第5章多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù).

1、www.wordwendan 中文Word文檔庫本文由【中文word文檔庫】 搜集整理。中文word文檔庫免費(fèi)提 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan word文檔供海量教學(xué)資料、行業(yè)資料、范文模板、應(yīng)用文書、考試學(xué)習(xí)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等第5章多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)本章要點(diǎn)：多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)概述量 化統(tǒng)計(jì)編碼變換編碼數(shù)據(jù)壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)5.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)概述（必要、可行、分類）5.1.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼的必要性由于多媒體元素種類繁多、構(gòu)成復(fù)雜，使得數(shù)字計(jì)算機(jī)面臨的是數(shù)值、音樂、動(dòng)畫、靜 態(tài)圖像和電視視頻圖像等多種媒體元素，且要將它們?cè)谀M量和數(shù)字量之間

2、進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換、 信息吞吐、存儲(chǔ)和傳輸。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還要實(shí)現(xiàn)逼真的三維空間、3D立體聲效果和在實(shí)境中進(jìn)行仿真交互，帶來的突出問題就是媒體元素?cái)?shù)字化后數(shù)據(jù)量大得驚人，解決這一問題，單純靠擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量、增加通信 干線傳輸率 的辦法是不現(xiàn)實(shí)的。通過數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可大大降低數(shù)據(jù)量， 以壓縮形式存儲(chǔ)和傳輸，既節(jié)約了存儲(chǔ)空間，又提高了通信干線的傳輸效率，同時(shí)也使計(jì)算機(jī)得以實(shí)時(shí)處理音頻、視頻信息，保證播放出高質(zhì)量的視頻和音頻節(jié)目。5.1.2多媒體數(shù)據(jù)壓縮的可能性安特尼科羅威爾意意大利 1975年,300公斤 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan 中文 word

3、 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan 中文Word文檔庫分析冗余? 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan 中文Word文檔庫圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)就是研究如何利用圖像數(shù)據(jù)的冗余性來減少圖像數(shù)據(jù)量的方法。下面是常見的一些圖像數(shù)據(jù)冗余：（1）空間冗余：是由于基于離散像素采樣的方法不能表示物體顏色之間的空間連慣性 導(dǎo)致的；（2） 時(shí)間冗余：就是對(duì)于象電視圖像、動(dòng)畫等序列圖片，當(dāng)其中物體有位移時(shí)，后一幀 的數(shù)據(jù)與前一幀的數(shù)據(jù)有許多相同的地方；（3）結(jié)構(gòu)冗余：在有些圖像的紋理區(qū)，圖像的像素值存在著明顯的分布模式；（4）知識(shí)冗余：對(duì)于圖像

4、中重復(fù)出現(xiàn)的部分，我們可構(gòu)造其基本模型，并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)各 種特征的圖像庫，進(jìn)而圖像的存儲(chǔ)只需要保存一些特征參數(shù)，從而可大大減少數(shù)據(jù)量；（5）視覺冗余：事實(shí)表明，人類的視覺系統(tǒng)對(duì)圖像場的敏感性是非均勻和非線性的；6.1.3多媒體數(shù)據(jù)壓縮方法的分類1有損與無損壓縮：第一種分類方法是根據(jù)解碼后數(shù)據(jù)是否能夠完全無丟失地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，可分為：中文Word文檔庫1）無損壓縮：也稱可逆壓縮、無失真編碼、熵編碼等。原理：去除或減少冗余值，但這些值可在解壓縮時(shí)重新插入到數(shù)據(jù)中，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。它大多使用在對(duì)文本和數(shù)據(jù)的壓縮上，但是壓縮比較低，大致在2： 15： 1之間。典型算法有：Hufman編碼、Shannon-F

5、ano編碼、算術(shù)編碼、游程編碼和Lenpel-Ziv編碼等。2）有損壓縮：也稱不可逆壓縮和熵壓縮等。此法在壓縮時(shí)減少了的數(shù)據(jù)信息是不能恢 復(fù)的。2、壓縮技術(shù)分類：第二種分類方法是按照壓縮技術(shù)所采用的方法來分的，見下表所示:多 媒體 數(shù)據(jù)編 碼算法PCM自適應(yīng)、固定式預(yù)測編碼自適應(yīng)、固定式（DPCM、 M ）混合編碼變換編碼傅里葉、離散余弦（DCT ）、離散正弦 （DST）、哈爾、斜變換、沃爾什 -哈密瓜達(dá) 馬、卡胡南-勞夫（K-L ）、小波統(tǒng)計(jì)編碼（熵編 碼）哈夫曼、算術(shù)編碼、費(fèi)諾、香農(nóng)、游程編碼（RLE ）、LZW靜態(tài)圖像編碼方塊、逐漸浮現(xiàn)、逐層內(nèi)插、比特平面、抖動(dòng)電視編碼幀內(nèi)預(yù)測幀間運(yùn)動(dòng)估

6、計(jì)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、條件補(bǔ)充、內(nèi)插、編碼幀間預(yù)測其他編碼矢量量化、子帶編碼、輪廓編碼、二值圖像3. 脈沖編碼調(diào)制 PCM （ Pulse Code Modulation ）編碼分類1）預(yù)測編碼（Predictiove Codi ng, PC）:這種編碼器記錄與傳輸?shù)牟皇菢颖镜恼鎸?shí)值，而是它與預(yù)期測值的差。預(yù)測值由欲編碼圖像信號(hào)的過去信息決定。由于時(shí)間、空間相關(guān)性，真實(shí)值與預(yù)測值的差值變化范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真實(shí)值的變化范圍，因而可以采用較少的位數(shù)來表示。2）變換編碼（Tran sform Codi ng, TC ）:其主要思想是利用圖像塊內(nèi)像素值之間的相關(guān)性，把圖像變換到一組新的基上，使得能量集中到少數(shù)幾個(gè)

