多媒体数据压缩编码

JPEG
压
缩
编
码
算
法


2．DPCM 框图 3．特点：质量高，基本无失真，但是压缩率不 大（2：1） Fig446
二．改进型JPEG 压缩算法

1．累进操作 原理： 压缩
恢复图象 删除部分系数
质量好？ 是
删除部分系数：高频系数： 象元数字的低位部分
2. 分层操作：
图象金字塔：分辨率从上到下层次增
x y
f (x,y) = E(u)E(v)C(u,v) Cos(u (2x+1)/2M ) Cos(v(2y+1)/2N)
x=0,1,2,....M-1 y=0,1,2,.....N-1 E(u) = E(v) = 1/2 1 当 u=0,v=0
四。 熵编码 -- Huffman 编码
高频部分采用粗区间，根据人的视觉对高频细节不敏感，进一步 压缩他们的系数大小
差分编码：相邻子块的DC分量相差不大，对他们采用 差 分 编 码 行程编码：其余63个系数按Z字型行程进行编码， 提 高 行 程 相 同 率
结 AC
果 分 符号１ 量
： :
符 DC 符 分
号 量 号
２ ： １
符
号
２
５
对
计算机系统中存贮、传送、处理均是以bit为单位，空间和时 间开销巨大，使得现有计算机上难于实现多媒体处理，压缩 数据是必要的。

二.压缩原则

目的 在保持信息不变的情况下，减少总的bit量； ---减少总的数据量 ---缩短每个数据长度； 什么是信息不变？

方式
寻找一种可逆的数字编码方法
2. 预测法
设：原有数据
x0, x1, x2, ... xi,
...
xn,
x1 = x1 - x0 当x0, x1 高度相关时 x1 很小 如果：从x0 估计出x1’ 使得x1’ x1 x1’ = x1 - x1’ 更小 ， 可以用（ x0, x1’, x2’, ... ) 来表示原来的数据，缩短每一个 数值。
编码
。压缩标准：JPEG ３．动态（运动）图象 ―― 连续拍摄的图象序列 。压缩原理：利用连续图象帧之间的高度相关性 －帧间编码 。压缩标准：MPEG
２． JPEG 压缩编码的基本算法 （ 基于DCT 变换的基本算法 ）
一.算法描述
１．子块分割
子块： 8 × 8 象元， 特点： 象元间变化平缓，相关性高
２
．
子
块
DCT
变
换
― ― → F(u,v): 8 × 8 二 维 数 组 6 4 个 系 数 . DC 分 量 F(0,0) 图 象 平 均 灰 度 值 ， . AC 分 量 6 3 个 系 数 , 高频部分，图象细节 特点：系数集中在F(0,0) 左右
３
．
量
化 F‘(u,v)
： =
对 Int(
多媒体数据压缩编码



4。1。压缩编码 一.为什么要压缩数字化声音 普通话音： 采样率8KHZ，精度8bit，每分钟产生3.84Mbit； 高保真声音：采样率41KHZ，精度16bit，每分钟产生 42Mbit 数字化视频图像 640X480X24bitX30帧 每秒钟221Mbit
三。 编码器
1。若 {vi }有M个可能值，则设置M 个二进制码与之对应， 例如：
M= 8： { v1，v2，v3，v4，v5，v6，v7，v8， }
c = { 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111} v7 --- 110
注意：c 的顺序可以随便，主要是一一对应
每
一 F(u,v)
个
系 /⊿(u,v)
源自文库
数
作 )
。Int() － 取 整 数 。⊿(u,v) －系数（u,v）的量化宽度随（u,v）的变化而变化； 典 16 1 1 1 24 49 72 型 12 的 10 例 16 24 子 40 为 51 ：
2 4
61 1 2 1 3 8 113 92 121 120 101 100 103 99
1。原理：频率高者编短码，反之用长码
2。Huffman 树
。排列。归并最小概率。分配 D: d1 d2 0.04 0.06 0 0.1 0 1 1 0.2 0 0.3 0 1 1 1 d3 d4 d5 0.1 0.1 0.3 d6 0.4
3。 特点：
.最小概率最长码，最大概率最短码 .码串分割是唯一的 01 001 01 01 001 00001 01
压缩编码 格式 A 格式 B 解压缩编码 所有的编码方式必须是可逆的

