多媒體發(fā)展簡史

1、2021-12-15第第1頁頁/共共80頁頁第第0章章 多媒體發(fā)展簡史多媒體發(fā)展簡史1. 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)半個世紀(jì)發(fā)展小述2. 互聯(lián)網(wǎng)的誕生 3. 多媒體發(fā)展簡史第一章 作業(yè)題2021-12-15第第2頁頁/共共80頁頁2021-12-15第第3頁頁/共共80頁頁 電腦里的數(shù)據(jù)壓縮其實類似于美眉們的瘦身運動，電腦里的數(shù)據(jù)壓縮其實類似于美眉們的瘦身運動，不外有兩大功用。不外有兩大功用。 第一，可以節(jié)省空間。拿瘦身美眉來說，要是八第一，可以節(jié)省空間。拿瘦身美眉來說，要是八個美眉可以擠進一輛出租車?yán)?，那該有多省錢?。€美眉可以擠進一輛出租車?yán)铮窃撚卸嗍″X?。?第二，可以減少對帶寬的占用。例如，我們都想

2、第二，可以減少對帶寬的占用。例如，我們都想在手機在手機 上觀看上觀看 DVD DVD 大片，前者則取決于美眉們的恒大片，前者則取決于美眉們的恒心和毅力，后者有待于數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的突破性進展。心和毅力，后者有待于數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的突破性進展。2021-12-15第第4頁頁/共共80頁頁 簡單地說，如果沒有數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，我們就沒簡單地說，如果沒有數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，我們就沒法用法用 WinRARWinRAR 為為 Email Email 中的附件瘦身；如果沒有數(shù)據(jù)中的附件瘦身；如果沒有數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，市場上的數(shù)碼錄音筆就只能記錄不到壓縮技術(shù)，市場上的數(shù)碼錄音筆就只能記錄不到 20 20 分分鐘的語音；如果沒有數(shù)

3、據(jù)壓縮技術(shù)，從鐘的語音；如果沒有數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，從 Internet Internet 上下上下載一部電影也許要花半年的時間載一部電影也許要花半年的時間可是這一切究竟可是這一切究竟是如何實現(xiàn)的呢？數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)又是怎樣從無到有發(fā)是如何實現(xiàn)的呢？數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)又是怎樣從無到有發(fā)展起來的呢？展起來的呢？ 2021-12-15第第5頁頁/共共80頁頁數(shù)據(jù)壓縮簡史 音畫時尚音畫時尚 回到未來回到未來 概率奇緣概率奇緣 數(shù)學(xué)游戲數(shù)學(xué)游戲異族傳說異族傳說2021-12-15第第6頁頁/共共80頁頁 4一千多年前的中國學(xué)者就知道用一千多年前的中國學(xué)者就知道用“班馬班馬”這樣這樣的縮略語來指代班固和司馬遷，這種崇尚

4、簡約的縮略語來指代班固和司馬遷，這種崇尚簡約的風(fēng)俗一直延續(xù)到了今天的的風(fēng)俗一直延續(xù)到了今天的 Internet Internet 時代：時代：當(dāng)我們在當(dāng)我們在 BBS BBS 上用上用“ 7456 7456 ”代表代表“氣死我氣死我了了”，或是用，或是用“ B4 B4 ”代表代表“ Before Before ”的時候，的時候，我們至少應(yīng)該知道，這其實就是一種最簡單的我們至少應(yīng)該知道，這其實就是一種最簡單的數(shù)據(jù)壓縮呀。數(shù)據(jù)壓縮呀。2021-12-15第第7頁頁/共共80頁頁 4嚴(yán)格意義上的數(shù)據(jù)壓縮起源于人們對概嚴(yán)格意義上的數(shù)據(jù)壓縮起源于人們對概率的認(rèn)識。率的認(rèn)識。4當(dāng)我們對文字信息進行編碼時，

5、如果為當(dāng)我們對文字信息進行編碼時，如果為出現(xiàn)概率較高的字母賦予較短的編碼，出現(xiàn)概率較高的字母賦予較短的編碼，為出現(xiàn)概率較低的字母賦予較長的編碼，為出現(xiàn)概率較低的字母賦予較長的編碼，總的編碼長度就能縮短不少?？偟木幋a長度就能縮短不少。 2021-12-15第第8頁頁/共共80頁頁 4著名的著名的 Morse 電碼電碼(由美國的摩爾斯在由美國的摩爾斯在 1844年發(fā)明的，所以電碼符號也被叫做年發(fā)明的，所以電碼符號也被叫做摩爾斯電碼摩爾斯電碼Morse code），電碼），電碼 符號符號由兩種基本信號和不同的間隔時間組成：由兩種基本信號和不同的間隔時間組成：短促的點信號短促的點信號“ ”，讀，讀“