7、變換系數(shù)上，通過存儲(chǔ)這些系數(shù)而達(dá)到壓縮的目的。3）統(tǒng)計(jì)編碼：最常用的統(tǒng)計(jì)編碼是 Hufman編碼。它對(duì)于出現(xiàn)頻率大的符號(hào)用較少的位數(shù) 來表示，而對(duì)出現(xiàn)頻率小的符號(hào)用較多的位數(shù)來表示。其編碼效率主要取決于需編碼的符號(hào)出現(xiàn)的概率分布，越集中則壓縮比越高。5.2量 化通常量化是指模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的映射，它是模擬量化為數(shù)字量必不可少的步驟。由于模擬量是連續(xù)的，而數(shù)字量是離散量，因此量化操作實(shí)質(zhì)上是用有限的離散量代替無限的 模擬量的多對(duì)一映射操作。5.2.1 比特率比特率是采樣率和量化過程中使用的比特?cái)?shù)的產(chǎn)物。它是數(shù)據(jù)通信的一個(gè)重要參數(shù)。公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的信道傳輸能力常常是以每秒傳送多少KB或多少GB信息量

8、來衡量的。中文Word文檔庫數(shù)字音頻格式比較應(yīng)用類型采樣頻率(KHz )帶寬(KHz )頻帶(Hz)比特率(KB/S)電話8.03.0200320064遠(yuǎn)程會(huì)議16.07.0507000256數(shù)字音頻光盤44.120.020200001410數(shù)字音頻帶48.020.020200001536522量化原理量化處理是使數(shù)據(jù)比特率下降的一個(gè)強(qiáng)有力的措施。脈沖編碼調(diào)制(PCM )的量化處理在采樣之后進(jìn)行。數(shù)據(jù)壓縮編碼中的量化是指以PCM碼作為輸入，經(jīng)正交變換、差分、或預(yù)測處理后，在熵編碼之前，對(duì)正交變換系數(shù)、差值或預(yù)測誤差的量化處理。模擬無限等級(jí)數(shù)字等級(jí)有限化t數(shù)字量化處理量化輸入值的動(dòng)態(tài)范圍很大,需

9、要以多的比特?cái)?shù)表示一個(gè)數(shù)值，量化輸出只能取有限個(gè)整數(shù)，稱作量化級(jí)，一般希望量化后的數(shù)值用較少的比 特?cái)?shù)就可表示。每個(gè)量化輸入被強(qiáng)行歸一到與其接近的 某個(gè)輸出，即量化到某個(gè)級(jí)。量化處理總是把一批輸入, 量化到一個(gè)輸出級(jí)上，所量化處理是一個(gè)多對(duì)一的處理 過程，是個(gè)不可逆過程，量化處理中有信息丟失，或者 說會(huì)引起量化誤差(量化噪聲)。5.2.3標(biāo)量量化器的設(shè)計(jì)1. 量化器的設(shè)計(jì)要求(1) 給定量化分層級(jí)數(shù)，滿足量化誤差最??；(2) 限定量化誤差，確定分層級(jí)數(shù)，滿足以盡量小的平均比特?cái)?shù)，表示量化輸出。2. 量化方法和量化特性量化方法有標(biāo)量量化和矢量量化之分，標(biāo)量量化又可分為均勻量化、非均勻量化和自適應(yīng)

10、量化。下圖畫出一個(gè)標(biāo)量量化過程的示意圖： 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan 中文Word文檔庫W1 W3W3W?W8：'-b覆區(qū)足埒量化 的畫數(shù)，是一 1O像的灰度 差值直方圖1|IIW5 W6W1W2W3W4W5W6W7W8.龍荒量化過程示意圖b區(qū)畫出了F勻量化"處理的昱化箱示意圖 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan XI X2 X3XA X5 X6采樣輸人譯杠值C區(qū)的雖化箱K等寬，中間 欠概率處II

11、窄，購邊小樞血處箱 寬t表示不均勾雖叱.量化器的量化特性曲線，有多種多樣，下圖給出一個(gè)八級(jí)均勻量化特性曲線:100101110()1101000100()F圖是給出一個(gè)非均勻量化特性曲線: 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan 100呈化輸出樣本a1（）1110011010001-I*I非均勻量化間隔000'-一亠XI X2X3X4X5采樣輸入樣本值 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan 524 矢量量化矢量量化編碼一

12、般是失真編碼方法。 矢量量化的名字是相對(duì)于標(biāo)量量化而提出的，對(duì)于PCM數(shù)據(jù)，一個(gè)數(shù)一個(gè)數(shù)進(jìn)行量化叫標(biāo)量量化；若對(duì)這些數(shù)據(jù)分組，每組K個(gè)數(shù)構(gòu)成一個(gè)K維矢量，然后以矢量為單元，逐個(gè)矢量進(jìn)行量化，稱矢量量化。矢量量化可有效提高壓縮比，見下圖：5.3統(tǒng)計(jì)編碼本節(jié)介紹幾種典型的熵編碼方法，如Shannon與Fano編碼法和Hufman編碼法，算術(shù)編碼法與游程編碼法。其中尤以Hufman編碼法為最佳，在多媒體編碼系統(tǒng)中常用這種方法作熵保持編碼。預(yù)備知識(shí)：信息論基礎(chǔ)?今天有同學(xué)收到 EMAIL、TEL,.?今天有同學(xué)讀報(bào)？海報(bào)？今天有同學(xué)WATCH TV、RADIO? ?什么是信息？信息量多大？信息單位是什

