數(shù)據(jù)編碼信源編碼提高數(shù)據(jù)表達效率（壓縮）信道編碼提高數(shù)據(jù)存貯/傳輸可靠性數(shù)據(jù)編碼信源編碼1一些信號的原始數(shù)據(jù)量信源數(shù)據(jù)量電話(200Hz–3.4kHz)8k/s×12bits=96kb/s寬帶語音(50Hz–7kHz)16k/s×14bits=224kb/s寬帶音頻(20Hz–20kHz)44.1k/s×2通道×16bits=1.412Mb/s圖像512×512×24bits=6Mb視頻640×480×24bits×30/s=221Mb/s高清晰度電視1280×720×24bits×60/s=1.3Gb/s一些信號的原始數(shù)據(jù)量信源數(shù)據(jù)量電話(200Hz–3.4k2數(shù)據(jù)壓縮的依據(jù)–存在數(shù)據(jù)冗余時間冗余–時間軸上的相關(guān)性空間冗余–像素間的相關(guān)性信息熵冗余–數(shù)據(jù)表示的效率知識冗余–先驗知識的利用心理視覺冗余–合理的分辨率數(shù)據(jù)壓縮的依據(jù)–存在數(shù)據(jù)冗余時間冗余–時間軸上的相關(guān)3codingredundancyRedundancy:R=1–L/mApproaches:--StandardHuffman--ShiftedHuffman--ArithmeticCodingNoredundancy:8bitcodingredundancyRedundancy:4InterpixelredundancySpatialredundancyApproaches:--RunLengthcoding--intraframepredicativecoding--LZWcodingInterpixelredundancySpatial5InterpixelredundancySpatial,timeredundancyApproaches:--interframepredicativecoding(motionprediction)

InterpixelredundancySpatial6PsychovisualredundancyOriginal25%quality15%quality45,339b3,905b3,197bRemoveLessimportantinformationApproaches:--quantization(lossy),DCT

PsychovisualredundancyOrig7CompressionsystemmodelTwoparts:Encoder,DecoderSourceencoder:removeredundancyChannelencoder:reducenoiseCompressionsystemmodelTwopa8Sourceencoderanddecoder

Mapper:transforminputdatatoaspecialformatforreducinginterpixelredundancySourceencoderanddecoderMap9數(shù)據(jù)編碼分類無損壓縮(lossless):~變長編碼（Huffman)~行程編碼~算術(shù)編碼醫(yī)學(xué)或商用數(shù)據(jù)的壓縮數(shù)據(jù)編碼分類無損壓縮(lossless):10有損數(shù)據(jù)壓縮(lossy)預(yù)測編碼變換編碼（Cosine,Wavelet)視頻數(shù)據(jù)的壓縮有損數(shù)據(jù)壓縮(lossy)預(yù)測編碼11Run-LengthEncoding(1D)Originaldata:05,05,05,05,11,11,1A,1A,1A,1A,20,22,22,22,22Encoding:05,04,11,02,1A,04,20,01,22,04Application:besuitableforuniformgrayimages,FAXcodingRun-LengthEncoding(1D)Origin12Run-LengthEncoding(2D)05,02,05,01,10,01,21,04,05,01,10,01,10,04,21,02,31,02,10,02,10,02,15,01,31,02,31,01,15,01,31,01Rules:◆basicunit--maximalsquare◆left->right,top->bottom

Run-LengthEncoding(2D)05,0213LZWcoding根據(jù)數(shù)據(jù)本身包含有重復(fù)的字符串(不一定要求空間上相鄰)每接收一個字符系列，判斷以前是否出現(xiàn)過，然后用出現(xiàn)過的字符串代替該重復(fù)的部分，輸出對應(yīng)的“指針”（位置）例如：“aabbccddee”的指針是0100，以后每次出現(xiàn)該字符串，就用0100代替。LZWcoding根據(jù)數(shù)據(jù)本身包含有重復(fù)的字符串(不一定14LZWNotesDictionaryisnotnullatfirst,singlesymbolBuildingdecompressiondictionaryisneededApplication:GIF(graphicinterchangeformat)TIFF(taggedimagefileformat)PDF(portabledocumentformat)

