第二章-多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)

第二章多媒體數(shù)據(jù)壓縮

編碼技術(shù)

1.第一節(jié)多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼概述

一、數(shù)據(jù)壓縮與多媒體壓縮二、醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)壓縮2.一、數(shù)據(jù)壓縮與多媒體壓縮數(shù)據(jù)壓縮就是以最少的數(shù)碼表示信源所發(fā)的信號(hào)，以減少容納給定消息集合或數(shù)據(jù)采樣集合的信號(hào)空間，通過減少計(jì)算機(jī)中所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或者通信傳播中數(shù)據(jù)的冗余度，達(dá)到增大數(shù)據(jù)密度，最終使數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間減少的技術(shù)。

3.數(shù)字圖像壓縮的出現(xiàn)二十世紀(jì)末，人類社會(huì)開始進(jìn)入到數(shù)字化時(shí)代，數(shù)字圖像技術(shù)作為數(shù)字技術(shù)的重要組成部分，將人們帶入了嶄新的多媒體世界。隨著科學(xué)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)圖像信息的需求也越來越大。在多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電子出版、視頻會(huì)議、數(shù)字化圖書館等許多領(lǐng)域，數(shù)字圖像都有著廣泛的應(yīng)用。4.圖像的壓縮與解碼圖像數(shù)據(jù)一般的都存在各種信息的冗余，如空間冗余、信息熵冗余、視覺冗余、結(jié)構(gòu)冗余等。想辦法去掉各種冗余，保留真正有用的信息，就是圖像壓縮。把信號(hào)進(jìn)行壓縮的過程常稱為圖像編碼，恢復(fù)原圖像的過程常稱為解碼。5.圖像壓縮領(lǐng)域常用的編碼有：1.信息保持編碼：主要應(yīng)用于圖像數(shù)字存儲(chǔ)方面。要求：無失真編碼。2.保真度編碼：主要應(yīng)用于數(shù)字電視技術(shù)和靜止圖像通信方面。要求：在保證保真度的條件下允許一定的失真。3.特征提?。褐饕獞?yīng)用于一些圖像識(shí)別和分析技術(shù)中，要求：對(duì)需要的特征信息進(jìn)行編碼，就可以壓縮圖像數(shù)據(jù)。

6.二、醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)壓縮

醫(yī)學(xué)圖像壓縮得以實(shí)施的兩個(gè)主要依據(jù)：醫(yī)學(xué)圖像的統(tǒng)計(jì)特性和人類視覺特性

1.利用圖像本身固有的統(tǒng)計(jì)特性來減少原始醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)中的冗余信息，采用某種編碼方法減小原始圖像文件的大小。

2.由于人類的視覺系統(tǒng)能從極為雜亂的圖像中抽象出有意義的信息，并以非常精煉的信息形式傳到大腦，而且視覺系統(tǒng)對(duì)圖像中的不同部分的敏感程度是不同的，可以利用人類的視覺特性去除醫(yī)學(xué)圖像中對(duì)信息傳輸和整合影響小的部分，獲取較大的壓縮比。7.醫(yī)學(xué)圖像存在的冗余

1.空間冗余:取決于醫(yī)學(xué)圖像中圖案粗細(xì)程度的冗余。

2.時(shí)間冗余:取決于醫(yī)學(xué)圖像隨時(shí)間變化程度的冗余。

3.結(jié)構(gòu)冗余:把醫(yī)學(xué)圖像看作是區(qū)域集時(shí)產(chǎn)生的冗余。8.

4.知識(shí)冗余:與收發(fā)端所共有的知識(shí)相關(guān)聯(lián)的冗余。

5.熵冗余:像素灰度值出現(xiàn)概率不均勻產(chǎn)生的冗余。

6.視覺冗余:由于人的視覺分辨有限性產(chǎn)生的冗余。

7.其他冗余:由于醫(yī)學(xué)圖像非平穩(wěn)性產(chǎn)生的冗余。9.可以把醫(yī)學(xué)圖像信號(hào)看成有用信息和冗余信息的結(jié)合，其壓縮通過編碼器實(shí)現(xiàn)10.第二節(jié)數(shù)據(jù)壓縮編碼的基本原理