格式B 有较少的数据或较小的数值。
三. 多媒体数据压缩的可能性



声音图像中大量的空白或相同无变化的数据，称为冗余数据 信息 声音图像数据中相邻的数据往往变化不大，称为有较高的相 关性 人们对音像媒体的理解往往利用其与目的有关的主要特征， 去除与目的无关的信息不影响视听效果
64 k
SB-ADPCM
电视电话 卫星通信
效率高
CD-I DVI
128 k
ADPCM SB-ADPCM
LD\CD 音响
质量高
MPEG
三。G722 标准
1。原理：
一个好的声音必须有高低音，但是人们对高音段往往不太敏感
高段采用低分辨率，低频段保证足够的分辨率
2。 总框图
正交 镜向 滤波 器 高端 SB-ADPCM 多 路 调 制 器 MUX
例如：二维图象：
（G0, L0) (G1,L1)(G2,L3).......... 2. 特点： 当串长数据大于二个数码值时，压缩有效 3。 应用： 二值化图象， 平涂图片，黑白文字。。
二。差分脉冲编码调制 ------- DPCM
x
x
1.原理：
x 1 = x1 - x0 d 1 = x1 - x1’
2. 常用码： 等长码： 自然码： 000， 001， 010， 011， ... 格雷码：111，110，100，101，001，... 反射码：000，001，010，011，100 ，011，110，111 变长码：0， 10， 11，110，...
4。2。2。 常用编码方法
一。 行程码
1。 原理：数据序列中相同数据串表示为二个数码： （ 数据值， 串长 ）
音频 数字化
低端 SB-ADPCM
4 静态彩色图象的压缩编码
1图象的压缩编码


1．图象压缩的指标： 。数据压缩率 比率（倍） = （压缩编码前总比特）/（压缩 编码后总比特） 。图象恢复质量：主观评价： 极好、好 、中、差、 劣
2．静态图象 ―― 单幅图象，彩色：RGB, YUV 。压缩原理：利用图象象元之间的相关性－帧内
2。编码类型：
。 波形编码： PCM, DPCM, ADPCM . 参数编码：LPC线性预测码 。 混合编码（波形 + 参数） 码激励线性预测（CELPC)， 多脉冲线性预测(MPLPC)
二。常用编码标准
标准
G711 G721
速率bps
64 k 32 k
方法
PCM ADPCM
应用
电话网
质量
一般
G722
4
5
50
yi ---. vi 1. 量化误差:
E qms =
( yi - vi * ) * ( yi - vi * )
越大 ， E qms 越大， 但是量化值越小 2。 变区间量化： 大小根据yi出现 的概率而定，概率大 0 1 | | 2 | 3 | 4 5 | |
的yi 对应大的
．
熵
（
Huffman）
编
码
符 号 １ ， 用 Huffman 编 码 符号２，用变长码，长度由符号１指定。
二. JPEG编码的效率
压缩率：
16
- 32 8 - 16 6-8 4- 6
质量： 中－好 好－很好 极好 原图难分
２． 其

他
。基于二维DPCM的JPEG压缩算法
1． 方案 Fig 445 根据图象象元的上下左右相关性， 预测估计象元的值，然后作差分。 X'm n = a Xm n-1 + b X m-1 n + c Xm-1 n-1
一．预测图象：
压
缩
原
理
：
运动量补偿 前帧图象 当前图象 二．双向预测：
前帧图象
当前图象
后帧图象
5.2 MPEG图象的压缩算法
一．MPEG图象序列
I: 帧内图 基准图象。用帧内压缩（类似于JPEG方法） P: 预测图 P : I + mv mv为运动补偿 B: 内插图 双向预测图 B : (P + I )/ 2
4。效率：
平均码长 R = Li*pi 最大平均码长： H = - pi*Log2 pi R H 好
0.6
0
00000 00001 0001 001 01 1
4。3。 音频数据的压缩编码
一。 语音的压缩编码效率与方法
1。效率 压缩率：倍数，压缩前后比特（Bit) 之比 质量：声音恢复后的质量，质量评价标准： 声音：MOS记分法：优、良、中、差、劣 语言：可懂度、清晰度、自然度
加 a. 上一层压缩编码: Jpeg b. 恢复图象 c. 插值，分辨率增加一层，作为下一 层预测图象 d. 差分编码 Dpcm 编码 = Jpeg + Dpcm
5 动 态 图 象 的 压 缩 编 码 及 MPEG 标 准 5.1动态图象的一般特征及压缩原理
一．动态图象：
· 空间+时间
四. 压缩编码分类
无损压缩 -- 解码后可100 % 恢复原来数据 有损压缩 -- 解码后与原来数据有所不同。
五。主要压缩编码方法：
1.变换法：正交变换
例 声音 x ( t ) 的富里叶变换 x(t) F( f ) t 为时间 , f 为频率 , F( f ) 为频谱系数，数量较少