LZWNotesDictionaryisnotnu15Huffmancoding灰度01234567概率0.050.050.100.150.250.200.150.050.100.150.250.300.450.551.001001010101011編碼011000110110010100110100111編碼:從根節(jié)點開始到葉子節(jié)點!!Huffmancoding灰度0116StandardHuffmancodingAveragebits:2.2 Entropy:2.14efficiency:0.973StandardHuffmancodingAverage17StandardHuffmandisadvantagesEvenif1biterror,aseriesoferrors,nosolutions(exampleinnextpage)Whendecoding,failtoabstractcontentsfromrandomlypositionComputation:k-2sourcerankingTosymbolwithlessprobability:codelengthistoolong(max:k-1bits)--shiftedHuffmanStandardHuffmandisadvantages18ErrordecodingexampleofHuffmanCode:011,1,01010,0100,01011,00Gray:a1a2a3a4a5a6a3,a1,a2,a2,a6...010100111100*Encoding:GrayCodeDecoding:CodeGray0101001111000101000111100...010100101100...a3,a6,a2,a2,a2,a2,a6...a3,a5,a6...*Add0:errordecoding*011->010,ErrordecodingexampleofHuff19ShiftedHuffmanencoding1Truncate:90%(main)--standardHuffmanDivideblocks:assignaprefixtoeachblockShift:prefix+standardHuffmancodeShiftedHuffmanencoding1Tru20ShiftedHuffmanencoding2主區(qū)間[120150]，編碼為：c120~c150119=sum(0~119)，低界碼c119151=sum(151~255)，高階碼c151c119和c151分別作為正、負區(qū)間碼ShiftedHuffmanencoding2主區(qū)間21ShiftedHuffmanencoding30區(qū)間：[120150]，120~1501區(qū)間：[151181]，c151+0區(qū)間中對應(yīng)位置的編碼，如170-->139,編碼為：c151c1392區(qū)間：[182212]，區(qū)間碼為：c151

c151

-1區(qū)間：[89119]，區(qū)間碼為：c119ShiftedHuffmanencoding30區(qū)間22算術(shù)編碼(ArithmeticEncoding)將信息量的增加映射為實數(shù)精度的提高編碼過程將[0，1）區(qū)間不斷細分算術(shù)編碼(ArithmeticEncoding)將信息量的23SymbolABCDProb0.10.40.20.3Interval[0,0.1)[0.1,0.5)[0.5,0.7)[0.7,1)符號序列：C,A,D,A,C,D,B,...010.50.7C0.520.5A0.5140.52D0.5140.5146A...SymbolABCDProb0.10.40.20.3Inte24LossycompressionLossless:8:1lossy:100:1~200:1,quantization10：1to100：1sameinhumaneyesJPEG,MPEG,H.263~Lossypredictivecoding~TransformbasedcodingLossycompressionLossless:25LossypredictivecodingLossypredictivecoding26DPCM(differentialpulsecodemodulation)Difference:Predictor:DPCM(differentialpulsecodem27Deltamodulation(DM)Simplestpredictor:m=1Quantier1bit/pixel

Problems:

Slopeoverload:whengrayvalueschangerapidlydistortionedgeblurredGranularnoise:whengrayvalueschangesmall

spotnoiseDeltamodulation(DM)Simplest28ProblemsofdeltamodulationProblemsofdeltamodulation29Optimalpredictor

Minimizing:Optimalpredictor

Minimizing:30Optimalpredictor

Optimalpredictor31GlobalpredicatorFixedpredictivecoefficients:GlobalpredicatorFixedpredic32Comparisonoffourpredicatorsm=1,2,3,1,階數(shù)增加,誤差減小

Comparisonoffourpredicators33TransformbasedcodingPrinciple:~Magnitudenear0inhigherfrequency~Datacompressionremovingthosedatanear0,samevisualresult

