第0章 多媒體發(fā)展簡(jiǎn)史

1、第第0章章 多媒體發(fā)展簡(jiǎn)史多媒體發(fā)展簡(jiǎn)史2022-7-3第第2頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)第第0章章 多媒體發(fā)展簡(jiǎn)史多媒體發(fā)展簡(jiǎn)史1. 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)半個(gè)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(jiǎn)史第一章 作業(yè)題2022-7-3第第3頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)2022-7-3第第4頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 電腦里的數(shù)據(jù)壓縮其實(shí)類(lèi)似于美眉們的瘦身運(yùn)動(dòng)，電腦里的數(shù)據(jù)壓縮其實(shí)類(lèi)似于美眉們的瘦身運(yùn)動(dòng)，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(lái)說(shuō)，要是八第一，可以節(jié)省空間。拿瘦身美眉來(lái)說(shuō)，要是八個(gè)美眉可以擠進(jìn)一輛出租車(chē)?yán)?，那該有多省錢(qián)??！個(gè)美眉可以擠進(jìn)一輛出租車(chē)?yán)?，那該有多省錢(qián)?。?第二，可以減少

2、對(duì)帶寬的占用。例如，我們都想第二，可以減少對(duì)帶寬的占用。例如，我們都想在手機(jī)在手機(jī) 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(jìn)展。心和毅力，后者有待于數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的突破性進(jìn)展。2022-7-3第第5頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，我們就沒(méi)簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，我們就沒(méi)法用法用 WinRARWinRAR 為為 Email Email 中的附件瘦身；如果沒(méi)有數(shù)據(jù)中的附件瘦身；如果沒(méi)有數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，市場(chǎng)上的數(shù)碼錄音筆就只能記錄不到壓縮技術(shù)，市場(chǎng)上的數(shù)碼錄音筆就只能記錄不到 20 20

3、分分鐘的語(yǔ)音；如果沒(méi)有數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，從鐘的語(yǔ)音；如果沒(méi)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(shí)間載一部電影也許要花半年的時(shí)間可是這一切究竟可是這一切究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)又是怎樣從無(wú)到有發(fā)是如何實(shí)現(xiàn)的呢？數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)又是怎樣從無(wú)到有發(fā)展起來(lái)的呢？展起來(lái)的呢？ 2022-7-3第第6頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)數(shù)據(jù)壓縮簡(jiǎn)史 音畫(huà)時(shí)尚音畫(huà)時(shí)尚 回到未來(lái)回到未來(lái) 概率奇緣概率奇緣 數(shù)學(xué)游戲數(shù)學(xué)游戲異族傳說(shuō)異族傳說(shuō)2022-7-3第第7頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 4一千多年前的中國(guó)學(xué)者就知道用一千多年前的中國(guó)學(xué)者就知道用“班馬班馬”這樣這樣的縮略語(yǔ)來(lái)指代班固和

4、司馬遷，這種崇尚簡(jiǎn)約的縮略語(yǔ)來(lái)指代班固和司馬遷，這種崇尚簡(jiǎn)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(shí)代：時(shí)代：當(dāng)我們?cè)诋?dāng)我們?cè)?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(shí)候，的時(shí)候，我們至少應(yīng)該知道，這其實(shí)就是一種最簡(jiǎn)單的我們至少應(yīng)該知道，這其實(shí)就是一種最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)壓縮呀。數(shù)據(jù)壓縮呀。2022-7-3第第8頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 4嚴(yán)格意義上的數(shù)據(jù)壓縮起源于人們對(duì)概嚴(yán)格意義上的數(shù)據(jù)壓縮起源于人們對(duì)概率的認(rèn)識(shí)。率的認(rèn)識(shí)。4當(dāng)我們對(duì)文字信息

