第4章音频媒体的压缩编码
莫尔斯编码
有12个字母（出现几率最小B C、F、H、J、L、P、Q、V、 12个字母（出现几率最小B C、 X、Y、Z ）用4bit数字表示； ）用4bit数字表示； 有8个字母（出现几率较少的D、G、K、O、R、S、U、W） 个字母（出现几率较少的D 用3bit数字表示； 3bit数字表示； 有4个字母（出现几率较高的A、I、M、N）用2bit数字表示； 个字母（出现几率较高的A ）用2bit数字表示； 有2个字母（出现几率最高的E、T）用1bit数字表示，共26 个字母（出现几率最高的E ）用1bit数字表示，共26 个字母。 其中出现几率最低的12个字母共需 12× 其中出现几率最低的12个字母共需 12×4bit=48bit 其中出现几率较低的8 其中出现几率较低的8个字母共需 8×3bit=24bit 其中出现几率较高的4 其中出现几率较高的4个字母共需 4×2bit=8bit 其中出现几率最高的2 其中出现几率最高的2个字母共需 2×1bit=2bit
MPEG－1（VCD ）：制定于1992年，它是针对 1.5Mbps以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴 音编码而设计的国际标准。也就是我们通常所见到的 VCD制作格式。使用MPEG-1的压缩算法，可以把一部 120分钟长的电影压缩到1.2GB左右大小。这种视频格式 的文件扩展名包括.mpg、.mlv、.mpe、.mpeg及VCD光 盘中的.dat文件等。 MPEG－2（DVD） ：制定于1994年，设计目标为 高级工业标准的图像质量以及更高的传输率。这种格式 主要应用在DVD/SVCD的制作(压缩)方面，同时在一些 HDTV(高清晰电视广播)和一些高要求视频编辑、处理上 面也有相当的应用。使用MPEG-2的压缩算法，可以把一 部120分钟长的电影压缩到4到8GB的大小。这种视频格 式的文件扩展名包括.mpg、.mpe、.mpeg、.m2v及DVD 光盘上的.vob文件等。
第四章 数字音频处理技术
4.3.2 MIDI音乐的制作原理
1. MIDI音乐的产生过程
2. MIDI通道
当MIDI设备交流信息时，需要遵循一定的事件序
列。例如，两个MIDI设备在建立连接之后首先要做的
事情就是在使用相同的MIDI通道方面达成一致。MIDI 可以在16个这样的通道上进行操作，这些通道用数字 分别标记为0～15。只要两个MIDI设备进行交流，就必 须使用相同的通道。对电脑合成音乐，每个逻辑通道 可指定一种乐器，音乐键盘可设置在这16个通道之中 的任何一个，而MIDI声源或者声音模块可被设置在指 定的MIDI通道上接收。
GoldWaved的界面与窗口
GoldWaved的界面
4.3 音乐合成与MIDI
音乐合成的方式根据一定的协议标准，使 用音乐符号来记录和解释乐谱，并组合成相应 的 音 乐 信 号 ， 这 就 是 MIDI （ musical instrument digital interface，乐器数字接 口）。
在音频数字化过程中，采样指的是以固定 的时间间隔T对模拟信号（音频信号）进行取 值。固定的时间间隔T称为采样周期，1/T称为
采样频率（fs）。采样后得到的是一个离散时
间信号。采样时间间隔T越短，也就是采样频 率越高，声音数据在后期播放时保真度越好。
2. 量化
采样后的音频信号需要经过量化，使信号幅度转 变为有限的离散数值。这种由有限个数值组成的信号 就称为离散幅度信号。 例如，假设输入电压的范围是0V～7V，并假设它 的取值只限定在0，1，2，„，7共8个值。如果采样得 到的幅度值是1.2V，则它的取值就应是1V，如果采样 得到的幅度值是2.6V，则它的取值就应是3V等。 这种数值就称为离散数值，即量化值。量化之后 得到的是时间离散、幅度离散的数字信号。
多媒体技术_多媒体数据压缩编码技术
4.知识冗余
图像的理解与某些基础知识有关。 例:人脸的图像有同样的结构：嘴的上方有鼻子， 鼻子上方有眼睛，鼻子在中线上…… 知识冗余是模型编码主要利用的特性。
5.视觉冗余
人的视觉系统对图像场的敏感性是非均匀、 非线性的。 （1）对图像亮度和色差的敏感性相差很大 Y：U：V＝8：4：4 或者Y：U：V＝8：2：2 （2）随着亮度增加，视觉系统对量化误差的敏感 度降低。 （3）人的视觉系统把图像边缘和非边缘区域分开 处理。
第四章、多媒体数据压缩编码技术
本章要点
（1）多媒体数据压缩编码的重要性和分类。 （2）量化的基本原理和量化器的设计思想。 （3）常用压缩编码算法的基本原理及实现技术、 预测编码、变换编码、统计编码(Huffman编码、 算术编码)。 （4）静态图像压缩编码的国际标准（JPEG）原 理、实现技术，以及动态图像压缩编码国际标 准(MPRG)的基本原理。
4.2.2 标量量化器的设计
量化器的设计要求 通常设计量化器有下述两种情况： 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。
量化方法有标量量化和矢 量量化之分，标量量化又可分 为，均匀量化、非均匀量化和 自适应量化。
（1）均匀量化
例如:从64个数中选出某一个数。可先问“是 否大于32?”消除半数的可能,这样只要6次就可选 出某数。 如果要选择的数是35,则过程如下: 1.大于/小于 32？ 大 2.大于/小于 32+16=48？ 小 3.大于/小于 48-8=40？ 小 4.大于/小于 40-4=36？ 小 5.大于/小于 36-2=34？ 大 6.大于/小于 34+1=35 等
（4）混合编码
音频压缩编码原理及标准.