正交變換

DFT，DCT，Wavelet,TransformbasedcodingPrincipl34Transformbasedcodingmodel能量最高的系數(shù)被最細量化，而能量較低的系數(shù)就被粗量化或被簡單地舍去。優(yōu)點：變換系數(shù)的編碼誤差只影響該系數(shù)所在的塊，不會擴散到其他的子塊，故變換編碼的抗干擾能力優(yōu)于預(yù)測編碼。Transformbasedcodingmodel能量35subimagesizeSize:largerthan8*8saturation

subimagesizeSize:largerth36ImageCompressionStandardsJointPhotographicsExpertsGroup(JPEG)

reorderingImageCompressionStandardsJoi37JPEGCoderDC:F(0,0),DPCMAC:RLC,HuffmanDCTcoefficients:Zig-Zigreordering

JPEGCoderDC:F(0,0),DPCM38originalimagesize:66616bytesJPEGcompressedsize：8181bytesqualityfactor:0.6originalimagesize:66616byt39originalimagesize:66616bytesJPEGcompressedsize：2742bytesqualityfactor:0.1originalimagesize:66616byt40視頻編碼技術(shù)國際電聯(lián)(ITU-T),~標(biāo)準(zhǔn)有:H.261、H.262、H.263、H.263+國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)~標(biāo)準(zhǔn)有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7由兩個組織聯(lián)合組建的聯(lián)合視頻組(JVT)共同制定的新數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn):~H.264,MPEG-4part10(>100:1)視頻編碼技術(shù)國際電聯(lián)(ITU-T),41●四種圖像I-圖像

幀內(nèi)圖，每個圖像群組由此類型的圖像開始。編碼時獨立編碼（JPEG），解碼時不參考其他幀；P-圖像

預(yù)測圖，用前面的I圖或P圖像進行預(yù)測編碼得到，并可以作為下一個預(yù)測（B圖像或P圖像）的參照圖像。B-圖像

插補圖(雙向預(yù)測圖)，預(yù)測時,需要用先前及后續(xù)的若干個圖像作參考，并作運動補償和運動估計；D-圖像，用于快速進帶。僅由DC直流分量構(gòu)造的圖像，可在低比特率的時候做瀏覽用。MPEG●四種圖像I-圖像

幀內(nèi)圖，每個圖像群組由此類型的圖像開始42●視頻流的組成:允許編碼端自行選擇I圖像的使用頻率和在視頻流中的位置。允許編碼端自行選擇任意兩幀參考圖像（I-圖或P-圖）之間的B圖像數(shù)。編碼端的視頻流記錄格式可以和圖像顯示順序不同。顯示的順序：I

BBPBB

PB

BP

BB

P

B

B

I……

12345678910111213141516……視頻流順序：IPBBPBBPBBPBBIBB……14237561089131112161415……MPEG●視頻流的組成:允許編碼端自行選擇I圖像的使用頻率和在視頻43“I-圖像”編碼圖像數(shù)據(jù)壓縮采用類似JPEG的算法“I-圖像”編碼圖像數(shù)據(jù)壓縮采用類似JPEG的算法44“P-圖像”的編碼差分方法；運動矢量估計；“P-圖像”的編碼差分方法；運動矢量估計；45差分預(yù)測編碼假設(shè)：宏塊MPI是宏塊MRJ的最佳匹配塊差分預(yù)測編碼假設(shè)：宏塊MPI是宏塊MRJ的最佳匹配塊46運動矢量估計運動矢量估計47最佳匹配MSE：MAD：最佳匹配MSE：MAD：48“B-圖像”的壓縮編碼計算方法與預(yù)測圖像P的算法類似?！癇-圖像”的壓縮編碼計算方法與預(yù)測圖像P的算法類似。49

可伸縮性分層編碼

（scalablelayeredcoding）原始視頻流被壓縮至多個壓縮層碼流（substreams）：~基本層碼流（basesubstream）：可以被獨立解碼，提供基本的視頻質(zhì)量保證。~增強層碼流：需要和基本層一起解碼，提供增強的細節(jié)上的視頻質(zhì)量?？缮炜s性分層編碼

