压缩编码标准.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,6,章 多媒体数据的压缩,6.1,数据压缩概述,数据压缩的必要性,数据冗余,6.2,数据压缩的基本原理,信息编码基础,数据压缩方法,6.3,数据压缩的编码算法,统计编码（,行程编码 哈夫曼编码 算术编码）,预测编码,变换编码,6.4,常用多媒体数据压缩标准,音频压缩编码标准,静态图像压缩标准,动态图像压缩标准视频压缩编码标准,6.1,数据压缩概述,1,、,压缩的必要性,声音、图像、视频和动画的数据量太大,声音,1,分钟立体声音乐采样频率为,44.1KHZ,，,16,位量化精度的数据量为,44.1*1000*16*2 *60/8=10.09MB,存储一首,4,分钟的歌曲约需,40MB,图像,1,副,640*480,的,RGB,彩色图像的存储容量为,640*480*24/8 =900KB,视频,1,秒钟（,25,帧,/,秒）的视频数据量为,25*900KB=21.97 MB,1,张,650MB,的,CD ROM,光盘只能存储约,650/21.97=29.59,秒的视频,2,数据冗余,空间冗余：图像内部相邻像素之间的相关性,时间冗余：视频序列中前后帧之间的相关性,视觉或听觉冗余（人眼或人耳具有一定的掩蔽效应）,知识冗余（具有规律性的结构，用于图像理解上，如人脸）,统计冗余（出现的频率具有一定的规律性，如元音多，有些辅音很少出现）,结构冗余（具有纹理结构的图像区域）,信息熵冗余（又叫编码冗余，用相同位数进行编码产生的冗余）,6.2,数据压缩的基本原理,1,、信息编码基础,压缩的实质：,根据数据的内在联系将数据从一种编码映射为另一种编码，又叫,压缩编码,。,编码器,（压缩）,存储器,或网络,解码器,（解压缩）,输入数据,输出数据,数据压缩过程,数据压缩方法的衡量指标,压缩率：越大越好,压缩质量：数据失真越小越好,压缩与解压缩的速度：速度越快越好,2,、数据压缩方法,无损压缩,有损压缩,混合编码,预测编码,变换编码,PCM,编码,DPCM,编码,ADPCM,编码,帧间预测编码,离散余弦变换,K-L,变换,小波变换,JPEG,MPEG,H.261,行程,编码,哈夫曼,编码,算术编码,香农编码,LZW,编码,统计编码,6.3,数据压缩的编码算法,一、无损压缩：,减少或去除数据中的冗余，可以无失真地还原成原来的数据，一般适合压缩数据或程序，但是压缩比较小，一般在,2,：,1,到,5,：,1,之间。,序号,编码方法,基本原理,1,行程编码,将重复出现的数值序列采用出现次数和单个数值来表示,2,哈夫曼编码,利用不同码字出现的概率不同，出现概率大的码字短，出现概率小的码字长。,3,算术编码,将编码的消息表示成,0,到,1,之间的一个间隔，消息越长，间隔就越小，编码所需二进制位数越多。,1.,行程编码（游程编码）,原理,:,将连续相同的数据序列用重复次数和单个数据来表示。,应用：,用于图像文件的压缩（尤其适合于由计算机生成的图像）如,bmp,和,tiff,等图像格式。,（,1,）多值信息的编码,编码格式：信息重复次数,+,被重复的信息,例：字符串为：,atttefppppppddddss,行程编码为：,a3tef6p4d2s,（,2,）二值信息的编码,编码格式：,0,或,1,重复的次数,例如二进制数据流为,000111111000001111,假设行程约定以,0,开始，则编码为：,3654,若约定以,1,开始，则编码为：,03654,2.,哈夫曼（,Huffman,）编码,算法步骤：,（,1,）按照符号出现的概率大小进行排序,（,2,）把最小的两个概率值相加，得到一个新的概率序列,（,3,）重复上述两个步骤，直到概率值为,1,（,4,）从后往前进行编码，概率大的赋予,1,，概率小的赋予,0,。（反过来也可以,),（,5,）写出每个符号的码字,例,1,：字母,A B C D E,出现的概率分别为,0.15,、,0.25,、,0.1,、,0.37,和,0.13,，,其哈夫曼编码为：,P(C)=0.1,P(E)=0.13,P(CE)=0.23,P(A)=0.15,P(ACE)=0.38,P(B)=0.25,P(D)=0.37,P(BD)=0.62,P(ACEBD)=1,0,0,0,0,1,1,1,1,A:00,B:10,C:010,D:11,E:011,假设共有,100,个字符,若采用等长编码，每个字符至少需要,3,位二进制，,100,个字母需要,300,位，采用哈夫曼编码则只需要,15*2+25*2+10*3+37*2+13*3=223,位。