离散余弦变换（DCT）
将原信号沿负方向延拓定义域，并合理选择对称坐标轴， 使其正、负轴对称，这样信号变为实轴对称的偶函数，DFT 变换后仅有余弦项而不存在正弦项，运算量大为减小。 原本的N个样本，经过对称后变为2N个 2N为抽取的样本值总数，为DCT变换的块长度。 例：采样为48KHz的PCM样值进行DCT变换，窗长分别为 21.33ms（相当于1024个样值），5.33ms（相当于256个样 值），则频率分辨率和时间分辨率分别为？
时域编码
结合声音幅度的出现概率来选取量化比特数进行 编码，在满足一定的量化噪声下压缩数码率，从 而降低比特率。
频域编码
利用人耳听觉的声掩蔽特性，在满足一定量化噪 声下来压缩码率 采用滤波和变化，在频域内将其能量较小的分量 忽略，从而实现降低比特率
子带编码：通过带通滤波器分成许多频带子带，分析每 个子带取样的能量，依据心理声学模型来编码 变换编码：变换到频域，根据心理声学模型对变换系数 进行量化和编码
对某频率的声音信号的拾取会采用中心频率接近此频率 的带通滤波器，因此，只有通过该带通滤波器的那部分 噪声才会对该信号产生影响
临界带宽——描述人耳的滤波特性
如果在一频带内噪声的功率等于该纯音的功率，且这时， 纯音刚好能被听到（临界状态），此纯音附近的窄带噪 声带宽的宽度便称为临界带宽 通常认为20Hz~20KHz内有24个临界频带
首先用一组带通滤波器把输入的音频信号分成若干个连 续的子带，然后对每个子带中的音频信号单独编码，在 接收端将各子带单独译码，然后组合、还原成音频信号。 对每个子带的采样值分配不同的比特数。低频分配较多 量化比特，高频分配较少量化比特。利用声音信号的频 谱特点及人耳的感知模型。
(完整word版)MPEG4压缩编码算法简介
MPEG4压缩编码算法简介视频压缩：MPEG4视频压缩编码后包括三种元素：I帧（I-frames）、P帧（P-frames）和B帧（B-frames）。
在MPEG编码的过程中，部分视频帧序列压缩成为I帧；部分压缩成P帧；还有部分压缩成B帧。
I帧法是帧内压缩法，也称为“关键帧”压缩法。
I帧法是基于离散余弦变换DCT（Discrete Cosine Transform ）的压缩技术，这种算法与JPEG压缩算法类似。
采用I帧压缩可达到1/6的压缩比而无明显的压缩痕迹。
在保证图像质量的前提下实现高压缩的压缩算法，仅靠帧内压缩是不能实现的，MPEG采用了帧间和帧内相结合的压缩算法。
P帧法是一种前向预测算法，它考虑相邻帧之间的相同信息或数据，也即考虑运动的特性进行帧间压缩。
P帧法是根据本帧与相邻的前一帧（I帧或P帧）的不同点来压缩本帧数据。
采取P帧和I帧联合压缩的方法可达到更高的压缩且无明显的压缩痕迹。
然而，只有采用B帧压缩才能达到200：1的高压缩。
B帧法是双向预测的帧间压缩算法。
当把一帧压缩成B帧时，它根据相邻的前一帧、本帧以及后一帧数据的不同点来压缩本帧，也即仅记录本帧与前后帧的差值。
B帧数据只有I帧数据的百分之十五、P帧数据的百分之五十以下。
MPEG标准采用类似4：2：2的采用格式，压缩后亮度信号的分辨率为352×240，两个色度信号分辨率均为176×120，这两种不同分辨率信息的帧率都是每秒30帧。
其编码的基本方法是在单位时间内，首先采集并压缩第一帧的图像为I帧。
然后对于其后的各帧，在对单帧图像进行有效压缩的基础上，只存储其相对于前后帧发生变化的部分。
帧间压缩的过程中也常间隔采用帧内压缩法，由于帧内（关键帧）的压缩不基于前一帧，一般每隔15帧设一关键帧，这样可以减少相关前一帧压缩的误差积累。
MPEG编码器首先要决定压缩当前帧为I帧或P帧或B帧，然后采用相应的算法对其进行压缩。
一个视频序列经MPEG全编码压缩后可能的格式为：IBBPBBPBBPBBPBBIBBPBBPBBPBBPBBI......压缩成B帧或P帧要比压缩成I帧需要多得多的计算处理时间。
音频编码标准发展历程及压缩技术优化
音频编码标准发展历程及压缩技术优化音频编码是指将模拟音频信号转换为数字音频信号的过程，并将该信号压缩以减小存储空间或传输带宽的技术。
随着数字音频技术的快速发展，音频编码标准也不断演进和优化。
本文将介绍音频编码标准的发展历程以及针对压缩技术的优化方法。
1. 音频编码标准发展历程1.1 PCM编码PCM（脉冲编码调制）是最早应用于音频编码的技术之一。
它将每一秒钟的音频信号切分成多个等间隔的时刻，然后将每个时刻的音频幅度量化成一个数字数值。
PCM编码简单可靠，但由于其较高的数据量，无法满足对存储空间和传输带宽的要求。
1.2 MPEG音频编码标准MPEG（Moving Picture Experts Group）是一个制定视频和音频编码标准的国际组织。
MPEG音频编码标准包括MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4。
MPEG-1音频编码标准于1992年发布，它利用了感知编码原理，剔除了人耳听不到的音频信号，从而实现了高压缩比。
MPEG-2音频编码标准在MPEG-1的基础上进行了改进，增加了多通道音频编码功能。
MPEG-4音频编码标准则引入了更先进的压缩算法和多媒体功能。
1.3 其他音频编码标准除了MPEG音频编码标准，还有许多其他标准应用于不同领域，如AC-3（Dolby Digital）用于DVD和电视广播，AAC（Advanced Audio Coding）用于多媒体应用，FLAC（Free Lossless Audio Codec）用于无损音频压缩等。
2. 音频编码压缩技术优化2.1 感知编码感知编码是音频编码中常用的一种方法，它利用人耳对不同音频信号的听觉敏感度的不同，对音频信号进行剔除和量化，从而达到更高的压缩率。
感知编码技术基于声学模型，通过分析和模拟人耳对音频信号的感知特性，确定哪些信号对于人耳是不可察觉的，然后将这些信号从编码中排除。
2.2 预测编码预测编码是音频编码中的一种常见技术，它利用音频信号中的统计规律进行压缩。
第四章 多媒体数据压缩编码技术
MPEG（Motion picture Experts Group） 是运动图像专家小组的英文缩写 MPEG标准主要有MPEG-l、MPEG-2、 MPEG-4和正在制定的MPEG-7等