5、進(jìn)行編碼時(shí)，如果為當(dāng)我們對(duì)文字信息進(jìn)行編碼時(shí)，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(zhǎng)的編碼，為出現(xiàn)概率較低的字母賦予較長(zhǎng)的編碼，總的編碼長(zhǎng)度就能縮短不少?？偟木幋a長(zhǎng)度就能縮短不少。 2022-7-3第第9頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 4著名的著名的 Morse 電碼電碼(由美國(guó)的摩爾斯在由美國(guó)的摩爾斯在 1844年發(fā)明的，所以電碼符號(hào)也被叫做年發(fā)明的，所以電碼符號(hào)也被叫做摩爾斯電碼摩爾斯電碼Morse code），電碼），電碼 符號(hào)符號(hào)由兩種基本信號(hào)和不同的間隔時(shí)間組成：由兩種基本信號(hào)和不同的間隔時(shí)間組成：短促的點(diǎn)信號(hào)短促的點(diǎn)信號(hào)“ ”，讀

6、，讀“ 的的 ”（Di）；）；保持一定時(shí)間的長(zhǎng)信號(hào)保持一定時(shí)間的長(zhǎng)信號(hào)“”，讀，讀“答答 ”（Da）。）。 2022-7-3第第10頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 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: - - - - . 2022-7-3第第11頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)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(yǔ)言闡明了概率與信息冗余度的關(guān)系。語(yǔ)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(gè)符號(hào)（數(shù)

8、字、字母或單詞）信息中每個(gè)符號(hào)（數(shù)字、字母或單詞）的出現(xiàn)概率或者說(shuō)不確定性有關(guān)。的出現(xiàn)概率或者說(shuō)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(chēng)為中排除了冗余后的平均信息量稱(chēng)為“信息熵信息熵”，并給出了計(jì)算并給出了計(jì)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。2022-7-3第第12頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)4這篇偉大的論文后來(lái)被譽(yù)為信息論的開(kāi)山之作，這篇偉大的論文后來(lái)被譽(yù)為信息論的開(kāi)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)壓縮的目的就

9、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(jì)算出信息編碼的極限，信息熵公式，人們可以計(jì)算出信息編碼的極限，即在一定的概率模型下，無(wú)損壓縮的編碼長(zhǎng)度即在一定的概率模型下，無(wú)損壓縮的編碼長(zhǎng)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。 2022-7-3第第13頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)En = - log2( Pn )I=D-du2022-7-3第第14頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)4有了完備的理論，接下來(lái)的事就是要想辦法實(shí)有了完備的理論，接下來(lái)的事

10、就是要想辦法實(shí)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(shí)用技術(shù)，道，要將一種理論從數(shù)學(xué)公式發(fā)展成實(shí)用技術(shù)，就像僅憑一個(gè)就像僅憑一個(gè) 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。 2022-7-3第第15頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 4設(shè)計(jì)具體的壓縮算法的過(guò)程通常更像是一場(chǎng)數(shù)設(shè)計(jì)具體的壓縮算法的過(guò)程通常更像是一場(chǎng)數(shù)學(xué)游戲。開(kāi)發(fā)者首先要尋找一種能盡量精確地學(xué)游戲。開(kāi)發(fā)者首先要尋找一種能盡量精

11、確地統(tǒng)計(jì)或估計(jì)信息中符號(hào)出現(xiàn)概率的方法，然后統(tǒng)計(jì)或估計(jì)信息中符號(hào)出現(xiàn)概率的方法，然后還要設(shè)計(jì)一套用最短的代碼描述每個(gè)符號(hào)的編還要設(shè)計(jì)一套用最短的代碼描述每個(gè)符號(hào)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(shí)，在提出信息熵理論的同時(shí)，也給出了一種簡(jiǎn)單的編碼方法也給出了一種簡(jiǎn)單的編碼方法 Shannon 編編碼。碼。 1952 年，年， R. M. Fano 又進(jìn)一步提出了又進(jìn)一步提出了 Fano 編碼。這些早期的編碼方法揭示了變長(zhǎng)編碼。這些早期的編碼方法揭示了變長(zhǎng)編碼的基本規(guī)律，也確實(shí)可以取得一定的壓縮編碼的基本規(guī)律，也確實(shí)可以取得一定的壓縮效果，但離真正實(shí)用的

