信息的存儲與壓縮

1、信息的存儲與壓縮第1頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一信息技術(shù)的核心在于信息的處理與存儲。多媒體信息包括文本、圖形、圖像、聲音等，由于這些媒體的信息量相當(dāng)大，數(shù)字化后要占用大量的存儲空間，使得存儲與處理都十分困難。尤其在圖像信息的存儲和壓縮方面，其重要性作用表現(xiàn)得尤為明顯。第2頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一本章小結(jié)在信息技術(shù)的幾個環(huán)節(jié)（獲取、傳輸、存儲、顯示、處理）中，信息存儲是重要的環(huán)節(jié)之一。為減少數(shù)字化信息在存儲和傳輸時(shí)所占用的空間和時(shí)間，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)就成為信息處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。信息存儲涉及到材料科學(xué)、電子學(xué)、光電子學(xué)、光子學(xué)以及計(jì)算機(jī)科

2、學(xué)等，是一個綜合性的技術(shù)。通過本章的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)了解磁存儲技術(shù)與光存儲技術(shù)的主要特點(diǎn)，理解圖像壓縮的基本概念，以及預(yù)測編碼、變換編碼和統(tǒng)計(jì)編碼的主要思想，并對JPEG和MPEG的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)現(xiàn)方法有一定的了解。 第3頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.1 信息存儲技術(shù)的三次革命 歷史學(xué)家通常把文字的出現(xiàn)當(dāng)做文明史的開端。文字記載是人在大腦之外尋找記憶載體的方式。通過記載，人的思想和關(guān)于歷史事件傳說得到保存、復(fù)制和流傳。人們由此而有了歷史。文字的出現(xiàn)是人類歷史上第一次劃時(shí)代的信息載體革命，這場革命的實(shí)質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)了腦外信息貯存方式。隨著印刷術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生，它是人類歷史上規(guī)

3、模空前的信息復(fù)制革命，可以說是繼文字出現(xiàn)之后的第二次信息載體革命。科學(xué)史家通常把電訊業(yè)的出現(xiàn)當(dāng)做人類歷史上第三次信息(載體)革命。不過今天也有人把這一佳冠授予計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)。 第4頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.2 計(jì)算機(jī)存儲系統(tǒng) 信息存儲技術(shù)的金字塔結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)的存儲設(shè)備從體系結(jié)構(gòu)上看可分為內(nèi)存儲器和外存儲器。內(nèi)存儲器直接與計(jì)算機(jī)的CPU相連，處于金字塔的最上層。它的存取速度要求能與CPU相匹配，通常由半導(dǎo)體存儲器芯片組成，由于成本高，容量通常不太大。再下一層是鄰機(jī)存儲器，它由存取速度比硬盤更慢的光盤機(jī)、光盤庫等設(shè)備組成。磁盤（包括軟盤和硬盤）與光盤均提供聯(lián)機(jī)服務(wù)

4、。最底層是脫機(jī)存儲器（或稱離線存儲器），由磁帶機(jī)和磁帶庫組成。 第5頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.2 計(jì)算機(jī)存儲系統(tǒng) 磁存儲技術(shù) 磁存儲技術(shù)就是利用磁介質(zhì)的這一特性來存儲信息的。數(shù)據(jù)（聲像）以電信號的形式通過錄制磁頭轉(zhuǎn)換成磁信號儲存在磁性介質(zhì)上。重放時(shí)，只要通過磁頭將磁性介質(zhì)上的磁信號還原成電信號，就可以在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出信息。軟磁盤存儲 硬盤 磁盤陣列 磁帶存儲第6頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.2 計(jì)算機(jī)存儲系統(tǒng) 光存儲技術(shù) 光存儲介質(zhì)與磁存儲介質(zhì)之間的本質(zhì)區(qū)別在于前者使用光技術(shù)，而后者使用磁技術(shù)。光存儲技術(shù)通過光學(xué)的方法讀出和寫

5、入數(shù)據(jù)，由于使用的光源基本上是激光(也可以使用其他光源)，所以又稱為激光存儲。光盤具有一切存儲介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，如大容量、耐用、易保存、標(biāo)準(zhǔn)化等。由于它非常適合于大量生產(chǎn)，作為計(jì)算機(jī)軟件、多媒體出版物、計(jì)算機(jī)游戲等發(fā)行量大的電子出版物是非常合適的。 第7頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.3 圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼技術(shù) 熵與信息壓縮 從信息論的角度來看，壓縮就是去掉信息中的冗余，即保留不確定的信息，去除確定的信息(可推知的)，也就是用一種更接近信息本質(zhì)的描述來代替原有冗余的描述。所以，將香農(nóng)的信息論觀點(diǎn)運(yùn)用到圖像信息的壓縮，所要解決的問題就是如何將圖像信息壓縮到最小，但仍攜有足夠

6、信息以保證能復(fù)制出與原圖近似的圖像。第8頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.3 圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼技術(shù) 圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性 多媒體視頻信號的冗余度存在于結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)兩方面。在結(jié)構(gòu)上的冗余度表現(xiàn)為很強(qiáng)的空間（幀內(nèi)）、和時(shí)間（幀間）相關(guān)性?？臻g冗余 時(shí)間冗余 視覺冗余 第9頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.3 圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼技術(shù) 壓縮編碼方法的分類與評價(jià) 壓縮編碼的分類方法有許多種，如果從信息論的角度來認(rèn)識可分為兩大類：第10頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.3 圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼技術(shù) 無損壓縮是指數(shù)據(jù)在壓縮或解壓縮過

