線路編碼與多媒體應用

第七章線路編碼與多媒體應用內容：

§1線路編碼

§2光纖通信系統(tǒng)中的多媒體處理技術（簡介）§7.1線路編碼在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機輸出的是適合于電纜傳輸的雙極性碼。光源不可能發(fā)射負光脈沖，因此必須進行碼型變換，以適合于數字光纖通信系統(tǒng)傳輸的要求。數字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進制二電平碼（雙極性碼），即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。必要性——解決簡單的二電平碼會帶來的問題：

?在碼流中，出現(xiàn)“１”碼和“0”碼的個數是隨機變化的，因而直流分量也會發(fā)生隨機波動(基線漂移)，給光接收機的判決帶來困難。

?在隨機碼流中，容易出現(xiàn)長串連“１”碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時提取造成困難或產生較大的定時誤差。

?不能實現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務)的誤碼檢測，不利于長途通信系統(tǒng)的維護。具體要求——數字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的要求：

(1)能限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。這樣就可以減小基線漂移、提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾，有利于提高光接收機的靈敏度。

(2)能給光接收機提供足夠的定時信息。應盡可能減少連“１”碼和連“0”碼的數目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻，保證定時信息豐富。

(3)能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和公務通信。但對高速光纖通信系統(tǒng)，應適當減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。解決問題的途徑（理論基礎）：模擬信號數字化后，頻帶大大加寬。數字壓縮編碼、擴頻技術是使數字信號走向實用化的關鍵技術及有效途徑。它的理論基礎是信息論中的香農定理——

其中C--信道容量（比特/秒），W--帶寬（赫茲），N--噪聲功率，S--信號功率，當S/N很小時（≤0.1）得到：

C不變時，如N/S很大，必須有足夠大的帶寬W來傳輸信號——擴頻；如果N/S不變，帶寬W與信道容量C成正比（因為帶寬W有限，信道容量C有限?？刹捎镁幋a壓縮信息冗余度來增加傳輸速率——編碼壓縮。①

碼速提升率：二進制碼的速率為f1

，線路編碼后的速率f2為，碼速提升率R為：

②最大同碼連續(xù)數N:

最大相同符號“0”/“1”的連續(xù)數。N取決于碼的結構，值的大小衡量線路碼的定時信息、低頻分量的參考值。③誤碼增殖系數G，定義為：

G大表明譯碼后對應的誤碼可能更多，系統(tǒng)傳輸性能變差。④冗余度：——除了信息外，光通信系統(tǒng)還要傳送其它輔助信號的能力稱為冗余度或冗余容量。冗余度大，有利于安排其它信號，但效率低。光纖線路碼的主要性能參數

一、擾碼為了保證傳輸的透明性，在系統(tǒng)光發(fā)射機的調制器前，需要附加一個擾碼器，將原始的二進制碼序列加以變換，使其接近于隨機序列。相應地，在光接收機的判決器之后，附加一個解擾器，以恢復原始序列。擾碼與解擾可由反饋移位寄存器和對應的前饋移位寄存器實現(xiàn)。擾碼改變了“１”碼與“0”碼的分布，從而改善了碼流的一些特性。例如：擾碼前：1100000011000…

擾碼后：1101110110011…擾碼有下列缺點：

①不能完全控制長串連“１”和長串連“0”序列的出現(xiàn)；

②沒有引入冗余，不能進行在線誤碼監(jiān)測；

③信號頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。因為擾碼不能完全滿足光纖通信對線路碼型的要求，所以許多光纖通信設備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。二、mBnB碼(分組碼)

mBnB碼是把輸入的二進制原始碼流進行分組，每組有m個二進制碼，記為mB，稱為一個碼字，然后把一個碼字變換為n個二進制碼，記為nB，并在同一個時隙內輸出。

這種碼型是把mB變換為nB，所以稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數，n>m，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。包括雙相碼、CMI、密勒碼等。2個二進制碼表示一個信息碼，傳輸速率提高了一倍。電路簡單，是低速(34Mb/s以下)系統(tǒng)中常用碼型。1.1B2B碼（1）

數字雙相碼或Mancherster碼，分相碼碼型變換后無直流分量，且容易從中提取出位同步信息，不出現(xiàn)2個以上連0/1。但變換使得原數字信號的基帶帶寬加倍。在本地以太網（Ethernet）中有應用。（2）

密勒碼是雙相碼的變形。編碼規(guī)則是在“1”的中點發(fā)生電平跳變，出現(xiàn)單個”0”時，電平保持不變，出現(xiàn)連零時，在連”0”的起始處發(fā)生電平跳變。最大寬度為兩個碼元周期，最小寬度為一個碼元周期。具有一定的誤碼檢測性能。直流分量很小，頻帶寬度約為數字雙相碼的一半?？捎糜跉庀笮l(wèi)星、磁記錄、低速基帶樹傳機等。（3）

