自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制

自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制第1頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1概述幾十年來(lái)，人們一直致力于壓縮數(shù)字化語(yǔ)音占用頻帶的工作，也就是在相同質(zhì)量指標(biāo)下，努力降低數(shù)字化語(yǔ)音比特率，以提高數(shù)字通信系統(tǒng)的頻帶利用率語(yǔ)音壓縮方法有DPCM

SBCATCCELPMPLPCVQADPCMADPCM在更低的碼率下(16-8kbps)，質(zhì)量明顯下降第2頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2DPCM基本原理第3頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3ADPCM基本原理極點(diǎn)預(yù)測(cè)器預(yù)測(cè)誤差濾波器重建濾波器第4頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.4語(yǔ)音壓縮編碼原理框圖第5頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

語(yǔ)音編碼技術(shù)概述語(yǔ)音編碼：移動(dòng)通信數(shù)字化的基礎(chǔ)第1/2代蜂窩系統(tǒng)根本區(qū)別語(yǔ)音編碼的意義：提高通話質(zhì)量(數(shù)字化+信道編碼糾錯(cuò))提高頻譜利用率(低碼率編碼)提高系統(tǒng)容量(低碼率，語(yǔ)音激活技術(shù))第6頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

語(yǔ)音編碼分類語(yǔ)音編碼器波形編碼器參量編碼器頻域時(shí)域非差分子帶編碼自適應(yīng)變換域編碼差分PCMDPCMM連續(xù)可變斜率MADPCMAPC線性預(yù)測(cè)編碼聲碼器信道聲碼器共振峰聲碼器倒頻譜聲碼器語(yǔ)音激勵(lì)聲碼器多脈沖激勵(lì)LPC碼本激勵(lì)LPC矢量和激勵(lì)LPC第7頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

語(yǔ)音編碼分類波形編碼：將時(shí)域模擬話音的波形信號(hào)進(jìn)過(guò)采樣、量化和編碼形成數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)---《現(xiàn)代通信原理》編碼速率較高，16k~64k包括：PCM，ADPCM，M，CVSDM，APC等占用較高帶寬，適合有線參量編碼：基于人類語(yǔ)音的產(chǎn)生機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)輸入語(yǔ)音得出模型參數(shù)并傳輸，在收端恢復(fù)。編碼速率較低，1.2~4.8kbps包括各種線形預(yù)測(cè)編碼(LPC)方法和余弦聲碼器語(yǔ)音質(zhì)量中等，不滿足商用要求混合編碼：波形編碼+參量編碼(LPAS)包括GSM的RPE-LPC編碼和VSELP編碼第8頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

語(yǔ)音編碼的標(biāo)準(zhǔn)G.711PCM(64kbps)G.721ADPCM(32kbps)G.7227kHz帶寬64kbps速率內(nèi)的音頻編碼G.7236.3k/5.6k雙速率多媒體語(yǔ)音編碼G.72816kbps語(yǔ)音編碼LD-CELPG.7298kbps多媒體語(yǔ)音編碼第9頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

語(yǔ)音編碼的發(fā)展極低速率語(yǔ)音編碼，600bps高保真語(yǔ)音編碼自適應(yīng)多速率語(yǔ)音編碼新的編碼分析技術(shù)：非線形預(yù)測(cè)多精度時(shí)頻分析技術(shù)(子波分析技術(shù))高階統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)第10頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

線形預(yù)測(cè)編碼的原理原理：模型化人類語(yǔ)音信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)制，提取模型參數(shù)，并且只傳輸模型的參數(shù)。語(yǔ)音信號(hào)的產(chǎn)生模型：語(yǔ)音的產(chǎn)生，聲帶和聲道不同語(yǔ)音產(chǎn)生的原因：聲音激勵(lì)源和聲道不同聲音分類：濁音和清音發(fā)聲過(guò)程口腔和鼻腔形成時(shí)變?yōu)V波器第11頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

清音和濁音清濁音頻譜清濁音信號(hào)第12頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

語(yǔ)音產(chǎn)生模型語(yǔ)音模型的建立：1.產(chǎn)生激勵(lì)，2.響應(yīng)模型參數(shù)：基音，共振峰頻率及強(qiáng)度，清濁音判決低碼率編碼碼率降低有限合成的語(yǔ)音波形失去了自然度和音質(zhì)周期脈沖發(fā)生器隨機(jī)噪聲發(fā)生器G時(shí)變數(shù)字濾波器清/濁音開(kāi)關(guān)聲道參數(shù)基音周期第13頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月LPC語(yǔ)音編碼使誤差均方最小，可求得一組預(yù)測(cè)系數(shù){ak}，傳送：預(yù)測(cè)系數(shù)，基音周期合增益，清濁音判決第14頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.5圖像編碼變換：編碼第15頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)可壓縮的原因已有的標(biāo)準(zhǔn)第16頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為什么要變換和量化變換量化熵編碼具有優(yōu)良頻率特性的濾波器作變換工具，有利于得到平穩(wěn)的能量分布，有利于進(jìn)一步的量化處理原始信號(hào)的信息損失主要發(fā)生在量化階段，好的量化能以盡可能少的量化誤差換取最小的碼率+=高質(zhì)量編碼器