6、的的 ”（Di）；）；保持一定時間的長信號保持一定時間的長信號“”，讀，讀“答答 ”（Da）。）。 2021-12-15第第9頁頁/共共80頁頁 A: . - B: - . . . C: - . - . D: - . . E: . F: . . - . G: - - . H: . . . . I: . . J: . - - - L: . - . . M: - - N: - . P: . - - . Q: - - . - R: . - . S: . . . T: - U: . . - V: . . . -W: . - - X: - . . - Y: - . - - Z: - - . . 0: -

7、 - - - - 1: . - - - - 2: . . - - - 3: . . . - - 4: . . . . - 5: . . . . . 6: - . . . . 7: - - . . . 8: - - - . . 9: - - - - . 2021-12-15第第10頁頁/共共80頁頁4信息論之父信息論之父 C. E. Shannon 第一次用數(shù)學(xué)第一次用數(shù)學(xué)語言闡明了概率與信息冗余度的關(guān)系。語言闡明了概率與信息冗余度的關(guān)系。在在 1948 年發(fā)表的論文中，年發(fā)表的論文中， Shannon 指指出，任何信息都存在冗余，冗余大小與出，任何信息都存在冗余，冗余大小與信息中每個符號（數(shù)字

8、、字母或單詞）信息中每個符號（數(shù)字、字母或單詞）的出現(xiàn)概率或者說不確定性有關(guān)。的出現(xiàn)概率或者說不確定性有關(guān)。 Shannon 借鑒了熱力學(xué)的概念，把信息借鑒了熱力學(xué)的概念，把信息中排除了冗余后的平均信息量稱為中排除了冗余后的平均信息量稱為“信息熵信息熵”，并給出了計算并給出了計算信息熵的數(shù)學(xué)表達(dá)式信息熵的數(shù)學(xué)表達(dá)式。2021-12-15第第11頁頁/共共80頁頁4這篇偉大的論文后來被譽為信息論的開山之作，這篇偉大的論文后來被譽為信息論的開山之作，信息熵也奠定了所有數(shù)據(jù)壓縮算法的理論基礎(chǔ)。信息熵也奠定了所有數(shù)據(jù)壓縮算法的理論基礎(chǔ)。從本質(zhì)上講，數(shù)據(jù)壓縮的目的就是找出并消除從本質(zhì)上講，數(shù)據(jù)壓縮的目的

9、就是找出并消除信息中的冗余，而信息熵及相關(guān)的定理恰恰用信息中的冗余，而信息熵及相關(guān)的定理恰恰用數(shù)學(xué)手段精確地描述了信息冗余的程度。利用數(shù)學(xué)手段精確地描述了信息冗余的程度。利用信息熵公式，人們可以計算出信息編碼的極限，信息熵公式，人們可以計算出信息編碼的極限，即在一定的概率模型下，無損壓縮的編碼長度即在一定的概率模型下，無損壓縮的編碼長度不可能小于信息熵公式給出的結(jié)果。不可能小于信息熵公式給出的結(jié)果。 2021-12-15第第12頁頁/共共80頁頁En = - log2( Pn )I=D-du2021-12-15第第13頁頁/共共80頁頁4有了完備的理論，接下來的事就是要想辦法實有了完備的理論，

10、接下來的事就是要想辦法實現(xiàn)具體的算法，并盡量使算法的輸出接近信息現(xiàn)具體的算法，并盡量使算法的輸出接近信息熵的極限了。當(dāng)然，大多數(shù)工程技術(shù)人員都知熵的極限了。當(dāng)然，大多數(shù)工程技術(shù)人員都知道，要將一種理論從數(shù)學(xué)公式發(fā)展成實用技術(shù)，道，要將一種理論從數(shù)學(xué)公式發(fā)展成實用技術(shù)，就像僅憑一個就像僅憑一個 E=mc2 的公式就要去制造原子彈的公式就要去制造原子彈一樣，并不是一件很容易的事。一樣，并不是一件很容易的事。 2021-12-15第第14頁頁/共共80頁頁 4設(shè)計具體的壓縮算法的過程通常更像是一場數(shù)設(shè)計具體的壓縮算法的過程通常更像是一場數(shù)學(xué)游戲。開發(fā)者首先要尋找一種能盡量精確地學(xué)游戲。開發(fā)者首先要尋