多媒体数据压缩编码的国际标准
1.静态图像压缩编码的国际标准（JPEG）
– JPEG（Joint Photographic Experts Group
– JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法： 采用以DCT为基础的有损压缩算法 采用以预测技术为基础的无损压缩算法
– 在JPEG标准中定义了四种编码模式： 顺序编码 累进编码 无失真编码 分层编码
多媒体数据压缩编码的国际标准
JPEG图像的压缩比与质量
JPEG在使用DCT进行有损压缩时，压缩比可 调整在压缩10~30倍后，图像效果仍然不错， 因此得到了广泛的应用。
(a) 原图
(b) 压缩效果图
图 d 四次小波变换编码的实验结果
预测编码
预测编码的基本原理 自适应预测编码 帧间预测编码
变换编码
变换编码不是直接对空域图像信号进行编码，而是 首先将空域图像信号映射变换到另一个正交矢量空间 （变换域或频域），产生一批变换系数，然后对这些 变换系数进行编码处理。变换编码是一种间接编码方 法，其中关键问题是在时域或空域描述时，数据之间 相关性大，数据冗余度大，经过变换在变换域中描述， 数据相关性大大减少，数据冗余量减少，参数独立， 数据量少，这样再进行量化，编码就能得到较大的压 缩比。目前常用的正交变换有：傅立叶 (Fouries)变换、 沃尔什(Walsh)变换、哈尔(Haar)变换、斜(Slant)变换、 余弦变换、正弦变换、K-L(Karhunen-Loeve)变换等。
计算机基础第四章
一、单选题1. A/D 转换器的功能是将―。
A. 声音转换为模拟量B. 模拟量转换为数字量C. 数字量转换为模拟量D. 数字量和模拟量混合处理B2. D/A 转换器的功能是将―。
A. 声音转换为模拟量B. 模拟量转换为数字量C. 数字量转换为模拟量D. 数字量和模拟量混合处理C3. 在多媒体的模拟波形声音数字化时，常采用的标准采样频率为____。
A. 44.1KHzB.88.2KHzC.20KHzD.10KHz4. 标准是用于视频影像和高保真声音的数据压缩标准。
A.MPEGB.PEGC.JPEGA5. 在windows?中，录音机录制的声音文件扩展名是。
A. MIDB.WMAC.AVIB6. ―标准是静态数字图像数据压缩标准。
A. MPEGB.PEGC.JPEGC___ 。
A. 流媒体技术B. 网络信息传输技术C. 媒体技术D. 网络媒体技术 A8. ―是流媒体技术的基础。
A. 数据传输 B.数据压缩 C.数据存储D.数据运算B9. 通常所说的16位声卡的意思是―。
A. 声卡的数据和地址总线都是16位B. 声卡采样后的量化位数是16位C. 声卡信号处理时数据长度是16位D. 声卡采用16位的ISA 接口B10. 多媒体计算机在对声音讯息进行处理时，必须配备的设备室 _____ 。
A. 扫描仪 B.彩色打印机C.音频卡D.数码相机 C11. 以下—不是计算机中使用的声音文件格式。
A. WAVB.MP3C.TIFD.MIDC12. 以下 文件是视频影像文件。
A.MPG B.MP3 C.MID D.GIF第四章A D.JPGD.WAVD.JPG7. 把连续的影视和声音信息经过压缩后，放到网络媒体服务器上， 让用户边下载边收看，这种技术称为13.在goldwave主窗口中，要提高放音音量，应用菜单中的命令。
A.文件B.效果C.编辑D.选项B14.立体声双声道采样频率为44.1KHz，量化位数为8位，一分钟这样的音乐需要的存储量可按—公式计算。
音频压缩编码
音频压缩编码音频压缩编码可分为语音信号的压缩编码和宽带音频信号的压缩编码。
前者即为声码器，出现较早(约5O～60年代)，现在主要用于数字电话通信上，后者包括各种音乐节目信号．出现在80年代后期，是当前的热门课题，它要求达到CD(激光唱片)的音质。
它应用于数字声广播(DAB)，V—CD(Video—CD)，数字视盘(DVD-Digital Video Disc)及未来的高清晰度<HDTV)的伴音中。
现代技术发展中处处会遇到信号的传送和存储，为充分利用有限的资源和有限空间，必须压缩数据量，音频信号是其典型的例子。
1语音压缩编码标准语音的PCM码率为64kblt／s。
电声技术1／1997来美国麻省理工学院(MIT)林肯实验室提出的多带激励(IMBE)改善了传送语音质量。
目前国内战术卫垦通信系统准备采用2．4kb／s的IMBE算法。
2宽带音频压缩编码2．1概况-按48kb／s采样频率16bit(或18bit)量化。
按双通道立体声则总PCM码率为1．536Mbit ／s (或1．728Mbit／s)。
按环绕声制式左、中、右、左环、右环和重低音六声道采样的PCM 码率为4．608 Mbit／s(或5、1 84Mbit／s)或每个通道768kb／s(或864kb／s)。
现在，一般标准要求经压缩后每声道降到64～128bit／s，即压缩比l2～6倍而音质不受影响。
宽带声频信号压缩编码的实质性发展和标准化的进展是由1988年由ISO(国际标准化组织)／匝c(国际电工委员会)组建的MPEG(活动图象专家组)的工作，l 989年征求l4种方案后，先保留了4种．再进一步工作后确定了2种：MUSICAM(Masking PatternAdapted Universal Subhand Integrated CodingAnd Multiplexing)掩蔽模式通用子带集成编码与多路复用和ASPEC(Adaptive Spectral Per—ceptual Entropy Coding)自适应频谱感知熵编码在96kbit／s～128kbit／s码率下表现明显优势。
第4章 多媒体音频制作技术
识别系统可大致分为三部分：
2、声学模型与模式匹配（识别算法）：声学模型通常通过学习算法来获 语言模型对中、大词汇量的语言识别系统特别重要。当分类发生错误时可以 得语音特征。在识别时将输入的语音特征同声学模型进行匹配与比较，从 根据语言学模型、语法结构、语义学进行判断纠正，对于一些同音字则必须
通过上下文结构才能确定词义。 而得到最佳的识别结果。