12、壓縮算法還相去甚遠(yuǎn)。效果，但離真正實(shí)用的壓縮算法還相去甚遠(yuǎn)。2022-7-3第第16頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)4第一個(gè)實(shí)用的編碼方法是由第一個(gè)實(shí)用的編碼方法是由 D. A. Huffman提提出出的。的。4Huffman 編碼效率高，運(yùn)算速度快，實(shí)現(xiàn)方式編碼效率高，運(yùn)算速度快，實(shí)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(gè)猶太人，我們?nèi)绻皇呛笪膶⒁岬降哪莾蓚€(gè)猶太人，我們還不知要到什么時(shí)候才能用上還不知要到什么

13、時(shí)候才能用上 WinZIP 這樣方這樣方便實(shí)用的壓縮工具呢。便實(shí)用的壓縮工具呢。2022-7-3第第17頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)異族傳說(shuō)異族傳說(shuō)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(jìn)寶。就在大多數(shù)人絞盡腦汁想改進(jìn) Huffman 或或算算術(shù)編碼術(shù)編碼，以獲得一種兼顧了運(yùn)行速度和壓縮效果，以獲得一種兼顧了運(yùn)行速度和壓縮效果的的“完美完美”編碼的時(shí)候，兩個(gè)聰明的猶太人編碼的時(shí)候，兩個(gè)聰明的猶太人 J. Ziv 和和 A. Lempel 獨(dú)辟蹊徑，完全脫離獨(dú)辟蹊徑，完全脫離 Huffman 及算及算術(shù)編碼的設(shè)計(jì)思路，創(chuàng)造出了一系

14、列比術(shù)編碼的設(shè)計(jì)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(gè)猶太人姓氏的縮寫(xiě)，將這些算法們通常用這兩個(gè)猶太人姓氏的縮寫(xiě)，將這些算法統(tǒng)稱(chēng)為統(tǒng)稱(chēng)為 LZ 系列算法。系列算法。 2022-7-3第第18頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)異族傳說(shuō)異族傳說(shuō)4說(shuō)實(shí)話，說(shuō)實(shí)話， LZ 系列算法的思路并不新鮮，其中既沒(méi)系列算法的思路并不新鮮，其中既沒(méi)有高深的理論背景，也沒(méi)有復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，它們有高深的理論背景，也沒(méi)有復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，它們只是簡(jiǎn)單地延續(xù)了千百年來(lái)人們對(duì)字典的追崇和喜只是簡(jiǎn)單地延續(xù)了千百年來(lái)人們對(duì)字典的追崇和喜好，并用一

15、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(shuō)，當(dāng)你用字典中的頁(yè)碼用數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域。通俗地說(shuō)，當(dāng)你用字典中的頁(yè)碼和行號(hào)代替文章中每個(gè)單詞的時(shí)候，你實(shí)際上已經(jīng)和行號(hào)代替文章中每個(gè)單詞的時(shí)候，你實(shí)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(kāi)等人開(kāi)創(chuàng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法大相徑庭，但在效果上一樣可以逼創(chuàng)的統(tǒng)計(jì)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。而且，可以從理論上證明， L

16、Z 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。 2022-7-3第第19頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)異族傳說(shuō)異族傳說(shuō)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(gè)通用數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域，我各種變體幾乎壟斷了整個(gè)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(méi)有誰(shuí)能否認(rèn)兩位猶太人對(duì)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的貢獻(xiàn)。沒(méi)有誰(shuí)能否認(rèn)兩位猶太人對(duì)數(shù)