11、找一種能盡量精確地統(tǒng)計或估計信息中符號出現(xiàn)概率的方法，然后統(tǒng)計或估計信息中符號出現(xiàn)概率的方法，然后還要設(shè)計一套用最短的代碼描述每個符號的編還要設(shè)計一套用最短的代碼描述每個符號的編碼規(guī)則。碼規(guī)則。41948 年，年， Shannon 在提出信息熵理論的同時，在提出信息熵理論的同時，也給出了一種簡單的編碼方法也給出了一種簡單的編碼方法 Shannon 編編碼。碼。 1952 年，年， R. M. Fano 又進一步提出了又進一步提出了 Fano 編碼。這些早期的編碼方法揭示了變長編碼。這些早期的編碼方法揭示了變長編碼的基本規(guī)律，也確實可以取得一定的壓縮編碼的基本規(guī)律，也確實可以取得一定的壓縮效果，

12、但離真正實用的壓縮算法還相去甚遠(yuǎn)。效果，但離真正實用的壓縮算法還相去甚遠(yuǎn)。2021-12-15第第15頁頁/共共80頁頁4第一個實用的編碼方法是由第一個實用的編碼方法是由 D. A. Huffman提提出出的。的。4Huffman 編碼效率高，運算速度快，實現(xiàn)方式編碼效率高，運算速度快，實現(xiàn)方式靈活。今天，在許多知名的壓縮工具和壓縮算靈活。今天，在許多知名的壓縮工具和壓縮算法（如法（如 WinRAR 、 gzip 和和 JPEG ）里，都有）里，都有 Huffman 編碼的身影。編碼的身影。4如果不是后文將要提到的那兩個猶太人，我們?nèi)绻皇呛笪膶⒁岬降哪莾蓚€猶太人，我們還不知要到什么時候才能

13、用上還不知要到什么時候才能用上 WinZIP 這樣方這樣方便實用的壓縮工具呢。便實用的壓縮工具呢。2021-12-15第第16頁頁/共共80頁頁異族傳說異族傳說4逆向思維永遠(yuǎn)是科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域里出奇制勝的法逆向思維永遠(yuǎn)是科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域里出奇制勝的法寶。就在大多數(shù)人絞盡腦汁想改進寶。就在大多數(shù)人絞盡腦汁想改進 Huffman 或或算算術(shù)編碼術(shù)編碼，以獲得一種兼顧了運行速度和壓縮效果，以獲得一種兼顧了運行速度和壓縮效果的的“完美完美”編碼的時候，兩個聰明的猶太人編碼的時候，兩個聰明的猶太人 J. Ziv 和和 A. Lempel 獨辟蹊徑，完全脫離獨辟蹊徑，完全脫離 Huffman 及算及算術(shù)編碼的

14、設(shè)計思路，創(chuàng)造出了一系列比術(shù)編碼的設(shè)計思路，創(chuàng)造出了一系列比 Huffman 編碼更有效，比算術(shù)編碼更快捷的壓縮算法。我編碼更有效，比算術(shù)編碼更快捷的壓縮算法。我們通常用這兩個猶太人姓氏的縮寫，將這些算法們通常用這兩個猶太人姓氏的縮寫，將這些算法統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為 LZ 系列算法。系列算法。 2021-12-15第第17頁頁/共共80頁頁異族傳說異族傳說4說實話，說實話， LZ 系列算法的思路并不新鮮，其中既沒系列算法的思路并不新鮮，其中既沒有高深的理論背景，也沒有復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，它們有高深的理論背景，也沒有復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，它們只是簡單地延續(xù)了千百年來人們對字典的追崇和喜只是簡單地延續(xù)了千百年來人們

15、對字典的追崇和喜好，并用一種極為巧妙的方式將字典技術(shù)應(yīng)用于通好，并用一種極為巧妙的方式將字典技術(shù)應(yīng)用于通用數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域。通俗地說，當(dāng)你用字典中的頁碼用數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域。通俗地說，當(dāng)你用字典中的頁碼和行號代替文章中每個單詞的時候，你實際上已經(jīng)和行號代替文章中每個單詞的時候，你實際上已經(jīng)掌握了掌握了 LZ 系列算法的真諦。這種基于字典模型的系列算法的真諦。這種基于字典模型的思路在表面上雖然和思路在表面上雖然和 Shannon 、 Huffman 等人開等人開創(chuàng)的統(tǒng)計學(xué)方法大相徑庭，但在效果上一樣可以逼創(chuàng)的統(tǒng)計學(xué)方法大相徑庭，但在效果上一樣可以逼近信息熵的極限。而且，可以從理論上證明，近信息熵的極限。而