傳號反轉碼,也稱CMI碼用“01”表示”0”,用”00”或”11”表示“1”。交替地用正電平或負電平表示“1”，用固定相位的一個周期的方波表示”0”，不出現(xiàn)3個以上連0/1，具有自檢錯能力。CMI碼容易提取位定時信號，具有良好的檢錯能力。2.mBnB碼最簡單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“０”變換為“01”，把“1”變換為“10”。因此最大的連“０”和連“１”的數目不會超過兩個，例如1001和0110。但是在相同時隙內，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特，碼速提高了1倍。以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個碼字，變換為4B碼時，共有(24)16個碼字，見P97表7.2。

為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個碼字中挑選8個碼字來代替3B碼。設計者應根據最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在3B碼中有2個“0”，變?yōu)?B碼時補1個“１”；在3B碼中有2個“1”，變?yōu)?B碼時補1個“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同時，規(guī)定一些禁止使用的碼字，稱為禁字，例如0000和1111。3.3B4B碼

01111111111

01101110110

01011101101

01001100100

00111011011

00101010010

00011001001

000010000004B3B

表7.23B和4B的碼字

（無禁字）作為普遍規(guī)則，引入“碼字的數字和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。所謂“碼字數字和”，是在線路編碼的nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“１”碼，整個碼字的代數和即為WDS。

如果整個碼字“１”碼的數目多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼的數目多于“1”碼，則WDS為負；如果“0”碼和“1”碼的數目相等，則WDS為0。

例如：對于0111，WDS=+2；對于0001，WDS=-2；對于0011，WDS=0。

nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小的碼字，禁止使用|WDS|最大的碼字。以3B4B為例，應選擇WDS=0和WDS=±2的碼字，禁止使用WDS=±4的碼字。表7.4顯示出根據這個規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正組和負組交替使用。線路碼（4B）信號碼（3B）模式2（負組）模式1（正組）WDS碼字WDS碼字-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000

表7.43B4B碼變換規(guī)則表

我國3次群和4次群光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是5B6B碼，其編碼規(guī)則如下：

5B碼共有(25)32個碼字，變換6B碼時共有(26)64個碼字，其中WDS=0有20個，WDS=±2有15個，WDS=-2有15個，共有50個|WDS|最小的碼字可供選擇。由于變換為6B碼時只需32個碼字，為減少連“１”和連“0”的數目，刪去：000011、110000、001111和111100。當然禁用WDS=±4和±6的碼字。表7.5顯示出根據這個規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負組交替使用。表中正組選用20個WDS=0和12個WDS=+2，負組選用20個WDS=0和12個WDS=-2。1.5B6B碼線路碼（6B）信號碼（5B）模式2（負組）模式1（正組）WDS碼字WDS碼字-2000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125續(xù)表

mBnB碼是一種分組碼，設計者可以根據傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的優(yōu)點是：

(1)碼流中“0”和“1”碼的概率相等，連“0”和連“1”的數目較少，定時信息豐富。(2)高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，基線漂移小。

(3)在碼流中引入一定的冗余碼，便于在線誤碼檢測。mBnB碼的缺點是：

傳輸輔助信號比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號或有一定數量的區(qū)間通信的設備中，不宜用這種碼型。mBnB碼優(yōu)缺點：3.編譯碼器有兩種編譯碼電路：

?一種是組合邏輯電路，就是把整個編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個大規(guī)模專用集成塊，國外設備大多采用這種方法。

?另一種是把設計好的碼表全部存儲到一塊只讀存儲器(PROM)內而構成，國內設備一般采用這種方法。以3B4B碼為例，碼表存儲編碼器的工作原理示于圖7.1。首先把設計好的碼表存入PROM內，待變換的信號碼流通過串-并變換電路變?yōu)?比特一組的碼b1、b2、b3，并行輸出作為PROM的地址碼。在地址碼作用下，PROM根據存儲的碼表，輸出與地址對應的并行4B碼，再經過并-串變換電路，讀出已變換的4B碼流。圖7.1碼表存儲編碼器原理已變換輸出4B碼流首先把設計好的碼表存入PROM內，待變換的信號碼流通過串—并變換電路變?yōu)?比特一組的碼b1、b2、b3，并行輸出作為PROM的地址碼。在地址碼作用下，PROM根據存儲的碼表，輸出與地址對應的并行4B碼，再經過并—串變換電路，讀出已變換的4B碼流。圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當WDS=±2時，從A、B分別送出控制信號，通過C線決定組別。譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。