編碼與變換、量化第17頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.6DFT與DCTDFT變換結(jié)果有虛部和實(shí)部對(duì)DFT變換系數(shù)量化后，吉布斯效應(yīng)明顯把x(n)對(duì)稱延拓，可以消除其中的虛部，得到DCT變換第18頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

正交變換的一個(gè)例子假設(shè)圖象的大小只有一個(gè)4×4的塊，即一共16個(gè)點(diǎn)，其中每個(gè)象素點(diǎn)都有一定的值，我們把這個(gè)值叫灰度值。對(duì)圖象而言，這些值為0~255之間的整數(shù)。假設(shè)一幅4×4的圖象，它的灰度值如下：

第19頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月下面我們對(duì)這個(gè)4×4的圖象做變換，變換矩陣我們選：一般我們希望它是正交矩陣，即變換矩陣和它的逆矩陣的乘積，為單位矩陣，即：第20頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)上述圖像作變換，可以驗(yàn)證：我們希望這個(gè)過(guò)程是可逆的，即可以驗(yàn)證：

=

第21頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

二維4×4DCT變換若

表示矩陣對(duì)應(yīng)元素相乘，d=b/c，那么上式可以表示為時(shí)，為最優(yōu)變換矩陣第22頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在這里，d取5／2，非常接近最優(yōu)值此時(shí)，，得到整數(shù)變換矩陣的正變換為：

二維4×4DCT整數(shù)變換第23頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

二維4×4DCT變換與量化對(duì)于9比特的預(yù)測(cè)誤差數(shù)據(jù)做變換，變換矩陣每一行絕對(duì)值之和的最大值為14，因此對(duì)于變換后的矩陣元素需要位來(lái)表示?，F(xiàn)在大多數(shù)處理裝置（如CPU，DSP）為32位寬，用上述變換進(jìn)行處理就沒(méi)有數(shù)據(jù)溢出的危險(xiǎn)。

一旦得到變換后的系數(shù)，我們就可以對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行量化操作。對(duì)于某個(gè)量化步長(zhǎng)QStep，對(duì)應(yīng)一個(gè)量化參數(shù)Q，量化參數(shù)Q的取值范圍為0到44整數(shù)，量化就是把變換得到的結(jié)果都除以QStep：

第24頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可以得到：其中，，floor表示向負(fù)無(wú)窮取整。量化參數(shù)Q與量化步長(zhǎng)QStep的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。從表1中可以看出，量化參數(shù)Q每增加5時(shí)，量化步長(zhǎng)QStep就隨之翻倍增加?？梢缘玫降?5頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Q01234567891011…QStep

0.6250.68750.81250.87511.251.3751.6251.7522.52.75…Q…14…19…24…29…34…39…QStep

…4…8…16…32…64…128…表1量化參數(shù)Q與量化步長(zhǎng)QStep的對(duì)應(yīng)關(guān)系

第26頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Moret首先提出了小波的概念(Moret小波函數(shù)是Grossmann和Morlet在1984年提出的)，在很多學(xué)者的共同努力下，小波理論得到了完善和發(fā)展。特別是Mallat，他提出的多分辨率分析(Multiresolutionanalysis,MRA)理論，對(duì)小波構(gòu)造理論起到了十分重要的作用。

1976年，Crochiere等人首先把子帶編碼應(yīng)用于語(yǔ)音編碼。在語(yǔ)音編碼中，用作頻譜QMF(Quadraturemirrorfilter)濾波器能夠很好地解決過(guò)度帶頻率混疊問(wèn)題，而且很自然地，人們把QMF引入二維信號(hào)處理。子帶就是小波分解后，得到不同的頻帶分量的時(shí)域或者空域表現(xiàn)。子帶編碼的基本思想是，把信號(hào)分成多個(gè)子帶，然后對(duì)各個(gè)子帶進(jìn)行編碼。4.2.7小波變換與QMF第27頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月QMF濾波器混疊問(wèn)題(aliasing)從信號(hào)處理角度看：QMF濾波器能夠很好地解決過(guò)度帶頻率混疊問(wèn)題。假設(shè)：得到：同理：第28頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

小波分解從函數(shù)正交分解角度看：小波分解能夠很好地解決信號(hào)的重構(gòu)問(wèn)題。Meyer于1985-1986年度在Boubaki研討會(huì)上提出了二進(jìn)小波概念，完善了QMF濾波器的理論，為QMF把頻譜以二分分解提供了理論依據(jù)。對(duì)于具有緊支的標(biāo)準(zhǔn)正交函數(shù)系，任何連續(xù)可積函數(shù)的取樣值為：