16、且，可以從理論上證明， LZ 系列算法在本質(zhì)上仍然符合信息熵的基本規(guī)律。系列算法在本質(zhì)上仍然符合信息熵的基本規(guī)律。 2021-12-15第第18頁頁/共共80頁頁異族傳說異族傳說4今天，今天， LZ77 、 LZ78 、 LZW 算法以及它們的算法以及它們的各種變體幾乎壟斷了整個通用數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域，我各種變體幾乎壟斷了整個通用數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域，我們熟悉的們熟悉的 PKZIP 、 WinZIP 、 WinRAR 、 gzip 等壓縮工具以及等壓縮工具以及 ZIP 、 GIF 、 PNG 等文件格式等文件格式都是都是 LZ 系列算法的受益者。系列算法的受益者。 4沒有誰能否認(rèn)兩位猶太人對數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的貢

17、獻(xiàn)。沒有誰能否認(rèn)兩位猶太人對數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的貢獻(xiàn)。我想強調(diào)的只是，在工程技術(shù)領(lǐng)域，片面追求理我想強調(diào)的只是，在工程技術(shù)領(lǐng)域，片面追求理論上的完美往往只會事倍功半，如果大家能像論上的完美往往只會事倍功半，如果大家能像 Ziv 和和 Lempel 那樣，經(jīng)常換個角度來思考問題，那樣，經(jīng)常換個角度來思考問題，沒準(zhǔn)兒你就能發(fā)明一種新的算法，就能在技術(shù)方?jīng)]準(zhǔn)兒你就能發(fā)明一種新的算法，就能在技術(shù)方展史上揚名立萬呢。展史上揚名立萬呢。 2021-12-15第第19頁頁/共共80頁頁音畫時尚音畫時尚4LZ 系列算法基本解決了通用數(shù)據(jù)壓系列算法基本解決了通用數(shù)據(jù)壓縮中兼顧速度與壓縮效果的難題。但縮中兼顧速度與壓縮

18、效果的難題。但是，數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域里還有另一片更為是，數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域里還有另一片更為廣闊的天地等待著我們?nèi)ヌ剿?。廣闊的天地等待著我們?nèi)ヌ剿鳌?021-12-15第第20頁頁/共共80頁頁音畫時尚音畫時尚4例如，對于生活中更加常見的，圖片、圖像例如，對于生活中更加常見的，圖片、圖像等，通用壓縮算法的優(yōu)勢就不那么明顯了。等，通用壓縮算法的優(yōu)勢就不那么明顯了。幸運的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果在壓縮這一幸運的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果在壓縮這一類圖像數(shù)據(jù)時允許改變一些不太重要的像素類圖像數(shù)據(jù)時允許改變一些不太重要的像素值，或者說允許損失一些精度（在壓縮通用值，或者說允許損失一些精度（在壓縮通用數(shù)據(jù)時，我們絕不會容忍

19、任何精度上的損失，數(shù)據(jù)時，我們絕不會容忍任何精度上的損失，但在壓縮和顯示一幅數(shù)碼照片時，如果一片但在壓縮和顯示一幅數(shù)碼照片時，如果一片樹林里某些樹葉的顏色稍微變深了一些，看樹林里某些樹葉的顏色稍微變深了一些，看照片的人通常是察覺不到的），我們就有可照片的人通常是察覺不到的），我們就有可能在壓縮效果上獲得突破性的進展。也許，能在壓縮效果上獲得突破性的進展。也許，這和生活中常說的這和生活中常說的“退一步海闊天空退一步海闊天空”的道的道理有異曲同工之妙吧。理有異曲同工之妙吧。 2021-12-15第第21頁頁/共共80頁頁音畫時尚音畫時尚2021-12-15第第22頁頁/共共80頁頁音畫時尚音畫時尚

20、4Internet 的發(fā)展對視頻壓縮提出了更高的的發(fā)展對視頻壓縮提出了更高的要求。在要求。在內(nèi)容交互、對象編輯、隨機存內(nèi)容交互、對象編輯、隨機存取取等新需求的刺激下，等新需求的刺激下， ISO 于于 1999 年通年通過了過了 MPEG-4 標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。 MPEG-4 標(biāo)準(zhǔn)擁有標(biāo)準(zhǔn)擁有更高的壓縮比率，支持基于內(nèi)容的交互更高的壓縮比率，支持基于內(nèi)容的交互操作等先進特性。操作等先進特性。2021-12-15第第23頁頁/共共80頁頁音畫時尚音畫時尚 Internet 上新興的上新興的 DivX 和和 XviD 文件格式文件格式就是采用就是采用 MPEG-4 標(biāo)準(zhǔn)來壓縮視頻數(shù)據(jù)的，標(biāo)準(zhǔn)來壓縮視頻數(shù)據(jù)

