第五章 数字视频图像压缩
数字视频压缩标准
数字视频压缩标准视频主要包括电视与电影。
包括计算机与网络领域的MPEG系列，电子与通信领域的H系列与中国的AVS。
MPEG-4MPEG-4标准于1999年发布。
它不仅针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。
这标准主要应用于视像电话、视像电子邮等，对传输速率要求较低，在4800-6400bit/s之间，分辨率为176×144。
MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术、数据压缩，以求用最少的数据获得最佳的图像质量。
利用MPEG-4的高压缩率和高的图像还原质量可以把DVD里面的MPEG-2视频文件转换为体积更小的视频文件。
经过这样处理，图像的视频质量下降不大，但数据可缩小几倍，可以很方便地用CD-ROM来保存DVD上的数据。
MPEG－4以对象为基本编码单位，对一系列VOP的纹理、形状和运动信息进行编码。
首先编码器的对象分割单元分析输入视频，按照方法把视频分割成多个VO，然后编码器对每个视频对象VOP进行纹理、形状和运动信息编码，最终利用码流复用器组织码流。
整个图像可以分解为多个目标，目标分割是最困难的地方，但并不需要标准。
目标由形状，运动和纹理描述，形状和纹理随着时间改变而改变。
MPEG假定编码器有一个分割图，知道如何编码形状，运动和纹理，视频对象平面是MPEG-4视频压缩处理的基本单元。
一个视频对象平面由一个矩形窗（如图所示的VOP窗）框定，矩形窗包含了组成视频对象平面的最少数量的宏块。
图1中的参考窗是原始帧的大小，VOP窗是MPEG-4编码前的处理得到的最小矩形窗，图中还标定了宏块的三种类型：外部宏块，边缘宏块和内部宏块。
VOP填充模块为了支持基于对象的编码，MPEG-4标准引入了视频对象平面（VOP）的概念与以前的视频压缩MPEG-1、MPEG-2标准一样，MPEG-4也采用了运动预测补偿技术来消除视频序列中的时间冗余。
这个过程包括一个搜索算法用于搜索被编码宏块（块）在参考帧中最好的匹配。
大学计算机 第五章(订正了部分答案)
第五章1、数字视频的一些特性提示我们可对其进行大幅度数据压缩，这些特性中不包含_____。
AA.数字视频的数据量大得惊人B. 视频信息中各画面内部有很强的信息相关性C. 一些视频细节人眼无法感知D. 视频信息中相邻画面的内容有高度的连贯性2、数字图像的基本属性中不包含______。
AA. 宽高比B. 分辨率C. 像素深度D. 颜色空间的类型3、在未压缩情况下，图像文件大小与下列因素无关的是________。
AA. 图像内容B. 水平分辨率C.垂直分辨率D.像素深度4、视频卡能够处理的视频信号可以来自连接在计算机上的_______设备。
AA. 显示器B. VCD盘C.CD唱盘D.扬声器5、下列关于计算机合成图像（计算机图形）的应用中，错误的是__________。
CA. 可以用来设计电路图B. 可以用来生成天气图C.计算机只能生成实际存在的具体景物的图像，不能生产虚拟景物的图像D.可以制作计算机动画6、使用计算机进行文本编辑与文本处理是常见的两种操作，下面属于文本处理操作的是_________。
DA. 设置页面版式B. 设置文章标题首行居中C.设置文本字体格式D.文语转换7、图像处理软件有很多功能，以下________不是通用图像处理软件的基本功能。
DA.图像的缩放显示B. 调整图像的亮度、对比度C. 在图片上制作文字，并与图像融为一体D. 设计制作石油开采地形图8、文字处理软件输出汉字时，首先根据汉字的机内码在字库中进行查找，找到后，即可显示（打印）汉字，在字库中找到的是该汉字的__________。
DA. 外部码B. 交换码C. 输入码D. 字形描述信息9、若中文Windows 环境下西文使用标准ASCII码，汉字采用GB2312编码，设有一段简单文本的内码为CB F5 D0 B4 50 43 CA C7 D6 B8,则在这段文本中,含有________。
BA.2个汉字和1个西文字符B.4个汉字和2个西文字符C.8个汉字和2个西文字符D.4个汉字和1个西文字符10、对带宽为300~3400Hz的语音，若采样频率为8kHz、量化位数为8位、单声道，则其未压缩时的码率约为_____。
图像处理中的数字图像压缩
图像处理中的数字图像压缩数字图像压缩在图像处理中扮演着重要的角色。
数字图像压缩可以将图像数据压缩成更小的文件大小，更方便存储和传输。
数字图像压缩分为有损和无损两种不同的技术，本文将详细讨论这两种数字图像压缩方法。
一、无损压缩无损压缩是数字图像压缩中最常用的技术之一。
无损压缩的优点是可以保持图片原始数据不被丢失。
这种方法适用于那些需要保持原始画质的图片，例如医学成像或者编程图像等。
无损压缩的主要压缩方法有两种：一种是基于预测的压缩，包括差异编码和改进变长编码。
另一种是基于统计的压缩，其中包括算术编码和霍夫曼编码。
差异编码是一种通过计算相邻像素之间的差异来达到压缩目的的方法。
它依赖于下一像素的值可以预测当前像素值的特性。
改进的变长编码是一种使用预定代码值来表示图像中频繁出现的值的压缩技术。
它使用变长的代码，使得频繁出现的值使用较短的代码，而不常用的值则使用较长的代码。
算术编码是一种基于统计的方法，可以将每个像素映射到一个不同的值范围中，并且将像素序列编码成一个单一的数值。