采用44.1KHZ采样频率的高品质CD品质音频，每秒钟取44100个点，这样 可记录的最高频率为22KHZ，这正是人耳能分辨的最高音频再加上一定的 保护频带，因此CD的音质与原始声音几乎毫无差别。而把一段语音录制 为数字音频时，采样频率以11KHZ为宜，因为语音的频带宽度为3KHZ，过 高的采样频率不仅不能提高声音质量，反而会增加文件的容量。
1、 采Байду номын сангаас一定的格式来记录数字数据；
2、采用一定的算法来压缩数字数据以减少存储空间和提高传输效率。 最简单的编码方案是直接用二进制表示，也称作PCM脉冲编码调制 。 保真度高，解码速度快，但编码后的数据量大。
1001 1011 1011 这些被编码后的数字信号就可以被CPU所处理
衡量一种编码方法的性能指标：码流速率、量化噪声
音源
话筒
模拟电信号
压缩量化
声波
模数转化
数字信息
模拟信号
采样
量化
编码
数字信号
PCM（Pulse Code Modulation）脉冲编码调制是一种模数转换的最基本编码方法。 它把模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换，它主要包括： 采样：在时间轴上对信号进行离散化处理； 量化：在幅度轴上对采样后声音信号的振幅值进行离散化处理； 编码：将采样和量化后的数字化声音信息以二进制形式并按照一定的数据格式进行表示
音频压缩算法的基本原理与应用
音频压缩算法的基本原理与应用一、引言随着数字化时代的到来，音频的存储和传输已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。
但是不同于图像和视频这类的媒体数据，音频数据在传输和存储的过程中需要占用更多的存储空间和带宽。
因此，音频压缩算法应运而生。
本文将介绍音频压缩算法的基本原理和应用。
二、音频压缩算法的基本原理在介绍音频压缩算法之前，先来了解一下音频的范畴。
音频可以被看作是一串时间上的连续信号，而这个信号可以被表示为数字波形。
数字化的原理是通过对音频信号进行采样，即将连续的音频信号转为离散的数字信号。
采样的频率越高，数字波形的精度就越高。
为了减少音频数据的大小，需要对数字波形进行压缩。
压缩的基本原理是寻找重复、冗余和不必要的信息，并且只保留有用的信息。
这样一来，我们就可以在保持音频质量的同时减少存储空间和传输带宽。
音频压缩算法可以分为两种类型：有损压缩和无损压缩。
有损压缩是指压缩过程中会舍弃一部分信息，而无损压缩则是压缩过程中不会损失任何信息。
下面分别介绍两种压缩算法的基本原理。
1. 有损压缩算法有损压缩算法的基本思想是通过舍去一部分听不到或极其不重要的音频信息来达到压缩的目的。
有损压缩算法主要包括以下几种：(1) MP3MP3是最流行的有损压缩算法之一。
它的原理是基于人耳听觉的生理特性，对音频信号进行频域分析，去除听不到的高频信号，然后对低频信号进行压缩编码。
MP3算法在压缩前需要将音频信号进行分帧和窗口函数处理，然后利用傅里叶变换将信号转换到频域。
(2) AACAAC是Advanced Audio Coding的缩写，是一种先进的音频编码标准。
与MP3不同的是，AAC在编码过程中更加注重音频信号的感知质量。
它可以更好地保留音频信号的高频信息，使得在同样的比特率下可以得到更高的音质。
AAC主要通过两种方式来压缩音频信号：降低采样频率和压缩动态范围。
2. 无损压缩算法无损压缩算法的基本思想是在不丢失任何信息的情况下，压缩数字波形。
音视频编码与压缩技术
音视频编码与压缩技术音视频编码与压缩技术是在数字通信和多媒体应用中广泛使用的一种技术，它将音频和视频信号转换成数字数据并进行编码和压缩，以实现高效的存储和传输。
本文将介绍音视频编码与压缩技术的基本原理、常见的编码和压缩算法，以及其在实际应用中的应用和发展。
一、音视频编码与压缩技术的基本原理音视频编码与压缩技术的基本原理是通过去除信号中的冗余信息来实现数据压缩，同时保持尽可能高的信号质量。
音频信号的冗余主要包括时间冗余和频域冗余，视频信号的冗余包括时域冗余、空域冗余和频域冗余。
因此，音视频编码与压缩技术的关键是如何利用这些冗余信息进行数据压缩。
二、常见的音视频编码和压缩算法1. 音频编码和压缩算法：常见的音频编码和压缩算法包括MP3、AAC和AC-3等。
MP3是一种流行的音频编码格式，它采用了基于人耳听觉特性的声音掩盖和量化方法。
AAC是一种高级音频编码格式，它在压缩率和音质上都有很好的表现。
AC-3是一种多通道音频压缩算法，适用于高质量环绕声音频编码。
2. 视频编码和压缩算法：常见的视频编码和压缩算法包括H.264、VP9和AV1等。
H.264是一种广泛应用于视频传输和存储的编码格式，它具有较高的压缩比和良好的画质表现。
VP9是由Google开发的视频编码格式，适用于互联网视频传输，其相对于H.264有更高的压缩比。
AV1是一种开源、免费的视频编码格式，它在压缩率和视觉质量方面都有显著提高。
三、音视频编码与压缩技术的应用和发展1. 音视频媒体传输：音视频编码与压缩技术在实时音视频传输领域得到了广泛应用，例如视频会议、网络直播和流媒体等。
通过有效的压缩算法，可以实现传输带宽的节约和传输质量的提升。
2. 数字娱乐：音视频编码与压缩技术为数字娱乐领域带来了极大的发展，例如音乐、电影和游戏等。
高效的编码算法可以保证音视频的高质量播放和流畅体验。
3. 无人驾驶和虚拟现实：音视频编码与压缩技术在无人驾驶和虚拟现实等领域也有广泛的应用。
音频压缩
音频压缩技术指的是对原始数字音频信号流（PCM编码）运用适当的数字信号处理技术，在不损失有用信息量，或所引入损失可忽略的条件下，降低（压缩）其码率，也称为压缩编码。
它必须具有相应的逆变换，称为解压缩或解码。
音频信号在通过一个编解码系统后可能引入大量的噪声和一定的失真。
、音频压缩算法的主要分类及典型代表一般来讲，可以将音频压缩技术分为无损（lossless）压缩及有损（lossy）压缩两大类，而按照压缩方案的不同，又可将其划分为时域压缩、变换压缩、子带压缩，以及多种技术相互融合的混合压缩等等。
各种不同的压缩技术，其算法的复杂程度（包括时间复杂度和空间复杂度）、音频质量、算法效率（即压缩比例），以及编解码延时等都有很大的不同。
各种压缩技术的应用场合也因之而各不相同。
