多媒体数据处理技术

5.1.2 数据压缩的条件 ● 数据冗余度 (重复数据、可忽略数据 重复数据、 重复数据 可忽略数据) ● 人类不敏感因素 (颜色、亮度、细节等 颜色、 颜色 亮度、细节等) 重复Βιβλιοθήκη Baidu据 可忽略数据 ● 颜色不敏感因素 颜色不敏感因素
224 颜色 (16,777,216色) 色
28 颜色 (256色) 色 ● 音频不敏感因素 (试听 试听) 试听
● 冗余分类 [1] 空间冗余 空间冗余——规则物体的物理相关性 规则物体的物理相关性 [2] 时间冗余 时间冗余——视频与动画画面间的相关性 视频与动画画面间的相关性 [3] 统计冗余 统计冗余——具有空间冗余和时间冗余 具有空间冗余和时间冗余 [4] 结构冗余 结构冗余——规则纹理、相互重叠的结构表面 规则纹理、 规则纹理 [5] 信息熵冗余 信息熵冗余——编码冗余，数据与携带的信息 编码冗余， 编码冗余 [6] 视觉冗余 视觉冗余——视觉、听觉敏感度和非线性感觉 视觉、 视觉 [7] 知识冗余 知识冗余——凭借经验识别 凭借经验识别 [8] 其他冗余 其他冗余——上述 种以外的冗余 上述7种以外的冗余 上述
■ 44.1kHz / Stereo 1.3MB ■ 22.0kHz / Mono 0.3MB ■ Stop
● 信息传输与存储的限制 (压缩 → 传输或存储 → 解压缩 解压缩) 压缩
5.1.3 数据冗余 ● 冗余基本概念
● 冗余 —— 信息所具有的各种性质中多余的无用空间 ● 冗余度 —— 多余的无用空间的程度 ● 信息量与冗余的关系
● 冗余分类 [1] 空间冗余 空间冗余——规则物体的物理相关性 规则物体的物理相关性 [2] 时间冗余 时间冗余——视频与动画画面间的相关性 视频与动画画面间的相关性 [3] 统计冗余 统计冗余——具有空间冗余和时间冗余 具有空间冗余和时间冗余 [4] 结构冗余 结构冗余——规则纹理、相互重叠的结构表面 规则纹理、 规则纹理 [5] 信息熵冗余 信息熵冗余——编码冗余，数据与携带的信息 编码冗余， 编码冗余 [6] 视觉冗余 视觉冗余——视觉、听觉敏感度和非线性感觉 视觉、 视觉 [7] 知识冗余 知识冗余——凭借经验识别 凭借经验识别 [8] 其他冗余 其他冗余——上述 种以外的冗余 上述7种以外的冗余 上述
公式中， 是随机消息组合X{a1,a2,…,ar}中的 公式中，Pi (i = 1,2,…,r )是随机消息组合 是随机消息组合 中的 消息ai (i = 1,2,…,r )的先验概率。 的先验概率。 消息 的先验概率 Pi 可以度量 i (i = 1,2,…,r )所含的信息量。 可以度量a 所含的信息量。 所含的信息量 而I(ai) (i = 1,2,…,r )在X的先验概率空间 的先验概率空间P{p1,p2,…,pr}中的 在 的先验概率空间 中的 统计平均值为信息源X的熵： 统计平均值为信息源 的熵： 的熵 n H(X) = H{p1,p2,…,pr} = - ∑ Pilog2pi i=1 信息源X的熵用来度量 中每种消息所包含的平均信息量。信息熵 信息源 的熵用来度量X中每种消息所包含的平均信息量 的熵用来度量 中每种消息所包含的平均信息量。 主要表示信息系统的有序程度，而不是热力学中系统的无序程度。 主要表示信息系统的有序程度，而不是热力学中系统的无序程度。
I = D － du
I — 信息量 D — 数据量 du — 冗余量，包含在 中 冗余量，包含在D中
● 冗余举例
播音员—— 180字/分钟，2Byte一个字，360Byte (合0.35KB/分钟 分钟， 一个字， 分钟) 播音员 字 分钟 一个字 合 分钟 音频数据——8kHz采样×8bit×60秒 = 3840KBit (合480KB/分钟 采样× 分钟) 音频数据 采样 × 秒 合 分钟