那么，x(t)可以寫成：

由于(t-n)對(duì)不同的n正交，對(duì)x(t)的小波分解算法可以寫成：

可以證明，(t-n)對(duì)不同的n正交，等價(jià)于：

第29頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Mallat提出了多分辨率分析(Multiresolutionanalysis,MRA)理論，希望得到圖象3個(gè)方向的紋理特征，以便機(jī)器識(shí)別第30頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

小波和QMF的比較完備性概念具有相同的信號(hào)完全重構(gòu)的條件具有相同的信號(hào)分解和重構(gòu)的算法小波分解采用的是L2空間中完備的正交基小波理論，能構(gòu)造出相同抽頭(Taps)下，不同性能的濾波器小波分析有更廣泛的應(yīng)用，除了編碼，還能用在信號(hào)檢測(cè)、微分方程、曲面擬合等領(lǐng)域。第31頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

正交小波的構(gòu)造第32頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)MRA的思想，Daubechies設(shè)計(jì)了正交性能良好的高低通濾波器組，但是它們不對(duì)稱即不滿足線性相位，因此不能完全重構(gòu)圖象的邊界第33頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

雙正交小波的構(gòu)造

第34頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3/5雙正交小波

???-1/8???-1/8第35頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3/5小波分解與重構(gòu)中的對(duì)齊問(wèn)題

x2x1x0

x1x2……xn-4xn-3xn-2xn-1xn-2ck-1/81/43/41/4-1/8…………-1/81/43/41/4-1/8

dk(-1)n1/41/21/4…………1/41/21/40c00c10c2…….cn-20cn-10cn-11/41/21/4……………..1/41/21/40d00d00d1…….dn-20dn-10dn-2(-1)n-1/81/43/41/4-1/8-1/81/43/41/4-1/8分解取偶數(shù)點(diǎn)，重構(gòu)時(shí)補(bǔ)0在奇數(shù)點(diǎn)，分解時(shí)在奇數(shù)點(diǎn)，補(bǔ)0在偶數(shù)點(diǎn)。然后以邊界點(diǎn)為中心對(duì)稱延拓，分解和重構(gòu)時(shí)延拓方式是一樣的。第36頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月矢量小波(Multiwavelets)第37頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SOM多重小波具有很好的低通、帶通和高通特性，具有提高編碼質(zhì)量的潛力第38頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月零樹(shù)量化(EZWSPIHT)第39頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Wavelet與DCT的比較(Y)第40頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Wavelet與DCT的比較(UV)第41頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DCT變換編碼,17.95dBWavelet變換編碼,20.98dB小波變換可以有效的克服塊效應(yīng)第42頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(a)

Lenna原圖(b)

0.005bpp,PSNR=20.76dB

(c)0.01bpp,PSNR=22.72dB

(d)0.02bpp,PSNR=24.21dB(e)0.05bpp,PSNR=27.30dB(f)

0.1bpp,PSNR=28.81dB

小波編碼在高碼率和低碼率情況下都取得很很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果第43頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月編碼的尺寸可伸縮性編碼的質(zhì)量可伸縮性小波變換編碼具有可伸縮性第44頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小波編碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的量化手段十分有利于可伸縮性編碼和解碼

第45頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.8視頻編碼與H.264隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，欣賞數(shù)字影視成為大眾娛樂(lè)生活的重要內(nèi)容。數(shù)字影視以數(shù)字信號(hào)形式，或者說(shuō)以bit的形式在各種介質(zhì)（或者叫存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)和傳輸。我們希望在容量有限的存儲(chǔ)器內(nèi)存放更多的電影數(shù)量，或者希望在網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播中看到更流暢的電影作品。然而存儲(chǔ)器的容量或者網(wǎng)絡(luò)能提供的帶寬總是不能滿足人們不斷增長(zhǎng)的需要，這就推動(dòng)了視頻壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展。第46頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于CIF格式的視頻流，它的畫面大小是352×288個(gè)象素，每個(gè)象素點(diǎn)用8個(gè)bit來(lái)表示，對(duì)于黑白的畫面來(lái)說(shuō)，一幅畫面需要352×288×8=811,008bit，如果是彩色畫面，則需要1,216,512。為了欣賞到連續(xù)的畫面，根據(jù)人類的視覺(jué)特性，每秒差不多要播放25個(gè)這樣的畫面（或者叫幀），才不會(huì)有快鏡頭的感覺(jué)（比如象卓別林的老電影）。那么，對(duì)于一部60分鐘長(zhǎng)的電影，它需要的存儲(chǔ)量為1,216,512×25×60×60=109,486,080,000，約為13,685,760,000個(gè)字節(jié)，即13個(gè)G的存儲(chǔ)空間。市場(chǎng)上的硬盤目前流行的一般為150個(gè)G，也就是說(shuō)，這么一個(gè)硬盤里面只能放10部電影，這