第4章多媒體數(shù)據(jù)壓縮與編碼技術(shù)(已修改)
2025-03-02 01:03 本頁(yè)面
【正文】 第 4章 多媒體數(shù)據(jù)壓縮與編碼技術(shù) 本章重點(diǎn)： 編碼模型 編碼壓縮方法分類 統(tǒng)計(jì)編碼的基本原理 預(yù)測(cè)編碼的基本原理 變換編碼的基本原理 視頻編碼的基本原理 第 4章 多媒體數(shù)據(jù)壓縮與編碼技術(shù) 編碼壓縮的必要性與可能性 編碼模型 編碼壓縮方法分類 統(tǒng)計(jì)編碼 預(yù)測(cè)編碼 變換編碼 其他編碼 視頻編碼 本章小結(jié) 編碼壓縮的必要性與可能性 編碼壓縮的必要性 編碼壓縮的可能性 編碼壓縮的必要性 ? 眾所周知，圖像量化所需數(shù)據(jù)量大。圖像和視頻的龐大數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)的處理速度、存儲(chǔ)容量都提出過高的要求。因此必須進(jìn)行數(shù)據(jù)量壓縮。 ? 從傳送的角度來看，在信道帶寬、通信鏈路容 量一定的前提下，采用編碼壓縮技術(shù)，減少傳輸數(shù)據(jù)量，是提高通信速度的重要手段。因此，更要求數(shù)據(jù)量壓縮。 編碼壓縮的可能性 眾所周知，視頻由一幀一幀的圖像組成，而圖像的各像素之間，無論是在行方向還是在列方向，都存在著一定的相關(guān)性，即冗余度。應(yīng)用某種編碼方法提取或減少這些冗余度，便可以達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的。 常見的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)冗余包括： ? 這是靜態(tài)圖像存在的最主要的一種數(shù)據(jù)冗余。一幅圖像記錄了畫面上可見景物的顏色。同一景物表面上各采樣點(diǎn)的顏色之間往往存在著空間連貫性，從而產(chǎn)生了空間冗余。 編碼壓縮的可能性 ? 在視頻的相鄰幀間，往往包含相同的背景和移動(dòng)物體，因此，后一幀數(shù)據(jù)與前一幀數(shù)據(jù)有許多共同的地方，即在時(shí)間上存在大量的冗余。 ? 在有些圖像的紋理區(qū)，圖像的像素值存在著明顯的分布模式。例如，方格狀的地板圖案等。我們稱這種冗余為結(jié)構(gòu)冗余。 ? 有些圖像的理解與某些知識(shí)有相當(dāng)大的相關(guān)性。例如，人臉的圖像有固定的結(jié)構(gòu)。這類 編碼壓縮的可能性 規(guī)律性的結(jié)構(gòu)可由先驗(yàn)知識(shí)和背景知識(shí)得到，我們稱此類冗余為知識(shí)冗余。 ? 事實(shí)表明，人類的視覺系統(tǒng)對(duì)圖像場(chǎng)的敏感性是非均勻的和非線性的。然而，在記錄原始圖像數(shù)據(jù)時(shí)，通常假定視覺系統(tǒng)是線性的和均勻的，對(duì)視覺敏感和不敏感的部分同等對(duì)待，從而產(chǎn)生了比理想編碼更多的數(shù)據(jù)，這就是視覺冗余。 ? 是指在圖像中的兩個(gè)或多個(gè)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的所有 編碼壓縮的可能性 像素值相同或相近，從而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)重復(fù)性存儲(chǔ)，這就是圖像區(qū)域的相似性冗余。 ? 有些圖像紋理盡管不嚴(yán)格服從某 —分布規(guī)律，但是它在統(tǒng)計(jì)的意義上服從該規(guī)律。利用這種性質(zhì)也可以減少表示圖像的數(shù)據(jù)量，所以我們稱之為紋理的統(tǒng)計(jì)冗余。 編碼模型 ? 信源編碼器和信源解碼器 ? 信道編碼器和解碼器 編碼模型 如圖 ，一個(gè)壓縮系統(tǒng)包括兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)塊：一個(gè)編碼器和一個(gè)解碼器。圖像f（ x， y）輸入到編碼器中，這個(gè)編碼器可以根據(jù)輸入數(shù)據(jù)生成一組符號(hào)。在通過信道進(jìn)行傳輸之后，將經(jīng)過編碼的表達(dá)符號(hào)送入解碼器，經(jīng)過重構(gòu)后，就生成了輸出圖像。 信源編碼器和信源解碼器 信源編碼器的任務(wù)是減少或消除輸入圖像中的冗余。編碼的框圖如圖下圖 (a)所示。 