（1）时域压缩（或称为波形编码）技术是指直接针对音频PCM码流的样值进行处理，通过静音检测、非线性量化、差分等手段对码流进行压缩。
此类压缩技术的共同特点是算法复杂度低，声音质量一般，压缩比小（CD音质> 400kbps），编解码延时最短（相对其它技术）。
此类压缩技术一般多用于语音压缩，低码率应用（源信号带宽小）的场合。
时域压缩技术主要包括G.711、ADPCM、LPC、CELP，以及在这些技术上发展起来的块压扩技术如NICAM、子带ADPCM（SB-ADPCM）技术如G.721、G.722、Apt-X等。
（2）子带压缩技术是以子带编码理论为基础的一种编码方法。
子带编码理论最早是由Crochiere等于1976年提出的。
其基本思想是将信号分解为若干子频带内的分量之和，然后对各子带分量根据其不同的分布特性采取不同的压缩策略以降低码率。
通常的子带压缩技术和下面介绍的变换压缩技术都是根据人对声音信号的感知模型（心理声学模型），通过对信号频谱的分析来决定子带样值或频域样值的量化阶数和其它参数选择的，因此又可称为感知型（Perceptual）压缩编码。
多媒体数据压缩编码介绍
1.空间冗余—— 规则物体的物理相关性
2.时间冗余—— 视频、动画前后画面间的相关 性
3.结构冗余—— 规则纹理、相互重叠的结构表面
4. 视觉冗余—— 视觉敏感度非均匀、非线性
224色 28色
5. 知识冗余—— 凭借经验识别
6. 信息熵冗余
也称编码冗余： 如果表示多媒体内容使用的平均比特数 大于该消息的信息熵，则信源中存在冗 余，即信息熵冗余。 例如：图像中平均每个像素使用的比特 数大于该图像的信息熵，则图像中存在 冗余，这种冗余即为信息熵冗余。
第2章多媒体数据压缩基础
2.1 数据压缩编码简介 2.2 统计编码 2.3 词典编码 2.4 预测编码 2.5 变换编码
2.1 数据压缩编码简介
2.1.1 数据压缩的必要性
●文本: 若1024×768显示分辨率、16×16点阵文字、4 Byte/字，则一屏汉字的
总数据量为: (1024/16)×(768/16)×4 = 12288 Byte (12KB)
●视频：若图像分辨率为352×240，24位色彩，帧率为25帧/秒， 则1分钟的总数据量为: 352×240 ×3 Byte×25×60s = 371250 KB (362.55MB)
○○○○●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●○○○○○○○ ○○○○●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●○○○○○○ ○○○○○●●○○○○○●●●●●●●●●●●●●●●○○○○○ ○○○○○●●●○○○○●●●●●●●●●●●●●●●●○○○○ ○○○○○●●●○○○○●●○○○○○○○○○○●●○○○○○○ ○○○○○○●●○○○○●●○○○○○○○○○○●●○○○○○○ ○○○○○○○○○○○○●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ○○○○○○○○○○●○●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ●●●●●●●●●●●●●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ●●●●●●●●●●●●●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ○○○○○○○○●●○○●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ○○○○○○○●●●○○●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ○○○○○○●●●○○○●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ○○○○○●●●○○○○●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ○○○○●●●●○○○○●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ○○○●●●●●○○○○●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ○○●●●○●●●○○○●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ○●●●○○●●●●○○●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ●●○○○○●●○●●○●●○○○○●●○○○○●●○○○○○○ ●○○○○○●●○●●○●●○○○○●●●●○○●●○○○○○○ ○○○○○○●●○●●○●●○○○●●○●●○○●●○○○○○○ ○○○○○○●●○○○○●●○○○●●○●●○○●●○○○○○○ ○○○○○○●●○○○○○○○○○●●○●●○○○○○○○○○○ ○○○○○○●●○○○○○○○○●●○○●●○○○○○○○○○○ ○○○○○○●●○○○○○○○○●●○○●●○○○○○○●○○○ ○○○○○○●●○○○○○○○●●○○○●●○○○○○○●○○○ ○○○○○○●●○○○○○○○●●○○○●●○○○○○○●●○○ ○○○○○○●●○○○○○○●●○○○○●●○○○○○○●●○○ ○○○○○○●●○○○○○○●●○○○○●●●●●●●●●●●○ ○○○○○○●●○○○○○●●○○○○○○●●●●●●●●●○○ ○○○○○○●●○○○●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○ ○○○○○○●●○○●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○
第4章 多媒体数据压缩技术
如上图的行程长度编码可写为：白8黑5白3黑8白6……
2023/4/20
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4.2 静态图像的压缩标准JPEG
