第四章 多媒体数据压缩编码技术第四章 多媒体数据压缩编码技术• 多媒体数据压缩编码技术的重要性和分类• 量化• 统计编码• 预测编码• 变换编码• 多媒体数据压缩编码的国际标准

4.1.1 4.1.1 多媒体数据压缩编码技术的多媒体数据压缩编码技术的重要性和分类重要性和分类• 多媒体信息传送面临的最大难题是海量数据存储与传送电视信号数字化后的数据量问题，数据压缩是解决问题的重要途径。

多媒体数据压缩的可能性多媒体数据压缩的可能性 • 空间冗余• 时间冗余• 结构冗余• 知识冗余 • 视觉冗余 • 图像区域的相同性冗余• 纹理的统计冗余

多媒体数据压缩方法的分类多媒体数据压缩方法的分类按压缩方法分 :( 根据质量 )(1) 有损压缩(2) 无损压缩

按压缩方法分 :(1) 脉冲编码调制(2) 预测编码(3) 变换编码(4) 统计编码(5) 混合编码

量化量化• 量化原理 量化处理是使数据比特率下降的一个强有力的措施。 量化处理总是把一批输入，量化到一个输出级上，所以量化处理是多对一的处理过程，是个不可逆过程，量化处理中有信息丢失。

标量量化器的设计标量量化器的设计 • 量化器的设计要求 （ 1 ）给定量化分层级数，满足量化误差最小。（ 2 ）限定量化误差，确定分层级数，满足以尽量小的平均比特数，表示量化输出。

量化方法量化方法 • 标量量化 ：一维量化，它使用一个量化器进行量化，每个采样的量化都和其他采样无关。• 分为：均匀量化、非均匀量化和自适应量化。

• 矢量量化 ：每组 K 个数构成一个 K 维矢量，然后以矢量为单元，逐个矢量进行量化，称矢量量化。 • 矢量量化编码方法是有损编码方法。

4.3.1 4.3.1 统计编码统计编码• 信息量和信息熵的概念（ 1 ）信息：是用不确定性的量度定义的。（ 2 ）信息量：从 N 个相等可能事件中选出一个事件所需要的信息度量或含量。（ 3 ）熵：如果将信源所有可能事件信息量进行平均就得到信息的熵 ( 熵就是平均信息量 ) 。

哈夫曼编码哈夫曼编码 • 变字长编码定理 : 最佳编码定理 在变字长编码中，对于出现概率大的信息符号，编以短字长的码 , 对于出现概率小的信息符号编以长字长的码，如果码字长度严格按照符号概率的大小的相反顺序排列，则平均码字长一定小于按任何其他符号顺序排列方式得到的码字长度。

哈夫曼编码步骤哈夫曼编码步骤（ 1 ）信源符号按概率大小顺序排列，按逆次序分配码字的长度。（ 2 ）出现概率最小的两个符号概率相加合成一个新概率。（ 3 ） 将合成概率看成一个新组合符号概率，重复上述做法，直到最后只剩下两个符号概率为止。（ 4 ） 反过来逐步向前编码，每层有两个分支，分别赋予 0 和 1 ，构成 Huffman 码字。

特点特点• Huffman 编码构造出的码不唯一• Huffman 编码字长参差不齐• Huffman 编码对不同信源的编码效率是不同的• 对信源进行 Huffman 编码后，形成一个 Huffman 表

算术编码算术编码原理：• 算术编码方法是将被编码的信息表示成实数 0 和 1 之间的一个间隔。• 信息越长编码表示它的间隙就越小，表示这一间隙所须二进位就越多，• 大概率符号出现的概率越大对应于区间愈宽，可用长度较短的码字表示；• 小概率符号出现的概率越小对应于区间愈窄，需要长度较长的码字表示。

算术编码的特点：• (1) 不需要码表；• (2)当信源概率比较接近时，建议使用算术编码。• (3)JPEG 成员对多幅图进行算术编码效率可以提高 5% 。• (4)JPEG扩展系统用算术编码代替 Huffman 。• (5) 算术编码的硬件实现比哈夫曼编码要复杂些 .