21、的，它們可以用更小的存儲空間或通信帶寬提供與它們可以用更小的存儲空間或通信帶寬提供與 DVD 不相上下的高清晰視頻，這使我們在不相上下的高清晰視頻，這使我們在 Internet 上發(fā)布或下載數(shù)字電影的夢想成為了上發(fā)布或下載數(shù)字電影的夢想成為了現(xiàn)實。現(xiàn)實。 2021-12-15第第24頁頁/共共80頁頁回到未來回到未來 4從信息熵到算術(shù)編碼，從猶太人到從信息熵到算術(shù)編碼，從猶太人到 WinRAR ，從從 JPEG 到到 MP3 ，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的發(fā)展史就，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的發(fā)展史就像是一個寫滿了像是一個寫滿了“創(chuàng)新創(chuàng)新”、“挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)”、“突破突破”和和“變革變革”的羊皮卷軸。也許，我們在這里不的羊皮卷

22、軸。也許，我們在這里不厭其煩地羅列年代、人物、標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)，其目厭其煩地羅列年代、人物、標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)，其目的只是要告訴大家，前人的成果只不過是后人的只是要告訴大家，前人的成果只不過是后人有望超越的目標(biāo)而已，誰知道在未來的幾年里，有望超越的目標(biāo)而已，誰知道在未來的幾年里，還會出現(xiàn)幾個還會出現(xiàn)幾個 Shannon ，幾個，幾個 Huffman 呢？呢？ 4談到未來，我們還可以補充一些與數(shù)據(jù)壓縮技談到未來，我們還可以補充一些與數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的發(fā)展趨勢有關(guān)的話題。術(shù)的發(fā)展趨勢有關(guān)的話題。2021-12-15第第25頁頁/共共80頁頁回到未來回到未來4分形壓縮技術(shù)是圖像壓縮領(lǐng)域近幾年來的一個熱點。這分形壓縮技

23、術(shù)是圖像壓縮領(lǐng)域近幾年來的一個熱點。這一技術(shù)起源于一技術(shù)起源于 B. Mandelbrot 于于 1977 年創(chuàng)建的分形幾年創(chuàng)建的分形幾何學(xué)。何學(xué)。 M. Barnsley 在在 20 世紀(jì)世紀(jì) 80 年代后期為分形壓縮年代后期為分形壓縮奠定了理論基礎(chǔ)。從奠定了理論基礎(chǔ)。從 20 世紀(jì)世紀(jì) 90 年代開始，年代開始， A. Jacquin 等人陸續(xù)提出了許多實驗性的分形壓縮算法。今天，很等人陸續(xù)提出了許多實驗性的分形壓縮算法。今天，很多人相信，分形壓縮是圖像壓縮領(lǐng)域里最有潛力的一種多人相信，分形壓縮是圖像壓縮領(lǐng)域里最有潛力的一種技術(shù)體系，但也有很多人對此不屑一顧。無論其前景如技術(shù)體系，但也有很

24、多人對此不屑一顧。無論其前景如何，分形壓縮技術(shù)的研究與發(fā)展都提示我們，在經(jīng)過了何，分形壓縮技術(shù)的研究與發(fā)展都提示我們，在經(jīng)過了幾十年的高速發(fā)展之后，也許，我們需要一種新的理論，幾十年的高速發(fā)展之后，也許，我們需要一種新的理論，或是幾種更有效的數(shù)學(xué)模型，以支撐和推動數(shù)據(jù)壓縮技或是幾種更有效的數(shù)學(xué)模型，以支撐和推動數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)繼續(xù)向前躍進。術(shù)繼續(xù)向前躍進。 2021-12-15第第26頁頁/共共80頁頁回到未來回到未來4人工智能是另一個可能對數(shù)據(jù)壓縮的人工智能是另一個可能對數(shù)據(jù)壓縮的未來產(chǎn)生重大影響的關(guān)鍵詞。既然未來產(chǎn)生重大影響的關(guān)鍵詞。既然 Shannon 認(rèn)為，信息能否被壓縮以及認(rèn)為，信息能否

25、被壓縮以及能在多大程度上被壓縮與信息的不確能在多大程度上被壓縮與信息的不確定性有直接關(guān)系，假設(shè)人工智能技術(shù)定性有直接關(guān)系，假設(shè)人工智能技術(shù)在某一天成熟起來，假設(shè)計算機可以在某一天成熟起來，假設(shè)計算機可以像人一樣根據(jù)已知的少量上下文猜測像人一樣根據(jù)已知的少量上下文猜測后續(xù)的信息，那么，將信息壓縮到原后續(xù)的信息，那么，將信息壓縮到原大小的萬分之一乃至十萬分之一，恐大小的萬分之一乃至十萬分之一，恐怕就不再是天方夜譚了。怕就不再是天方夜譚了。 2021-12-15第第27頁頁/共共80頁頁回到未來回到未來4回顧歷史之后，人們總喜歡暢想一下回顧歷史之后，人們總喜歡暢想一下未來。但未來終究是未來，如果僅憑