從原理來看主要分為三個(gè)階段，第一階段將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以減少輸入圖像中像素間冗余的數(shù)據(jù)的集合。第二階段設(shè)法去除原圖象信號(hào)的相關(guān)性，例如對(duì)電視信號(hào)就可以去掉幀內(nèi)各種相關(guān)，還可以去除幀間相關(guān)。這樣有利 信源編碼器和信源解碼器 于編碼壓縮。第三階段就是找一種更近于熵，又利于計(jì)算機(jī)處理的編碼方式。 下圖 (b)中顯示的信源解碼器僅包含兩部分：一個(gè)符號(hào)解碼器和一個(gè)反向轉(zhuǎn)換器。這些模塊的運(yùn)行次序與編碼器的符號(hào)編碼器和轉(zhuǎn)換模塊的操作次序相反。 信道編碼器和解碼器 當(dāng)信道帶有噪聲或易于出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，信道編碼器和解碼器就在整個(gè)譯碼解碼處理中扮演了重要的角色。 最有用的 — 種信道編碼技術(shù)是由R． w． Hamming提出的。該技術(shù)基于這樣的思想，即向被編碼數(shù)據(jù)中加入足夠的位數(shù)以確?？捎玫拇a字間變化的位數(shù)最小。例如，利用Hamming碼將 3位冗余碼加到 4位字上，使得任意兩個(gè)有效碼字間的距離為 3，則所有的一位錯(cuò)誤都可以檢測(cè)出來并得到糾止。與 4位二進(jìn)制數(shù) b3b2b1b0相聯(lián)系的 7位 Hamming(7， 4)碼字 信道編碼器和解碼器 h1h2?h5h6h7 是： 這里表示異或運(yùn)算。 h1， h2和 h4位分別是位字段 b3b2b0， b3b1b0和 b2b1b0的偶校驗(yàn)位。 信道編碼器和解碼器 為了將漢明（ Hamming）編碼結(jié)果進(jìn)行解碼，信道解碼器必須為先前設(shè)立的偶校驗(yàn)的各個(gè)位字段進(jìn)行奇校驗(yàn)并檢查譯碼值。一位錯(cuò)誤由一個(gè)非零奇偶校驗(yàn)字 c4c2c1給出，這里， 編碼壓縮方法分類 數(shù)據(jù)壓縮的目標(biāo)是去除各種冗余。根據(jù)壓縮后是否有信息丟失，多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可分為無損壓縮技術(shù)和有損壓縮技術(shù)兩類。數(shù)據(jù)壓縮編碼分類如圖 。 常見的無損壓縮技術(shù)有： ? 霍夫曼編碼 ? 算術(shù)編碼 ? 行程編碼 ? 詞典編碼 編碼壓縮方法分類 常用的一些有損壓縮技術(shù)包括： ? 預(yù)測(cè)編碼 ? 變換編碼 ? 基于模型編碼 ? 分形編碼 ? 其他編碼 編碼壓縮方法分類 統(tǒng)計(jì)編碼 統(tǒng)計(jì)編碼屬無損編碼，它是根據(jù)消息出現(xiàn)概率的分布特性而進(jìn)行的壓縮編碼。統(tǒng)計(jì)編碼又可分為定長(zhǎng)碼和變長(zhǎng)碼。 常用的統(tǒng)計(jì)編碼有Huffman編碼、行程編碼和算術(shù)編碼三種。 哈夫曼（ Huffman）編碼 香農(nóng) 費(fèi)諾編碼 算術(shù)編碼 游程編碼（ RLC） LZW編碼 哈夫曼（ Huffman）編碼 在一幅圖像中，有些圖像數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻率高，有些圖像數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻率低。如果對(duì)那些出現(xiàn)頻率高的數(shù)據(jù)用較少的位數(shù)來表示，而出現(xiàn)頻率低的數(shù)據(jù)用較多的位數(shù)來表示，這樣從總的效果來看還是節(jié)省了存儲(chǔ)空間。這種編碼思想首先由香農(nóng)（ Shannon）提出，哈夫曼后來對(duì)它提出了一種改進(jìn)的編碼方法，用這種方法得到的編碼稱為 Huffman編碼， Huffman編碼是一種變長(zhǎng)編碼。 哈夫曼（ Huffman）編碼 ? 1. 理論基礎(chǔ) 一個(gè)事件集合 x1, x2,… ， xn處于一個(gè)基本概率空間，其相應(yīng)概率為 p1,p2,… ， pn，且 p1+ p2 +…pn=1 。每一個(gè)信息的信息量為 （ 43） 定義在概率
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