4.4.1 4.4.1 预测编码预测编码 预测编码是根据某一种模型，利用以前的一个或几个样值，对当前的样本值进行预测，将样本实际值和预测值之差进行编码。

预测编码方法分类预测编码方法分类• 线性预测编码 ˆe （ i ， j ） =f （ i ， j ） - f （ i ， j ）

• 最佳线性预测ˆf （ i ， j ） =a1f （ i ， j-1 ） +a2f （ i-1 ，

j-1 ） +a3f （ i-1 ， j ）

自适应预测编码自适应预测编码1. 自适应预测ˆf （ i ， j ） =m[a1f （ i ， j-1 ） +a2f（ i-1 ， j-1 ） +a3f （ i-1 ， j ）］2. 自适应量化

帧间预测编码帧间预测编码1.条件补充法：• 若帧间各对应像素的亮度差超过阈值，则把这些像素存到缓存区中，并以恒定传输速度传输，而阈值以下的像素则不传送，在接收端中用上一帧相应的像素值代替。

• 条件次取样法 条件补充法和内插法相结合叫条件次取样法。

2.运动补偿技术 运动补偿方法是跟踪画面内的运动情况对其加以补偿之后再进行帧间预测。

预测编码方法的特点预测编码方法的特点• 算法简单，速度快，易于硬件实现• 编码压缩比不太高• 误码易于扩散，抗干扰能力差

4.5.1 4.5.1 变换编码变换编码• 变换编码是进行一种函数变换，映射变换从信号域变换到另一个信号域。

K-L 变换• 它是以统计特性为基础的，也称为特征向量变换。• 最优的正交变换：特征向量矩阵向量指向数据变化最大的方向。• 缺点：计算过程复杂，变换速度慢。

离散余弦变换 (DCT 变换 )

4.6.14.6.1 多媒体数据压缩编码的国际标准 多媒体数据压缩编码的国际标准 • JPEG 标准• H.261 标准• MPEG 标准

• 联合图像专家小组 ：主要制定静态图像帧内压缩编码

要求：1.达到或接近当前压缩比与图像保真度的技术水平2. 能适用于任何种类的连续色调的图像3. 计算的复杂性是可控制的4. 算法

• 顺序编码• 累进编码• 无失真编码• 分层编码

• 两种基本压缩算法 • (1)基于 DCT 变换有失真的压缩算法。• (2)基于空间预测编码 DPCM 的无失真压缩算法。

1. 离散余弦变换 (DCT)2．量化 • 均衡量化器 • 非均衡量化器 • 自适应量化器 3.DC系数的编码和 AC系数的行编码4. 熵编码

• 分两步进行：• 1 ）把 DC 码和 AC 行程码转换成中间符号序列。• 2 ）对这些符号序列赋以变长的码字。

(1) 中间格式由两个符号组成符号 1 ，行程，尺寸符号 2 ，幅值(2) 可变长熵变码

结论 :• 零不需编码。• 正数编码为原码 ,且高位为“ 1”( 码长为最高位为 1) 。• 负数为该数绝对值的反码 ,且高位为“ 0”

( 码长同其绝对值码长一致 ) 。• 在由程序实现时 ,负数的编码只须“负数 =负数 -1”, 然后直接取低位。

H.261H.261 标准标准• PΧ64kbps 视频编码 / 解码标准

MPEGMPEG 压缩编码标准压缩编码标准 • MPEG-1 ：（ 1 ）时域冗余量的减少（ 2 ）空域冗余量的减少

• MPEG-2 的特点：（ 1 ）解码器支持MPEG-1 和 MPEG-2标准（ 2 ）具有 CD 的音质（ 3 ）允许在一定范围内改变压缩比，压缩比较高（ 4 ）能够对分辨率可变的视频信号进行压缩编码。

练习与测试练习与测试1.衡量数据压缩技术性能的重要指标是（ ）（ 1 ）压缩比 （ 2 ）算法复杂度（ 3 ）恢复效果 （ 4 ）标准化A. （ 1 ）（ 3 ） B. （ 1 ）（ 2 ）（ 3 ）C. （ 1 ）（ 3 ）（ 4 ） D.全部答案： B

2.判断正误（ 1 ）冗余压缩法不会减少信息量，可以原样恢复原始数据（ 2 ）冗余压缩法减少冗余，不能原样恢复原始数据（ 3 ）冗余压缩法是有损压缩法（ 4 ）冗余压缩的压缩比一般都比较小

（ 5 ）熵压缩法会减少信息量（ 6 ）熵压缩法是有损压缩法（ 7 ）熵压缩法可以无失真地恢复原始数据（ 8 ）熵压缩法的压缩比一般都比较大

考核要求考核要求• 掌握：数据压缩编码的方法、常用的压缩编码和算法、 JPEG 的原理和实现技术。• 理解：量化的原理和量化器的设计、

MPEG-1 的原理和实现技术。• 了解：其它的国际标准等。

练习与测试练习与测试 多媒体数据数据压缩编码方法多媒体数据数据压缩编码方法可分可分

为两大类：为两大类： ① ， ② 。

• ① ① 无损压缩法无损压缩法• ②② 有损压缩法有损压缩法

JPEGJPEG 标准采用了哪些混合编码方法？标准采用了哪些混合编码方法？

• 预测编码预测编码• 变换编码变换编码• 熵编码熵编码