17、據(jù)壓縮技術(shù)的貢獻(xiàn)。我想強(qiáng)調(diào)的只是，在工程技術(shù)領(lǐng)域，片面追求理我想強(qiáng)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(huì)事倍功半，如果大家能像論上的完美往往只會(huì)事倍功半，如果大家能像 Ziv 和和 Lempel 那樣，經(jīng)常換個(gè)角度來(lái)思考問(wèn)題，那樣，經(jīng)常換個(gè)角度來(lái)思考問(wèn)題，沒(méi)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(yáng)名立萬(wàn)呢。展史上揚(yáng)名立萬(wàn)呢。 2022-7-3第第20頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)音畫(huà)時(shí)尚音畫(huà)時(shí)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效果的難題。但是，數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域里還

18、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)ヌ剿鳌V闊的天地等待著我們?nèi)ヌ剿鳌?022-7-3第第21頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)音畫(huà)時(shí)尚音畫(huà)時(shí)尚4例如，對(duì)于生活中更加常見(jiàn)的，圖片、圖像例如，對(duì)于生活中更加常見(jiàn)的，圖片、圖像等，通用壓縮算法的優(yōu)勢(shì)就不那么明顯了。等，通用壓縮算法的優(yōu)勢(shì)就不那么明顯了。幸運(yùn)的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果在壓縮這一幸運(yùn)的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果在壓縮這一類(lèi)圖像數(shù)據(jù)時(shí)允許改變一些不太重要的像素類(lèi)圖像數(shù)據(jù)時(shí)允許改變一些不太重要的像素值，或者說(shuō)允許損失一些精度（在壓縮通用值，或者說(shuō)允許損失一些精度（在壓縮通用數(shù)據(jù)時(shí)，我們絕不會(huì)容忍任何精度上的損失，數(shù)據(jù)時(shí)，我們絕不會(huì)容

19、忍任何精度上的損失，但在壓縮和顯示一幅數(shù)碼照片時(shí)，如果一片但在壓縮和顯示一幅數(shù)碼照片時(shí)，如果一片樹(shù)林里某些樹(shù)葉的顏色稍微變深了一些，看樹(shù)林里某些樹(shù)葉的顏色稍微變深了一些，看照片的人通常是察覺(jué)不到的），我們就有可照片的人通常是察覺(jué)不到的），我們就有可能在壓縮效果上獲得突破性的進(jìn)展。也許，能在壓縮效果上獲得突破性的進(jìn)展。也許，這和生活中常說(shuō)的這和生活中常說(shuō)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。 2022-7-3第第22頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)音畫(huà)時(shí)尚音畫(huà)時(shí)尚2022-7-3第第23頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)音畫(huà)時(shí)尚音畫(huà)時(shí)尚4Internet 的發(fā)展對(duì)視頻壓縮提出了更高

20、的的發(fā)展對(duì)視頻壓縮提出了更高的要求。在要求。在內(nèi)容交互、對(duì)象編輯、隨機(jī)存內(nèi)容交互、對(duì)象編輯、隨機(jī)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(guò)了過(guò)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(jìn)特性。操作等先進(jìn)特性。2022-7-3第第24頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)音畫(huà)時(shí)尚音畫(huà)時(shí)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(lái)壓縮視頻數(shù)據(jù)的，標(biāo)準(zhǔn)來(lái)壓縮視頻數(shù)據(jù)的，它們可以用更小的存儲(chǔ)空間或通信帶寬提供與它們可

21、以用更小的存儲(chǔ)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?cè)诓幌嗌舷碌母咔逦曨l，這使我們?cè)?Internet 上發(fā)布或下載數(shù)字電影的夢(mèng)想成為了上發(fā)布或下載數(shù)字電影的夢(mèng)想成為了現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)實(shí)。 2022-7-3第第25頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)回到未來(lái)回到未來(lái) 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(gè)寫(xiě)滿了像是一個(gè)寫(xiě)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?cè)谶@里不的羊皮卷軸。也許，我們?cè)谶@里不厭其煩地羅列年代、人物、標(biāo)準(zhǔn)和文