13、么？當(dāng)我們收到一封信或一個(gè)電話、傳真、電報(bào)、電子郵件時(shí)，便獲得一定的信息，在此之 前我們并不能肯定其中的內(nèi)容，如果我們?cè)缰鋬?nèi)容， 也就沒有必要寫信、 發(fā)電子郵件或打電話了，這也就不存在信息問題。那么信息是什么？簡單說：從上面可知信息就是消息，消息是由不知到知知的過程，信息量的大小就是消息的多少，也即由 不知到知知的多少， 這是一般定義上的理解， 在數(shù)學(xué)怎么定義信息及信息量的大小。 再從上 面我們也可以知道，在信息中蘊(yùn)含著不確性，這種不確性在數(shù)學(xué)上就是事件的概率， 對(duì)確定事件（消息） 概率大信息量少，否則信息量就大， 所以一般而言，小概率事件信息量大， 大概率事件信息 量小，如果概率P=1信息

14、量則為0。例如：中文畑'd文會(huì)庫（1）百年不遇事件，概率較小，一旦發(fā)生，必定信息量驚人；（2）兩軍對(duì)持，若勢均力敵（等概率分布）很難判定誰是勝家，信息量大。如果兩軍實(shí)力相差較遠(yuǎn)（不等概率），則信息量小，易判定勝負(fù)，這說明：基本事件的個(gè)數(shù)相同 者，以等概率分布場平均信息量大。信息可以識(shí)別，轉(zhuǎn)換、存貯、傳送、增值、信息既不是 物質(zhì)，也不是意識(shí)，信息的存在具有特殊性，同時(shí)與物質(zhì)與意識(shí)又密切相關(guān)。信息的過程包含有發(fā)送、傳輸、接收三個(gè)基本過程。香農(nóng)提出了如下模型稱之為信息傳播的基本模型。«? J陵道凝越評(píng)澳大殛從這個(gè)模型可知，信息量實(shí)際就是發(fā)送、傳輸、接收這個(gè)信息所要求表示這個(gè)事件（信

15、息）最小比特?cái)?shù)。如發(fā)送某一事件A，需要3位（二進(jìn)數(shù)）來表示，則說明該信息的信息量是 3bit，按 shannon 理論：信息源S的信息量用熵（entropy ）來定義：1H （s） = " R log2（ ） = -' FJ log2 RiRiiRi是符號(hào)Si在S中出現(xiàn)的概率1log2（）表示包含在Si中信息量，即編碼 Si所需二進(jìn)制位數(shù)，H（ s）是S的總信息量 R例如：（1）一幅256級(jí)灰度的黑白圖像，每個(gè)象素點(diǎn)灰度概率為Pi=1/256，那 么編碼每個(gè)象素要Iog21/256=8bit 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載中文Word文檔庫1111000

16、0, 10101010, 0101010b 11111111- 00000000用煩變映射做的毎白閤1 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載(2)電視屏上約有 500 X 600=3 X 105個(gè)格點(diǎn)，按每個(gè)點(diǎn) 10種不同的亮度等級(jí)計(jì)算， 則共組成多少個(gè)不同畫面 ？按等概率計(jì)算，每個(gè)畫面概率是多少？電視屏上約有2個(gè)格點(diǎn)，按每個(gè)點(diǎn)2種不同的亮度等級(jí)計(jì)算，則共組成多少個(gè)不同畫面 ？按等概率計(jì)算，每個(gè)畫面概率是多少？-個(gè)黑晤點(diǎn) 卩rr個(gè)黑格點(diǎn)1n-個(gè)黑白格點(diǎn) r二個(gè)黑白格點(diǎn)三個(gè)黑白辭點(diǎn)231 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載1 中文 word 文檔庫，海量 wor

17、d 文檔免費(fèi)下載(2)電視屏上約有 500 X 600=3 X 105個(gè)格點(diǎn)，按每個(gè)點(diǎn) 10種不同的亮度等級(jí)計(jì)算,1031。5H(s)二im則共組成多少個(gè)不同畫面 ？按等概率計(jì)算，每個(gè)畫面概率是多少 平均每個(gè)畫面可提供信息量為：=3 X 105X 3.32=106bitlOg21(3 105 )10310(3) 千字文章假定每字可從萬字表中任選，則可有不同的千字文：N=100001000=104000篇，按等概率計(jì)算，平均每篇千字文可提供的信息量為：H (s) log2(N)= log2 N = 4 103 3.32 =1.3 104bit1 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下

18、載www.wordwendan 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan 中文Word文檔庫結(jié)論：可見一個(gè)電視畫面的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過千字文，從計(jì)算可知前者是后者的loo倍，圖像信息量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于文本信息量。幾種主要信息編碼方法1、Sha nnon-Fa no 算法編碼有一幅40象素組成的圖像，每個(gè)象素灰度用 5級(jí)來表示，分別記為 A、B、C、D、E， 40個(gè)象素中出現(xiàn) A級(jí)灰度數(shù)為15個(gè)，出現(xiàn)B級(jí)為7個(gè)，出現(xiàn)C級(jí)為7個(gè)，出現(xiàn)D和E級(jí) 分別為6個(gè)和5個(gè)，按照Shsnnon理論，這幅圖像的熵為：=2.196H(s)Wlog2 坐 Zog240Zog240log24

