1、多媒體緊縮技術(shù)第 7 章7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 數(shù)據(jù)緊縮的必要性 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性 數(shù)據(jù)緊縮根本原理7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 統(tǒng)計(jì)編碼 預(yù)測(cè)編碼 變換編碼7.3 常見多媒體數(shù)據(jù)緊縮規(guī)范 音頻緊縮規(guī)范 靜態(tài)圖像緊縮規(guī)范 運(yùn)動(dòng)圖像和視頻緊縮規(guī)范 教學(xué)重點(diǎn)： 教學(xué)目的：了解媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí)，包括數(shù)據(jù)緊縮的必要性、數(shù)據(jù)緊縮的能夠性、數(shù)據(jù)緊縮根本原理；了解數(shù)據(jù)緊縮的編碼算法，包括統(tǒng)計(jì)編碼、預(yù)測(cè)編碼、變換編碼；了解常見多媒體數(shù)據(jù)緊縮規(guī)范，包括音頻緊縮規(guī)范、靜態(tài)圖像緊縮規(guī)范、運(yùn)動(dòng)圖像和視頻緊縮規(guī)范等。 了解多媒體數(shù)據(jù)緊縮的必要性、多媒體數(shù)據(jù)緊縮的能夠性、數(shù)據(jù)緊縮方法的分類 。 教學(xué)進(jìn)程多媒體緊縮

2、技術(shù) 第 7 章7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.1 數(shù)據(jù)緊縮的必要性隨著多媒體技術(shù)的開展，多媒體數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)過程日益頻繁。未經(jīng)處置的多媒體數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量宏大，使數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)、傳輸和處置等過程中有諸多不便，因此，多媒體數(shù)據(jù)的緊縮是多媒體運(yùn)用中的關(guān)鍵問題之一。 教學(xué)進(jìn)程教學(xué)進(jìn)程一幅具有800600分辨率的真彩色圖像(24位/像素)，它的數(shù)據(jù)量 為：80060024=10.98Mb=1.37MB 7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.1 數(shù)據(jù)緊縮的必要性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！教學(xué)進(jìn)程視頻數(shù)據(jù)按我國運(yùn)用的PAL制式，要到達(dá)每秒25幀的全動(dòng)態(tài)顯示要求。假設(shè)每幀顯示分辨率為

3、640480的真彩色圖像24位/像素，那么每秒所需的數(shù)據(jù)量為7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.1 數(shù)據(jù)緊縮的必要性650MB的CD-ROM光盤只能存放29.6秒的視頻！6404802425=175.8Mb=21.97MB教學(xué)進(jìn)程7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.1 數(shù)據(jù)緊縮的必要性1分鐘高保真立體聲數(shù)字音頻的數(shù)據(jù)量為：4410016260/8=10.09MB一首歌曲的播放時(shí)間大約是4分鐘，也就是說，一首歌曲文件的大小是40MB左右，假設(shè)保管在一個(gè)容量為512MB的U盤中，只能存儲(chǔ)12首這樣的歌曲。 宏大的多媒體數(shù)據(jù)量對(duì)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)必需被緊縮！

4、教學(xué)進(jìn)程多媒體數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是非常宏大的，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。運(yùn)用某種編碼方法提取或減少這些數(shù)據(jù)冗余，便可以到達(dá)緊縮數(shù)據(jù)的目的，這就是多媒體數(shù)據(jù)可以緊縮的緣由。 7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠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。 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1802B=360B7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性廣播員朗誦這些內(nèi)容1分鐘，數(shù)字化時(shí)采樣頻率8000Hz，單聲道，8位量化，那么數(shù)據(jù)量為8000

5、 8 1 60/8480000B。可見，傳送同樣信息，音頻數(shù)據(jù)中那么存在冗余。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、飽和度等一樣，那么該區(qū)域里的像素點(diǎn)數(shù)據(jù)也是一樣的，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)域的一切信息，大量的反復(fù)像素?cái)?shù)據(jù)就構(gòu)成了空間冗余。 7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性 數(shù)據(jù)冗余類型 空間冗余常存在圖像數(shù)據(jù)中教學(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)間軸上的一組延續(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)有許多一樣之處，這樣就構(gòu)成了時(shí)間冗余。 7.1

6、 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性教學(xué)進(jìn)程視聽覺冗余：人類的視覺和聽覺系統(tǒng)由于遭到生理特征的限制，對(duì)于圖像和聲音信號(hào)的一些細(xì)微變化是覺得不到的，忽略這些變化后，信號(hào)依然被以為是完好的。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)緊縮根底知識(shí) 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性教學(xué)進(jìn)程7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性知識(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構(gòu)造，鼻子位于中間，上方是眼睛，下方是嘴等。這類規(guī)律性的構(gòu)造可由先驗(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

7、數(shù)據(jù)，這就構(gòu)成了知識(shí)冗余。 教學(xué)進(jìn)程7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.2 數(shù)據(jù)緊縮的能夠性構(gòu)造冗余：在有些圖像的紋理區(qū)，圖像的像素值存在著明顯的分布方式。例如，方格狀的地板圖案等。我們稱這種冗余為構(gòu)造冗余。假設(shè)知分布方式，可經(jīng)過某一過程產(chǎn)生圖像。 教學(xué)進(jìn)程 數(shù)據(jù)緊縮本質(zhì) 數(shù)據(jù)的緊縮實(shí)踐上是一種編碼過程，即根據(jù)原始數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)絡(luò)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求的總位數(shù)。 7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.3 數(shù)據(jù)緊縮根本原理 數(shù)據(jù)緊縮過程教學(xué)進(jìn)程 數(shù)據(jù)緊縮方法分類 無損編碼 用無損編碼緊縮的數(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