22、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(guò)是后人的只是要告訴大家，前人的成果只不過(guò)是后人有望超越的目標(biāo)而已，誰(shuí)知道在未來(lái)的幾年里，有望超越的目標(biāo)而已，誰(shuí)知道在未來(lái)的幾年里，還會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)還會(huì)出現(xiàn)幾個(gè) Shannon ，幾個(gè)，幾個(gè) Huffman 呢？呢？ 4談到未來(lái)，我們還可以補(bǔ)充一些與數(shù)據(jù)壓縮技談到未來(lái)，我們還可以補(bǔ)充一些與數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有關(guān)的話題。術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有關(guān)的話題。2022-7-3第第26頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)回到未來(lái)回到未來(lái)4分形壓縮技術(shù)是圖像壓縮領(lǐng)域近幾年來(lái)的一個(gè)熱點(diǎn)。這分形壓縮技術(shù)是圖像壓縮領(lǐng)域近幾年來(lái)的一個(gè)熱點(diǎn)。這一技術(shù)起源于一技術(shù)起

23、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(kāi)始，年代開(kāi)始， A. Jacquin 等人陸續(xù)提出了許多實(shí)驗(yàn)性的分形壓縮算法。今天，很等人陸續(xù)提出了許多實(shí)驗(yàn)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(duì)此不屑一顧。無(wú)論其前景如技術(shù)體系，但也有很多人對(duì)此不屑一顧。無(wú)論其前景如何，分形壓縮技術(shù)的研究與發(fā)展

24、都提示我們，在經(jīng)過(guò)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(guò)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(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)繼續(xù)向前躍進(jìn)。術(shù)繼續(xù)向前躍進(jìn)。 2022-7-3第第27頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)回到未來(lái)回到未來(lái)4人工智能是另一個(gè)可能對(duì)數(shù)據(jù)壓縮的人工智能是另一個(gè)可能對(duì)數(shù)據(jù)壓縮的未來(lái)產(chǎn)生重大影響的關(guān)鍵詞。既然未來(lái)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

25、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(lái)，假設(shè)計(jì)算機(jī)可以在某一天成熟起來(lái)，假設(shè)計(jì)算機(jī)可以像人一樣根據(jù)已知的少量上下文猜測(cè)像人一樣根據(jù)已知的少量上下文猜測(cè)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(wàn)分之一乃至十萬(wàn)分之一，恐大小的萬(wàn)分之一乃至十萬(wàn)分之一，恐怕就不再是天方夜譚了。怕就不再是天方夜譚了。 2022-7-3第第28頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)回到未來(lái)回到未來(lái)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(lái)。但未來(lái)終究是未來(lái)，如果僅憑未來(lái)。但未來(lái)終究是未來(lái)，如果僅憑你我?guī)拙湓捑涂梢岳砬逦磥?lái)的技術(shù)發(fā)你

26、我?guī)拙湓捑涂梢岳砬逦磥?lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，那技術(shù)創(chuàng)新的工作豈不就索展趨勢(shì)，那技術(shù)創(chuàng)新的工作豈不就索然無(wú)味了嗎？依我說(shuō)，未來(lái)并不重要，然無(wú)味了嗎？依我說(shuō)，未來(lái)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(gè)個(gè)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(lái)的無(wú)限快樂(lè)吧。據(jù)壓縮為我們帶來(lái)的無(wú)限快樂(lè)吧。 返回2022-7-3第第29頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)多媒體多媒體ISDN2022-7-3第第30頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 多媒體是通信、計(jì)算機(jī)和電視等各種技多媒體是通信、計(jì)算機(jī)和電視等各種技術(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