● 冗余分类 [1] 空间冗余 空间冗余——规则物体的物理相关性 规则物体的物理相关性 [2] 时间冗余 时间冗余——视频与动画画面间的相关性 视频与动画画面间的相关性 [3] 统计冗余 统计冗余——具有空间冗余和时间冗余 具有空间冗余和时间冗余 [4] 结构冗余 结构冗余——规则纹理、相互重叠的结构表面 规则纹理、 规则纹理 [5] 信息熵冗余 信息熵冗余——编码冗余，数据与携带的信息 编码冗余， 编码冗余 [6] 视觉冗余 视觉冗余——视觉、听觉敏感度和非线性感觉 视觉、 视觉 [7] 知识冗余 知识冗余——凭借经验识别 凭借经验识别 [8] 其他冗余 其他冗余——上述 种以外的冗余 上述7种以外的冗余 上述
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5.1 数据压缩基本原理 5.1.1 信息、数据与编码 信息、 1．信息和熵 ． ● 信息量的大小和消息有一定的关系。在数学上，消息是其出现概率 信息量的大小和消息有一定的关系。在数学上， 的单调下降函数。信息量越大，消息的可能性越小，反之亦然。 的单调下降函数。信息量越大，消息的可能性越小，反之亦然。 ● 信息量：为了从 个相等的可能事件中挑选出一个事件所需的信息 信息量：为了从N个相等的可能事件中挑选出一个事件所需的信息 度量和含量，所提问“是或否”的次数。也就是说，在N个事件中辨 度量和含量，所提问“是或否”的次数。也就是说， 个事件中辨 识特定的一个事件要询问“是或否”次数。 识特定的一个事件要询问“是或否”次数。 例 要从256个数中选定某一个数，可以先提问“是否大于128？”，不 个数中选定某一个数，可以先提问“是否大于 要从 个数中选定某一个数 ？ 论 回答是与否，则半数的可能事件被取消。如果继续询问下去， 回答是与否，则半数的可能事件被取消。如果继续询问下去，每次 询问将对应一个1bit的信息量。 的信息量。 询问将对应一个 的信息量
3. 多媒体信息的数据量 1) 文本 —— 假设屏幕显示分辨率为 假设屏幕显示分辨率为1024×768，字符为 ×16点阵， 点阵， × ，字符为16× 点阵 每个字符用4个字节表示，则显示一屏字符所需要的存储空间为： 每个字符用 个字节表示，则显示一屏字符所需要的存储空间为： 个字节表示 （1024/16）×（768/16）×4 B = 12288 B（约合 ） ） （约合12KB） ） 2) 图像 —— 假定图像显示在 假定图像显示在1024×768分辨率的屏幕上，则满屏幕 分辨率的屏幕上， × 分辨率的屏幕上 像点所占用的空间为： 像点所占用的空间为： 1024×768×log2256 = 768 KB × × 3) 音频 —— 假定模拟声音频率 假定模拟声音频率22050 Hz，其数字采样频率 ，其数字采样频率44100 Hz， ， 采样精度为16bit，双声道立体声模式，则1min所需数据量为： ，双声道立体声模式， 所需数据量为： 采样精度为 所需数据量为 44100Hz×2B (16bit采样精度 ×2 (双声道 ×60s = 10 MB/min × 采样精度)× 双声道 双声道)× 采样精度 4) 视频 —— 采用带宽为 采用带宽为5MHz的PAL制视频信号，扫描速度 帧/ s， 制视频信号， 的 制视频信号 扫描速度25帧 ， 样本宽度24bit，采样频率最低10MHz，则一帧数字化图像所占用的 ，采样频率最低 样本宽度 ， 最少存储空间为： 最少存储空间为： 10 (采样频率 ÷25 (扫描速度 ×24 (样本宽度 = 9.6Mbit (合1.2 MB) 采样频率)÷ 扫描速度)× 样本宽度) 采样频率 扫描速度 样本宽度 合
∑
2. 信息与数据 信息可以用函数表示，该函数由信息论创始人C.E.Shannon提出， 提出， 信息可以用函数表示，该函数由信息论创始人 提出 以概率论的观点对信息进行定量描述，具体的信息函数表达式为： 以概率论的观点对信息进行定量描述，具体的信息函数表达式为： I(ai ) = -log2Pi (i = 1,2,…,r )