4.2.1 JPEG标准简介 4.2.2 JPEG标准中的主要技术 4.2.3 JPEG标准的压缩过程 4.2.4 JPEG2000
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方式3：不等长编码
考查字符串中不同字符出现的概率并对其重新定义一 个编码字如表4.2所示：
则其编码的总长度为：8×1+4×3×3+2×4×2=60（bit）
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4.1.3 常用的数据压缩方法
1.行程长度（也称游程长度编码）
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5.熵编码
2) 熵编码实例——哈夫曼编码
算法可描述为： (1) 对图像中出现的不同像素值进行概率统计，得到n个不同概率的信 息符号。 (2) 按符号出现的概率由大到小、由上到下排列。 (3) 对两个最低概率符号分别以二进制0、1赋值。 (4) 两最低概率相加后作为一个新符号的概率重新置入符号序列中。 (5) 对概率按从大到小重新排列。 (6) 重复(2)～(5)，直到只剩下两个概率符号的序列。 (7) 分别以二进制0、1赋值后，以此为根结点，沿赋值的顺序的逆序依 次写出该路径上的二进制代码，得到哈夫曼编码。
第四章 数字压缩编码技术
第四章数字压缩编码技术1 数字压缩的必要性数字信号有很多优点，但当模拟信号数字化后其频带大大加宽，一路6MHz的普通电视信号数字化后，其数码率将高达167Mbps，对储存器容量要求很大，占有的带宽将达80MHz左右，这样将使数字信号失去实用价值。
数字压缩技术很好地解决了上述困难，压缩后信号所占用的频带大大低于原模拟信号的频带。
因此说，数字压缩编码技术是使数字信号走向实用化的关键技术之一，表4－1列出了各种应用的码率。
有线电视网中数字压缩技术主要包括用于会议电视系统的H.261压缩编码，用于计算机静止图像压缩的JPEG和用于活动图像压缩的MPEG数字压缩技术。
2 图像压缩编码的可能性从信息论观点来看，图像作为一个信源，描述信源的数据是信息量(信源熵)和信息冗余量之和。
信息冗余量有许多种，如空间冗余，时间冗余，结构冗余，知识冗余，视觉冗余等，数据压缩实质上是减少这些冗余量。
可见冗余量减少可以减少数据量而不减少信源的信息量。
从数学上讲，图像可以看作一个多维函数，压缩描述这个函数的数据量实质是减少其相关性。
另外在一些情况下，允许图像有一定的失真，而并不妨碍图像的实际应用，那么数据量压缩的可能性就更大了。
3 图像压缩编码方法的分类编码压缩方法有许多种，从不同的角度出发有不同的分类方法，比如从信息论角度出发可分为两大类：(1)冗余度压缩方法，也称无损压缩，信息保持编码或熵编码。
具体讲就是解码图像和压缩编码前的图像严格相同，没有失真，从数学上讲是一种可逆运算。
(2)信息量压缩方法，也称有损压缩，失真度编码或熵压缩编码。
也就是讲解码图像和原始图像是有差别的，允许有一定的失真。
应用在多媒体中的图像压缩编码方法，从压缩编码算法原理上可以分类为：(1)无损压缩编码种类·哈夫曼编码·算术编码·行程编码·Lempel zev编码(2)有损压缩编码种类·预测编码：DPCM，运动补偿·频率域方法：正文变换编码(如DCT)，子带编码·空间域方法：统计分块编码·模型方法：分形编码，模型基编码·基于重要性：滤波，子采样，比特分配，矢量量化(3)混合编码·JBIG，H261，JPEG，MPEG等技术标准衡量一个压缩编码方法优劣的重要指标是：(1)压缩比要高，有几倍、几十倍，也有几百乃至几千倍；(2)压缩与解压缩要快，算法要简单，硬件实现容易；(3)解压缩的图像质量要好。
第四章 数据压缩技术
三、数据压缩算法的综合评价指标
衡量一种数据压缩技术好坏的指标综合起 来就是：
1、压缩比要大 2、实现压缩的算法要简单、压缩与 解压的速度要快 3、恢复效果要好
1、压缩的倍数
压缩的倍数也称压缩率或压缩比，通常有 两种衡量的方法： 1）由压缩前与压缩后的总的数据量之比来表示。（或 者也可是压缩过程中输入数据量和输出数据量之比，希望压 缩比尽量的大）。
由此我们知道，整理图
像的描述方法可以达到 压缩的目的。
描述语言 1、“这是一幅 2*2 的图像，图像的第一 个像素是红的，第二 个像素是红的，第三 个像素是红的，第四 个像素是红的”。 2、“这是一幅2*2的 图象，整幅图都是红 色的”。
图像冗余无损压缩的原理
RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB RGB
表面物体特性具有相关性，这些相关性的光成像结果在数 字化图像中就表现为数据冗余。
2）时间冗余 3）信息熵冗余 4）结构冗余 5）知识冗余 6）视觉冗余
4、数据冗余的主要类型
1）空间冗余
2）时间冗余：时间冗余反应在视频帧序列中，相邻帧图
像之间有较大的相关性，一帧图像中的某 物体或场景可由其他帧图像中的物体或场 景重构出来。语音中也有大量的时间冗余。
客观尺度通常用以下三种指标表示
1）均方误差； 2）信噪比（SNR）； 3）峰值信噪比（PSNR）
3、压缩与解压的速度
目标是使压缩与解压的速度尽量的
快。
在许多应用中，压缩和解压将在不同的 时间，不同的地点、不同的系统中进行， 因而必须分别评价压缩和解压速度。
行程编码(RLE编码)
(语音与音频编码)第四章矢量量化
多级矢量量化是一种灵活的量化方法。它将输入的矢量空间划分为多个级别，每个级别对应 不同的精度和码本大小。在量化过程中，可以根据需要选择合适的级别进行量化，以满足不
同的应用需求。这种方法具有较好的灵活性和适应性，但需要更多的计算和存储资源。
04
矢量量化的优化技术
码本压缩技术
码本压缩
通过减少码本中存储的向量数量或降低码本中向 量的精度，来实现码本的压缩。
矢量量化的应用场景
语音编码
在语音编码中，矢量量化被广泛 应用于对语音信号的压缩，以提 高语音传输的效率和存储空间利
用率。
音频处理
在音频处理中，矢量量化可用于实 现音频信号的降噪、增强和特征提 取等任务。
数据压缩
在数据压缩领域，矢量量化可以用 于图像、视频等数据的压缩，以减 小数据存储和传输的开销。
