多媒體壓縮技術(shù)

多媒體壓縮技術(shù)第

7章7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)■數(shù)據(jù)壓縮的必要性■數(shù)據(jù)壓縮的可能性■數(shù)據(jù)壓縮基本原理7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法■統(tǒng)計(jì)編碼

■預(yù)測編碼■變換編碼7.3常見多媒體數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)

■音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)■靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)■運(yùn)動(dòng)圖像和視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)第一頁，共三十四頁。?●教學(xué)重點(diǎn)：●教學(xué)目標(biāo)：了解媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)，包括數(shù)據(jù)壓縮的必要性、數(shù)據(jù)壓縮的可能性、數(shù)據(jù)壓縮基本原理；了解數(shù)據(jù)壓縮的編碼算法，包括統(tǒng)計(jì)編碼、預(yù)測編碼、變換編碼；了解常見多媒體數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，包括音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)、靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)動(dòng)圖像和視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)等。

了解多媒體數(shù)據(jù)壓縮的必要性、多媒體數(shù)據(jù)壓縮的可能性、數(shù)據(jù)壓縮方法的分類。

教學(xué)進(jìn)程多媒體壓縮技術(shù)第

7章第二頁，共三十四頁。?7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.1數(shù)據(jù)壓縮的必要性■隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，多媒體數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)過程日益頻繁。未經(jīng)處理的多媒體數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量巨大，使數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)、傳輸和處理等過程中有諸多不便，因此，多媒體數(shù)據(jù)的壓縮是多媒體應(yīng)用中的關(guān)鍵問題之一。

教學(xué)進(jìn)程第三頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程■一幅具有800×600分辨率的真彩色圖像(24位/像素)，它的數(shù)據(jù)量為：800×600×24=10.98Mb=1.37MB

7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.1數(shù)據(jù)壓縮的必要性BGR相當(dāng)于72萬漢字在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量！第四頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程■視頻數(shù)據(jù)按我國使用的PAL制式，要達(dá)到每秒25幀的全動(dòng)態(tài)顯示要求。若每幀顯示分辨率為640×480的真彩色圖像（24位/像素），則每秒所需的數(shù)據(jù)量為7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.1數(shù)據(jù)壓縮的必要性650MB的CD-ROM光盤只能存放29.6秒的視頻！640×480×24×25=175.8Mb=21.97MB第五頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.1數(shù)據(jù)壓縮的必要性■1分鐘高保真立體聲數(shù)字音頻的數(shù)據(jù)量為：（44100×16×2）×60/8=10.09MB一首歌曲的播放時(shí)間大概是4分鐘，也就是說，一首歌曲文件的大小是40MB左右，若保存在一個(gè)容量為512MB的U盤中，只能存儲(chǔ)12首這樣的歌曲。

●巨大的多媒體數(shù)據(jù)量對于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸帶來了很大的困難，因此，多媒體數(shù)據(jù)必須被壓縮！第六頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程多媒體數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是非常巨大的，但這些數(shù)據(jù)量表示的信息量并不等于數(shù)據(jù)量本身的大小，也就是說，多媒體數(shù)據(jù)中存在著數(shù)據(jù)冗余。應(yīng)用某種編碼方法提取或減少這些數(shù)據(jù)冗余，便可以達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的，這就是多媒體數(shù)據(jù)可以壓縮的原因。

7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.2數(shù)據(jù)壓縮的可能性可用公式表示如下：du=D-I其中，D是指數(shù)據(jù)量，I指信息量，du指的是冗余量。第七頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程例如：180個(gè)漢字，在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量為180×2B=360B7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.2數(shù)據(jù)壓縮的可能性廣播員朗讀這些內(nèi)容1分鐘，數(shù)字化時(shí)采樣頻率8000Hz，單聲道，8位量化，則數(shù)據(jù)量為（8000×8×1）×60/8＝480000B?？梢?，傳遞同樣信息，音頻數(shù)據(jù)中則存在冗余。第八頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程■空間冗余：數(shù)字化圖像中某個(gè)區(qū)域的顏色、亮度、飽和度等相同，則該區(qū)域里的像素點(diǎn)數(shù)據(jù)也是相同的，我們只需記下一個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)及其他像素點(diǎn)的位置，就可以得到該區(qū)域的所有信息，大量的重復(fù)像素?cái)?shù)據(jù)就形成了空間冗余。7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.2數(shù)據(jù)壓縮的可能性●數(shù)據(jù)冗余類型●空間冗余常存在圖像數(shù)據(jù)中第九頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程■時(shí)間冗余經(jīng)常存在于視頻和音頻數(shù)據(jù)中。視頻是由位于時(shí)間軸上的一組連續(xù)的幀構(gòu)成的，相鄰幀之間具有很強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性，且往往變化不大，后一幀的數(shù)據(jù)與前一幀的數(shù)據(jù)有許多相同之處，這樣就形成了時(shí)間冗余。