,压缩比为,300,：,223=1.34,：,1,例,2,：字母,A B C D E,出现的概率分别为,0.53,、,0.25,、,0.07,、,0.05,和,0.1,，,其哈夫曼编码为：,A:1,B:01,C:0011,D:0010,E:000,若采用等长编码，至少需要,3,位二进制，,100,个字母需要,300,位，采用哈夫曼编码则需要,:,53*1+25*2+7*4+5*4+10*3=181,位,压缩比为,300,：,181=1.65:1,0,P(E)=0.1,P(D)=0.05,P(C)=0.07,P(DC)=0.12,P(EDC)=0.22,P(B)=0.25,P(EDCBA)=1,0,0,0,1,1,1,P(EDCB)=0.47,P(A)=0.53,0,1,3,、算术编码,编码原理：,将被编码信源表示为,0,，,1,）区间的一个实数，根据各符号出现的概率构造其所在区间，随着信息字符的不断出现，其所在区间越来越小，对应表示的实数也越来越小，那么表示这一消息所需的二进制位数就越多。,例,：,假设一个,4,个符号的信源,A=a1,，,a2,，,a3,，,a4,，各符号出现的概率及起始编码区间如下表。,信号字符,出现概率,编码范围,a1,0.2,0,0.2),a2,0.4,0.2,0.6),a3,0.2,0.6,0.8),a4,0.2,0.8,1.0),如果要传送的消息为,a1a2a3a2,，算术编码过程为：,区间计算方法：,新区间起始位置：,前面区间起始位置,+,当前区间左端*前面区间长度,新区间长度：,当前符号的概率*前面区间长度,a1,，取值区间为,0,，,0.2),a2,，起点：,0+0.2*0.2=0.04,，长度,0.4*0.2=0.08,，新区间为,0.04,，,0.12),a3,，起点：,0.04+0.6*0.08=0.088,，长度,0.2*0.08=0.016,，新区间为,0.088,，,0.104),a2,，起点：,0.088+0.2*0.016=0.0912,，长度,0.4*0.016=0.0064,，新区间为,0.0912 0.0976),信息：,a,1,a,2,a,3,a,2,信源符号,0.2 0.12 0.104 0.0976,0 0.04 0.088 0.0912,输出区间内任一数,编码区间,a4,a3,a2,a1,0.2,0.6,0.8,0,1,二、,有损压缩：,压缩时会丢失部分数据，且丢失的数据无法恢复。是不可逆的压缩，即解压缩以后的数据与原始数据不完全一致。,序号,编码方法,基本原理,1,PCM,编码,（脉冲编码调制）,将模拟量经过采样、量化和编码得到其数字编码。,2,预测编码,根据算法模型，用已有的样本值对新样本进行预测，得到一个预测值，将实际值与预测值相减得到预测误差，再,对该误差值进行编码，,如果预测越准确，误差值就越小（那误差的幅度肯定小于原始信号），那编码所需的位数就可以减少，达到压缩的目的。,3,变换编码,将原始信号从一个域（如时间域）变换到另一个域（如频率域），然后对变换后的信号进行编码。主要用于图像数据的压缩。,1.PCM,（,Pulse Code Modulation,脉冲编码调制）,采样：,按固定时间间隔获取一个样本值,量化：,按允许的误差将样本对应到近似的数值（幅度上的离散化）。有均匀量化和非均匀量化。,编码：,用二进制代码表示采样量化后的样本值。,2.,预测编码,（,1,）,DPCM,（差分脉冲编码调制）,编码器,量化器,输入,预测器,编码器,信道,信道,s,+,-,e,e,+,+,s,s”,编码器,预测器,+,+,s,s”,e,输出,解码器,原始信号为：,s,，预测器产生的预测值为：,s”,预测误差：,e=,s-s,”,发送端：,发送经过量化的误差,e,接收端：,用相同的预测器获得预测值,s”,输出,s=,s”+e,最终误差为：,s-s,=,s”+e-s,=,e (,s-s,”)=,e-e,（即量化器产生的量化误差）,（,2,）,ADPCM,（自适应脉冲编码调制）,自适应量化：,当信号分布不均匀时，能随输入信号的变化改变量化区间的大小。,自适应预测：,采用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，得到最小的实际样本值与预测值之间的差值。,（,3,）帧间预测编码,利用视频图像各帧之间的时间相关性，减少帧内图像信号的冗余，即不直接传送当前帧的像素值，而是传送,x,和其前一帧或后一帧对应像素,x,之间的差值。