26、未來。但未來終究是未來，如果僅憑你我?guī)拙湓捑涂梢岳砬逦磥淼募夹g(shù)發(fā)你我?guī)拙湓捑涂梢岳砬逦磥淼募夹g(shù)發(fā)展趨勢，那技術(shù)創(chuàng)新的工作豈不就索展趨勢，那技術(shù)創(chuàng)新的工作豈不就索然無味了嗎？依我說，未來并不重要，然無味了嗎？依我說，未來并不重要，重要的是，趕快到重要的是，趕快到 Internet 上下載幾上下載幾個個MP3或或DVD大片，好好享受一下數(shù)大片，好好享受一下數(shù)據(jù)壓縮為我們帶來的無限快樂吧。據(jù)壓縮為我們帶來的無限快樂吧。 返回2021-12-15第第28頁頁/共共80頁頁多媒體多媒體ISDN2021-12-15第第29頁頁/共共80頁頁 多媒體是通信、計算機和電視等各種技多媒體是通信、計算機和電視等各

27、種技術(shù)聯(lián)合發(fā)展的必然結(jié)果。術(shù)聯(lián)合發(fā)展的必然結(jié)果。 通信通信A A電視電視B B計算機計算機C CB BA AC CA AB CB C返回2021-12-15第第30頁頁/共共80頁頁作業(yè)題作業(yè)題4 參照課上所講到的參照課上所講到的“數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)壓縮”與與“互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展簡史，通過查找相關(guān)的發(fā)展簡史，通過查找相關(guān)資料，寫一篇資料，寫一篇“多媒體通信技術(shù)多媒體通信技術(shù)”的小的小論文。論文。返回2021-12-15第第31頁頁/共共80頁頁2021-12-15第第32頁頁/共共80頁頁4 亞歷山大亞歷山大格拉漢姆格拉漢姆貝爾（貝爾（Alexander Alexander Graham Bell

28、Graham Bell，1847-19421847-1942）美國發(fā)明家和）美國發(fā)明家和企業(yè)家。他發(fā)明了世界上第一臺可用的電企業(yè)家。他發(fā)明了世界上第一臺可用的電話機，創(chuàng)建了貝爾電話公司。被譽為話機，創(chuàng)建了貝爾電話公司。被譽為“電電話之父話之父”。 2021-12-15第第33頁頁/共共80頁頁 1847 1847年生于英國蘇格蘭，他的祖父親畢生年生于英國蘇格蘭，他的祖父親畢生都從事聾啞人的教育事業(yè)，由于家庭的影都從事聾啞人的教育事業(yè)，由于家庭的影響，他從小就對聲學(xué)和語言學(xué)有濃厚的興響，他從小就對聲學(xué)和語言學(xué)有濃厚的興趣。開始，他的興趣是在研究電報上。有趣。開始，他的興趣是在研究電報上。有一次，

29、當(dāng)他在做電報實驗時，偶然發(fā)現(xiàn)了一次，當(dāng)他在做電報實驗時，偶然發(fā)現(xiàn)了一塊鐵片在磁鐵前振動會發(fā)出微弱聲音的一塊鐵片在磁鐵前振動會發(fā)出微弱聲音的現(xiàn)象，而且他還發(fā)現(xiàn)這種聲音能通過導(dǎo)線現(xiàn)象，而且他還發(fā)現(xiàn)這種聲音能通過導(dǎo)線傳向遠(yuǎn)方。這給貝爾以很大的啟發(fā)。他想，傳向遠(yuǎn)方。這給貝爾以很大的啟發(fā)。他想，如果對著鐵片講話，不也可以引起鐵片的如果對著鐵片講話，不也可以引起鐵片的振動嗎振動嗎? ?就是貝爾關(guān)于電話的最初構(gòu)想。就是貝爾關(guān)于電話的最初構(gòu)想。2021-12-15第第34頁頁/共共80頁頁 是梅布爾鼓舞他進行了所有那些使人精是梅布爾鼓舞他進行了所有那些使人精疲力竭的實驗，也是梅布爾使他克服了不疲力竭的實驗，也

30、是梅布爾使他克服了不時產(chǎn)生的沮喪情緒時產(chǎn)生的沮喪情緒那種常常困擾著緊那種常常困擾著緊張工作去奪取成功的人們的沮喪情緒張工作去奪取成功的人們的沮喪情緒使他得以研制出當(dāng)時很了不起的一種工具。使他得以研制出當(dāng)時很了不起的一種工具。它能把人說的話轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，之后又在它能把人說的話轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，之后又在金屬絲的末端使之還原成人說的話。金屬絲的末端使之還原成人說的話。 2021-12-15第第35頁頁/共共80頁頁 為了紀(jì)念貝爾的功績，將電學(xué)和聲學(xué)中為了紀(jì)念貝爾的功績，將電學(xué)和聲學(xué)中計量功率或功率密度比值的一種單位命名計量功率或功率密度比值的一種單位命名為為“貝爾貝爾”。 2021-12-15第第36頁