譯碼時，把送來的已變換的4B信號碼流，每4比特并聯(lián)為一組，作為PROM的地址，然后讀出3B碼，再經過并-串變換還原為原來的信號碼流。其他的mBnB碼編譯碼電路原理相同，只是電路復雜程度有所區(qū)別而已。三、插入碼插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每m比特(mB)為一組，然后在每組mB碼末尾按一定規(guī)律插入一個碼，組成m+1個碼為一組的線路碼流。根據插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。

1.插入碼的編碼原理

mB1C碼的編碼原理是，把原始碼流分成每m比特(mB)一組，然后在每組mB碼的末尾插入1比特補碼，這個補碼稱為C碼，所以稱為mB1C碼。補碼插在mB碼的末尾，使連“0”碼和連“1”碼的數目最少。

mB1C碼的結構如下圖所示，例如：

mB碼為：100110001101……mB1C碼為：1001110100101010……

C碼的作用是引入冗余碼，可以進行在線誤碼率監(jiān)測；同時改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時提取。

圖7.2mB1C碼的結構

mB1H碼是mB1C碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部分C碼，并在相應的碼位上插入一個混合碼(H碼)，所以稱為mB1H碼。所插入的H碼可以根據不同用途分為三類：

第一類是C碼，它是第m位碼的補碼，用于在線誤碼率監(jiān)測；

第二類是L碼，用于區(qū)間通信；

第三類是G碼，用于幀同步、公務、數據、監(jiān)測等信息的傳輸。常用的插入碼是mB1H碼，有1B1H碼、4B1H碼和8B1H碼。以4B1H碼為例，它的優(yōu)點是碼速提高不大，誤碼增值??；可以實現(xiàn)在線誤碼檢測、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。

缺點是碼流的頻譜特性不如mBnB碼。但在擾碼后再進行4B1H變換，可以滿足通信系統(tǒng)的要求。在mB1P碼中，P碼稱為奇偶校驗碼，其作用和C碼相似，但P碼有以下兩種情況：

(1)P碼為奇校驗碼時，其插入規(guī)律是使m+1個碼內“1”碼的個數為奇數，例如：

mB碼為：100000001110……mB1P碼為：1000000100101101……

當檢測得m+1個碼內“１”碼為奇數時，則認為無誤碼。(2)P碼為偶校驗碼時，其插入規(guī)律是使m+1個碼內“１”碼的個數為偶數。例如：mB碼為：100000001110……mB1P碼為：1001000000111100……

當檢測得到m+1個碼內“１”碼為偶數時，則認為無誤碼。

2.編譯碼器和mBnB碼不同，mB1H碼沒有一一對應的碼結構，所以mB1H碼的變換不能采用碼表法，一般都采用緩存插入法來實現(xiàn)。圖7.3示出4B1H編碼器原理，它由緩存器、寫入時序電路、插入邏輯和讀出時序電路四部分組成。4B1H碼是每4個信號碼插入一個H碼，因此變換后碼速增加1/4。設信號碼的碼速為34368kb/s，經4B1H變換后，線路碼的碼速為(5/4×)34368kb/s=42960kb/s。34368kb/s的NRZ信號碼送入緩存器。圖7.34B1H編碼器原理

緩存器是4D觸發(fā)器，它利用鎖相環(huán)中的4分頻信號作為寫入時序脈沖，隨機但有順序地把34368kb/s信號碼流分為4比特一組，與H碼一起并聯(lián)送入插入邏輯。插入邏輯電路實際上是一個5選1的電路，它利用鎖相環(huán)中5分頻電路輸出讀出時序脈沖。由插入邏輯輸出碼速為42960kb/s的4B1H碼。4B1H譯碼器的原理：圖7.4示出4B1H譯碼器原理，它由B碼還原、H碼分離、幀同步和相應的時鐘頻率變換電路組成。把42960kb/s的4B1H碼加到緩存器，因4B1H碼是5比特為一組，所以緩存器應有5級，并用不同的時鐘寫入。圖7.44B1H譯碼器原理

頻率變換電路要保證向各個部分提供所需的準確時鐘信號。通過緩存器，實際上已把B碼和H碼分開，只要用34368kHz的時鐘把B碼按順序讀出，B碼就還原了。

B碼的還原電路實際上就是并串變換電路，由4選1電路來實現(xiàn)。數字光纖通信系統(tǒng)常用幾種線路碼的主要性能列于表7.6。表7.61禁字檢測法禁字在mBnB碼中不應該出現(xiàn)，否則有誤碼發(fā)生。檢測禁字就可以檢測誤碼。2同步誤碼檢測法此法適合mB1P、mB1C、mB1H等。需要與碼組同步。以mB1C為例，同步工作時，對m和m+1位碼成對校對，為0、1和1、0表示無誤碼，1、1和0、0就表示有誤碼發(fā)生。3運行數字和法（RunningDigitSum）

無論均等碼或非均等碼，只要0、1的平均個數為0，適用此法。工作時碼組連起來，運行數字和在一定范圍內。超出此范圍，就意味著發(fā)生誤碼。7.2不中斷業(yè)務的誤碼檢測方法