（scalablelayered50

可伸縮性分層編碼

●時域：通過增加或者減少非關(guān)鍵幀（B幀）的方法來調(diào)整幀率從而達到調(diào)整碼率的目的?！窨沼颍憾喾直媛蕕原始視頻通過下采樣得到低分辨率基本層碼流；~原始視頻-基本層視頻

增強層碼流。●質(zhì)量:

不同的量化方法

可伸縮性分層編碼

●時域：通過增51傳統(tǒng)分層編碼的不足由于它的編碼是以層為最小單位的，所以接收端解碼的時候也必須以層為最小單位。即要么解碼整個層的數(shù)據(jù)，要么丟棄整個層；增強層解碼需要在基本層的基礎(chǔ)上進行，一旦基本層接收失敗，則整個解碼過程將失?。桓鱾€壓縮層的碼率在編碼完成時就固定了，并且一般比特率相差較大，因此，只能實現(xiàn)離散的有限的碼率調(diào)整，無法保證在帶寬波動范圍內(nèi)始終能得到較高的帶寬利用率。

傳統(tǒng)分層編碼的不足由于它的編碼是以層為最小單位的，所以接收52

FGS精細的可擴展性編碼

（finegranularscalablecoding）目標(biāo)：將原始視頻編碼成一個可以單獨解碼的基本層碼流和一個可以在任何點截斷的增強層碼（即，增強層中接收到任意量的數(shù)據(jù)后都可以立即解碼）

MPEG-4中的FGS：~基本層:基于變換編碼方式,提供最低視頻質(zhì)量;~

增強層:位平面編碼技術(shù).每一幀的增強層碼流可以在任意地點被截斷，接收端解碼獲得的視頻質(zhì)量與實際收到的數(shù)據(jù)量成正比，提高了帶寬的利用率;~

多信道，多優(yōu)先級分層傳輸:基本層用最高優(yōu)先級和最優(yōu)信道環(huán)境，增強層用低優(yōu)先級較差信道.

FGS精細的可擴展性編碼

（finegr53數(shù)據(jù)編碼信源編碼提高數(shù)據(jù)表達效率（壓縮）信道編碼提高數(shù)據(jù)存貯/傳輸可靠性數(shù)據(jù)編碼信源編碼54一些信號的原始數(shù)據(jù)量信源數(shù)據(jù)量電話(200Hz–3.4kHz)8k/s×12bits=96kb/s寬帶語音(50Hz–7kHz)16k/s×14bits=224kb/s寬帶音頻(20Hz–20kHz)44.1k/s×2通道×16bits=1.412Mb/s圖像512×512×24bits=6Mb視頻640×480×24bits×30/s=221Mb/s高清晰度電視1280×720×24bits×60/s=1.3Gb/s一些信號的原始數(shù)據(jù)量信源數(shù)據(jù)量電話(200Hz–3.4k55數(shù)據(jù)壓縮的依據(jù)–存在數(shù)據(jù)冗余時間冗余–時間軸上的相關(guān)性空間冗余–像素間的相關(guān)性信息熵冗余–數(shù)據(jù)表示的效率知識冗余–先驗知識的利用心理視覺冗余–合理的分辨率數(shù)據(jù)壓縮的依據(jù)–存在數(shù)據(jù)冗余時間冗余–時間軸上的相關(guān)56codingredundancyRedundancy:R=1–L/mApproaches:--StandardHuffman--ShiftedHuffman--ArithmeticCodingNoredundancy:8bitcodingredundancyRedundancy:57InterpixelredundancySpatialredundancyApproaches:--RunLengthcoding--intraframepredicativecoding--LZWcodingInterpixelredundancySpatial58InterpixelredundancySpatial,timeredundancyApproaches:--interframepredicativecoding(motionprediction)

InterpixelredundancySpatial59PsychovisualredundancyOriginal25%quality15%quality45,339b3,905b3,197bRemoveLessimportantinformationApproaches:--quantization(lossy),DCT

