的64
15、个数据进行DCT变换，得到DCT系数矩阵（2）量化 dct系数除以量化表中对应的步长（3）Z字形编码（4）对DC和AC进行编码 DC（直流系数）：有两个特点，该值比较大；相邻的两个图像块之间的DC值变化不大。采用DPCM编码 AC(交流系数）：是一个稀疏矩阵，特点是矩阵中许多位置值为0。因此讲矩阵63个数据按Z字型排序后，在进行行程编码（5）熵编码（主要是霍夫曼编码和自适应算术编码）对DPCM编码后的直流DC系数和RLE编码后的交流AC系数作进一步的压缩。,2.3 数据压缩编码的国际标准,考虑 静态图像常用JPEG标准进行信息压缩。目前JPEG中使用 A 算法，它属于 B 方法。JPEG是有损
16、压缩，恢复的图像质量低于原来的图像，为了获得较高信息压缩比，误差主要在 C 中引入。A：DFTDCT wavelet K-L B：矢量编码 统计编码 预测编码 变换编码 C：所有的算法本身 对算法产生的数据进行量化 对量化的数据进行熵编码 图像恢复算法,解答：JPEG使用了DCT算法，它属于变换编码方法。JPEG是有损压缩，恢复的图像质量低于原来的图像。为了获得较高信息压缩比，就要在频率域使用较粗糙的量化。譬如对高于某一频率的分量全都量化成零，以获得更大的压缩比，这时恢复图像的误差也较大。答案选择2、4、2,2.3 数据压缩编码的国际标准,动态图像压缩标准MPEG标准 提出：1988年由ISO专门成立的”运动图像专家组”制定的。MPEG标准综合了音频和视频的压缩。视频压缩标准提出：1990年，CCITT制定了H.261标准，它的全称是“在px64Kb/s音视服务的视频编解码发展：H.263H.261和H.263标准是纯视频标准,Thank You!,