霍夫曼编码也是一种基于统计的压缩方法。
它通过短代码表示出现频率高的像素值，而使用长代码表示出现频率较低的像素值。
二、有损压缩有损压缩是另一种数字图像压缩技术。
有损压缩方法有一些潜在的缺点，因为它们主要取决于压缩率和压缩的精度。
在应用有损压缩技术之前，必须确定压缩强度，以确保压缩后的图像满足预期的需求。
有损压缩方法可以采用不同的算法来实现。
这些算法包括JPEG、MPEG和MP3等不同的格式。
JPEG是最常用的有损压缩算法，它在压缩时可以通过调整每个像素所占用的位数来减小图像的大小。
MPEG是用于压缩视频信号的一种压缩技术。
它可以将视频信号分成多个I帧、P帧和B帧。
I帧代表一个完整的图像，而P帧和B帧则包含更少的信息。
在以后的编码中，视频编码器使用压缩技术将视频序列压缩成较小的大小。
MP3是一种广泛使用的音频压缩技术，它使用了同样的技术，包括频域转换、量化和哈夫曼编码。
多媒体技术课后答案
《多媒体技术及应用》习题参考答案第1章多媒体技术概论1．什么是多媒体？答：使用计算机交互式综合技术和数字通信网络技术处理多种表示媒体——文本、图形、图像和声音，使多种信息建立逻辑连接，集成为一个交互式系统。
2．多媒体技术中的主要多媒体元素有哪些？答：图形、图像、文本、动画、音频、视频等。
3．什么是多媒体技术？什么是多媒体计算机？简述多媒体技术的主要特点。
答：多媒体技术可以定义为：计算机综合处理文本、图形、图像、音频与视频等多种媒体信息，使多种信息建立逻辑连接，集成为一个系统并且具有交互性。
多媒体计算机是指具有多媒体处理功能的计算机。
多媒体技术的主要特点有：集成性、实时性、交互性、媒体的多样性等。
4．多媒体计算机标准的意义是什么？答：对于技术开发人员而言是用来指导多媒体个人计算机及其软件的设计规范；对于用户而言，是把现有PC机升为MPC的指导原则；对于经销商而言，可作为多媒体的性能及兼容性的尺度。
5．简述多媒体系统的组成。
答：一般多媒体系统由多媒体硬件系统、多媒体软件系统两个部分组成。
硬件是多媒体系统的物质基础，是软件的载体，软件是多媒体系统的核心，两者相辅相成，缺一不可。
6．试从实例出发，谈谈多媒体技术的应用对人类社会的影响。
略7．谈谈你如何看待多媒体技术的发展前景。
略8．选择题。
（1）音频卡是按（）分类的。
（A）采样频率（B）声道数（C）采样量化位数（D）压缩方式（2）一个用途广泛的音频卡应能够支持多种声源输入，下列（）是音频卡支持的声源。
①话筒②线输入③CD Audio ④MIDI（A）仅①（B）①②（C）①②③（D）全部（3）（）是MPC 对视频处理能力的基本要求。
①播放已压缩好的较低质量的视频图象②实时采集视频图象③实时压缩视频图象④播放已压缩好的高质量分辨率的视频图象（A）仅①（B）①②（C）①②③（D）全部（4）（）是MMX 技术的特点。
①打包的数据类型②与IA 结构安全兼容③64 位的MMX 寄存储器组④增强的指令系统（A）①③④（B）②③④（C）①②③（D）全部（5）下列关于触摸屏的叙述（）是正确的。
第五节 数字视频压缩基础知识
使用数字视频压缩技术，可以做到把216MB/s的速率压缩到8MB/s左右， 而解压缩后的质量可以达到广播级。这样，在现行传输l路模拟电视信号的1 个36MHz卫星转发器中，可以传输46路广播级压缩后的电视信号。 2．数字视频压缩的过程 压缩基本上是这样一个过程：1个图像序列中前后帧图像之间存在着一 定的相关性，这种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。一般就利用图像 之间的相关性来减少图像或图像组的内容信息，只保留少量非相关信息进行 传输，接收机就利用这些非相关信息，按照一定的解码算法，可以在保证一 定图像质量的前提下尽可能重现原始图像。 一般地，数字视频压缩是从分量视频表达开始的，此时信号是以1个 亮度分量、2个色度分量来表达的。最广为接受的数字分量视频格式是 CCIR601，该建议使用了共结点模型的4:2:2采样结构。所谓共结点，是指每 个彩色像素点由3个采样来描述：1个亮度采样、2个色差形成的色度采样， 因为这3个采样在时间上是重合的，所以称为共结点。 在525行的系统中，每帧有483个有效行，每行有720个像素点；在625 行的系统中，每帧有576个有效行。通过色度、亮度采样的结合，在不损害 图像质量的同时，减少所需带宽得以实现。4：2：2中亮度信号的采样频率 实际上是13.5 MHz，色差信号Cb. Cr的采样频率刚好是亮度采样频率的一半， 6.75 MHz。因为625/50系统行频和525/60系统行频的最小公倍数是2.25MHz， 所以将亮度信号和色差信号的取样频率数值取为2.25MHz的整数倍。