PsychovisualredundancyOrig60CompressionsystemmodelTwoparts:Encoder,DecoderSourceencoder:removeredundancyChannelencoder:reducenoiseCompressionsystemmodelTwopa61Sourceencoderanddecoder

Mapper:transforminputdatatoaspecialformatforreducinginterpixelredundancySourceencoderanddecoderMap62數(shù)據(jù)編碼分類無損壓縮(lossless):~變長編碼（Huffman)~行程編碼~算術(shù)編碼醫(yī)學(xué)或商用數(shù)據(jù)的壓縮數(shù)據(jù)編碼分類無損壓縮(lossless):63有損數(shù)據(jù)壓縮(lossy)預(yù)測編碼變換編碼（Cosine,Wavelet)視頻數(shù)據(jù)的壓縮有損數(shù)據(jù)壓縮(lossy)預(yù)測編碼64Run-LengthEncoding(1D)Originaldata:05,05,05,05,11,11,1A,1A,1A,1A,20,22,22,22,22Encoding:05,04,11,02,1A,04,20,01,22,04Application:besuitableforuniformgrayimages,FAXcodingRun-LengthEncoding(1D)Origin65Run-LengthEncoding(2D)05,02,05,01,10,01,21,04,05,01,10,01,10,04,21,02,31,02,10,02,10,02,15,01,31,02,31,01,15,01,31,01Rules:◆basicunit--maximalsquare◆left->right,top->bottom

Run-LengthEncoding(2D)05,0266LZWcoding根據(jù)數(shù)據(jù)本身包含有重復(fù)的字符串(不一定要求空間上相鄰)每接收一個字符系列，判斷以前是否出現(xiàn)過，然后用出現(xiàn)過的字符串代替該重復(fù)的部分，輸出對應(yīng)的“指針”（位置）例如：“aabbccddee”的指針是0100，以后每次出現(xiàn)該字符串，就用0100代替。LZWcoding根據(jù)數(shù)據(jù)本身包含有重復(fù)的字符串(不一定67LZWNotesDictionaryisnotnullatfirst,singlesymbolBuildingdecompressiondictionaryisneededApplication:GIF(graphicinterchangeformat)TIFF(taggedimagefileformat)PDF(portabledocumentformat)

LZWNotesDictionaryisnotnu68Huffmancoding灰度01234567概率0.050.050.100.150.250.200.150.050.100.150.250.300.450.551.001001010101011編碼011000110110010100110100111編碼:從根節(jié)點開始到葉子節(jié)點!!Huffmancoding灰度0169StandardHuffmancodingAveragebits:2.2 Entropy:2.14efficiency:0.973StandardHuffmancodingAverage70StandardHuffmandisadvantagesEvenif1biterror,aseriesoferrors,nosolutions(exampleinnextpage)Whendecoding,failtoabstractcontentsfromrandomlypositionComputation:k-2sourcerankingTosymbolwithlessprobability:codelengthistoolong(max:k-1bits)--shiftedHuffmanStandardHuffmandisadvantages71ErrordecodingexampleofHuffmanCode:011,1,01010,0100,01011,00Gray:a1a2a3a4a5a6a3,a1,a2,a2,a6...010100111100*Encoding:GrayCodeDecoding:CodeGray0101001111000101000111100...010100101100...a3,a6,a2,a2,a2,a2,a6...a3,a5,a6...*Add0:errordecoding*011->010,ErrordecodingexampleofHuff72ShiftedHuffmanencoding1Truncate:90%(main)--standardHuffmanDivideblocks:assignaprefixtoeachblockShift:prefix+standardHuffmancodeShiftedHuffmanencoding1Tru73ShiftedHuffmanencoding2主區(qū)間[120150]，編碼為：c120~c150119=sum(0~119)，低界碼c119151=sum(151~255)，高階碼c151c119和c151分別作為正、負區(qū)間碼ShiftedHuffmanencoding2主區(qū)間74ShiftedHuffmanencoding30區(qū)間：[120150]，120~1501區(qū)間：[151181]，c151+0區(qū)間中對應(yīng)位置的編碼，如170-->139,編碼為：c151c1392區(qū)間：[182212]，區(qū)間碼為：c151