19、0 9og2 坐4015407407406405也就是說，這幅圖像內(nèi)每 個(gè)象素 平均可 用2.196位表示，整個(gè)圖像 共需40 X2.196=87.84bit，下面按Shannon-Fano的編碼方法進(jìn)行編碼，其 基本步驟如下：(1) 計(jì)算各符號(hào)(A E)亦即灰度等級(jí)出現(xiàn)的概率，并排序，見表1(2) 列表并計(jì)算各自的比特?cái)?shù)：log2()(3) 用遞歸法分成兩部分，每部分具有近似相目同的次數(shù)，如圖所示直至分到各種表示的符號(hào)級(jí)別，并給它們分配“0或“1；可以是概率大者為“0也可以是概率小者為 “ 0,”另外一個(gè)就對(duì)應(yīng)為“1。符號(hào)出現(xiàn)的次數(shù) )Lo亞1/PP分配的代碼需要的比特?cái)?shù)A15(0.375)

20、L41500030B7(0 J 75)2.514501147(0,175)2.51451014D6() J 50)2.736911018E5(0.125)3.000011115/91罔Shannon-Fano算法實(shí)例壓縮比的計(jì)算利用這種算法，關(guān)鍵作用就是在傳遞這些信時(shí)，其傳輸比特位要少，亦即要求壓縮比較大，這種算法及編碼，簡單方便，其壓縮比為：如果不壓縮，每個(gè)象素有5級(jí)(A 巳灰度，每個(gè)象素至少要用 3bit來表示。此畫共有 40個(gè)象素，即要用120bit用Shsnnon-Fano算 法則需共計(jì)91bit，因此壓縮比是1.3:1，這種壓縮比對(duì)圖像而言還是很小的。2、Huffman編碼算法前面介

21、紹的Sha nnon-Fa no是1948年提出的一種非定長編碼，稱為變長碼 (Variable-Length code),由于是據(jù)概率進(jìn)行的編碼方法，所以又稱為統(tǒng)計(jì)編碼，或稱為熵 編碼。Shannon-Fano編碼只是指出存在一種無失真的編碼，使得編碼平均碼長逼近熵值這 個(gè)下限，但它并沒有給出具體的編碼方法。下面介紹另一種變長的統(tǒng)計(jì)熵編碼的方法，這就是Huffamn編碼方法。它是基于變字長編碼的最佳編碼定理。(定理)在變字長碼中，對(duì)于出現(xiàn)概率大的信息符號(hào)編短字長的碼，對(duì)于出現(xiàn)概率小的中文Word文檔庫信息符號(hào)編以長字長的碼，如果碼字長度嚴(yán)格按照符號(hào)概率的大小的相反順序排列，則平均碼字長度一定

22、小于按任意方式排列得到的碼字長度。(證明)：設(shè)最佳排列方式的碼字平均長度為L,則有m匚八mp(ai)i 4p(a)為信號(hào)源符號(hào)出現(xiàn) ai的概率,ni是符號(hào)ai的編碼長度且規(guī)定：p(a) > p(as) ,ni w ns , i=1,2,3 .m, s=1,2,3 m如果將ai的碼字與 as的碼字互換，其余碼字不變，經(jīng)過這樣互換后，平均碼字長度 變成匸，即有：L =ni p(aj 爲(wèi)*5 p(aj 爲(wèi)卩(&)爲(wèi):;：rmpm)L ni p(aiK-n p(asK爲(wèi)足 P(aJ ：nmP(am)L 匸=n P(aJ +n p(as) -ni p(a$) -nsP(aJ 匚二匚 hp(

23、as) nsp(aj - mp) - nsp(as)】 =L (ns -nJ Ip®) - p(a$)丨因?yàn)閚s > ni , p(a)p(as),所以 匚a l ，亦即l為是最短編碼。Hufnnan編碼方法于1952問世至今，經(jīng)久不衰，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)中，且 仍不失為熵編碼中最佳方法就是因?yàn)闈M足上述定理，下面舉例來具體說明編碼過程：假設(shè)要傳的信息源是下：8個(gè)不同的電平值，而這個(gè)電平值xi(i=1-8)對(duì)應(yīng)的概率事先已知如電平編號(hào)i絡(luò) x3X 4 x5x7出現(xiàn)概率Pi 0.40 0.20 0.15 0.10 0.071K04 0,03 0.011編碼步驟是(1) 計(jì)算

24、各信號(hào)源符號(hào)的概率；(2) 將信源符號(hào)按概率遞減順序排列；(3) 把兩個(gè)最小的概率相加作為新符號(hào)的概率，并按(2)重排；(4) 重復(fù)(2), (3)直至全部概率之和為1 ;(5) 在每次合并信源時(shí)，將兩個(gè)信源分別賦于“(和“1”(一般概率大賦值 0，概率小賦1, 也可相反)；(6) 尋找每一個(gè)信源的符號(hào)直到概率為1處，記錄其路徑上的“1和“ 0<(如圖所示。(7) 從尾部(含概率為1處)開始到信號(hào)源將其賦給的“ 0或 “ 1 代碼寫出，列于是表中文Word文檔庫信息Xi熵計(jì)算：1H(x)八 Pi log22.41bitPi亦即每個(gè)信息源（i=1-8）平均至少要 2.41bit，整個(gè)信息共

25、需要 2.41*8=19.28bits宿蕊i概率PjI IufTnnan 碼碼長ljbit碼長概率p"i=pJiXx0.4110.4X20.200030.6X30J5(101rJ045X,0.1001130.30論0.070101斗0,28冬0.040100050.20X70,0301001060.18Xs110101001160.06Huffman平均每個(gè)信息源xi平均需碼長為：L 八 Pih =2.47bit按定長編碼：信息源有8個(gè)，每個(gè)信息源至少要N=3位，可見，Huffman編碼比定長編碼要少 3-2.47=0.53bit，節(jié)省18%存儲(chǔ)空間編碼效率 =M/L=2.41/2.