二、压缩算法与编码 （一）压缩算法的概念 压缩算法就是通过一些运算将文件缩小的一系列运算方法，通常把数据经 过压缩和解压缩的过程称为编码和解码。 视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据率。视频压缩 比一般指压缩后的数据量与压缩前的数据量之比。由于视频是连续的静态图像， 因此其压缩编码算法与静态图像的压缩编码算法有某些共同之处，但是，运动 的视频还有其自身的特性，因此在压缩时还应考虑其运动特性才能达到高压缩 的目标。 1．有损数据压缩和无损数据压缩 无损数据压缩(Lossless Compression)方法是指数据经过压缩后，信息不 受损失，还能完全恢复到压缩前的原样。它和有损数据压缩相对。这种压缩的 压缩比通常小于有损数据压缩的压缩比。 有损数据压缩(Loss Coml)ression)方法是经过压缩、解压的数据与原始数 据不同但非常接近的压缩方法。有损数据压缩又称破坏型压缩，即将次要的信 息数据舍弃，牺牲一些质量来减少数据量，使压缩比提高。它是与无损数据压 缩对应的压缩方法。根据各种格式设计的不同，有损数据压缩都会有生成损失 ( Generation Loss)，压缩与解压文件都会带来渐进的质量下降。这种方法经 常用于因特网，尤其是流媒体及电话领域。
数字视频图像技术 图像压缩
j
信息论基础
因为两个事件C和D的联合概率是
PC, D PC | DPD PD| CPC
P(aj)的变换（下面推导互信息使用）
Paj Paj ,b1 Pa j ,b2 ... Paj ,bK Paj ,bK
K k1
P b k
P b
J j 1
k
| a j P a j
信息论基础
信道输出（续）
将上式中的条件概率放入一个K×J的正向信 道传递矩阵Q，其元素qkj=P(bk|aj)为条件概率
Pb1 | a1 Pb1 | a2 ... Pb1 | a J P b | a Pb | a ... Pb | a 2 2 2 J 2 1 . . . Q . . . . . . | | ... | P b a P b a P b a K 2 K J K 1
心理视觉冗余
什么是心理视觉冗余？（续）
由于消除心理视觉冗余数据会导致一定量信息的丢 失，所以这一过程通常称为量化
心理视觉冗余压缩是不可恢复的，量化的结果导致 了数据有损压缩
33K
15K
保真度准则
保真度准则
图像压缩可能会导致信息损失，如去除心理 视觉冗余数据 需要评价信息损失的测度以描述解码图像相 对于原始图像的偏离程度，这些测度称为保真 度准则 常用保真度准则分为两大类：
信源（续）
如果产生k个信源符号，则大数定律保证对于一个 充分大的k，符号aj将被输出kP(aj)次。因此，根据k 输出得到的平均自信息是
数字图像压缩技术的原理和方法研究
数字图像压缩技术的原理和方法研究随着现代科技的不断发展，数字图像的应用越来越广泛。
然而，高清晰度的数字图像不仅体积巨大，传输也会耗费大量时间和带宽。
为了解决这个问题，人们研究出了数字图像压缩技术。
数字图像压缩技术可以大大减小数字图像的体积，使得图像能够更快更方便地传输存储。
本文将介绍数字图像压缩技术的原理和方法。
一、数字图像的基本原理数字图像是由像素组成的二维离散数据。
像素是图像的基本单元，每个像素有一个灰度，代表了像素点的颜色深度。
数字图像包含了大量的像素点，有些图像的像素数量甚至能够达到千万级别。
因此，数字图像数据量往往非常巨大。
二、数字图像压缩的基本概念数字图像压缩就是将原始数字图像的体积缩小到一个更合理的大小，以达到更高的存储、传输、展示等性能要求的过程。
数字图像压缩分为有损压缩和无损压缩两种方式。
无损压缩是一种压缩技术，在压缩过程中不会丢失任何信息，这种压缩技术通常用于处理对数据完整性要求较高的应用场景。
有损压缩则是一种压缩技术，在压缩过程中会丢失部分数据，从而减小压缩后图片的体积。
这种方式通常用于处理对数据完整性要求较低的应用场景。
三、数字图像压缩的原理和方法数字图像的压缩通常分为三个步骤：预处理、变换/量化和编码。
前两个步骤是有损压缩和无损压缩的共同步骤，而编码则是两种压缩方式区别最大的部分。
1. 预处理预处理是数字图像压缩的第一步，预处理的主要目的是将原始图像去除一部分冗余信息。
冗余信息可以分为两种类型：空域冗余信息和频域冗余信息。
空域冗余信息主要是指原始图像中相邻像素之间的冗余性，这部分冗余性可以通过预处理中的空间滤波器来去除。
而频域冗余信息则是指在频域(傅里叶变换)中，相近频率的信号之间所包含的冗余性，这部分冗余性可以通过预处理中的频域滤波器来去除。
2. 变换/量化预处理完成之后，数字图像压缩的第二步是变换/量化。
在这个步骤中，数字图像会被转换成另一种表示形式，这种表示形式在空间或者频域中比较分散，以便于进一步的压缩。
第五章数字媒体及应用练习题带答案
判断题1．西文字符在计算机中通常采用ASCII码表示，每个字节存放1个字符。
T2．GIF格式的图像是一种在因特网上大量使用的数字媒体，一幅真彩色图像可以转换成质量完全相同的GIF格式的图象。
F（如GIF格式的图像的色彩过半数256色）3．DVD与VCD相比其图像和声音的质量均有了较大提高，所采用的视频压缩编码标准是MPEG-2。
F（VCD压缩编码标准是MPEG-1）3．MP3与MIDI均是常用的数字声音，用它们表示同一首钢琴乐曲时，前者的数据量比后者小得多。
F 4．彩色电视信号传输时，是把RGB三基色转换为亮度和色度信号(如YUV)后再进行传输的。
T 5．GB2312-80字符集构成一个二维平面，它分为94行、94列，共有6700多个简体汉字。
T（3755+3008=6763）6．GBK是我国继GB2312-80后发布的又一汉字编码标准，它不仅与GB2312-80标准保持兼容，而且还增加了包括繁体字在内的许多汉字和符号。
T 7．我国多数大城市已开通了数字电视服务，但目前大多数新买的电视机还不能直接支持数字电视的接收与播放。
T 8．将音乐数字化时使用的取样频率通常比将语音数字化时使用的取样频率高。