31、頁/共共80頁頁聲音編碼示意圖聲音編碼示意圖 2021-12-15第第37頁頁/共共80頁頁 聲音編碼的范圍聲音編碼的范圍2021-12-15第第38頁頁/共共80頁頁聲音編碼示意圖聲音編碼示意圖2021-12-15第第39頁頁/共共80頁頁聲音編碼示意圖聲音編碼示意圖 2021-12-15第第40頁頁/共共80頁頁聲音編碼示意圖聲音編碼示意圖2021-12-15第第41頁頁/共共80頁頁聲音編碼示意圖聲音編碼示意圖 2021-12-15第第42頁頁/共共80頁頁聲音編碼示意圖聲音編碼示意圖音頻編碼示意圖音頻編碼示意圖 輸入信號2021-12-15第第43頁頁/共共80頁頁 視頻壓縮基本原理視

32、頻壓縮基本原理1.1.時域冗余信息時域冗余信息 使用幀間編碼技術(shù)可去除時域冗余信息，它包括以下二使用幀間編碼技術(shù)可去除時域冗余信息，它包括以下二部分：部分： 幀間預(yù)測幀間預(yù)測 只傳兩幀之間變化的部分；只傳兩幀之間變化的部分； 運動補償運動補償 運動補償是通過先前的局部圖像來預(yù)測、補償當(dāng)前運動補償是通過先前的局部圖像來預(yù)測、補償當(dāng)前的局部圖像，它是減少幀序列冗余信息的有效方法。的局部圖像，它是減少幀序列冗余信息的有效方法。 2021-12-15第第44頁頁/共共80頁頁視頻壓縮基本原理視頻壓縮基本原理2.2.空域冗余信息空域冗余信息 變換編碼變換編碼 變換編碼將空域信號變換到另一正交矢量空間，使

33、其變換編碼將空域信號變換到另一正交矢量空間，使其相關(guān)性下降，數(shù)據(jù)冗余度減小。相關(guān)性下降，數(shù)據(jù)冗余度減小。 量化編碼量化編碼 經(jīng)過變換編碼后，產(chǎn)生一批變換系數(shù)，對這些系數(shù)進經(jīng)過變換編碼后，產(chǎn)生一批變換系數(shù)，對這些系數(shù)進行量化，使編碼器的輸出達(dá)到一定的位率。行量化，使編碼器的輸出達(dá)到一定的位率。 熵編碼熵編碼 熵編碼是無損編碼。它對變換、量化后得到的系數(shù)和運動熵編碼是無損編碼。它對變換、量化后得到的系數(shù)和運動信息，進行進一步的壓縮。信息，進行進一步的壓縮。2021-12-15第第45頁頁/共共80頁頁2021-12-15第第46頁頁/共共80頁頁4背景全景圖+視頻對象(VO)=合成圖像MPEG-4

34、應(yīng)用實例2021-12-15第第47頁頁/共共80頁頁2021-12-15第第48頁頁/共共80頁頁叛逆斗士的勝利-ZIP格式誕生 2021-12-15第第49頁頁/共共80頁頁叛逆斗士的勝利-ZIP格式誕生 于是數(shù)據(jù)壓縮軟件就成為了一項必須的工具。于是數(shù)據(jù)壓縮軟件就成為了一項必須的工具。1985年年SEA 公司開發(fā)了公司開發(fā)了MS-DOS環(huán)境下第一個應(yīng)用環(huán)境下第一個應(yīng)用LZW算法算法的的ARC壓縮軟件，它是當(dāng)時壓縮軟件，它是當(dāng)時MS-DOS下統(tǒng)治性的壓縮軟下統(tǒng)治性的壓縮軟件。從技術(shù)角度來說件。從技術(shù)角度來說ARC確實不錯，但使用了專利確實不錯，但使用了專利LZW算法的算法的ARC當(dāng)然是標(biāo)準(zhǔn)的