26、47=97.6%Huffman的編碼雖然是可變的，但卻不需要碼同步信號(hào)，例如，碼串中的第一位為1，那么肯定是電平 X1，因?yàn)闆]有其它電平代碼開始是1,因此下一位是下一個(gè)電平代碼的第一位。對(duì)Huffman編碼只要事先編寫一個(gè)解釋各種代碼意義的詞典”即碼薄即可依次解碼。Huffman具有以下特點(diǎn)：（1）平均碼長L - H （熵編碼）（2）平均碼長L N （等定長編碼）采用Huffman編碼時(shí)有幾個(gè)問題值得注意：（1）Huffman編碼沒有錯(cuò)碼保護(hù)，而不具糾錯(cuò)功能；（2）Huffman是可變長編碼，因此很難隨意查找或調(diào)用編碼圖象或文件之中的中間內(nèi)容，然后再譯碼，就需要在存儲(chǔ)代碼之前加以考慮；中文Wo

27、rd文會(huì)庫（3） Huffman進(jìn)行編碼解碼也相當(dāng)費(fèi)時(shí)。復(fù)習(xí)Huffman 一下喔？哈夫曼（Huffman ）編碼方法是利用了下面這個(gè)定理：在變字長碼中，對(duì)于出現(xiàn)概率大的信息符號(hào)以短字長編碼，對(duì)于出現(xiàn)概率小的信息符 號(hào)以長字長編碼。如果碼字長度嚴(yán)格按照符號(hào)概率的大小的相反順序排列，則平均碼字長度一定小于按任何其他符號(hào)順序排列方式得到的碼字長度。Huffman編碼的具體步驟歸納如下：（1） 概率統(tǒng)計(jì)（如對(duì)一幅圖像，或m幅同種類型圖像作灰度信號(hào)統(tǒng)計(jì)），得到n個(gè)不同 概率的信源信息符號(hào)；（2）將信源信息符號(hào)的n個(gè)概率，按概率大小排序；（3） 將n個(gè)概率中，最后兩個(gè)小概率相加，這時(shí)概率個(gè)數(shù)減為n-1個(gè)

28、；（4）將n-1個(gè)概率，按大小重新排序；（5）重復(fù)（3），將新排序后的最后兩個(gè)小概率再相加，相加和與其余概率再排序；（6）如此反復(fù)重復(fù) n-2次，最后只剩兩個(gè)概率序列；（7） 以二進(jìn)制碼元（0，1）賦值，構(gòu)成 Huffman碼字，編碼結(jié) 束。3、算術(shù)編碼1. 算術(shù)編碼基本原理此法比Huffman編碼、行程長度等熵編碼方法都復(fù)雜，但它不需要傳送像Huffman編碼那樣的Huffman碼表，同時(shí)算術(shù)編碼還有自適應(yīng)能力，所以算術(shù)編碼是實(shí)現(xiàn)高效壓縮數(shù) 據(jù)中很有前途的編碼方法。它跳出了分組編碼的范疇， 是從全序列出發(fā)，采用遞推形式的連續(xù)編碼。 它不是將單個(gè) 信源符號(hào)映射成一個(gè)碼字，而是將整個(gè)輸入符號(hào)序列

29、映射為實(shí)數(shù)軸上0，1區(qū)間內(nèi)的一個(gè)間隔，其長度等于該序列的概率， 并在該間隔內(nèi)選擇一個(gè)代表性的二進(jìn)制小數(shù)，作為實(shí)際的編碼輸出，使其平均碼長逼近信源的熵，從而達(dá)到高效編碼的目的。算術(shù)編碼（Orithmetic Coding ）是20世紀(jì)60年代初，由Elias提出的，1976年Rissanen 和Pasco首次介紹其實(shí)用技術(shù)。算術(shù)編碼的基本原理是：將編碼的信息表示成實(shí)數(shù)0和1之間的一個(gè)間隔（interval），信息越長，編碼間隔就越小，表示這一間隔所需的二進(jìn)制位數(shù)就越長。2. 舉例說明設(shè)輸入數(shù)據(jù)為eaio u,其出現(xiàn)概率和所設(shè)定的取值范圍如下：a0.20,0.2eio0.2,0.

30、50.5,0.60.6,0.8u0.20.8,1.0Low=0 ； range為編碼間隔 rangehigh為編碼字符分配字符概率范圍設(shè)high為編碼間隔的高端，high=1;low為編碼間隔的低端，的長度，range=high-low; rangelow為編碼字符分配的間隔低端；的間隔高端。則一個(gè)字符編碼后新的low和hogh按下式計(jì)算：low=low+range x rangelow ;high=low+range x rangehigh(1) 在第一個(gè)字符 e被編碼時(shí)，e的rangelow=0.2 , rangehight=0.5 ,因此按公式:low=0+1 x 0.2=0.2high