05
矢量量化的应用实例
语音信号的矢量量化
语音压缩
矢量量化技术可以用于语音信号的压缩，通过将语音信号 的样点聚类成矢量，并使用少量的参数来表示这些矢量， 从而实现高效的语音压缩。
语音识别
在语音识别中，矢量量化技术可以用于特征提取，将原始 语音信号转换为具有代表性的矢量序列，从而便于后续的 分类和识别。
详细描述
嵌入式矢量量化是一种逐一构建码本的算法。它从初始的简单码本开始，逐步将码字替换为更复杂的 码字，同时记录下替换过程中的信息。在反量化时，根据记录的信息可以逐步恢复到原始数据。这种 方法能够有效地压缩数据，但需要更多的存储空间来记录替换过程中的信息。
多级矢量量化
总结词
将输入的矢量空间划分为多个级别，每个级别对应不同的精度和码本大小，以适应不同 的应用需求。
动态码本
根据输入数据的特性，动态地选择码本中的向量 进行量化，以减少存储空间和计算复杂度。
(计算机基础知识)多媒体数据的编码与处理
(计算机基础知识)多媒体数据的编码与处理多媒体数据的编码与处理多媒体数据的编码与处理是计算机基础知识中的重要一环。
随着科技的不断发展，多媒体应用越来越普及，对于多媒体数据的处理变得越来越关键，它涉及到视频、音频、图像等各种形式的数据处理。
本文将对多媒体数据的编码与处理进行探讨。
一、多媒体数据的编码原理多媒体数据的编码是将原始的音频、视频和图像等信号转化为数字化的数据形式，以便计算机可以对其进行处理和传输。
在编码过程中，首先需要对原始信号进行采样，然后利用数字信号处理的方法，将采样到的数据转化为二进制形式，最后进行压缩编码。
1. 音频数据的编码在音频数据的编码中，最常用的方法是脉冲编码调制（PCM），它将连续的模拟信号转化为离散的数字信号。
PCM通过对音频信号进行采样和量化，并使用不同的编码方式来表示不同的量化值，实现了音频数据的数字化。
2. 视频数据的编码视频数据的编码一般使用压缩编码技术，最为常见的是基于帧间压缩的视频编码标准，如MPEG系列。
这种编码方式首先对视频信号进行分解，将图像分解为一系列连续的帧，并通过对帧间差异进行压缩来减小数据量，从而实现视频数据的高效编码和传输。
3. 图像数据的编码对于图像数据的编码，最经典的方法是基于离散余弦变换（DCT）的JPEG编码。
JPEG编码将图像分割为8x8或16x16的小块，然后对每个小块进行DCT变换，并利用量化和熵编码来压缩图像数据，以减小文件大小，并实现高质量的图像显示和传输。
二、多媒体数据的处理方法多媒体数据的处理是对编码后的数据进行解码、编辑、处理和显示等操作，以满足不同应用需求。
以下是几种常见的多媒体数据处理方法：1. 数据解码在多媒体播放过程中，首先需要对编码后的数据进行解码。
解码过程是将压缩编码的数据还原为原始的音频、视频或图像数据的过程。
根据不同的编码方式，需要选择相应的解码算法和解码器进行解码处理。
2. 数据编辑多媒体数据的编辑是在完成解码后，对数据进行剪辑、合并、分割等操作，以满足用户对多媒体内容的需求。
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声音硬件：
Input Devices Microphone Analog Signal ADC Digital Signal
Sound
Stored /
DAC
Transmitted Digital Processor
声音质量的度量
部分编码器的MOS分
编码器 MOS分 4.3 4.1 4.0 3.7
64 kb/s脉冲编码调制(PCM) 32 kb/s自适应差分脉冲编码调制(ADPCM) Achievable 16 kb/s低时延码激励线性预测编码(LD-CELP)
Quality
8 kb/s码激励线性预测编码(CELP)
4.1.4 声音质量的度量
• 声音质量的度量分为：客观质量度量和主观质量
度量。 • 声音客观质量的度量用信噪比来展开：
信噪比（SNR）越大，声音质量越好；反之，信噪比 越小，声音质量越差
• 声音主观质量的度量是利用人的感觉（听觉）来
进行度量，主观平均判分法（MOS）,通常分5分：
1分:劣(极反感);2分:差(讨厌但不反感);3分:中(有点 讨厌);4分:良(基本可以接受);5分:优(效果很好)
3．高保真度立体声音频压缩编码技术标准
•
高 保 真 立 体 声 音 频 信 号 频 率 范 围 是 50Hz ～ 20kHz ， 采 用 44．1kHz采样频率，16bit量化进行数字化转换，其数据速率 每声道达705kbit／s。
• 采样频率为48kHz，44.1kHz，32kHz • MPEG音频压缩技术的数据速率为每声道32～448kbit／s，适
采样精度、通道数、数据率和频率范围 等参数。
声音类别与数据率
声音类别 采样率 (kHz) 精度 (bit/s) 单声道/ 立体声 数据速率 （未经压缩） 频率范围 （Hz）
Phone AM FM
8 11.025 22.050
8 8 16
single single stereo
8kBps 11.0kBps 88.2kBps
4.1.1 音频信号的数字化
• 音频信号通常是连续信号，要利用计算机
来处理，首先需要对其数字化。
模拟 语音
0.75 0.5 0.25 samples -0.25 -0.5 -0.75
采样
量化
0
samples
编码
数字
序列
0100111…
音频信号的数字化
•
对声音信号进行采样时，一般使用音频范围的 ADC（模数转换器）进行。不同的ADC主要区别 于以下两个重要参数： （1）采样频率： 采样频率是指每秒钟采集声音样本的个数。它 的取值应该满足Nyquist Theory，即采样频率fs应 该大于等于声音信号中最高频率fm的两倍。 采样频率的单位是：Hz或samples/s。 如：数字电话的采样率为8KHz。 （2）采样精度： 采样精度用样本位数来表示。 样本位数越多，则声音质量越高，因为每个样 本的量化值与原样本值越接近。 采样精度的单位是：bits/sample。
频率：声音的尖锐程度。 振幅：声音的大小，又称响度。 音频信号是指处在20Hz～20kHz频率范围的声音。
音频频率范围