一、圖像的可壓縮理論二、圖像壓縮性能評(píng)價(jià)三、圖像冗余度和編碼效率11.一、圖像的可壓縮理論

數(shù)據(jù)壓縮的理論研究始于香農(nóng)的信息論。1948年香農(nóng)在其經(jīng)典論文《通信的數(shù)學(xué)原理》中首次提到信息率——失真函數(shù)概念，1959年又進(jìn)一步確立了失真率理論，從而奠定了信源編碼的理論基礎(chǔ)。壓縮編碼的理論基礎(chǔ)是信息論。從信息論的角度看，信息定義為“用來消除不確定性的東西”。壓縮是去掉信息中的冗余部分，也就是確定的或可推知的部分，用一種更接近信息本質(zhì)的描述來代替原有冗余的描述。12.二、圖像壓縮性能評(píng)價(jià)

在圖像壓縮編碼中，解碼圖像與原始圖像可能會(huì)有差異，因此，需要評(píng)價(jià)壓縮后圖像的質(zhì)量。描述解碼圖像相對(duì)原始圖像偏離程度的測(cè)度一般稱為保真度（逼真度）準(zhǔn)則。常用的準(zhǔn)則可分為兩大類：客觀保真度準(zhǔn)則和主觀保真度準(zhǔn)則。13.1.客觀保真度準(zhǔn)則最常用的客觀保真度準(zhǔn)則是解碼圖像和原始圖像之間的均方誤差和均方根信噪比。代表大小為M*N的原始圖像，代表解壓縮后的圖像，對(duì)任意x和y，和之間的誤差定義為：14.則均方根誤差如果將看作原始圖像和e(x,y)的和，那么解壓圖像的均方根信噪比為：15.如果令則可得到峰值信噪比16.2.主觀保真度準(zhǔn)則盡管客觀保真度準(zhǔn)則提供了一種簡(jiǎn)單、方便的評(píng)估信息損失的方法，但很多解壓圖像最終是供人觀看的。對(duì)具有相同客觀保真度的不同圖像，人的視覺可能產(chǎn)生不同的視覺效果。這是因?yàn)榭陀^保真度是一種統(tǒng)計(jì)平均意義下的度量準(zhǔn)則，對(duì)于圖像中的細(xì)節(jié)無法反映出來，而人的視覺能夠覺察出來。這種情況下，用主觀的方法來評(píng)價(jià)圖像的質(zhì)量更為合適。17.三、圖像冗余度和編碼效率

根據(jù)香農(nóng)信息保持編碼定理，假設(shè)某無干擾信息源的熵值為H(x),如果能找到一種編碼方法，其編碼平均長度存在一個(gè)下限，這個(gè)下限是信源信息熵H(x)，即最佳信息保持編碼的平均碼長無限接近信源熵值。若原始圖像平均碼長為，則18.為灰度級(jí)i對(duì)應(yīng)的碼長，為灰度級(jí)i出現(xiàn)的概率。圖像的冗余度可定義為：編碼效率則定義為：19.第三節(jié)常用數(shù)據(jù)壓縮編碼算法

一、統(tǒng)計(jì)編碼二、預(yù)測(cè)編碼三、變換編碼20.一、統(tǒng)計(jì)編碼

統(tǒng)計(jì)編碼原理根據(jù)信息論的觀點(diǎn)，信元的冗余度是由于信源本身所具有的相關(guān)性和和信源內(nèi)事件概率分布的不均勻性產(chǎn)生的。因此，圖像的統(tǒng)計(jì)編碼方法就是利用信源的統(tǒng)計(jì)特性，去除其內(nèi)在的相關(guān)性和改變概率分布的不均勻性，從而實(shí)現(xiàn)圖像信息的壓縮。21.哈夫曼編碼哈夫曼編碼是50年代提出的一種基于統(tǒng)計(jì)的無損編碼方法，哈夫曼于1952年提出了一種不等長編碼方法，這種編碼的碼字長度的排列與符號(hào)的概率大小的排列是嚴(yán)格逆序的，理論上已經(jīng)證明其平均碼字最短，因此被稱為最佳碼。靜態(tài)哈夫曼編碼使用一棵依據(jù)字符出現(xiàn)的概率事先生成好的編碼樹進(jìn)行編碼。而動(dòng)態(tài)哈夫曼編碼需要在編碼的過程中建立編碼樹。由于哈夫曼編碼所得到的平均碼字長度可以接近信源的熵，故也稱為熵編碼。22.二、預(yù)測(cè)編碼