T9．声波经话筒转换后形成数字信号，再输出给声卡进行数据压缩。
F ．声波经话筒10．GB18030是一种既保持与GB2312-80、GBK兼容，又有利于向UCS/Unicode过渡的汉字编码标准。
T 11．图像的大小也称为图象的分辨率（包括垂直分辨率和水平分辨率）。
若图像大小超过了被截掉而无，则屏幕上只显示出图像的一部分，其他多余部分将被截掉屏幕分辨率（或窗口），则屏幕上只显示出图像的一部分，其他多余部分将法看到。
F12．无论使用那种汉字输入法输入同一个汉字时，它们都被转换成为该汉字的机内码。
．无论使用那种汉字输入法输入同一个汉字时，它们都被转换成为该汉字的机内码。
T T 13．联机手写文字比脱机手写体文字更容易识别。
第五章 多媒体数据压缩b
第五章 多媒体数据压缩技术
信源符号的概率如下，求其Huffman编码 X1 0.35 X2 0.20 X3 0.15 X4 0.10 X5 0.10 X6 0.06 X7 0.04
第五章 多媒体数据压缩技术
符号
概率
编码过程
X1 0.35
0.35 0.35 0.35 0.40 0.60
0.20 0.20 0.25 0.35 0.40
第五章 多媒体数据压缩技术
• 信息熵冗余
信息熵冗余是指数据所携带的信息量少于 数据本身而反映出来的数据冗余。信源编码时， 当分配给第i个码元类的比特数bi= -log2Pi时， 才能使编码后单位数据量等于其信源熵H(s)， 即达到其压缩极限。实际中各码元类的先验概 率很难预知，比特分配不能达到最佳。实际单 位数据量d＞H(s)，即存在信息冗余熵。 H(s)= -
0.5 a3
0.5 a1
0.514 a4
0.514 a1
0.5143 a3
0.514384
0.5143876 a4 a2
第五章 多媒体数据压缩技术
⑤对后续输入字符a1a3a4a2，重复上述处理 过程。
1 0.7 0.5 0.1 0.0 0.7 Δ0.2 0.52 Δ0.02 0.52 Δ0.006 0.5146 Δ0.0006 0.51442 Δ0.00012 0.51442 0.514402
1.00
X2 0.20
X3 0.15 X4 0.10 X5 0.10 X6 0.06 X7 0.04
0.15 0.20 0.20 0.25
0.10 0.15 0.20
0.10 0.10
0.10
第五章 多媒体数据压缩技术
符号 概率 编码过程 1 X1 0.35 0.35 0.35 0.35 0.40 0.60 1 X2 0.20 0.20 0.20 0.25 0.35 0.40 1.00 1 0 X3 0.15 0.15 0.20 0.20 0.25 0 1 X4 0.10 0.10 0.15 0.20 0 1 X1:11 X5 0.10 0.10 0.10 0 X2:01 1 X6 0.06 0.10 X3:101
多媒体技术05-数字视频基本概念
内容随时间而变化,
伴随有与画面动作同步的声音(伴音),
人类接受的信息70%来自视觉, 其中活动图象是信息量最 丰富、直观、生动、具体的一种承载信息的媒体。
视频信息的处理是多媒体技术的核心。
2015-1-22
南京大学多媒体研究所
4
电视
电视是当代最有影响力的信息传播工具! 3种彩色电视制式:
6MHz 4.2MHz
音频
…
0.0 1.25 4.83 5.75 6.0
图象载波
6 MHz (NTSC)
2015-1-22
色度副载波
声音载波
南京大学多媒体研究所
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（2）分量电视信号
为保证视频信号质量，近距离时可用分量视频信号
(component video signal)传输, 分量信号是指每个基色
575 625
(4/3)*575
模拟信号传输电视节目时的带宽：
PAL 制式是 8.0MHz（亮度信号为 5.5 MHz，2 个色度信号 均为1.8 MHz）， NTSC制式是6.0MHz（亮度信号为4.2 MHz，2个色度信号 均为1.0 MHz）。
南京大学多媒体研究所 12
2015-1-22
易于编辑、修改等操作处理 用户接收的图像质量更好(可达演播室水平) 有利于存储，信息复制不会失真 有利于传输(抗干扰能力强)
节省频率资源(占用频道较窄)
可以通过公共电信网和计算机网传输 可以与其它媒体组合使用
ห้องสมุดไป่ตู้
可以生成描述信息（bits about bits）,便于信息的检索和 使用
第五章 图像压缩4
有损压缩
• 由于人眼是图像信息的接收端，人眼的生理特性不需过高 的空间分辨率和灰度分辨率，所以可利用该特点来实现对 图像的高压缩比，使得解压后的图像仍有着满意的质量。 当然这种压缩方式对于信息是有损失的，只要损失的数据 不会影响人眼的主观接收效果，就可采用这种压缩方法， 这称为有损压缩。 • 由于这种压缩虽然是有失真的，但失真通常被限制在人们 可以接受的范围内，因此也称为限失真编码。
1th gray level 9 2th gray level 7
行程编码—特点和应用