●例 随着每次询问，有半数的可能事件被取消，这个过程由公式表示： 随着每次询问，有半数的可能事件被取消，这个过程由公式表示： log2256 = 8 bit 可看出：对于 个数的询问只要进行8次 即可确定一个具体的数。 可看出：对于256个数的询问只要进行 次，即可确定一个具体的数。 个数的询问只要进行 设：从N个数中选定任意一个数 的概率为 个数中选定任意一个数x的概率为 个数中选定任意一个数 的概率为p(x)，假定选定任意一个数 ， 的概率都相等，即p (x)=1/N，则信息量为： 的概率都相等， ，则信息量为： I(x) = log2N = - log21／N = - log2p(x) = I[p(x)] ／ 如果将信息源所有可能事件的信息量进行平均，即可得到信息的“ 如果将信息源所有可能事件的信息量进行平均，即可得到信息的“熵” (熵是平均信息量)，信息源 的符号集为 熵是平均信息量 ，信息源X的符号集为 的符号集为xi(i=1,2,…,N)。 。 出现的概率为p(xi)，则信息源 的熵为： 的熵为： 设：xi出现的概率为 出现的概率为 ，则信息源X的熵为 n H(x) = n P(xi ) I [p(xi )] = -∑ P(xi )log2p(xi ) i=1 i=1
● 冗余分类 [1] 空间冗余 空间冗余——规则物体的物理相关性 规则物体的物理相关性 [2] 时间冗余 时间冗余——视频与动画画面间的相关性 视频与动画画面间的相关性 [3] 统计冗余 统计冗余——具有空间冗余和时间冗余 具有空间冗余和时间冗余 [4] 结构冗余 结构冗余——规则纹理、相互重叠的结构表面 规则纹理、 规则纹理 [5] 信息熵冗余 信息熵冗余——编码冗余，数据与携带的信息 编码冗余， 编码冗余 [6] 视觉冗余 视觉冗余——视觉、听觉敏感度和非线性感觉 视觉、 视觉 [7] 知识冗余 知识冗余——凭借经验识别 凭借经验识别 [8] 其他冗余 其他冗余——上述 种以外的冗余 上述7种以外的冗余 上述
1011 1100 0101 1111 1010 1011 0001 1100 0101 1010 1010 1011 0001 1100
● 冗余分类 [1] 空间冗余 空间冗余——规则物体的物理相关性 规则物体的物理相关性 [2] 时间冗余 时间冗余——视频与动画画面间的相关性 视频与动画画面间的相关性 [3] 统计冗余 统计冗余——具有空间冗余和时间冗余 具有空间冗余和时间冗余 [4] 结构冗余 结构冗余——规则纹理、相互重叠的结构表面 规则纹理、 规则纹理 [5] 信息熵冗余 信息熵冗余——编码冗余，数据与携带的信息 编码冗余， 编码冗余 [6] 视觉冗余 视觉冗余——视觉、听觉敏感度和非线性感觉 视觉、 视觉 [7] 知识冗余 知识冗余——凭借经验识别 凭借经验识别 [8] 其他冗余 其他冗余——上述 种以外的冗余 上述7种以外的冗余 上述 28 色
MULTIMEDIA TECHNOLOGY
第5章
第 章 多媒体数据压缩技术
5.1 数据压缩基本原理 5.1.1 信息、数据与编码 信息、 5.1.2 数据压缩的条件 5.1.3 数据冗余 5.2 数据压缩算法 5.2.1 数据压缩算法分类 5.2.2 预测编码原理 5.2.3 变换编码原理 5.2.4 统计编码原理 5.2.5 霍夫曼编码原理 5.2.6 行程编码原理 5.2.7 算术编码原理 5.2.8 LZW压缩编码 压缩编码 5.3 静态图像 静态图像JPEG压缩编码技术 压缩编码技术 5.3.1 JPEG标准的由来 标准的由来 5.3.2 JPEG压缩算法 压缩算法 5.3.3 无失真预测编码 5.3.4 有失真DCT压缩编码 有失真 压缩编码 5.4 动态图像MPEG压缩编码技术 压缩编码技术 动态图像 5.4.1 基本原理 5.4.2 MPEG技术标准 技术标准
● 冗余分类 [1] 空间冗余 空间冗余——规则物体的物理相关性 规则物体的物理相关性 [2] 时间冗余 时间冗余——视频与动画画面间的相关性 视频与动画画面间的相关性 [3] 统计冗余 统计冗余——具有空间冗余和时间冗余 具有空间冗余和时间冗余 [4] 结构冗余 结构冗余——规则纹理、相互重叠的结构表面 规则纹理、 规则纹理 [5] 信息熵冗余 信息熵冗余——编码冗余，数据与携带的信息 编码冗余， 编码冗余 [6] 视觉冗余 视觉冗余——视觉、听觉敏感度和非线性感觉 视觉、 视觉 [7] 知识冗余 知识冗余——凭借经验识别 凭借经验识别 [8] 其他冗余 其他冗余——上述 种以外的冗余 上述7种以外的冗余 上述