用 F( f ) 来存贮声音，需要时逆变换恢复原声音 适当压缩高频式低频系数，通过逆变换不影响声音的效果 常用变换：FT，CT，Hadamard，K一L等 选择原则：变换后系数集中（较少），计算方便
4。2。1。 编码器原理
映 射
{xi} {yi}
量 化 {vi}
g l M { (gi, li) } i=1,2, ...
编 码 {ci}
一。映射 ----减少减短数据。 1。变换法： 2。差分： 3。行程： M * N
N
二。 量化： v 0 1 -- 量化区间
10
1
2 3 y 20
30 40
常用方法：DM, DPCM, ADPCM, LPC
3. 统计（熵）编码
根据数码出现的频数（概率）来分配码长度，概率大则分配短 码长，反之则长码，总体上减少 Bit 数。
Huffman码，算术编码。
4。 混合编码 多种方法联合使用，提高编码效率。 JPEG， MPEG, H261 ....
2. 压缩编码的一般原理
X1’
x 数值小，可以压缩效果 di = xi - xi’
x0
x1
x2
x1’ 估计正确，d1 数值很小系数， 如何估计 x1’ ?
xi’ = p*x i -1 + (1 - p)* m
m = xi 平均值
p = E{xi,xi-1}/E{xi*xi} 称为相关系数， p = 0 不相关 xi’ = m 为平均值
f (x,y,t)
· 表达方式： 图象帧序列 Fig45-1。时间常数Δ t。 40ms。 · 数据量 bits: M × N × B × 3× 1/
二．
物体的运动特征 -- 相邻帧的相关性
1．运动量的一致性：相邻帧图象中物体作近似平移移动 。
2．运动变化的连续性：连续帧中物体变化轨迹平缓。
三
.
p = 1 全相关
x i -1 = xi 全相同。
2。DPCM 编码器：
Xi
di
-
量化
i
di’
Xi’
适应器
Xi’
+ di’
预测器
+
Xi’
3。ADPCM-- 自适应的DPCM
当输入变化很大时（di 很大）采用较大的 值
可以提高量化速度和精度，及压缩效率
三。正交变换 -- DCT 离散余弦变换 1。DCT 变换的特点： - 系数比较集中 - 计算比较简单 2。 公式： C(u,v) = 4/MN E(u)E(v) f(x,y) Cos(u (2x+1)/2M ) Cos(v(2y+1)/2N)
多媒体数据压缩编码
1．压缩与编码 2．压缩编码的一般过程 2．1．编码器原理 2．2．常用的编码算法 3．语音压缩编码 静态彩色图象的压缩编码 1． 图象的压缩编码 2．JPEG 压缩编码的基本算法 3．其他JPEG压缩编码算法 5. 动态图象的压缩编码及MPEG标准 5. 1. 动态图象的一般特征及压缩原理 5. 2. MPEG图象的压缩算法
二. 运动补偿算法：
已知图象 I0 I1 I3 , I1需要预测 运动补偿单元： 宏块 单元 宏块预测公式：若已知运动量为 mv(x, y)，Fig45-4
则当前块预测 B’1(x,y) = B0(x+x, y+ y) 或双向预测 ： B’1(x,y) =( B0(x1+x1, y1+ y1) + B2(x2+x2, y2+ y2) )/ 2