27、 B計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)C CB BA AC CA AB CB C返回2022-7-3第第31頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)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(jiǎn)史，通過(guò)查找相關(guān)的發(fā)展簡(jiǎn)史，通過(guò)查找相關(guān)資料，寫(xiě)一篇資料，寫(xiě)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2022-7-3第第32頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)2022-7-3第第33頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)4 亞歷山大亞歷山大格拉漢姆格拉漢姆貝爾（貝爾（Alexander Alexander Graham BellGraham Bell，1847-19421847-1942）美國(guó)發(fā)明家和）美國(guó)發(fā)明家

28、和企業(yè)家。他發(fā)明了世界上第一臺(tái)可用的電企業(yè)家。他發(fā)明了世界上第一臺(tái)可用的電話機(jī)，創(chuàng)建了貝爾電話公司。被譽(yù)為話機(jī)，創(chuàng)建了貝爾電話公司。被譽(yù)為“電電話之父話之父”。 2022-7-3第第34頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 1847 1847年生于英國(guó)蘇格蘭，他的祖父親畢生年生于英國(guó)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(duì)聲學(xué)和語(yǔ)言學(xué)有濃厚的興響，他從小就對(duì)聲學(xué)和語(yǔ)言學(xué)有濃厚的興趣。開(kāi)始，他的興趣是在研究電報(bào)上。有趣。開(kāi)始，他的興趣是在研究電報(bào)上。有一次，當(dāng)他在做電報(bào)實(shí)驗(yàn)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了一次，當(dāng)他在做電報(bào)實(shí)驗(yàn)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了一塊鐵片在磁鐵前振動(dòng)會(huì)發(fā)

29、出微弱聲音的一塊鐵片在磁鐵前振動(dòng)會(huì)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(guò)導(dǎo)線現(xiàn)象，而且他還發(fā)現(xiàn)這種聲音能通過(guò)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(duì)著鐵片講話，不也可以引起鐵片的如果對(duì)著鐵片講話，不也可以引起鐵片的振動(dòng)嗎振動(dòng)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。2022-7-3第第35頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 是梅布爾鼓舞他進(jìn)行了所有那些使人精是梅布爾鼓舞他進(jìn)行了所有那些使人精疲力竭的實(shí)驗(yàn)，也是梅布爾使他克服了不疲力竭的實(shí)驗(yàn)，也是梅布爾使他克服了不時(shí)產(chǎn)生的沮喪情緒時(shí)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

30、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(shí)很了不起的一種工具。使他得以研制出當(dāng)時(shí)很了不起的一種工具。它能把人說(shuō)的話轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，之后又在它能把人說(shuō)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(shuō)的話。金屬絲的末端使之還原成人說(shuō)的話。 2022-7-3第第36頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 為了紀(jì)念貝爾的功績(jī)，將電學(xué)和聲學(xué)中為了紀(jì)念貝爾的功績(jī)，將電學(xué)和聲學(xué)中計(jì)量功率或功率密度比值的一種單位命名計(jì)量功率或功率密度比值的一種單位命名為為“貝爾貝爾”。 2022-7-3第第37頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)聲音編碼示意圖聲音編碼示意圖 2022-7-3第第38頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 聲音編碼的范

31、圍聲音編碼的范圍2022-7-3第第39頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)聲音編碼示意圖聲音編碼示意圖2022-7-3第第40頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)聲音編碼示意圖聲音編碼示意圖 2022-7-3第第41頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)聲音編碼示意圖聲音編碼示意圖2022-7-3第第42頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)聲音編碼示意圖聲音編碼示意圖 2022-7-3第第43頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)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(hào)2022-7-3第第44頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 視頻壓縮基本原理視頻壓縮基本原理1.1.時(shí)域冗余信息時(shí)域冗余信息 使用幀間編碼技術(shù)可去除時(shí)域冗余信息，它包括以下二使用幀間編碼技術(shù)可去除時(shí)域冗余信息