c151

-1區(qū)間：[89119]，區(qū)間碼為：c119ShiftedHuffmanencoding30區(qū)間75算術(shù)編碼(ArithmeticEncoding)將信息量的增加映射為實數(shù)精度的提高編碼過程將[0，1）區(qū)間不斷細分算術(shù)編碼(ArithmeticEncoding)將信息量的76SymbolABCDProb0.10.40.20.3Interval[0,0.1)[0.1,0.5)[0.5,0.7)[0.7,1)符號序列：C,A,D,A,C,D,B,...010.50.7C0.520.5A0.5140.52D0.5140.5146A...SymbolABCDProb0.10.40.20.3Inte77LossycompressionLossless:8:1lossy:100:1~200:1,quantization10：1to100：1sameinhumaneyesJPEG,MPEG,H.263~Lossypredictivecoding~TransformbasedcodingLossycompressionLossless:78LossypredictivecodingLossypredictivecoding79DPCM(differentialpulsecodemodulation)Difference:Predictor:DPCM(differentialpulsecodem80Deltamodulation(DM)Simplestpredictor:m=1Quantier1bit/pixel

Problems:

Slopeoverload:whengrayvalueschangerapidlydistortionedgeblurredGranularnoise:whengrayvalueschangesmall

spotnoiseDeltamodulation(DM)Simplest81ProblemsofdeltamodulationProblemsofdeltamodulation82Optimalpredictor

Minimizing:Optimalpredictor

Minimizing:83Optimalpredictor

Optimalpredictor84GlobalpredicatorFixedpredictivecoefficients:GlobalpredicatorFixedpredic85Comparisonoffourpredicatorsm=1,2,3,1,階數(shù)增加,誤差減小

Comparisonoffourpredicators86TransformbasedcodingPrinciple:~Magnitudenear0inhigherfrequency~Datacompressionremovingthosedatanear0,samevisualresult

正交變換

DFT，DCT，Wavelet,TransformbasedcodingPrincipl87Transformbasedcodingmodel能量最高的系數(shù)被最細量化，而能量較低的系數(shù)就被粗量化或被簡單地舍去。優(yōu)點：變換系數(shù)的編碼誤差只影響該系數(shù)所在的塊，不會擴散到其他的子塊，故變換編碼的抗干擾能力優(yōu)于預(yù)測編碼。Transformbasedcodingmodel能量88subimagesizeSize:largerthan8*8saturation

subimagesizeSize:largerth89ImageCompressionStandardsJointPhotographicsExpertsGroup(JPEG)

reorderingImageCompressionStandardsJoi90JPEGCoderDC:F(0,0),DPCMAC:RLC,HuffmanDCTcoefficients:Zig-Zigreordering

JPEGCoderDC:F(0,0),DPCM91originalimagesize:66616bytesJPEGcompressedsize：8181bytesqualityfactor:0.6originalimagesize:66616byt92originalimagesize:66616bytesJPEGcompressedsize：2742bytesqualityfactor:0.1originalimagesize:66616byt93視頻編碼技術(shù)國際電聯(lián)(ITU-T),~標(biāo)準(zhǔn)有:H.261、H.262、H.263、H.263+國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)~標(biāo)準(zhǔn)有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7由兩個組織聯(lián)合組建的聯(lián)合視頻組(JVT)共同制定的新數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn):~H.264,MPEG-4part10(>100:1)視頻編碼技術(shù)國際電聯(lián)(ITU-T),94●四種圖像I-圖像

幀內(nèi)圖，每個圖像群組由此類型的圖像開始。編碼時獨立編碼（JPEG），解碼時不參考其他幀；P-圖像

預(yù)測圖，用前面的I圖或P圖像進行預(yù)測編碼得到，并可以作為下一個預(yù)測（B圖像或P圖像）的參照圖像。B-圖像

插補圖(雙向預(yù)測圖)，預(yù)測時,需要用