7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.2數(shù)據(jù)壓縮的可能性第十頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程■視（聽）覺冗余：人類的視覺和聽覺系統(tǒng)由于受到生理特征的限制，對于圖像和聲音信號的一些細(xì)微變化是感覺不到的，忽略這些變化后，信號仍然被認(rèn)為是完好的。我們把這些超出人類視（聽）覺范圍的數(shù)據(jù)稱為視（聽）覺冗余。

7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.2數(shù)據(jù)壓縮的可能性第十一頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.2數(shù)據(jù)壓縮的可能性■知識(shí)冗余：圖像的記錄方式與某些知識(shí)有著—定的相關(guān)性，例如，人臉的圖像就有固定的結(jié)構(gòu)，鼻子位于中間，上方是眼睛，下方是嘴等。這類規(guī)律性的結(jié)構(gòu)可由先驗(yàn)知識(shí)和背景知識(shí)得到，但計(jì)算機(jī)并不具備這些知識(shí)，只是一個(gè)像素一個(gè)像素地存人數(shù)據(jù)，這就形成了知識(shí)冗余。

第十二頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.2數(shù)據(jù)壓縮的可能性■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。例如，方格狀的地板圖案等。我們稱這種冗余為結(jié)構(gòu)冗余。若已知分布模式，可通過某一過程產(chǎn)生圖像。第十三頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程●數(shù)據(jù)壓縮本質(zhì)數(shù)據(jù)的壓縮實(shí)際上是一種編碼過程，即根據(jù)原始數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系將數(shù)據(jù)從一種編碼映射為另一種編碼，以減少表示信息所需要的總位數(shù)。

7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.3數(shù)據(jù)壓縮基本原理●數(shù)據(jù)壓縮過程第十四頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程●數(shù)據(jù)壓縮方法分類無損編碼

●用無損編碼壓縮的數(shù)據(jù)是可以完全恢復(fù)的，解碼后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)完全一致，故也稱無失真編碼或可逆編碼。

有損編碼●有損編碼又稱為有失真編碼，即在編碼過程中要丟失一些人的視/聽覺不敏感的信息，且丟失的信息不可恢復(fù)。

7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.3數(shù)據(jù)壓縮基本原理混合編碼

●混合編碼是指同時(shí)使用兩種或兩種以上的編碼方法進(jìn)行組合編碼的方法。第十五頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.3數(shù)據(jù)壓縮基本原理第十六頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程●數(shù)據(jù)壓縮方法的衡量指標(biāo)■壓縮率■壓縮質(zhì)量■壓縮/解壓縮速度7.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)知識(shí)7.1.3數(shù)據(jù)壓縮基本原理第十七頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程■統(tǒng)計(jì)編碼屬于無損編碼，它是根據(jù)信息出現(xiàn)的概率分布規(guī)律來進(jìn)行壓縮編碼。其方法是：找到消息和碼字之間的對應(yīng)關(guān)系，以便恢復(fù)時(shí)能夠準(zhǔn)確無誤地將原數(shù)據(jù)再現(xiàn)出來。常用的統(tǒng)計(jì)編碼包括行程編碼、哈夫曼編碼和算術(shù)編碼三種。

●行程編碼

■行程編碼又稱為游程編碼，其編碼原理是將具有相同值的連續(xù)串用其串長和一個(gè)代表值來代替，該連續(xù)串就稱為行程，串長稱為行程長度。

例如：要編碼的字符串為“aabbbcddddd”，編碼后為“2a3b1c5d”，壓縮前字符個(gè)數(shù)為11個(gè)，壓縮后字符個(gè)數(shù)為8個(gè)，壓縮率為11：8。

■行程編碼簡單直觀，編碼/解碼速度快，因此許多圖形和視頻文件，如BMP、TIFF及AVI文件均采用這種方法壓縮。7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法7.2.1統(tǒng)計(jì)編碼第十八頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程●哈夫曼編碼原理■其基本思想是：對于給定的數(shù)據(jù)串，先計(jì)算其每個(gè)字符的出現(xiàn)頻率，并得到頻率表，運(yùn)用哈夫曼算法按出現(xiàn)頻率由高到低分配編碼位數(shù)，然后給出一個(gè)最優(yōu)的編碼。一般而言，字符出現(xiàn)的頻率越高對應(yīng)的編碼越短，出現(xiàn)頻率越低對應(yīng)的編碼越長。

7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法7.2.1統(tǒng)計(jì)編碼第十九頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程●哈夫曼編碼過程（1）初始化，統(tǒng)計(jì)各字符出現(xiàn)的概率，根據(jù)概率的大小給字符排序。把（2）兩個(gè)概率最小的字符的概率加起來，形成一個(gè)新的概率。（3）把這個(gè)新的概率看成是一個(gè)新字符的概率，并與其他字符概率重新排序。（4）重復(fù)步驟（1）~（3）到最后概率等于1為止。（5）編碼方法：每次合并概率的時(shí)候，把即將合并的兩個(gè)概率分別賦值為0和1：可以給大的概率賦值為0，小的復(fù)制為1；也可以給大的概率賦值為1，小的賦值為0。但前后賦值必須統(tǒng)一。