4雙穩(wěn)態(tài)法此法適合每組碼內0、1的個數為偶數的線路碼。如mB1P、mBnB等。只有1才能觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)電路的反轉。若1的個數為偶數，反轉偶次。發(fā)生一個誤碼，雙穩(wěn)態(tài)電路就多反轉一次。以此檢查誤碼的發(fā)生。§7.2多媒體數據壓縮編碼技術2.1多媒體數據壓縮基本原理2.2數據壓縮與解壓縮常用算法2.3

多媒體數據常用壓縮標準2.1多媒體數據壓縮基本原理2.1.1多媒體數據壓縮的必要性與可能性2.1.2數據冗余的基本概念與種類數據冗余的基本概念多媒體數據的數據量遠遠大于其所攜帶的信息量例：180個漢字，文本數據量為360B。廣播員朗讀使用1分鐘，采樣數據量為8000X60＝480KB可見，傳遞同樣信息，語音數據有1300倍冗余數學描述：I＝D－du I：信息量D：數據量du：冗余量數據冗余的類別空間冗余圖像數據中，大量的相鄰像素完全一樣或十分接近時間冗余時間類媒體中經常存在地冗余相鄰兩幀的大部分數據無變化，只有少量數據變化結構冗余：圖像由有規(guī)律的圖案組成信息熵冗余：數據攜帶的信息量少于數據本身視覺冗余：人的視覺特性知識冗余：圖像的記錄方式與人對該圖像的知識之間的差異而產生其他冗余AAA2.1.3圖像壓縮預處理技術量化從模擬信號到數字信號的量化，脈沖編碼調制PCM壓縮編碼中的量化以PCM碼為輸入，在量化器經過某種變換后輸出存在量化誤差一般在數據采集卡中完成這兩種量化過程減小數據壓縮中因刪除冗余數據而給圖像質量帶來的損失2.1.4壓縮編碼中的量化及其質量2.1.5數據壓縮算法綜合評價指標壓縮倍數壓縮率，壓縮前后總的數據量之比例如：1024X768黑白圖像，每像素8bit，將其分辨率降為512X384，再壓縮使每像素用0.5bit，則其壓縮倍數為64倍，壓縮比為1:64圖像質量無損壓縮壓縮后的數據經解壓縮還原后與原始數據完全相同壓縮倍數不大有損壓縮壓縮后的數據經解壓縮還原后與原始數據不完全相同壓縮倍數較大重建圖像的質量評定信噪比人為觀測評定，專業(yè)組、非專業(yè)組壓縮和解壓縮的速度壓縮和解壓縮速度是壓縮系統(tǒng)的兩項重要指標對稱壓縮壓縮和解壓縮需要實時進行，如電視會議的圖像傳輸壓縮和解壓縮速度相同非對稱壓縮解壓縮實時，壓縮非實時，如CD－ROM的制作與播放壓縮比解壓縮速度慢數據的計算量壓縮和解壓縮都需要大量的計算通常解壓縮比壓縮的計算量小壓縮方法簡潔說明特點 描述無損的 無失真地準確地恢復原始數據有損的 有失真幀內 獨立地完成幀的編碼幀間 參照前、后幀對幀進行編碼，并考慮 幀之間的時間冗余對稱 編碼及譯碼的訪問幾乎相等不對稱 編碼時間比譯碼時間長很多實時 編-譯碼延遲不應該超過50ms2.2數據壓縮與解壓縮常用算法2.2.1數據壓縮方法的分類數據壓縮方法也稱編碼方法按是否產生失真分無失真編碼：可逆編碼，無損壓縮有失真編碼：不可逆編碼，有損壓縮按原理分預測編碼針對空間冗余和時間冗余利用已被編碼的點的值預測鄰近的點的值變換編碼針對空間冗余和時間冗余將圖像或時域信號變換到頻域上，再進行壓縮子帶編碼：分頻帶編碼將數據變換到頻域后，按頻率分帶，分別量化語言和圖像信息熵編碼概率大的符號用短碼字表示，反之用長碼字表示哈夫曼編碼行程編碼：游程編碼、運行長度編碼相同值的連續(xù)串用該值和串長代替如MDDDDDDDDDDG用M!10DG表示