• 行程编码分为定长行程编码和变长行程编码两种。 • 特点：行程编码原理直观，运算简单，压缩及解压缩速度 很快。其压缩比的大小取决于图像本身的特点。若图像中 在扫描行中相同颜色的块越大、数目越多，压缩比就越大， 反之压缩比越小。有时可以改变扫描方向使得在扫描行中 出现大量颜色相同的块以达到大的压缩比。 • 应用：行程编码一般不直接应用于多灰度图像，常用于文 字图像以及二值化图像，例如传真，以获得较大的压缩比。 对于自然界中五光十色的复杂图像，其行程长度非常短， 用行程编码不仅不能压缩数据，反而会使数据膨胀，因此 不能单纯地采用行程编码。
无损压缩
• 图像信息中存在着很大的冗余度，图像数据间存在着相关 性，如相邻像素之间色彩的相关性、图像各部分之间的分 形相关性等。 • 进行图像压缩的实质就是尽量去除像素间的相关性。以统 计数学的观点来看，这一过程实际上就是将二维像素矩阵 变换为在统计上不相关的数据集合。 • 此类压缩的基本方法是将相同或相似的数据或数据特征归 类，使用较少的数据量描述原始数据，以达到减少数据量 的目的。这种压缩一般可以保持图像信息量不受损失，称 为无损压缩或无失真编码。
5.1.2 图像压缩编码的分类
20090901_第五章 数字视频与压缩编码(简化版)
采样频率
CCIR为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了共同 的电视图像采样频率。这个采样频率也用于远程 图像通信网络中的电视图像信号采样。 对PAL制、SECAM制，采样频率fs为： fs=625×25×N=15625×N=13.5 MHz, N=864 其中，N为每一扫描行上的采样数目。 对NTSC制，采样频率fs为 fs=525×29.97×N=15734×N=13.5 MHz, N=858 其中，N为每一扫描行上的采样数目。
5.2.2 数字化标准
ห้องสมุดไป่ตู้
20世纪80年代初，国际无线电咨询委员会制定了 彩色电视图像数字化标准，称为CCIR 601标准 （ITU-R BT.601标准）。 标准规定了彩色电视图像转换成数字图像时使用 的采样频率，RGB和YCbCr(或者写成YCBCR)两个 彩色空间之间的转换关系等。 彩色空间之间的转换 Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128 Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B)
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5.2.3 图像子采样 两种采样方法： 一种是使用相同的采样频率对图像的亮度信 号和色差信号进行采样 另一种是对亮度信号和色差信号分别采用不 同的采样频率进行采样 如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使 用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样 (subsampling)
SECAM制的扫描特性
与PAL制类似
625行/帧, 25帧/秒 高宽比：4:3 隔行扫描，2场/帧，312.5行/场
颜色模型：YUV
数字图像压缩的原理与方法
数字图像压缩的原理与方法数字图像压缩是通过减少图像数据的冗余性和不可见细节，以减小图像文件的大小而实现的一种处理方法。
数字图像压缩广泛应用于图像传输、存储和处理等领域，它可以有效地减少数据量，提高存储和传输的效率。
数字图像压缩的原理主要包括无损压缩和有损压缩两种方法。
无损压缩是指在压缩过程中不丢失图像的任何信息，压缩后的图像能够完全恢复为原始图像。
无损压缩的主要原理是通过利用图像数据中的冗余性来进行压缩。
冗余性包括空间冗余、统计冗余和人眼冗余。
空间冗余是指图像中相邻像素之间的冗余，即图像中相邻像素之间的差异很小。
通过对图像中相邻像素进行差别编码和预测编码，可以达到无损压缩的效果。
统计冗余是指图像中像素值的统计规律，即一些像素值出现的频率比较高，通过对像素值进行编码，可以减小图像的数据量。
常用的统计编码方法有霍夫曼编码和算术编码等。
人眼冗余是指人眼对图像信息的敏感程度不同，对一些细节的变化不敏感。
通过去除人眼难以察觉的细节，可以进一步减小图像的数据量。
有损压缩是指在压缩过程中丢失了一部分图像信息，压缩后的图像无法完全恢复为原始图像。
有损压缩的主要原理是通过降低图像的精度和信息量来达到压缩的效果。
常用的有损压缩方法有离散余弦变换（DCT）和小波变换等。
离散余弦变换是一种将图像从空域转化为频域的数学变换方法，通过将图像的像素值表示为一系列频率分量的组合，可以提取出图像中的重要信息。
然后通过量化将这些频率分量转化为离散的数值，由于量化过程的损失，图像中某些细节信息会被丢失，从而达到压缩的效果。
小波变换是一种将图像从空域转化为时域和频域的数学变换方法，通过分解图像，并根据不同的频率和位置对图像进行编码，可以实现对不同细节级别的图像信息进行保留或舍弃。
小波变换可以对图像进行多次分解和重构，从而可以根据压缩比率的要求进行灵活地调整。
在数字图像压缩方法中，无损压缩适用于对图像内容要求高且对压缩比率要求不高的应用场景，如医学图像的存储和传输。
数字图像与视频传输与压缩技术
数字图像与视频传输与压缩技术随着数字化时代的到来，数字图像与视频的处理已经成为了一项重要的技术。
数字图像与视频传输与压缩技术不仅可以对图像和视频进行高效的传输与存储，而且还可以在缩小数据量的同时保证图像和视频的质量。
在这篇文章中，我将会对这项技术进行详细的介绍。
