第四章多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼根據(jù)電子工業(yè)出版社耿強著《多媒體數(shù)字影視技術》制作本電子教案制作人：耿強圖像和視頻壓縮國際標準標準簡稱標準化組織標準主要用途標準通過時間標準編號H.261ITU-T電視電話、會議電視90年12月ITU-TRec.H.261JPEGISO/IEC靜止圖像（灰度和彩色）91年3月ISO/IEC10918MPEG-1ISO/IEC數(shù)字存儲媒體92年6月ISO/IEC11172MPEG-2ISO/IEC常規(guī)電視和HDTV93年11月ISO/IEC13813MPEG-4ISO/IEC甚低速率視頻業(yè)務99年12月ISO/IEC14496MPEG-7ISO/IEC多媒體內(nèi)容描述接口98年10月提出ISO/IEC15938MPEG-21ISO/IEC開放的多媒體傳輸和消費的框架2002年6月啟動ITU-RBT.601標準編號參數(shù)625行／50場（PAL）525行／60場（NTSC）1編碼信號Y，R-Y，B-Y2每行采樣數(shù)：亮度信號（Y）每個色差信號（R-Y，B-Y）8644328584293采樣結(jié)構(gòu)4∶2∶24采樣頻率：亮度信號每個色差信號13.5Hz6.75Hz5編碼方式亮度和色差信號PCM編碼，每個樣本值8比特均勻量化或10比特量化均勻量化6每數(shù)字有效行數(shù)的采樣數(shù)：亮度信號每個色差信號7203607視頻信號電平與量化電平級數(shù)對應值亮度信號色差信號黑電平對應于量化級16，峰值白電平對應于量化級235零信號在量化等級0～255的中間部，即零電平相對應于128級

亞采樣亮度信號和色差信號碼電平值各種視頻壓縮編碼的應用應用種類比特數(shù)/像素像素數(shù)/行行數(shù)/幀幀數(shù)/秒比特/秒（壓縮前）比特/秒（壓縮后）壓縮率質(zhì)量高清晰度電視819201080601.18Gb/s20~25Mb/s1∶50優(yōu)視頻點播872057625162Mb/s1.2~4Mb/s1∶130（MPEG-2）1∶40（MPEG-1）良可視電話83522881512Mb/s64Kb/s1∶5中VLBR-VT可視電話8176144153Mb/s20Kb/s1∶150差信息熵的概念（比特）則信息量定義為：信息熵（平均信息量）定義為：信息熵的概念●信息熵表示了信源的信息量。設有一個離散信源，它產(chǎn)生消息的概率是已知的，記為，（比特）信息熵（平均信息量）定義為：定長編碼單個樣本值賦于等長的碼字。十進制數(shù)自然二進制碼格雷碼折疊二進制碼00000000111001001010201001100130110100004100110100510111110161101011107111100111變長編碼將出現(xiàn)概率大的符號賦予較短的碼字，出現(xiàn)概率小的符號賦予較長的碼字，這樣改變碼字長度達到壓縮信息冗余，而編碼和解碼過程完全可逆。Huffman編碼舉例（1）動畫演示赫夫曼編碼的步驟①將輸入符號按出現(xiàn)的概率由大到小順序排列（相同概率的符號可以任意排列位置）。②將最小的兩個概率相加，形成一個新的概率集合。再按第一步的方法重排。如此重復直到只有兩個概率為止。③分配碼字。從最后一步開始反向進行，對最后兩個概率，一個賦予0碼，另一個賦予1。Huffman編碼舉例（2）游程編碼碼流0…010…0110…010…0序列1234567零游程長度12902515零游程長度編碼二進制110010010000111110011111游程碼

1100

1001

0000

11111001

1111算術編碼（1）信源符號概率初始編碼區(qū)間a3a1a2a4算術編碼（2）●各符號的初始子區(qū)間（半開區(qū)間）的邊界值實際上是從左到右符號的概率值的累計?，F(xiàn)輸入的碼流符號為…，以前4個符號為例進行編碼。

符號：符號：符號：符號：的算術編碼為101100111

圖像壓縮編碼定理●無損編碼定理離散無記憶信源X無損編碼所能達到的最小速率為：min{R}=H（X）＋ε（比特／符號）

最大壓縮倍數(shù)為

：圖像壓縮編碼定理●限失真編碼定理:

在給定的失真度D的情況下，只要傳輸率不小于率失真函數(shù)

R(D)，就可以恢復信源。對于允許的失真度D，實際傳輸率

R的最小值為R(D)，即滿足恢復信源的最小傳輸率R≥R(D)壓縮算法的性能指標算法的運算量（每秒執(zhí)行的百萬條指令數(shù)（MIPS）壓縮倍數(shù)以壓縮前與壓縮后的數(shù)據(jù)量之比定義。 從壓縮后總比特流中計算出每個像素的平均比特數(shù)。 從壓縮前與壓縮后傳輸比特率來定義。

MOS（MeanOpinionScore）值圖像質(zhì)量復雜度預測編碼原理圖預測編碼推導公式預測公式

預測差值信號量化誤差

預測編碼結(jié)構(gòu)示意圖運動補償原理框圖提高預測編碼效率方法自適應預測編碼幀（場）重復閾值法幀內(nèi)插運動補償預測一二三四五運動估計的全局搜索塊匹配過程變換編碼過程Lena原圖及其離散余弦變換原圖像變換后圖像離散余弦變換算法公式●二維DCT正變換:●二維DCT反變換（IDCT）離散余弦變換算法中的Zig-Zag掃描DCT的能量分布圖

Zig-Zag掃描

動畫演示JPEG標準●JPEG適用于彩色和單色多灰度或連續(xù)色調(diào)靜止圖像的壓縮標準，主要用于靜止圖像的壓縮，在用于活動圖像時，其算法僅限于幀內(nèi)?；贒CT的有失真算法的原理

（編碼和解碼結(jié)構(gòu)框圖）基于空間DPCM無損壓縮算法結(jié)構(gòu)框圖

H.261編碼的層結(jié)構(gòu)MPEG-1標準的幀結(jié)構(gòu)MPEG中I、B、P幀排列

幀內(nèi)圖像I的壓縮編碼算法框圖預測圖像P的壓縮編碼算法框圖動畫演示雙向預測圖像B的壓縮編碼算法動畫演示MPEG-1數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)動畫演示MPEG-1的編碼器結(jié)構(gòu)MPEG-1的解碼器結(jié)構(gòu)MPEG-2標準甚低比特率視頻VLBV（VeryLowBitRateVideo）。高比特率視頻（HBV，HighBitRateVideo）MPEG-2標準MPEG-2標準的3種編碼方式①空間可分級性（Spatialscalability）②時間可分級性（TemporalScalability）③信噪比可分級性（Signal-to-Noisescalability）MPEG-2“類“和“等級”的概念

類（profile）等級（level）簡單類(Simple)主類(Main)4∶2∶2(4∶2∶2)信噪比

可變類

(SRNScalability)

空間分率

可變類(SpatialScalability)

高級類(High)高級（High）MP@HL4∶2∶080Mb/sHP@HL4∶2∶0,4∶2∶2100Mb/s1440高級（1440-High）MP@H-14404∶2∶060Mb/s4∶2∶2P@ML15MpbsSSP@14404∶2∶060Mb/sHP@H-14404∶2∶0,4∶2∶260Mb/s主級MainSP@ML4∶2∶015Mb/sMP@ML4∶