7、程中不會改變或損失原有的信息，解壓縮產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是對原始對象的完整復(fù)制，沒有失真。無損壓縮從數(shù)學(xué)上講是一種可逆運(yùn)算。 有損壓縮算法靠丟掉大量冗余信息來降低數(shù)字圖像所占的空間，回放時(shí)也不能完整地恢復(fù)原始圖像，而將有選擇地?fù)p失一些細(xì)節(jié)，損失多少信息由需要多高的壓縮率決定。 第11頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.3.4 數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展 第一代編碼技術(shù)經(jīng)典編碼方法 1959年，Shannon進(jìn)一步確立了碼率失真理論，以上工作奠定了信息編碼的理論基礎(chǔ)。主要編碼方法有預(yù)測編碼、變換編碼和統(tǒng)計(jì)編碼，也稱為三大經(jīng)典編碼方法。經(jīng)典編碼技術(shù)又可以稱為“第一代”編碼技術(shù)。 “第二代

8、”編碼方法 “第二代”編碼方法主要有：基于分形的編碼、基于模型的編碼、基于區(qū)域分割的編碼和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編碼等。第12頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一 圖像壓縮編碼方法 數(shù)據(jù)的壓縮都可以看成是一種變換，解壓縮(恢復(fù)數(shù)據(jù))就是一種反變換，變換的實(shí)現(xiàn)方法即編碼技術(shù)，每一種編碼方法都是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的具體操作，對于不同的多媒體數(shù)據(jù)，可以有選擇地采取某種編碼方法。 預(yù)測編碼 變換編碼 統(tǒng)計(jì)編碼 混合編碼 圖像與視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn) 第13頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.4 靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG JPEG(念作“jay-peg”)是“The Joint Ph

9、otographic Expert Group”的縮寫，它是由國際電報(bào)咨詢委員會(CCITT)和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)聯(lián)合組成的專家組，共同制定的靜態(tài)數(shù)字圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG的算法的基礎(chǔ)是離散余弦變換(DCT)和哈夫曼(Huffman)變換，其壓縮過程可分成DCT變換、量化和編碼三個階段。第14頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.4 靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG 離散余弦變換 離散余弦變換(Discrete cosine Transform)，簡稱DCT。它是變換編碼中的一個非常重要的成員。 DCT的優(yōu)點(diǎn)很多，主要表現(xiàn)為：1.已證明DCT是許多圖像的最佳變換;2.DCT

10、可以將圖像的空間域轉(zhuǎn)換為頻率域，只需要少量的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示圖像；第15頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.4 靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG 3.DCT產(chǎn)生的系數(shù)很容易被量化，以獲得好的塊壓縮；4.DCT算法的性能很好，可以進(jìn)行高效的運(yùn)算，因此使它在硬件和軟件中都容易實(shí)現(xiàn)；5.DCT算法是對稱的，逆DCT算法可用來解壓縮圖像。第16頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.4 靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG 4.4.2 量化 所謂量化，即根據(jù)不同的要求，設(shè)置不同的量化等級，以降低數(shù)據(jù)率。量化的作用是在保證主觀圖像質(zhì)量的前提下，丟掉那些對視覺效果影響不大的信息。量化是造

11、成DCT編碼信息損失的根源。 編碼 相鄰塊的DC系數(shù)進(jìn)行差分編碼 Z型路徑的游程編碼 熵編碼 第17頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.4.4 新一代靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000 JPEG2000 主要有以下特點(diǎn)： 高壓縮率 同時(shí)支持有損和無損壓縮 實(shí)現(xiàn)了漸進(jìn)傳輸 支持“感興趣區(qū)域” 第18頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.5 視頻圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG 什么是視頻 視頻就其本質(zhì)而言，實(shí)際上就是一系列連續(xù)播放的靜態(tài)圖像而已。數(shù)字視頻占用大量的存儲空間，因?yàn)樗鎯γ恳粠南袼兀ㄈ龠\(yùn)動圖像為30幀/秒）和與之同步的伴音。視頻壓縮的目的是致力于

12、使數(shù)字視頻既少占空間，又要保證好的視覺效果。電視信號是視頻的重要信息源。 第19頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.5 視頻圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG MPEG家族 MPEG在三方面優(yōu)于其他壓縮/解壓縮方案。首先，由于在一開始它就是做為一個國際化的標(biāo)準(zhǔn)來研究制定，所以，MPEG具有很好的兼容性。其次，MPEG能夠比其他算法提供更好的壓縮比，最高可達(dá)200:1。更重要的是，MPEG在提供高壓縮比的同時(shí)，對數(shù)據(jù)的損失很小。MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 MPEG-7 第20頁，共21頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)58分，星期一4.5 視頻圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG MPEG壓縮過程 MPEG標(biāo)準(zhǔn)的視頻壓縮主要以兩個基本技術(shù)為基礎(chǔ)，一是采用DCT的幀內(nèi)壓縮，其目的是為了