一、数字图像处理技术数字图像处理技术是处理数字图像的一种技术，通常包括以下几个方面：1. 图像增强在数字化运用中，一些图像可能由于受到光照条件、噪声、受限问题等各种因素的影响而失真或低质量。
为此，人们需要对图像进行增强，使得图像更加清晰、明亮。
这一过程通常包括增加光照，强调图像中的细节、对比度等。
2. 图像复原图像复原的过程是利用数字化技术对受损的图像进行恢复，以达到更好的视觉效果。
这个过程中常常需要处理一些噪声或伪影，并增强图像的细节和纹理信息。
3. 图像分割图像分割的过程是将图像分成不同的区域和物体，以更好的分析图像的内容。
图像分割技术可以应用于影响识别、医学图像、遥感图像分析等领域。
二、数字视频处理技术数字视频处理技术和数字图像处理技术类似，但是他更关注于时间序列上的处理。
数字视频处理技术包括以下方面：1. 帧内压缩帧内压缩是一种针对视频帧的压缩技术，它可以在不牺牲视频质量的情况下，减少视频的数据量，实现高效地传输。
2. 帧间压缩帧间压缩是在不同图像帧之间发生的一种压缩技术，通过技术手段，可以减少视频文件的大小，并保证视频的质量。
3. 运动预测运动预测是一种预测帧内被推移的算法。
这个技术能够通过预测已有编码的图像，来预测下一步发生的内容，并以预测结果为基础进行编码。
三、传输和压缩技术数字图像与视频传输与压缩技术的核心是通过技术手段对图像和视频进行压缩，以减少数据量，从而实现更快更稳定的传输。
1. 渐进式传输渐进式传输是一种数字图像和视频传输技术，可以在传输过程中进行渐进式编码操作，这个技术可以使得图像在网络不稳定的情况下，依旧可以获得中等、低质量的地图，以尽可能减少网络丢失的内容。
第五章 数字视频图像压缩
5.3
统计编码
编码步骤：
1、首先，数据序列中的各数据符号在 区 间 ［ 0, 1 ］ 内 的 间 隔 （ 赋 值 范 围 ） 设 定 为 a = ［ 0, 0.4 ） , b =
［0.4, 0.6）, c =［0.6, 0.8）,
d =［0.8, 1.0）
5.3
统计编码
2、第一个被压缩的符号为“d”，其初 始 间隔为［0.8, 1.0)； 3、第二个被压缩的符号为“a”，由于 前 面的符号“d”的取值区间被限制在［ 0.8, 1.0)范围内，所以“a”的取值范 围 应在前一符号间隔［0.8, 1.0)的［0, 0.4)子区间内， 根据上式可知 range = 1.0 - 0.8 = 0.2
5.2 数字视频压缩的评价指标和 图像质量的评判标准
熵的定义： 设信息源S的符号集为 S , S ,, S ,出 1 2 N 现的概率为，则信息源的熵为：
H (S )
=
p(S i ) log2 p( S i )
i 1
N
其中熵的单位为：比特数/字符。
熵值是信息不确定性的一个度量值，当信 息越不确定时，信息量越多，香农定义实际给 出了实现无损编码和有损编码所需要的最低比 特率的界限。
数字视频信息 处理与传输
侯 颖
houying@
第五章
数字视频图像压缩
5.1 视频编码系统概述
一、数字视频压缩的必要性和可行性 1、数字视频压缩的必要性 ① 静态图像
CIF:
352 x 288 x 3 x 8 = 2.43Mbits
对56Kbits带宽的信道，传输时间为 43秒。
5.3
统计编码
4、第四个被压缩的符号为“c”， 其编 码
数字图像数据压缩
数字图像数据压缩⼀、图像压缩的基本原理虽然表⽰图像需要⼤量的数据，但．图像数据是⾼度相关的，或者说存在冗余(Redundancy)信息，去掉这些冗余信息后可以有效压缩图像，同时⼜不会损害图像的有效信息。
数字图像的冗余卡要表现为以下⼏种形式：空间冗余、时间冗余、视觉冗余、信息熵冗余、结构冗余和知识冗余。
(1)空间冗余：图像内部相邻像素之间存在较强的相关性所造成的冗余。
(2)时间冗余：视频图像序列中的不同帧之间的相关性所造成的冗余。
(3)视觉冗余：是指⼈眼不能感知或不敏感的那部分图像信息。
(4)信息熵冗余：也称编码冗余，如果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，这种冗余称为信息熵冗余。
(5)结构冗余：是指图像中存在很强的纹理结构或⾃相似性。
(6)知识冗余：是指在有些图像LlJ还包含与某些先验知识有关的信息。
图像数据的这些冗余信息为图像压缩编码提供了依据。
例如，利⽤⼈眼对蓝光不敏感的视觉特性，在对彩⾊图像编码时，就可以⽤较低的精度对蓝⾊分量进⾏编码。
图像编码的⽬的就是充分利⽤图像中存在的各种冗余信息，特别是空间冗余、时间冗余以及视觉冗余，以尽量少的⽐特数来表⽰图像。
利⽤各种冗余信息，压缩编码技术能够很好地解决在将模拟信号转换为数字信号后所产⽣的带宽需求增加的问题，它是使数字信号⾛上实⽤化的关键技术之⼀，表中列出了⼏种常见应⽤的码率。
图像数据压缩和图像重构三、基本概念【1、数字图像的熵设⼀幅灰度级为N的图像，图像中第k级灰度出现的概率为Pk，则设⼀幅灰度级为N的图像，图像中第k级灰度出现的概率为Pk，则按信息论中信息熵的定义，数字图像的熵H可按其公式来求出：【2)平均码字长瘦对于⼀种图像编码⽅法，设第k级灰度的码字长度为Bk，则该图像的平均码字长度R可以按其公式来求出。
编码效率n为：n=H／R×1 OO％【4)若图像的⼤⼩为NX＼Ny．每个像素丽d⽐特表⽰．每两帧图像间隔为△t．每秒钟所需的传输⽐特数bps可按其公式来求出。
第五章 数字视频及压缩编码技术