000011111000用0453表示，第1位0表示該串首碼是0，第2位4表示有4個0，第3位5表示5個1，第4位3表示3個0。因為二進制非0即1。壓縮方法分類2.2.2哈夫曼編碼最佳編碼定理哈夫曼1952年提出內容：在變字長編碼中，對于出現(xiàn)概率大的信息符號編以短字長的碼，對于概率小的符號編以長字長的碼。如果碼字長度嚴格按所對應符號出現(xiàn)概率大小逆序排列，則平均碼字長度一定小于其他以任何符號順序排列方式得到的平均碼字長度。哈夫曼編碼方法根據以上定理而得到的一種編碼方法步驟1.將符號按出現(xiàn)概率由大到小排列，給最后兩個符號賦予一個二進制碼，概率大的賦1，小的賦0（反之亦可）2.把最后兩個符號的概率合成一個概率，重復上一步3.重復步驟2，直到最后只剩下兩個概率為止4.將每個符號所對應的分支的0,1反序排出即可哈夫曼編碼方法過程演示A1A2A3A4A5A6A70.230.210.180.150.130.070.03符號概率P

1

00.101

00.23

1

00.33

1

00.44

1

00.56011編碼010011111010110011000可以看出，概率大的符號其編碼短，概率小的符號其編碼長，符號使用其編碼來表示，達到數據壓縮目的。哈夫曼編碼結果分析碼字的平均長度_7N=∑niP(ai)=2.72bit

i=1信息符號的熵值

7H(a)=∑P(ai)log2P(ai)=2.61bit

i=1可見，哈夫曼編碼結果，其平均長度接近于信息符號的熵值，但是仍有冗余編碼010011111010110011000碼長n2233344例如：信源有四個符號：

Xa1

a2a3

a4

1/21/41/81/8信息熵：H(x)=-1/2log2(1/2)-1/4log2(1/4)-(1/8log2(1/8)2=1.75bit/字符采用哈夫曼編碼（二進制編碼）

a1a2a3a4010110111平均碼長：L=(1/2)1+(1/4)2+(1/8)

32=1.75bit/字符編碼效率：=1.75/1.75=100%a1

a2

a3

a4

1/21/41/81/8符號概率011/4011/2011編碼010110111

4個符號采用PCM編碼：

R=log24=2bit

a1

a2

a3

a400

0110

11L=2Pi=2

編碼效率：=H(x)/L=1.75/2=87.5%哈夫曼編碼的特點其實就是數據結構中的二叉樹形式無歧義性，能正確地恢復原信號構造出來的碼不唯一有兩種賦值方式：概率大的賦1，小的賦0，反之亦可兩符號概率相等時，其排列順序隨機，造成編碼不唯一編碼出來的字長不統(tǒng)一，硬件實現(xiàn)困難對不同的信號源，編碼效率不同，等概率信源，效率最低編碼后形成一個哈夫曼編碼表，若正確解碼必須有此碼表，于是在傳送過程中也要傳送此碼表2.2.3預測編碼原理利用以往的樣本值對新樣本值進行預測將新樣本值的實際值與其預測值相減，得到誤差值對該誤差值進行編碼，傳送此編碼即可理論上數據源可以準確地用一個數學模型表示，使其輸出數據總是與模型的輸出一致，因此可以準確地預測數據，但是實際上預測器不可能找到如此完美的數學模型典型方法DPCM：差分脈沖調制預測，DifferentialPulseCodeModulationADPCM：自適應差分脈沖調制預測，AdaptiveDifferentialPulseCodeModulation差分脈沖調制（DPCM）預測原理圖量化器預測器譯碼器預測器－＋＋編碼器發(fā)送端接收端Xndn^XnXn’dn’dn’^XnXn’差分脈沖調制（DPCM）預測是降低每個像素所需平均比特數的最使用的方法說明發(fā)送端預測器帶有存儲器，把tn時刻以前的采樣值x1,x2,x3,xn-1存儲起來并據此對xn進行預測，得到預測值dn為xn與的差值，dn’為dn經量化器量化的值xn’是接收端的輸出信號誤差qn為qn=xn-xn’=xn-(+dn’)=(xn-)-dn’=dn

-dn’實際上就是發(fā)送端的量化器對誤差量化的誤差對

dn’的量化越粗糙，壓縮比越高，失真越大^Xn^Xn^Xn^Xn對于圖像預測編碼Xn表示被預測的像素，x1,x2,x3,xn-1則是根據不同的預測方案被選出來的已知像素點一維預測：同一行二維預測：不同行三維預測：不同幀一維預測利用像素之間在水平方向 上的相關性。在水平方向上亮度變 化緩慢地圖像效果好。但是有亮度 突變就不行。 圖中黑白條：=x1=0(黑色)