低频声音(Infra-sound)： 0Hz－20Hz 人类听觉频率范围的声音： 20Hz－20kHz 高频(Ultrasound)： 20kHz－1GHz 超声波(Hypersound)： 1GHz－10THz
音频信号
声波图示，其中包含两个重要参数：频率和振幅
音频信号
• 根据音频信号占用频谱的不同，可以将音
频信号分为3类：
1.语音信号：又称话音信号，是人在正常情况下 发出的一种声音，频率范围大约为300Hz～ 3.4KHz。 2.音乐信号：各种乐器发出的声音，频率范围大 约为20Hz～20kHz。 3.噪音信号：人们不感兴趣的一类声音，通常研 究如何去掉它。
G.7XX系列和ISO/IEC制定的MPEG-X系列。
•
1．电话质量的音频压缩编码技术标准 • 信号频率规定在300Hz～3.4kHz，采用标准的脉冲编 码调制(PCM)，当采样频率为8kHz，进行8bit量化时， 所得数据速率为64kb/s，即一个数字电话。 • PCM标准G.711 ,1972年CCITT为电话质量和语音压缩 制定，其速率为64Kb／s，使用非线性量化技术，主 要用于公共电话网中。 • ADPCM是利用样本与样本之间的高度相关性和量化阶 自适应来压缩数据的一种波形编码技术，CCITT为此 制定了G.721推荐标准，这个标准叫做32 kb/s ADPCM。 在此基础上还制定了G.721的扩充推荐标准G.723，使 用该标准的编码器的数据率可降低到40 kb/s和24 kb/s。 • G.721 的输入信号是G.711 PCM代码，它的数据率为 64 kb/s。而G.721 ADPCM的输出是用4位表示的差分 信号，它的采样率仍然是8 kHz，它的数据率为32 kb/s，这样就获得了2∶1的数据压缩。
采样频率越高，采样精度越大，则数字化声音效 果越好，但是需要的存储量就越大。因此在实际应 用中，需要折中考虑声音质量和存储量的问题。
Sampling Height
0.75 0.5 0.25 -1 0 -0.25 -0.5 -0.75
samples
另外一种表示精度的方法是信噪比（SNR），表示为：
SNR 10lg[(Vsignal )2 /(Vnoise )2 ] 20lg(Vsignal / Vnoise )
混合编码：
混合编译码器使用音源编译码技术和波形编 译码技术，数据率和音质介于它们之间。使用 的激励信号波形尽可能接近于原始话音信号的 波形。例如CELP。 下图表示了目前这三种编译码器的话音质量 和数据率的关系。
图 普通编译码器的音质与数据率
4.1.3 声音类别与数据率
• 声音根据频带分为5类：
（1）电话（Telephone）声音 （2）调幅（Amplitude Modulation）广播声音 （3）调频（Frequency Modulation）广播声音 （4）数字音频光盘（CD-Audio）声音 （5）数字录音带（Digital Audio Tape）声音
• 这些不同的声音数据区别于采样频率、
• 常见的音频压缩编码准则有ITU制定的
• G.7XX是一组 ITU-T 标准，用于音频压缩和解压
缩。它主要用于电话方面。在电话技术中，有 两个主要的算法标准，分别定义在 μ-law 算法 （美国使用）和 A-law 算法（欧洲及世界其他 国家使用）中。两者都是基于对数关系的，但 对于计算机的处理来说，后者更为简单。 MPEG-X是一组用于视频的编码方案，其中也有 音频的编码部分，可以用于音频压缩编码。
Analog Signal
Speaker Output Devices
Reproduced Sound
4.1.2 音频信号压缩编码的可行性与分类
• 对于高质量和长时间的音频数据，由于数据
量都特别大，为了有效地存储和传输，需要 进行压缩编码。 • 压缩的可能性存在于：
（1）声音信号中包含大量的冗余信息，如样本相关性、 时间周期相关性、基音相关性等。 （2）利用人的感知特性进行压缩。 （3）根据话音产生机理进行压缩。
合于CD－DA光盘应用。
– 目前国际上比较成熟的高保真立体声音频压缩标 准为MPEG音频。 – MPEG-1和MPEG-2的声音数据压缩编码不是依据波 形本身的相关性和模拟人的发音器官的特性，而 是利用人的听觉系统的特性来达到压缩声音数据 的目的，这种压缩编码称为感知声音编码 (perceptual audio coding)。
话音技术的研究热点
• 话音压缩编码（Speech Coding） • 话音识别（Speech Recognition）
• 文本话音转换（Text To Speech）
4.1 音频信号
• 声音的产生源于物体的震动，这种震动引起物 •
体周围气压的变化并传播，最后形成了声音。 声音是一种波，由两个参数描述：
• 源编码(参数编码)：
参数化，利用语音信号的特点进行数据 压缩。音源编译码的想法是企图从话音波形 信号中提取生成话音的参数，使用这些参数 通过话音生成模型重构出话音。 例如：信道 声码器的工作原理： 将语音信号基于语音分析原理分解成一系 列频率分量，将这些分量在信道中传输。 接收方基于收到的数据进行语音重建：将 收到的数据中的频率分量作为语音的基频， 产生一系列脉冲作为浊音，用噪声发生器的 输出作为清音。 此方法可以将语音的传输速率降低至 2.4Kb/s，甚至更低 。
• 根据压缩编码思想的不同，把音频编码技术分为三类： （1）波形编码（Waveform Coding）
（2）源编码（Source Coding）,参数编码 （3）混合编码（Hybrid Coding）
• 波形编码：
没有利用语音信号自身的特点。波形编译码的想法 是，不利用生成话音信号的任何知识而企图产生一种重 构信号，它的波形与原始话音波形尽可能地一致。一般 来说，这种编译码器的复杂程度比较低，数据速率在16 kb/s以上，质量相当高。低于这个数据速率时，音质急 剧下降。如： 1.CD质量音频数据量：2x44100x16 b/s 2.电话质量音频数据量：8Kx8 b/s PCM (DPCM 56Kb/s;ADPCM 32Kb/s).
3.8 kb/s码激励线性预测编码(CELP)
2.4 kb/s线性预测编码(LPC)
3.0
2.5
excellent good satisfactory year 2000 year 1990 year 1980
sufficient
poor