8、可逆編碼。 有損編碼有損編碼又稱為有失真編碼，即在編碼過程中要喪失一些人的視/聽覺不敏感的信息，且喪失的信息不可恢復(fù)。 7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.3 數(shù)據(jù)緊縮根本原理 混合編碼 混合編碼是指同時(shí)運(yùn)用兩種或兩種以上的編碼方法進(jìn)展組合編碼的方法。教學(xué)進(jìn)程7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.3 數(shù)據(jù)緊縮根本原理教學(xué)進(jìn)程 數(shù)據(jù)緊縮方法的衡量目的 緊縮率緊縮質(zhì)量緊縮/解緊縮速度7.1 多媒體數(shù)據(jù)緊縮根底知識(shí) 7.1.3 數(shù)據(jù)緊縮根本原理教學(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)展緊縮編碼。其方法是：找到音訊和碼字之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便恢復(fù)時(shí)可以準(zhǔn)確無誤地將原數(shù)據(jù)再現(xiàn)

9、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一樣值的延續(xù)串用其串長和一個(gè)代表值來替代，該延續(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，緊縮前字符個(gè)數(shù)為11個(gè)，緊縮后字符個(gè)數(shù)為8個(gè)，緊縮率為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緊縮。 7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計(jì)編碼教學(xué)進(jìn)程哈夫曼編碼原理其根本思想是：對(duì)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

10、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。普通而言，字符出現(xiàn)的頻率越高對(duì)應(yīng)的編碼越短，出現(xiàn)頻率越低對(duì)應(yīng)的編碼越長。 7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計(jì)編碼教學(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，構(gòu)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反復(fù)步驟13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。但前后賦值必需一致。

11、 6概率1到信源字符之間的途徑的賦值編碼就是哈夫曼編碼的碼字。 7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計(jì)編碼教學(xué)進(jìn)程哈夫曼編碼實(shí)例7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計(jì)編碼待編碼字符： 教學(xué)進(jìn)程哈夫曼編碼實(shí)例7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計(jì)編碼編碼過程： 7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 教學(xué)進(jìn)程哈夫曼編碼實(shí)例7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 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：20.3+40.08+40.11+10.37+30.14=2.15位。而采用等長碼長對(duì)5個(gè)字符進(jìn)展編碼需求的碼長是3位。 教學(xué)進(jìn)程7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2

12、.1 統(tǒng)計(jì)編碼算術(shù)編碼原理其根本思想是：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)，就需求更多的數(shù)位來表示這個(gè)區(qū)間，這就是區(qū)間作為代碼的原理。 新老區(qū)間的邊境計(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)間終了位置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)間終了位置Ne-新區(qū)間起始位置Ns 教學(xué)進(jìn)程7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 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

13、現(xiàn)的概率和初始區(qū)間為：教學(xué)進(jìn)程音訊X1 X3 X4 X2可以轉(zhuǎn)化為范圍0.0646，0.067中的恣意一個(gè)數(shù)值，用一個(gè)數(shù)值代表了一個(gè)字符串，到達(dá)了數(shù)據(jù)緊縮的目的 7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.1 統(tǒng)計(jì)編碼教學(xué)進(jìn)程預(yù)測(cè)編碼是根據(jù)離散信號(hào)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(hào)預(yù)測(cè)下一個(gè)信號(hào)進(jìn)展，然后對(duì)實(shí)踐值和預(yù)測(cè)值的差預(yù)測(cè)誤差進(jìn)展編碼。假設(shè)預(yù)測(cè)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)展編碼，到達(dá)緊縮數(shù)據(jù)的目的。 差分脈沖編碼調(diào)制 自順應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.2 預(yù)測(cè)編碼教學(xué)進(jìn)程7.2 數(shù)據(jù)緊縮編碼算法 7.2.3變換編碼變換

14、編碼是指先對(duì)信號(hào)進(jìn)展某種函數(shù)變換，從一種信號(hào)變換到另一種信號(hào)，然后再對(duì)信號(hào)進(jìn)展編碼。變換編碼系統(tǒng)中緊縮數(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)展數(shù)據(jù)緊縮，它只把信號(hào)映射到另一個(gè)域，使信號(hào)在變換域里容易進(jìn)展緊縮，變換后的樣值更獨(dú)立有序。這樣，量化操作經(jīng)過比特分配可以有效地緊縮數(shù)據(jù)。 變換編碼是一種有損編碼的方法。 教學(xué)進(jìn)程 語音緊縮規(guī)范 調(diào)幅廣播語音緊縮規(guī)范 高保真立體聲的寬帶音頻緊縮規(guī)范 7.3 常見多媒體數(shù)據(jù)緊縮規(guī)范 7.3.1音頻緊縮規(guī)范教學(xué)進(jìn)程 JPEG規(guī)范 JPEG2000規(guī)范 7.3 常見多媒體數(shù)據(jù)緊縮規(guī)范 7.3.1靜態(tài)圖像緊縮規(guī)范教學(xué)進(jìn)程 MPEG規(guī)范 H.26X規(guī)范 7.3 常見多媒體數(shù)據(jù)緊縮規(guī)范 7.3.1動(dòng)態(tài)圖像和視