31、=0+1 x 0.5=0.5ran ge=high-low=0.5-0.3=0.2此時(shí)分配給e的范圍為0.2,0.5第二個(gè)字符 a編碼時(shí)使用新生成范圍 0.2,0.5, a的rangelow=0 , rangehigh=0.2 。中文Word文檔庫low=0.2+0.3 X 0=0.2high=0.2+0.3 X 0.2=0.26ran ge=high-low=0.26-0.3=0.06此時(shí)分配給a的范圍為0.2, 0.26第三個(gè)字符i編碼時(shí)用新生成范圍，i的rangelow=0.5 , rangehigh=0.6，則:low=0.2+0.06 X 0.5=0.23high=0.2+0.06

32、X 0.6=0.236ran ge=high-low=0.236-0.23=0.006此時(shí)分配給i的范圍為0.23,0.236第四個(gè)字符 o編碼時(shí)o的rangelow=0.6, rangehigh=0.8,貝U:low=0.23+0.006 X 0.6=0.2336high=0.23+0.006 X 0.8=0.2348ran ge=high-low=0.2348-0.2336=0.0012此時(shí)分配給o的范圍為0.23396 , 0.2342(5)第五個(gè)字符 u 編碼時(shí) u 的 rangelow=0.8 ,rangehigh=1.0,貝U：low=0.2336+0.0012 X 0.8=0.2

33、3396high=0.2348+0.0012 X 1.0=0.2342此時(shí)分配給u的范圍為0.23396,0.2342編碼結(jié)果如下表所示：輸入字符的算術(shù)編碼結(jié)果輸入字符lowhighrangeea0.20.260.06i0.230.2360.006o0.23360.23480.0012u0.233960.2342(6)譯碼的時(shí)候又是如何處理的呢？例：根據(jù)上面給定字符的概率和取值范圍，對(duì)代碼0.23396進(jìn)行譯碼，步驟如下：根據(jù)代碼所在范圍確定當(dāng)前代碼的第一個(gè)字符，并輸出。由于0.23396在0.2,0.5的范圍內(nèi)，故代碼對(duì)應(yīng)的第一字符必定是e。輸出字符e。用0.23396減去

34、e發(fā)生的概率取值下限 0.2,使代碼變?yōu)?.03396，再除以e范圍的寬度0.5-0.2=0.3。得到0.1132，落入?yún)^(qū)間0 , 0.2),所以對(duì)應(yīng)后續(xù)字符為a。轉(zhuǎn)到(2),將0.1132作為代碼繼續(xù)確定下一個(gè)譯碼字符的范圍。3. 總結(jié)算術(shù)編碼的過程實(shí)際上是用新加入的符號(hào)的取值范圍來縮小代碼的取值范圍，而釋放的過程與其相反。4、游程編碼游程編碼(Run Length Encoder , RLE )是種壓縮編碼，實(shí)現(xiàn)簡單，還原后得到的數(shù)據(jù)與 壓縮前的數(shù)據(jù)完全相同，是無損壓縮技術(shù)。但RLE所能獲得的壓縮比有多大，這主要取決于圖像本身的特點(diǎn)。如圖像中具有相同顏色的圖像塊越大，圖像塊數(shù)目越少，獲得的

35、壓縮比就越高，反之，壓縮比就越小。對(duì)于重復(fù)色彩特別少的圖像，如果仍然使用RLE編碼方法,不僅不能壓縮圖像數(shù)據(jù)，反而可能使原來的圖像數(shù)據(jù)變得更大。中文Word文檔庫010110101001101010100000000000000000001111111111111111111第一個(gè)字節(jié)S SS前后兩個(gè)非零AC 系數(shù)之間連續(xù)零下一個(gè)非零AC系 數(shù)幅值徧瑪所需的個(gè)數(shù)的比特?cái)?shù)符號(hào)2第二個(gè)字節(jié) 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan F個(gè)非o值的實(shí)際值5.4變換編碼預(yù)測編碼是一種較好地去除音頻、圖像信號(hào)相關(guān)性的編碼技術(shù)，而變換編碼也可有效去除圖像信號(hào)的相關(guān)性，

36、而且其性能還往往優(yōu)于預(yù)測編碼。641 變換編碼的原理變換編碼不是直接對(duì)空域圖像信號(hào)編碼，而是首先在數(shù)據(jù)壓縮前對(duì)原始輸入數(shù)據(jù)作某種正交變換，把圖像信號(hào)映射變換到另外一個(gè)正交向量空間，產(chǎn)生一批變換系數(shù)，然后再對(duì)這些變換系數(shù)進(jìn)行編碼處理。 它首先在發(fā)送端將原始圖像分割成n個(gè)子圖像塊，每個(gè)子圖像塊經(jīng)過正交變換、濾波、量化和編碼后送信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，接收端作解碼、逆變換、綜合 拼接，恢復(fù)出空域圖像。Fourier Transformer， Laplace T，?直角坐標(biāo)到時(shí)極坐標(biāo), 下圖給出了其過程示意圖:變換編、解碼過程示意圖灰度國像接送）正交變換對(duì)數(shù)字圖像的處理到底有什么好處呢？如果有中文Word

37、文檔庫一個(gè)正弦波，用采樣、量化的方法把它變換到空域上，或者說在空間上用一個(gè)個(gè)離散的量化值記錄下來，隨著時(shí)間的增長，數(shù)據(jù)量會(huì)呈海量”增長。但是換個(gè)思路，一個(gè)正弦波，只要記錄頻域上的幅度值、以及它的頻率，就可以完全表示這個(gè)正弦波?？梢娫陬l域上描述信號(hào)，可大大減少數(shù)據(jù)相關(guān)性以及數(shù)據(jù)冗余。同理，設(shè)有兩個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)樣本 x1與x2，因?yàn)槊總€(gè)樣本采用 3個(gè)比特編碼，故共有23=8 個(gè)幅度等級(jí)。而兩個(gè)樣本的聯(lián)合事件共有8 X 8=64種可能性，二維平面坐標(biāo)表示，見下圖：12 3 4 56 7(a)考慮到相鄰樣值的相關(guān)性，x1與 x2同時(shí)出現(xiàn)相近幅度的可能性最大。因此合成可能性往往落在圖中以 x1=x2為對(duì)稱