（6）概率1到信源字符之間的路徑的賦值編碼就是哈夫曼編碼的碼字。

7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法7.2.1統(tǒng)計(jì)編碼第二十頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程●哈夫曼編碼實(shí)例7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法7.2.1統(tǒng)計(jì)編碼■待編碼字符：

第二十一頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程●哈夫曼編碼實(shí)例7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法7.2.1統(tǒng)計(jì)編碼■編碼過程：

7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法第二十二頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程●哈夫曼編碼實(shí)例7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法7.2.1統(tǒng)計(jì)編碼■編碼結(jié)果：

■編碼以后的信源字符串的平均碼長為：2×0.3+4×0.08+4×0.11+1×0.37+3×0.14=2.15（位）。而采用等長碼長對5個(gè)字符進(jìn)行編碼需要的碼長是3位。第二十三頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法7.2.1統(tǒng)計(jì)編碼●算術(shù)編碼原理■其基本思想是：把整個(gè)信源字符串看作是一個(gè)集合，它把集合表示為實(shí)數(shù)線上的0到1之間的一個(gè)區(qū)間。這個(gè)集合中的每個(gè)元素都要用來縮短這個(gè)區(qū)間。信源集合的元素越多，所得到的區(qū)間就越小，當(dāng)區(qū)間變小時(shí)，就需要更多的數(shù)位來表示這個(gè)區(qū)間，這就是區(qū)間作為代碼的原理?！鲂吕蠀^(qū)間的邊界計(jì)算公式如下：新區(qū)間起始位置（Ns）=前區(qū)間起始位置（Fs）+當(dāng)前區(qū)間左端（Cl）×前區(qū)間長度（L）新區(qū)間結(jié)束位置（Ne）=前區(qū)間起始位置（Fs）+當(dāng)前區(qū)間右端（Nr）×前區(qū)間長度（L）新區(qū)間長度（L）=新區(qū)間結(jié)束位置（Ne）-新區(qū)間起始位置（Ns）

第二十四頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法7.2.1統(tǒng)計(jì)編碼●算術(shù)編碼實(shí)例■待編碼字符為：X1X3X4X2，其字符出現(xiàn)的概率和初始區(qū)間為：第二十五頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程■消息X1X3X4X2可以轉(zhuǎn)化為范圍[0.0646，0.067]中的任意一個(gè)數(shù)值，用一個(gè)數(shù)值代表了一個(gè)字符串，達(dá)到了數(shù)據(jù)壓縮的目的

7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法7.2.1統(tǒng)計(jì)編碼第二十六頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程●預(yù)測編碼是根據(jù)離散信號之間存在著一定關(guān)聯(lián)性的特點(diǎn)，利用前面一個(gè)或多個(gè)信號預(yù)測下一個(gè)信號進(jìn)行，然后對實(shí)際值和預(yù)測值的差（預(yù)測誤差）進(jìn)行編碼。如果預(yù)測比較準(zhǔn)確，誤差就會(huì)很小。在同等精度要求的條件下，就可以用比較少的比特進(jìn)行編碼，達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的。

■差分脈沖編碼調(diào)制

■自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法7.2.2預(yù)測編碼第二十七頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程7.2數(shù)據(jù)壓縮編碼算法7.2.3變換編碼●變換編碼是指先對信號進(jìn)行某種函數(shù)變換，從一種信號變換到另一種信號，然后再對信號進(jìn)行編碼。變換編碼系統(tǒng)中壓縮數(shù)據(jù)有變換、變換域采樣和量化三個(gè)步驟。變換本身并不進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，它只把信號映射到另一個(gè)域，使信號在變換域里容易進(jìn)行壓縮，變換后的樣值更獨(dú)立有序。這樣，量化操作通過比特分配可以有效地壓縮數(shù)據(jù)?！褡儞Q編碼是一種有損編碼的方法。第二十八頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程●電話語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)

●調(diào)幅廣播語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)

●高保真立體聲的寬帶音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)

7.3常見多媒體數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)7.3.1音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)第二十九頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程●JPEG標(biāo)準(zhǔn)●JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)7.3常見多媒體數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)7.3.1靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)第三十頁，共三十四頁。?教學(xué)進(jìn)程●MPEG標(biāo)準(zhǔn)

●H.26X標(biāo)準(zhǔn)7.3常見多媒體數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)7.3.1動(dòng)態(tài)圖像和視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)第三十一頁，共三十四頁。?END1.

多媒體數(shù)據(jù)為什么需要進(jìn)行壓縮？2.

多媒體數(shù)據(jù)為什么能進(jìn)行壓縮？3.

多媒體數(shù)據(jù)存在哪些類型的冗余？4.

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可分為哪幾類？各有什么特點(diǎn)？5.

如何衡量一種數(shù)據(jù)壓縮方法？6.

簡述行程編碼過程。7.

簡述哈夫曼編碼