可采用二維預測：

x4-x51=x1+————=—— 22差分脈沖調制（DPCM）預測X5X4X3X2X1Xnx1xn^Xn^Xn+-^Xn差分脈沖調制（DPCM）預測輸入數據為平穩(wěn)的隨機過程預測器的設計是預測編碼系統(tǒng)的核心：預測參數無損壓縮，對預測誤差的量化是造成圖像質量下降的主要原因自適應差分脈沖調制（ADPCM）預測輸入數據不是平穩(wěn)的隨機過程自適應預測定期重新調整預測器的預測參數，使預測器隨輸入數據的變化而變化自適應改變量化器的量化階數，用小量化階量化小差值，大量化階量化大差值分為線性自適應預測與非線性自適應預測兩種差分脈沖調制（DPCM）預測示例例如，取一序列為10，12，14，16，18，20。（例如亮度變化緩慢的圖像的亮度值）由于其中所有數字都不相同，但是是一個等差的數列，所以行程編碼和哈夫曼對其不產生壓縮效果。先用DPCM方法，其預測器的預測參數為Xn=Xn-1，則其誤差值得到一個新的序列10，2，2，2，2，2。然后再使用行程編碼方法對這個新序列進行壓縮，壓縮結果為10(5,2)。LZ77壓縮編碼1977年由兩個以色列人Lempel,Ziv提出，1984年由Welch改進，成為LZW算法先進的無損數據壓縮技術，壓縮和解壓縮速度快LZ77技術特點穩(wěn)定，有效，快速有時壓縮后比壓縮前文件大應用應用在幾乎日常使用的所有通用壓縮工具中，ARJ，PKZip，WinZip，RAR，ACE以及GIF圖像文件等某些硬件如網絡設備中內置的壓縮算法LZ77壓縮編碼基本原理建立一個轉換表（串表）。通過簡單的代碼來替換比較復雜的字串，把一個字符串映射為一定長度的編碼，并用一個轉換表（串表）記錄這些替換關系。將已經編碼過的信息作為字典，如果要編碼的字符串曾經出現(xiàn)過，就輸出該字符串的出現(xiàn)位置及長度，否則輸出新的字符串。解壓縮時，自動建立與壓縮時一樣的串表簡單概括：就是字典壓縮，串表即字典索引碼字符串索引碼字符串CX操作系統(tǒng)DM多媒體SK數據庫SJ數據結構LZ77壓縮編碼P=(5,3)輸出：吃葡萄不吐(4,2)皮，(6,1)(10,1)(10,2)倒(10,4)輸入：吃葡萄不吐葡萄皮，不吃葡萄倒吐葡萄皮2.2.4變換編碼原理為達到目的，可以通過不同的路徑——殊途同歸例如：數學計算機中，經常利用某些數學函數略加轉換可以找出一條計算的捷徑。 乘法：1000000X100000＝100000000000

運算時，數據很大，可以變成對數進行加法1000000X100000＝100000000000取對數lg106取對數lg105取指數10116＋5＝11算法變換變換編碼基本概念先對信號進行某種函數變換，從一種域（空間）變換到另一種域（空間），再對變換后的信號進行編碼處理以聲音圖像為例，由于聲音圖像大部分信號都是低頻信號，在頻域中信號較集中，因此將時域信號變換到頻域，再對其進行采樣、編碼0X1X2變換去掉相關性示意圖相鄰采樣值x1,x2各用3bit編碼，有64種合成可能，變換后，X1’,X2’合成種類減少。X1’X2’變換編碼原理框圖變換量化譯碼器預測器編碼器發(fā)送端接收端GAA’G’U’輸入U輸出U為變換矩陣，A,A’:變換系數U’:U的逆變換變換編碼KL變換最佳變換編碼方法變換矩陣不是恒定的，需要臨時計算離散余弦變換(DCT,DiscreteCosineTransform)準最佳變換，利用三角函數進行的一種變換DCT的基向量由余弦函數構成一維DCT變換和二維DCT變換,變換后輸出DCT變換系數，將幅度變成頻率廣泛應用于圖像與視頻壓縮中，如JPG,MPEG2.3多媒體數據壓縮常用壓縮標準2.3.1音頻壓縮標準音頻壓縮方法音頻壓縮技術標準由CCITT(國際電信聯(lián)盟)制定G.711標準：1972年，針對300-3400Hz的語音信號，采樣頻率8kHz，量化8bit，PCMG.721標準：1984年，ADPCMMPEG標準：MP3AC-3標準：5.1聲道(6聲道)：左、中、右、左環(huán)繞、右環(huán)繞、低頻增強(0.1聲道)2.3.2靜止圖像壓縮編碼標準JPEGISO聯(lián)合圖像專家組為單幀彩色圖像的壓縮制訂可以由用戶自行設定壓縮比例編碼方法與彩色空間無關，因此RGB－YUV，YUV－RGB的變換不包含在JPEG算法中JPEG算法處理彩色圖像是單獨的彩色分量圖像，可壓縮不同彩色空間的數據采用混合編碼方法采用DPCM的無失真壓縮算法采用DCT加行程編碼的有失真壓縮算法JPEG壓縮編碼編碼模式DCT順序模式DCT漸進模式無失真編碼模式分層編碼模式JPEG標準的無失真預測編碼無失真編碼器原圖象數據預測器熵編碼器壓縮圖象數據碼表說明JPEG標準的無失真預測編碼無失真編碼器采用三鄰域采樣值法由a,b,c預測x，得x’對x－x’的差進行無失真的編碼（可采用哈夫曼編碼）cbax序號X’值序號X’值0非預測4a+b+c1a5A+((b-c)/2)2b6B+((a-c)/2)3c7(a+b)/2三鄰域預測公式JPEG標準的基于DCT的有失真壓縮編碼編碼過程DCT