38、軸的圈內(nèi)。相關(guān)性越強(qiáng)則圈子越扁；反之，圈越圓。一般 情況下，要對(duì)圈內(nèi)各點(diǎn)的位置進(jìn)行編碼，就要對(duì)兩個(gè)差不多大的坐標(biāo)值分別進(jìn)行編碼，說明x1處于某一幅度等級(jí)時(shí)，x2可能出現(xiàn)在不相同的任意幅度等級(jí)上。現(xiàn)在如對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行正交變換，從幾何上相當(dāng)于坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)45°,變成y1、y2坐標(biāo)系，那么此時(shí)相關(guān)圈正好處在y1坐標(biāo)軸下，且該圈越扁長，其在y1上的投影就越大，而在 y2上投影就越小。見下圖所示：中文Word文檔庫(b)由此可知，正交變換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的本質(zhì)在于：經(jīng)過坐標(biāo)系適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)和變換， 能夠把散布在各個(gè)坐標(biāo)軸上的原始數(shù)據(jù)，在新的、適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系中集中到少數(shù)坐標(biāo)軸上，因此，可用較少的編碼位數(shù)來表示

39、一組信號(hào)樣本，實(shí)現(xiàn)高效率的壓縮編碼。642K-L變換K-L變換(Karhunen-Loeve )亦稱主分量變換，它從圖像統(tǒng)計(jì)特性出發(fā)用一組不相關(guān)的 系數(shù)來表示連續(xù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)正交變換。K-L變換使向量信號(hào)的各個(gè)分量互不相關(guān)，因而在均方誤差準(zhǔn)則下，它是失真最小的一種變換，故稱為最佳變換。由于它的最佳”特性，所以常常作為對(duì)其他變換技術(shù)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。K-L變換的壓縮性能是： 對(duì)語音而言，用 K-L變換在13.5Kbit/s下得到的語音質(zhì)量可與 56Kbit/s的PCM編碼相擬：對(duì)圖像來講，2bit/pixel的質(zhì)量可與7bit/pixel的PCM編碼相當(dāng)。6.4.3離散余弦變換離散余弦變換(Disc

40、rete Cosine Transform,DCT )是傅里葉變換的一種特殊情況。在傅里葉級(jí)數(shù)展開式中，如果被展開的函數(shù)是實(shí)偶函數(shù)，那么，其傅里葉級(jí)數(shù)中只包含余弦項(xiàng)，再將其離散化由此可導(dǎo)出余弦變換。變換原理：DCT是一種正交變換，它將信號(hào)從空間域變換到頻率域。在頻率域中，大 部分的能量集中在少數(shù)幾個(gè)低頻系數(shù)上，而且代表不同空間頻率分量的系數(shù)間的相關(guān)性大為減弱，只利用幾個(gè)能量較大的低頻系數(shù)就可以很好地恢復(fù)原始圖像。對(duì)于其余的那些低能量系數(shù)，可允許其有較大的失真，甚至可將其置為0,這是DCT能夠進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)壓縮的本質(zhì)所在。644變換后的壓縮1. 區(qū)域?yàn)V波和量化區(qū)域?yàn)V波是一個(gè)簡單的數(shù)據(jù)壓縮方法，它將

41、經(jīng)過某種正交變換所得的系數(shù)矩陣分成幾個(gè)區(qū)域，對(duì)每區(qū)域按照空間頻率的權(quán)重取一種量化級(jí)數(shù)，然后根據(jù)這個(gè)量化級(jí)數(shù)進(jìn)行量化。另一種更細(xì)致的量化方法是，根據(jù)視覺對(duì)圖形的敏感程度(通過主觀實(shí)驗(yàn)確定)，對(duì)于變換系數(shù)矩陣中的每個(gè)變換系數(shù)分別乘以一個(gè)視覺加權(quán)系數(shù)，由這一系數(shù)決定分配編碼量的多少。2. “的游程編碼見圖所示：DCT變換后，變換系數(shù)矩陣中除主對(duì)角線外的元素很多是0,或接近于0，再加下視覺加權(quán)處理和量化，會(huì)產(chǎn)生更多的0。中文Word丈檔庫如果一行行編碼，o在對(duì)角線附近，編碼過程就會(huì)斷掉，一個(gè)游程就會(huì)結(jié)束。怎樣可使 一連串的0的數(shù)目更多呢？用 zig-zag掃描讀取方式即可。5.5 數(shù)據(jù)壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)

42、H.261是被可視電話、電視會(huì)議中采用的視頻、圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，由CCITT制定，1990年12月正式批準(zhǔn)。JPEG是由ISO與CCITT成立的 聯(lián)合圖片專家組（Joi nt Photograhpic Experts Grooup , JPEG） ”，制定的用于灰度圖、彩色圖的連續(xù)變化靜止圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)，于 1992年正式通過。而 MPEG則是以H.261為基礎(chǔ)。發(fā)展而來的。它是由IEC和ISO成立的運(yùn)動(dòng)圖像專家組 （Moving Picture Experts Group ,MPEG ） ”制定，于 1992 年通過了 MPEG-1。6.5.1 JPEGJPEG是聯(lián)合圖像專家小組的英文縮寫，其