1. AVI格式 它的英文全称为Audio Video Interleaved，即音频视频
交错格式。它于1992年被Microsoft公司推出，随 Windows3.1一起被人们所认识和熟知。所谓“音频视频交 错”，就是可以将视频和音频交织在一起进行同步播放。这 种视频格式的优点是图像质量好，可以跨多个平台使用，但 是其缺点是体积过于庞大，而且更加糟糕的是压缩标准不统 一，因此经常会遇到高版本Windows媒体播放器播放不了采 用早期编码编辑的AVI格式视频，而低版本Windows媒体播 放器又播放不了采用最新编码编辑的AVI格式视频。
3.MPEG格式 它的英文全称为Moving Picture Expert Group，即运动图像专家组
格式，家里常看的VCD、SVCD、DVD就是这种格式。MPEG文件格式 是运动图像压缩算法的国际标准，它采用了有损压缩方法从而减少运动 图像中的冗余信息。MPEG的压缩方法说的更加深入一点就是保留相邻 两幅画面绝大多数相同的部分，而把后续图像中和前面图像有冗余的部 分去除，从而达到压缩的目的。目前MPEG格式有三个压缩标准，分别 是MPEG-1、MPEG-2、和MPEG-4。
MPEG-1：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。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：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。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。
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5.3
统计编码
• 按每个符号出现的概率对[0，1)区间进行划 分，显然每个符号都有一对应的子区间，这 里所用的10个字符被分配的范围如图所示。
•
按对‘state stree”’的算术编码过程为： （1）初始化时，被分割的范围range () ＝high () －low () ＝[0，1) ＝ 1 － 0 ＝ 1，下一个范围的低、高端分别由下式 计算： low(s) ＝low() ＋ range () × low(s) high(s) ＝low () ＋ range () ×high(s) 其中等号右边的low为上一个被编码字符的范围低值； range low和range high分别为本次被编符号已给定出现的概率 范围的low和high。
high = low + range x cum_freq[y i-1]
5.3
统计编码
应用： 被最新的图像和视频编码标准 所采用：JPEG2000、MPEG4、H.264 等。
5.3
实例
统计编码
5.3
统计编码
1、编码过程 假如要对有10个符号的信 息源发出的字符串“state tree”进行编码，符号串具有 如下的概率分布如图所示。
第五章
5.2
数字视频图像压缩
数字视频压缩的评价指标和 图像质量的评判标准
一、数字视频压缩的评价指标
衡量一个压缩编码方法优劣的重要指标是： 压缩比要高。 解压缩的图像质量要好。 评价指标为：主观评价和客观评价。 压缩系统的复杂度和功能。 压缩与解压缩速度要快，算法要简单，硬 件实现容易。
5.2 数字视频压缩的评价指标和 图像质量的评判标准
原始图像
0.011bpp, 17.96db
0.031bpp, 26.11db
0.5bpp, 37.55db
5.2 数字视频压缩的评价指标和 图像质量的评判标准
2、主观保真度准则 由于没有考虑人类的视觉系统模型， 信噪比或者峰值信噪比，不能单独用来 评价压缩系统的好坏，还需要从主观上 ，根据人类视觉系统的特性来进行评价 。然而，主观评价因人而异，没有统一 的定论，通常使用平均判分（MOS：Mean Opinion Score ）方法，即请每个试验者 对待测图像进行N级质量或者失真判分。 表6-1给出了主观测试分级标准。
5.3
统计编码
16x16的图像前三行像素值可表示为 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 总共需要 16 x 3 = 48bit 游程编码为 34 0 12 1 2 0 总共需要 （6 + 1）x 3 = 21 bit
实例
5.3
统计编码
5.3
统计编码
5.3
统计编码
5.3
统计编码
5.3
统计编码
3、算术编码 • 算术编码是一种利用信源概率分布特 性，能够趋近熵极限的编码方法。 • 算数编码的两个过程：概率模型建立 过程和扫描编码过程。
5.3
统计编码
基本原理：
–根据信源可能发出的不同符号序列 的概率，把［0，1）区间划分为互 不重叠的子区间，子区间的宽度恰 好是各符号序列的概率。这个区间 随着信源符号序列中每一个信源符 号的加入逐步减小，每次减小程 度取决于当前加入的信源符号的先 验概率。
5.3
统计编码
3、算术编码
编码思想：
对于一个信息源序列用长度等于其
概率的区间表示，该区间由低边界 low
，高边界 high 以及长度 range 表示
。信息源序列的输出码字是上下边界二 进制表示中相同的比特位。
5.3
统计编码
range = high - low low = low + range x cum_freq[y i]