32、，它包括以下二部分：部分： 幀間預(yù)測(cè)幀間預(yù)測(cè) 只傳兩幀之間變化的部分；只傳兩幀之間變化的部分； 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是通過(guò)先前的局部圖像來(lái)預(yù)測(cè)、補(bǔ)償當(dāng)前運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是通過(guò)先前的局部圖像來(lái)預(yù)測(cè)、補(bǔ)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。 2022-7-3第第45頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)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(hào)變換到另一正交矢量空間，使其變換編碼將空域信號(hào)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(guò)變換編

33、碼后，產(chǎn)生一批變換系數(shù)，對(duì)這些系數(shù)進(jìn)經(jīng)過(guò)變換編碼后，產(chǎn)生一批變換系數(shù)，對(duì)這些系數(shù)進(jìn)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(wú)損編碼。它對(duì)變換、量化后得到的系數(shù)和運(yùn)動(dòng)熵編碼是無(wú)損編碼。它對(duì)變換、量化后得到的系數(shù)和運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)行進(jìn)一步的壓縮。信息，進(jìn)行進(jìn)一步的壓縮。2022-7-3第第46頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)2022-7-3第第47頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)4背景全景圖+視頻對(duì)象(VO)=合成圖像MPEG-4應(yīng)用實(shí)例2022-7-3第第48頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)2022-7-3第第49頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)叛逆斗士的勝利-ZIP格式誕生 2022-7-3第

34、第50頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)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(xiàng)必須的工具。于是數(shù)據(jù)壓縮軟件就成為了一項(xiàng)必須的工具。1985年年SEA 公司開(kāi)發(fā)了公司開(kāi)發(fā)了MS-DOS環(huán)境下第一個(gè)應(yīng)用環(huán)境下第一個(gè)應(yīng)用LZW算法算法的的ARC壓縮軟件，它是當(dāng)時(shí)壓縮軟件，它是當(dāng)時(shí)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(lái)說(shuō)件。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)ARC確實(shí)不錯(cuò)，但使用了專(zhuān)利確實(shí)不錯(cuò)，但使用了專(zhuān)利LZW算法的算法的ARC當(dāng)然是標(biāo)準(zhǔn)的商業(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(fèi)。不過(guò)當(dāng)時(shí)許多玩家根本買(mǎi)不起就必須付費(fèi)。不過(guò)當(dāng)時(shí)許多玩家根本買(mǎi)不起ARC軟件，軟

35、件，順便說(shuō)一句題外話，那時(shí)大多順便說(shuō)一句題外話，那時(shí)大多PC玩家基本都沒(méi)什么富裕玩家基本都沒(méi)什么富裕的錢(qián)，事實(shí)上個(gè)人計(jì)算機(jī)本身的發(fā)展就是被窮玩家精打的錢(qián)，事實(shí)上個(gè)人計(jì)算機(jī)本身的發(fā)展就是被窮玩家精打細(xì)算所推動(dòng)。不過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)從誕生之日起就充滿了叛細(xì)算所推動(dòng)。不過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)從誕生之日起就充滿了叛逆、自由的精神，這也是推動(dòng)整個(gè)個(gè)人計(jì)算機(jī)世界前行逆、自由的精神，這也是推動(dòng)整個(gè)個(gè)人計(jì)算機(jī)世界前行的主要?jiǎng)恿Α４藭r(shí)一個(gè)年輕的程序員出現(xiàn)并試圖改變壓的主要?jiǎng)恿?。此時(shí)一個(gè)年輕的程序員出現(xiàn)并試圖改變壓縮世界，這個(gè)人叫縮世界，這個(gè)人叫Phillip W.Katz（菲利普（菲利普卡茲）?？ㄆ潱?2022-7-3第第5