正變換量化器熵編碼器碼表說明碼表說明編碼器8*8塊源圖像

數據基于DCT編碼的簡化框圖壓縮后的圖像數據JPEG標準的基于DCT的有失真壓縮編碼解碼過程DCT逆變換量化器碼表說明碼表說明恢復的圖像數據解碼器熵解碼器壓縮的圖像數據基于DCT解碼器的簡明框圖8*8塊JPEG標準的基于DCT的有失真壓縮編碼說明：以上給出的是單個彩色分量的編碼、解碼過程，對于彩色圖像，可將多個分量分別處理編碼步驟DCT變換JPEG采用8X8像素的二維DCT變換，在編碼器輸入端把原始圖像順序分割成8X8的子塊。如原始圖像的采樣精度為P位，是無符號整數，則將[0,2P-1]轉換為[-2P-1,2P-1]的有符號整數，作為DCT的輸入。解碼時，經DCT逆變換后得到8X8的圖像數據塊，在將[-2P-1,2P-1]變回[0,2P-1]，獲得重構的圖像。JPEG標準的基于DCT的有失真壓縮編碼原始圖像數據塊經過DCT變換后，輸出64個DCT變換系數，形成一個8X8矩陣，其中包含一個代表直流分量的DC系數（矩陣的左上角，代表此塊的彩色分量的平均值）和63個代表交流分量的AC系數（代表該塊的彩色分量的起伏變化的劇烈程度）DCT逆變換通過這64個DCT變換系數重建這8X8圖像，由于計算過程中的精度損失和量化，不可能完全恢復原始圖像——有損壓縮DCT幅度DCT系數yxvu二維8X8DCT正變換(FDCT)和逆變換(IDCT)公式JPEG標準的基于DCT的有失真壓縮編碼量化為達到壓縮數據的目的，對DCT變換系數F(u,v)進行量化處理。量化是造成圖像質量下降的最主要原因。利用人的視覺特性，經過大量實驗，獲得了一下的量化表Q(u,v)。量化公式為FQ(u,v)=Integer(Round(F(u,v)/Q(u,v))亮度量化表色都度量化表161110162440516112121419265860551413162440576956141722295187806218223756681091037724355564811041139249647887103121120101729295981121001039917182447999999991821266699999999242656999999999947669999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999JPEG標準的基于DCT的有失真壓縮編碼FQ(U,V)=IntegerRound(F(U,V)/Q(U,V))量化特性0.5123-0.5-1-2-1-2123F(U,V)/Q(U,V)FQ(U,V)JPEG標準的基于DCT的有失真壓縮編碼DCT系數的編碼DCT變化系數經過量化后，直流分量DC數值比大，而且相鄰的兩個8X8塊的DC系數有很強的相關性，變化不大，因此采用DPCM對相鄰兩塊的DC的差值Delta進行編碼

Delta＝DCi－DCi-1JPEG標準的基于DCT的有失真壓縮編碼DCT變換系數經過量化之后，有大量AC會變成0，采用游程編碼進一步進行數據壓縮。為增加編碼效率，采用“Z”字形的次序來進行游程編碼，可以增加連續(xù)0的個數。示例源圖像樣本DCT正變換系數量化后的系數量化表量化后的系數量化表逆量化后的系數重構的圖像樣本JPEG標準的基于DCT的有失真壓縮編碼DC和AC系數進行DPCM和行程編碼后，對其編碼后的數據再次進行哈夫曼編碼，以提高壓縮效率。根據不同的量化表，可以做出不同壓縮比的JPEG文件。用戶也可以自己定義量化表。2.3.3數字聲像壓縮標準MPEG-1MPEG(MotionPictureExpertsGroup)針對活動視頻的壓縮標準系列MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等包括MPEG視頻、音頻和系統(tǒng)三大部分MPEG視頻：面向速率為1.5Mbps的全運動圖像壓縮MPEG音頻：面向每通道速率64,128,192kbps的數字音頻信號的壓縮MPEG系統(tǒng)：解決多道視頻、音頻的同步和合成問題MPEG-11991年制訂，最初為CD-ROM制訂亮度360X240，色度180X120，每秒30幀壓縮比100:1MPEG-1視頻壓縮標準MPEG-1標準的視頻數據碼流MPEG-1規(guī)定了視頻壓縮數據碼流的語法結構，這個語法結構將視頻壓縮數據碼流分為6層。運動圖像序列(VideoSequence)圖像組圖像組(GroupOfPictures,GOP)：由一系列圖像幀組成,這些圖像可以從運動序列中隨機抽取。MPEG-1視頻壓縮標準圖像圖像(Picture)：一個圖像(靜止圖像，一幀)由三個部分組成一個亮度信號Y