35、商業(yè)軟件，使用這種軟件工作當(dāng)然是標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)軟件，使用這種軟件工作就必須付費。不過當(dāng)時許多玩家根本買不起就必須付費。不過當(dāng)時許多玩家根本買不起ARC軟件，軟件，順便說一句題外話，那時大多順便說一句題外話，那時大多PC玩家基本都沒什么富裕玩家基本都沒什么富裕的錢，事實上個人計算機本身的發(fā)展就是被窮玩家精打的錢，事實上個人計算機本身的發(fā)展就是被窮玩家精打細(xì)算所推動。不過個人計算機從誕生之日起就充滿了叛細(xì)算所推動。不過個人計算機從誕生之日起就充滿了叛逆、自由的精神，這也是推動整個個人計算機世界前行逆、自由的精神，這也是推動整個個人計算機世界前行的主要動力。此時一個年輕的程序員出現(xiàn)并試圖改變壓的主要動力

36、。此時一個年輕的程序員出現(xiàn)并試圖改變壓縮世界，這個人叫縮世界，這個人叫Phillip W.Katz（菲利普（菲利普卡茲）?？ㄆ潱?2021-12-15第第50頁頁/共共80頁頁 2021-12-15第第51頁頁/共共80頁頁 SEA其實不是什么大企業(yè)，它只是個其實不是什么大企業(yè)，它只是個3人起家的小公司，人起家的小公司，當(dāng)然無法接受這種毀滅性打擊。以現(xiàn)在的眼光看來，最初當(dāng)然無法接受這種毀滅性打擊。以現(xiàn)在的眼光看來，最初SEA的方式是溫和的，它接洽菲利普的方式是溫和的，它接洽菲利普卡茲并希望通過授權(quán)卡茲并希望通過授權(quán)的方式將的方式將PKARC納入旗下，然而并不認(rèn)為自己有什么過錯納入旗下，然而并

37、不認(rèn)為自己有什么過錯的菲利普的菲利普 卡茲一口拒絕，他不想讓卡茲一口拒絕，他不想讓PKARC成為商業(yè)軟件，成為商業(yè)軟件，他制作這個工具的初衷并不是為了賺錢。最終菲利普他制作這個工具的初衷并不是為了賺錢。最終菲利普卡茲卡茲被被SEA以侵犯以侵犯ARC壓縮格式編碼算法的罪名告上了法庭，壓縮格式編碼算法的罪名告上了法庭，并輸?shù)袅斯偎?。叛逆倔強的卡茲在敗訴后依然拒絕將并輸?shù)袅斯偎?。叛逆倔強的卡茲在敗訴后依然拒絕將PKARC授權(quán)給授權(quán)給SEA公司，而選擇了支付法律費用和停止發(fā)公司，而選擇了支付法律費用和停止發(fā)放放PKARC。2021-12-15第第52頁頁/共共80頁頁 2021-12-15第第53頁頁

38、/共共80頁頁 也許是被激怒后帶來了驚人的動力，只用了幾周的時也許是被激怒后帶來了驚人的動力，只用了幾周的時間菲利普間菲利普卡茲就創(chuàng)造出一個全新的壓縮編碼算法，該算卡茲就創(chuàng)造出一個全新的壓縮編碼算法，該算法完美地結(jié)合法完美地結(jié)合LZ77和和Huffman編碼，也就是后來大名鼎鼎編碼，也就是后來大名鼎鼎的的PKZIP，而其文件格式擴展名叫作，而其文件格式擴展名叫作“.zip”。PKZIP可將可將多個文件壓縮到一個文件中，無論壓縮比、壓縮速度都全多個文件壓縮到一個文件中，無論壓縮比、壓縮速度都全面超過了商業(yè)軟件面超過了商業(yè)軟件ARC。菲利普。菲利普卡茲將卡茲將PKZIP作為自由作為自由軟件免費發(fā)放

39、，使其如野火般在全美各大軟件免費發(fā)放，使其如野火般在全美各大BBS上蔓延開來，上蔓延開來，用戶以幾何級數(shù)增長，遭受毀滅性打擊的用戶以幾何級數(shù)增長，遭受毀滅性打擊的SEA公司半年內(nèi)公司半年內(nèi)就無聲無息。這段故事最后演變?yōu)橛米杂绍浖驍∩虡I(yè)軟就無聲無息。這段故事最后演變?yōu)橛米杂绍浖驍∩虡I(yè)軟件的傳奇，菲利普件的傳奇，菲利普卡茲更是成為充滿幻想的年輕程序員卡茲更是成為充滿幻想的年輕程序員心中十步殺一人的偶像。心中十步殺一人的偶像。 2021-12-15第第54頁頁/共共80頁頁 2021-12-15第第55頁頁/共共80頁頁 2021-12-15第第56頁頁/共共80頁頁4考慮用 0 和 1 組成的二進制數(shù)碼為含有 n 個符號的某條信息編碼，假設(shè)符號 Fn 在整條信息中重復(fù)出現(xiàn)的概率為 Pn，則該符號的熵也即表示該符號所需的位數(shù)為：熵的計算公式2021-12-15第第5