預(yù)測(cè)編碼(predictivecoding)實(shí)際上是基于圖像數(shù)據(jù)的空間冗余特性的，用相鄰的已知像素(或像素塊)來預(yù)測(cè)當(dāng)前像素(或像素塊)的值，然后再對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化和編碼，這些相鄰像素或像素塊可以是同行的，也可以是前幾行的，相應(yīng)的預(yù)測(cè)編碼分別稱為一維和二維預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)編碼的關(guān)鍵在于預(yù)測(cè)算法的選取，這與圖像信號(hào)的概率分布很有關(guān)系。實(shí)際中常根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來設(shè)計(jì)最佳的預(yù)測(cè)器，有時(shí)還使用自適應(yīng)預(yù)測(cè)器以刻畫圖像信號(hào)的局部特性，從而提高編碼效率。23.三、變換編碼

變換編碼((Transformcoding)是通過信號(hào)變換來消除圖像數(shù)據(jù)空間相關(guān)性的一種有效方法。盡管圖像變換本身不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，但由于變換后系數(shù)之間的相關(guān)性明顯降低，圖像的大部分能量只集中在少數(shù)變換系數(shù)上，采用適當(dāng)?shù)牧炕挽鼐幋a方法就可以有效地壓縮圖像的數(shù)據(jù)量。而且圖像經(jīng)過某些變換后，系數(shù)的空間分布和頻率分布特性與人眼的視覺特性相符合，因此可以利用人類視覺系統(tǒng)的生理和心理特點(diǎn)來得到較好的編碼系統(tǒng)。24.變換編碼將給定的圖像變換到另一個(gè)數(shù)據(jù)域(如頻域)上，使得大量的信息能用較少的數(shù)據(jù)來表示，從而達(dá)到壓縮的目的。變換編碼有很多，如：①離散傅立葉變換(DiscreteFourierTransform,簡(jiǎn)稱DFT)②離散余弦變換(DiscreteCosineTransform,簡(jiǎn)稱DCT)③離散哈達(dá)瑪變換(DiscreteHadamardTransform,簡(jiǎn)稱DHT)④特征向量變換(Karhunen-Loeve，簡(jiǎn)稱K-L)25.第四節(jié)數(shù)據(jù)壓縮編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)

一、靜態(tài)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)——JPEG二、運(yùn)動(dòng)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)——MPEG26.一、靜態(tài)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)——JPEG

（一）JPEGJPEG(JointPhotographicExpertGrout)標(biāo)準(zhǔn)是由IS0的聯(lián)合攝影專家組制定的，1986年成立專家組，1992年完成的標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱JPEG標(biāo)準(zhǔn)，用于靜止圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于各種分辨率和格式的連續(xù)色調(diào)圖像的壓縮，可將24位單幀彩色圖像，壓縮到2位而仍然具有較好的圖像質(zhì)量。27.JPEG主體壓縮技術(shù)采用3種編碼系統(tǒng)：

1.基于DCT(DiscreteCosineTransform)的有損壓縮基本編碼系統(tǒng)，可適用于絕大多數(shù)壓縮應(yīng)用場(chǎng)合。

2.用于高壓縮、高精確度漸進(jìn)重建應(yīng)用的擴(kuò)展編碼系統(tǒng)。

3.獨(dú)立的無損壓縮系統(tǒng)，應(yīng)用于失真場(chǎng)合。28.JPEG算法共有四種運(yùn)行模式，其中一種是基于空間預(yù)測(cè)(DPCM)的無損壓縮算法，另外三種是基于DCT的有損壓縮算法。1.無損壓縮算法，可以保證無失真的重構(gòu)原始圖像。2.基于DCT的順序模式，按從上到下，從左到右的順序?qū)D像進(jìn)行編碼，稱為基本系統(tǒng)。3.基于DCT的漸進(jìn)模式，指對(duì)一幅圖像按由無損到有損進(jìn)行編碼。4.分層模式，以各種分辨率對(duì)圖像進(jìn)行編碼，可以根據(jù)不同的要求，獲得不同分辨率的圖像。29.（二）JPEG2000與JPEG標(biāo)準(zhǔn)相比，JPEG2000有了一個(gè)很大的飛躍，它有許多原來的標(biāo)準(zhǔn)所不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。JPEG2000與傳統(tǒng)的JPEG最大的不同，在于它放棄了JPEG所采用的以DCT變換為主的分塊編碼方式，而改為以小波變換為主的多分辨率編碼方式。JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)還充分考慮了人眼視覺特性，增加了視覺權(quán)重和掩膜，這樣在不損害視覺效果的情況下，可以大大提高壓縮效