5.1
视频编码系统概述
统计冗余
空间冗余 时间冗余
信息冗余
结构冗余 视觉冗余 知识冗余
5.1
视频编码系统概述
空间冗余： 图像中同类像素重复性较多，则可 以用较少的编码信息来表示原图像，它 以变换编码、量化和熵编码等技术为基 础。
时间冗余：
相邻帧之间的相似性，它利用预测 和运动补偿对视频图像进行压缩。
编码器 二进制 编 码
分 析
量
化
信源模型
量化参数
参数 统计特性
信
道
噪 声
综 合 解码器
反 量 化
二进制 解 码
图6.1
数字视频编码系统模型
5.1
信 源
视频编码系统概述
信源编码 信道编码
噪 声
调
制
传输通道
用
户
信源解码
信道解码
解
调
信道编码 图6.2 数字传输系统模型
5.1
视频编码系统概述
信源编码：主要解决有效性问题，通 过对信源的压缩、扰乱、加密等一系 列处理，力求用最少的数码传递最大 的信息量，使信号更适宜传输。 信道编码：主要解决可靠性问题，即 尽量使处理过的信号在传输过程中不 出错或少出错，即使出了错也能自动 检错和尽量纠错。
5.1
视频编码系统概述
2、图像压缩编码方法
统计编码 (又称熵编码) 第一代 编码技术 （经典编码） 预测编码 游程编码
哈夫曼编码
算术编码 线性预测
非线性预测
K-L变换 傅立叶变换 离散余弦变换 小波变换
变换编码
第二代 编码技术
新型编码
分形压缩 模型编码
5.1
视频编码系统概述
三、视频编码系统的基本组成
视频编码系统概述
② 视频
格式 视频会议 广播TV HDTV 行 352 720 列 288 480 帧速 每像素 数码率 字节数 (Mbits) 10 30 60 1.5 2 2 12.2 166 885
1280 720
目前高分辨率电视(HDTV)数据量高达1.2Gbit/s， 1张1GB的光盘还存不下6s的HDTV图像。
5.2 数字视频压缩的评价指标和 图像质量的评判标准
2、压缩比 压缩比是衡量图像压缩系统的一个 重要指标，无失真编码不能取得很高的 压缩比，是因为它受到信源本身的限制 ，即香农定理的最低比特率界限，因此 无失真编码也称为熵编码。压缩比定义 为
5.2 数字视频压缩的评价指标和 图像质量的评判标准
R =
第五章
5.3
数字视频图像压缩
统计编码
统计编码是基于统计特性的编码技 术，它是一种无损编码，解码后能无失 真地恢复原图像。统计编码的基本原理 是给出现概率较大的符号一个短码字， 而给出现概率较小的符号一个长码字， 这样使得最终的平均码长很小。
5.3
统计编码
1、游程编码 游程编码是一种最简单的，在某些场 合是非常有效的一种无损压缩编码方 法。 虽然这种编码方式的应用范围非常有 限，但是因为这种方法中所体现出的 编码设计思想非常明确，所以在图像 编码方法中都会将其作为一种典型的 方法来介绍。
5.3
统计编码
2、哈夫曼编码 编码思想： 对于出现频率越高的字符分配越短 的码字。
算法过程： 步骤1：对字符按概率降序排列，将这 些字符看作树的叶节点；
5.3
统计编码
步骤2：当节点数目大于1时： ① 找出两个概率最小的节点分别任意 的分配1和0。 ② 将这两个节点合并成一个新节点， 其概率为参与合并的节点的概 率和，然后返回步骤1。 步骤3：对每个字符的编码可从相应的 节点出发回溯至树的顶端，沿途节 点构成了该字符的码字，其对应的 叶节点为码字的最后一位。
5.2 数字视频压缩的评价指标和 图像质量的评判标准
一、数字视频压缩的评价指标 1、香农的信息论原理 第一代编码技术是以信息论和数字 信号处理技术为理论基础，其中统计编 码的基本原理是给出现概率较大的符号 一个短码字，而给出现概率较小的符号 一个长码字，这样使得最终的平均码长 很小。然而，按照香农的理论，无论规 定的码字如何分配，其平均码字的比特 数不可能小于原信息源的熵值。
5.3
统计编码
•
用算术编码方法是将被编码的一个消息或一 个符号串（序列）表示成0和1之间的一个间隔 ，即对一串符号直接编码成[0，1)区间上的一 个浮点小数，在传输任何符号串（消息）之前 ，设符号串的完整范围为[0，1)。当一个符号 被处理时，这一范围就依据分配给这一符号的 那一范围变窄，间隔变小，当符号串序列越长 ，则编码表示它的间隔越小，同时表示这一间 隔所需的位数就越多，直到完成对所有符号串 的编码。算术编码的过程，实际上就是依据信 息源符号串的发生概率对码区间分割的过程。
5.1
视频编码系统概述
2、数字视频压缩的可行性
从信息论的角度来看，压缩就是去除掉信 息中的冗余，即保留不确定的信息，去除确定 的信息，也就是用一种更接近信息本质的描述 来代替原有冗余的描述。将香农（信息论的主 要奠基人）的信息论观点运用的图像信息的压 缩，所要解决的问题就是如何将图像信息压缩 到最小，但仍携有足够信息以保证能复制出与 原图近似的图像。图像压缩编码的目的在于使 用尽量少的比特数来表示和重建原始数据。
5.1
视频编码系统概述
结构冗余： 图像的部分区域存在着非常强的纹 理结构，或是图像的各个部分之间存在 有某种关系，例如自相似性等。 视觉冗余：
人的视觉对某些信号（如颜色）具 有不那么敏感的生理特性，例如视觉惰 性（对亮度和色度，蓝色和红绿色，25 帧视频采样等）的遮蔽效应。
5.1
视频编码系统概述
原图像的总比特数 压缩后图像的总比特数
M 1 N 1 x 0 y 0 M 1 N 1 x 0 y 0
r ( x, y)