兩個色差信號UV圖像組Y:U:V8:2:2MPEG-1視頻壓縮標準圖像圖像條圖像條(Slice)：圖像幀內的水平條，由附加數據及一個或多個宏塊組成。每個圖像條16bit高，寬與圖像幀寬度相同。MPEG-1視頻壓縮標準圖像的切片宏塊宏塊：MPEG的基本編碼單元，即進行運動補償的單元。由16X16像素的亮度(Y)信息和兩個8X8像素的色度(U,V)信息組成。宏塊由附加數據及四個亮度(Y)信號塊和兩個色差信號(U,V各一塊)塊組成。宏塊（1616）塊（88）每塊：8*8像素，可以是亮度Y或色度U,V一個宏塊由附加數據及四個亮度(Y)信號塊和兩個色差信號(U,V各一塊)塊組成。Y:U:V8:2:2圖像序列頭圖像組圖像組……圖像組圖像組序列層圖像組頭圖像（I、P、B）圖像（I、P、B）……圖像頭圖像條……圖像條圖像條頭宏塊……MB宏塊MB18*828*858*868*838*848*88*8YCrCb塊層宏塊層圖像條層圖像層圖像組層MPEG視頻碼流分層結構圖MPEG-1標準的幀間編碼技術MPEG-1標準的參數要求視頻圖像水平分辨率≤768像素要求視頻圖像垂直分辨率≤576行每秒30幀播放視頻圖像幀由于在時間上進行正負方向的幀間預測編碼可以有更高的圖像壓縮比，MPEG將圖像幀分成三類I-圖像幀(Intra-codedpicture)：內幀P-圖像幀(Predictive-codedpicture)：預測幀B-圖像幀(Bidirectionallypredictive-codedpicture)：雙向幀MPEG-1標準的幀間編碼技術I-圖像幀：幀內編碼圖像幀，內幀靜態(tài)圖像，只利用自身信息進行編碼，采用JPEG方式可作為壓縮數據流中的隨機存取點—快進、快退等P-圖像幀：預測編碼圖像幀，預測幀利用最近的前一個I-幀或P-幀作為參考采用帶運動補償技術的幀間預測進行編碼—前向預測通常作為后續(xù)的P-幀或B-幀的預測參考幀B-圖像幀：雙向預測編碼圖像幀，雙向幀既利用過去的I-幀或P-幀(前向)，也利用后來的I-幀或P-幀(后向)作為參考進行帶運動補償技術的雙向預測編碼從不作為預測的參考幀MPEG-1標準的幀間編碼技術幀間編碼I-幀B-幀P-幀MPEG-1標準的幀間編碼技術幀間編碼前向預測雙向預測1I2B3B4P5B6B7P8IMPEG-1標準的幀間編碼技術圖象組一般由一個I-幀，幾個P-幀和若干個B-幀組成。MPEG-1的算法允許編碼器選擇I-幀的頻率和位置。一般每0.5秒以內必須傳送一次I-幀PAL制式：圖象組12幀NTSC制式：圖象組15幀從I-幀(或P-幀)得到P-幀，P-幀壓縮比60:1從I-幀或P-幀得到B-幀，B-幀壓縮可達200:1MPEG-1算法不對稱，壓縮比解壓縮復雜，慢編碼器需要選擇位于I-幀和P-幀間B-幀的數目MPEG-1標準的幀間編碼技術典型的I-幀，P-幀，B-幀次序安排IBBPBBPBBPBBPBBIBBPBBPBBPBBPBB116301秒每15幀(0.5秒)有一個I-幀參照幀間有兩個B-幀MPEG-1標準的運動補償技術運動補償技術主要用于消除P-幀和B-幀在時間上的冗余，提高壓縮效率在宏塊一級進行，宏塊有四種類型圖像幀類型所含宏塊類型宏塊簡稱宏塊采用技術I-幀幀內宏塊I塊DCT技術P-幀幀內宏塊I塊前向預測宏塊F塊參照前一個I或P幀預測B-幀幀內宏塊I塊前向預測宏塊F塊后向預測宏塊B塊參照后一個I或P幀預測平均宏塊A塊參照前后的I或P幀預測MPEG-1標準的運動補償技術基于宏塊的運動補償技術就是在其參照幀中找出符合一定條件的塊作為當前塊的最佳匹配塊對于F宏塊和B宏塊，只找一個最佳匹配塊對于A宏塊，其前后