36、1頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 2022-7-3第第52頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) SEA其實(shí)不是什么大企業(yè)，它只是個(gè)其實(shí)不是什么大企業(yè)，它只是個(gè)3人起家的小公司，人起家的小公司，當(dāng)然無(wú)法接受這種毀滅性打擊。以現(xiàn)在的眼光看來(lái)，最初當(dāng)然無(wú)法接受這種毀滅性打擊。以現(xiàn)在的眼光看來(lái)，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(guò)授權(quán)卡茲并希望通過(guò)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(guò)錯(cuò)納入旗下，然而并不認(rèn)為自己有什么過(guò)錯(cuò)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(gè)工具的初衷并不是為了賺錢(qián)。最終菲

37、利普他制作這個(gè)工具的初衷并不是為了賺錢(qián)。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?qiáng)的卡茲在敗訴后依然拒絕將并輸?shù)袅斯偎尽Ｅ涯婢髲?qiáng)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(fèi)用和停止發(fā)公司，而選擇了支付法律費(fèi)用和停止發(fā)放放PKARC。2022-7-3第第53頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 2022-7-3第第54頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 也許是被激怒后帶來(lái)了驚人的動(dòng)力，只用了幾周的時(shí)也許是被激怒后帶來(lái)了驚人的動(dòng)力，只用了幾周的時(shí)間菲利普間菲利普卡茲就創(chuàng)造出一個(gè)全新的壓縮編碼算法，該算卡茲就

38、創(chuàng)造出一個(gè)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(lái)大名鼎鼎編碼，也就是后來(lái)大名鼎鼎的的PKZIP，而其文件格式擴(kuò)展名叫作，而其文件格式擴(kuò)展名叫作“.zip”。PKZIP可將可將多個(gè)文件壓縮到一個(gè)文件中，無(wú)論壓縮比、壓縮速度都全多個(gè)文件壓縮到一個(gè)文件中，無(wú)論壓縮比、壓縮速度都全面超過(guò)了商業(yè)軟件面超過(guò)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(fèi)發(fā)放，使其如野火般在全美各大軟件免費(fèi)發(fā)放，使其如野火般在全美各大BBS上蔓延開(kāi)來(lái)，上蔓延開(kāi)來(lái)，用戶(hù)以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，遭受毀滅性打擊的用戶(hù)以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，遭受毀滅性打擊的SEA公

39、司半年內(nèi)公司半年內(nèi)就無(wú)聲無(wú)息。這段故事最后演變?yōu)橛米杂绍浖驍∩虡I(yè)軟就無(wú)聲無(wú)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。 2022-7-3第第55頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 2022-7-3第第56頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 2022-7-3第第57頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)4考慮用 0 和 1 組成的二進(jìn)制數(shù)碼為含有 n 個(gè)符號(hào)的某條信息編碼，假設(shè)符號(hào) Fn 在整條信息中重復(fù)出現(xiàn)的概率為 Pn，則該符號(hào)的熵也即表示該符號(hào)所需的位數(shù)為：熵的計(jì)算公式2022-7-3第第58頁(yè)頁(yè)/共共

40、80頁(yè)頁(yè)算術(shù)編碼2022-7-3第第59頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 2022-7-3第第60頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè) 2022-7-3第第61頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)2022-7-3第第62頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)2022-7-3第第63頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)2022-7-3第第64頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)2022-7-3第第65頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)DCTDCT變換變換4物理意義：將信號(hào)從一種表達(dá)形式（空物理意義：將信號(hào)從一種表達(dá)形式（空間域，即圖像的像素值）變成另一種等間域，即圖像的像素值）變成另一種等同的表達(dá)形式（頻率域，即頻率系數(shù)），同的表達(dá)形式（頻率域，即頻率系數(shù)），并且這種變換過(guò)程是不可逆的。并且這種變換過(guò)程是不可逆的。2022-7-3第第66頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)DCT DCT 變換變換2022-7-3第第67頁(yè)頁(yè)/共共80頁(yè)頁(yè)DCTDCT變換變換4DCTDCT變換：