,运动补偿的帧间预测,帧间内插法,（,4,）线性预测编码（,Linear Predictive,Coding,LPC,）,采用过去的样本值，以一种前向反馈的方式预测当前采样值，预测值可以用过去,p,个样本值的线性组合来表示。该方法被广泛应用于,语音处理,。,3.,变换编码,将图像信号从一个域（如时间域）变换到另外一个域（如频率域），然后对变换后的信号进行量化与编码。,正交变换前两个样本的联合事件,正交变换后两个样本的联合事件,例,:,有两个相邻的数据样本,x1,和,x2,每个样本采用,3bit,编码,各自都有,8,个幅度等级,两个样本的联合事件共有,64,种可能,用,64,个点表示。对一般的像来说,两个相邻的数据样本很有可能出现近似的幅度,即很可能出现在,x1=x2,直线附近。,对该数据进行正交变换，将坐标系逆时针,旋转,45,度，在新坐标系中,y1,对应到,x1=x2,这条,直线，那么变换后的数据样本集中在,y1,轴上，,对这部分数据进行量化、编码和传输，其他,数据不做处理，这样就达到了压缩数据的目的,。,常用的变换编码方法有：,1,、,K-L,变换,2,、傅立叶变换,3,、离散余弦变换等,1,电话语音压缩标准,数据：,带宽为,200Hz,3.4kHz,，采样频率为,8kHz,，,8,位量化，传输速率为,64kb/s,语音压缩标准,：,G.722,（,64kb/s,）、,G.721,（,32kb/s,）、,G.728,（,16kb/s,）和,G.729,（,8kb/s,）,应用：,数字电话通信。,6.4,常用多媒体数据压缩标准,6.4.1,音频压缩标准,2.,调幅广播语音压缩标准,数据：,带宽为,50hz,7khz,的调幅广播语音，使用,16kHz,采样频率和,14,位量化位数时，所对应的速率为,224kb/s,。,语音压缩标准,：,G.722,应用：,优质语音、音乐、音频会议和视频会议等。,3,高保真立体声的宽带音频压缩标准,数据：,采样频率,44.1kHz,，用,16,位量化，速率为每声道,705 kb/s,。,语音压缩标准,：,MPEG,音频,MPEG-1,音频：,层,（简化的,ASPEC,）,层,（即,MUSICAM,，又称,MP2,）,层,（又称,MP3,）。,MPEG-2,音频：多声道，,5.1,声道形式及,7.1,声道形式,应用：,影剧院、家庭影院系统，及将来的高清晰度电视（,HDTV,）,。,6.4.2,静态图像压缩标准,JPEG,（,joint photographic experts group,）联合照片专家组,1.JPEG,标准,适应于彩色和单色多灰度或连续色调的静止数字图像。支持很高的图像分辨率和量化精度，具有较高的压缩比和图像质量。包含了基于,DCT,的有损压缩方法和基于预测方法的无损压缩方法。,2.JPEG2000,标准,特征：支持,低比特率传输，支持无损和有损压缩，象素精度和分辨率的渐进式传输，感兴趣域编码，随机码流访问和处理。,经典算法：,包含三个部分：小波变换、画布坐标系统、嵌入式优化截断编码（,EBCOT,）。,压缩标准,屏幕比例,分辨率,帧频,备注,MPEG-1,4,：,3,352x240,29.97,NTSC,制式,MPEG-1,4,：,3,352x288,25,PAL,制式,MPEG-2,4,：,3,720480,29.97,NTSC,制式,MPEG-2,4,：,3,720576,25,PAL,制式,HDTV,16,：,9,1920*1080p,60,逐行，但并没有信号源,HDTV,16,：,9,1920*1080i,60,隔行扫描，中国标准,HDTV,16,：,9,1280*720p,60,逐行，中国标准,6.4.3,运动图像和视频压缩编码标准,MPEG,：运动图像专家组（,Moving Picture Experts Group,）,MPEG,标准和,HDTV,标准,视频压缩标准,1,H.261,和,H.263,标准,国际电信联盟电信标准组织,ITU-T,制定,H.261,：,主要用来支持在,ISDN,上进行可视电话、视频会议和其它视听服务。,H.263,：,主要用于公共电话交换网络（,PSTN,）上的视频会议和其它可视化服务，旨在以尽可能低的码率（,64kpbs,以下）进行通信。,2,H.26L,标准,在所有码率下都能持续提供较高的视频质量。,支持的图像格式常用的有,CIF,和,QCIF,。,更高的压缩效率，更灵活的网络适应性，增强对于差错的鲁棒性。,3,AVS,标准,2002.6,国家信息产业部科学技术司批准成立,数字音视频编解码技术标准工作组,，简称,AVS,工作组。,2006.3,成为中国,音视频编解码技术标准。,2007.5,成为国际上四个可选视频编码标准之一。,