43、算法稱為JPEG算法，并且成為國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)，因此又稱為 JPEG標(biāo)準(zhǔn)。JPEG是一個(gè)適用范圍很廣的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，即 可用于灰度圖像又可用于彩色圖像。它滿足以下要求：（1）達(dá)到或接近當(dāng)前壓縮比圖像保真度的技術(shù)水平，能覆蓋一個(gè)較寬的圖像質(zhì)量等級(jí) 范圍，能得到 很好”到 極好”的評(píng)估，與原始圖像相比，人的視覺難以區(qū)分。（2）能適用于任何種類的連續(xù)色調(diào)的圖像，且長寬比都不受限制，同時(shí)也不受限于景 物內(nèi)容、圖像的復(fù)雜程度和統(tǒng)計(jì)特性等。（3） 計(jì)算機(jī)的復(fù)雜性是可控制的，其軟件可在各種 CPU上完成，算法也可用硬件實(shí)現(xiàn)。（4）JPEG算法具有4種操作方式。第一，為順序編碼，每個(gè)圖像分量按從左到右

44、，從上到下掃描，一次掃描完成編碼；第二，累進(jìn)編碼，圖像編碼在多次掃描中完成，接收端收到圖像是一個(gè)由粗糙到清晰的過程；第三，無失真編碼；第四，分層編碼，對(duì)圖像按多個(gè)窨分辨率編碼，接收端按其顯示分辨率有選擇地解碼。JPEG壓縮是有損壓縮，它利用了人視覺系統(tǒng)的特性，去掉視覺冗余信息和數(shù)據(jù)本身的 冗余信息，在壓縮比為25： 1的情況下，壓縮后的圖像與原始圖像相比較，非圖像專家難辨真?zhèn)巍薄Ｆ渌惴驁D如下： 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載中文Word丈檔庫<a) DCT編碼器壓堀編碼步驟(b) DCT編碼器解壓縮步驟 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載 中文

45、word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載JPEG的編碼解碼器及編碼主要步驟如下圖是JPEG的基于DCT的編碼步驟框圖，另一圖是基于DCT的解碼(譯碼)步驟框圖，解碼是編碼的逆過程。這里由圖可知其編碼主要步驟：源圖像數(shù)據(jù)分割成 8X8像塊 DCT變換量化 Z字形編碼成數(shù)據(jù)串使用DPCM對(duì)直流DC進(jìn)行編碼使用行程長度編碼的RLE (run-Length Encoding )對(duì)交直 流AC系數(shù)編碼熵編碼(Entropy encoding ) 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載圖JPEG編碼器過程 中文 word 文檔庫，海

46、量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan 中文Word丈檔庫解碼器IDCT 量化器爛編碼壓縮數(shù)據(jù)量化麥編碼表圖JPEG解碼器過程離散余弦變換JPEG采用的是8X 8大小子塊的二維離散余弦變換DCT，在編碼器的輸入端，把原始圖像順序地分割成8 X 8的子塊系列。設(shè)原始采樣精度為P位，是無符號(hào)整數(shù)，輸入時(shí)把(0-2P-1 )范圍變?yōu)?-2 P-1, 2 P-1-1),當(dāng)P=8bit時(shí)，每個(gè)樣本值減去128,數(shù)值范圍為(-128 , 128)當(dāng) P=12 時(shí)，每個(gè)樣本值減2048，數(shù)值范圍為(-2048, 2048),然后送入FDCT，解碼時(shí)IDCT輸出是有 符號(hào)的，要變換成無符號(hào)數(shù)用

47、于重構(gòu)圖像：變換公式為：廠1r 77164其中；16彌沁h(yuǎn))co®嚴(yán)亠+晦 lbu - v = 0,C(理)=C(v) =uv 0,C(w) = C(v) = 1F(0：0)珂工丫/(工丿)平均值dc系數(shù)V <u?v)I uO.vO,則為交流系數(shù) 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載中丈Word文檔庫i ii 11 mu ii min2.使用加權(quán)函數(shù)對(duì) FDCT系數(shù)進(jìn)行量化這種量化是對(duì)經(jīng)過 FDCT變換后的頻率系數(shù)進(jìn)行加權(quán)量化，這個(gè)加權(quán)函數(shù)對(duì)于人的視 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載“o值

48、系數(shù)的數(shù)目，它是圖像中文Word文檔庫覺系統(tǒng)是最佳的。量化的目的是減小非“o系數(shù)的幅度以及增加 質(zhì)量下降的最主要原因。對(duì)于有損壓縮算法，JPEG算法使用如下表所增添的均勻量化器進(jìn)行量化，量化步距是 按照系數(shù)所在的位置和每種顏色分量的色調(diào)值來確定。17182447999999991821266699999999242656999999999947669999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999亮度量化值16111016244051611212141926586055141316244057

49、6956141722295187806218223756681091037724355564811041139249647887103121120101729295987727100103993. Z字形編排量化后的DCT系數(shù)要重新編排，這樣做可增加連續(xù)的“0系數(shù)的個(gè)數(shù)，也就是說盡量增加“0游程長度，最好的辦法是采用“Z字蛇形”矩陣，見表所示。0156141527282471316262942381217253041439111824314044531019233239455254202233384651556021343747505659613536484957586263Z字型排列順序圖 中文 word 文檔庫，海量 word 文檔免費(fèi)下載www.wordwendan