第4章音频媒体压缩编码
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
第四章多媒体技术基础总结
ASF文件—— .ASF/.WMA ASF和WMA都是微软公司针对Real公司开发的 新一代网上流式数字音频压缩技术。这种压缩技 术的特点是同时兼顾了保真度和网络传输需求， 所以具有一定的先进性。可以利用WinAMP或媒 体播放机播放。
AIFF文件——.AIF/.AIFF
苹果公司开发的声音文件格式，被Macintosh平 台和应用程序所支持。
奈奎斯特采样定理：采样频率≥2×信号最高频率。 目前最常用的三种采样频率分别为：电话效果（11 kHz）、FM电台效果（22 kHz）和CD效果（44.1 kHz）。
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2）量化
量化：对声波波形幅度的数字化。
量化位数：量化时采用的二进制位数，位数 越多，精度也越高，音质越细腻。 例如， 用16个二进制位（bit）表示声音，可将声 音强度分为216 =65536级。 每秒声音的数据量 =采样频率×量化位数×声道数/8（字节）
2）图像量化是将采样值划分成各种等级，用一 定位数的二进制数（量化字长）来表示采样 的值。
量化字长（也称颜色深度）越大，则越能真 实地反映原有图像的颜色。但得到的数字图 像的容量也越大。
3）图像编码是按一定的规则，将量化后的数据 用二进制数据存储在文件中。 位图文件（.bmp）：Microsoft Windows 中使用的一种非压缩图像文件格 35 式。
RGB模型（显示）：将红（Red）、绿 （Green）、蓝（Blue）三原色的色光以不同 的比例相加，以产生多种多样的色光。 CMYK模型（打印）：印刷四分色模式利用色 料的三原色混色原理，加上黑色油墨，共计四 种颜色混合叠加，形成所谓“全彩印刷”。四 种标准颜色是：
C：Cyan ＝ 青色；
M：Magenta ＝ 品红色（洋红色）。 Y：Yellow ＝ 黄色。
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。
基础知识：媒体编码技术简介(四)
基础知识：媒体编码技术简介在现代社会中，媒体编码技术扮演着至关重要的角色。
无论是观看视频、听音乐、还是浏览网页，所有这些媒体内容都需要经过编码过程，以便在我们的设备上播放或渲染。
本文将简要介绍媒体编码技术的基本原理和几种常见的编码方式。
一、媒体编码的基本原理媒体编码是将原始媒体数据转化为数字数据的过程。
这里的"原始媒体数据"可以是图片、音频、视频等。
编码的目的是将原始媒体数据转化为数字形式，以便于传输、存储和处理。
编码将数据从模拟领域转换为数字领域，使用数学模型和算法对数据进行压缩和转换。
这样可以显著减少数据的体积，并在保证一定质量的情况下提高传输效率。
二、图像编码技术图像编码技术是将图片转化为数字数据的过程。
其中，最常见的编码方法是JPEG（Joint Photographic Experts Group）编码。
这种编码方式使用离散余弦变换来分解图像，并根据不同频率成分的重要程度进行不同程度的压缩。
其结果是，图像数据体积减小，但图像质量也有所损失。
此外，还有一种无损图像编码技术，如PNG（Portable Network Graphics）编码，它可以在压缩过程中不丢失任何图像信息。
三、音频编码技术音频编码技术是将声音转化为数字数据的过程。
最常见的编码方式是MP3（MPEG-1 Audio Layer III）编码。
这种编码方式通过分析音频的频率和幅度，利用人耳听觉模型的特性对音频信号进行压缩。
相比原始音频数据，MP3编码可以将数据压缩到相对较小的体积，同时保持较高的音质。
此外，还有其他音频编码技术，如AAC（Advanced Audio Coding）编码和FLAC（Free Lossless Audio Codec）编码等。
四、视频编码技术视频编码技术是将视频转化为数字数据的过程。
最常见的编码方式是编码。
编码利用空间和时间冗余性，通过去除视频序列中的冗余信息来降低数据的体积。
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。
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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）
第4章音频媒体压缩编码
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。
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第/4s章)音. 频媒体压缩编码
• 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：
0.25 0
-0.25 -0.5 -0.75
samples
编码
数字
0100111…
序列
第4章音频媒体压缩编码
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 的该取大值于应 等该 于满 声足 音N信y号qu中ist最T高he频or率y，fm即的采两样倍频。率fs应
• 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。
• 衡量语音编码性能的主要因素有：
编码质量； 编码速率； 算法复杂度。
第4章音频媒体压缩编码
音频信号压缩技术
音频信号压缩编码的主要依据是人耳的听觉特性，主 要有两点：
• 声音是一种波，由两个参数描述：
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
0.75
0.5
0.25
-1 0 -0.25 -0.5
-0.75
Sampling Height
samples
另外一种表示精度的方法是信噪比（SNR），表示为：
S N R 1 0 l g [ ( V s i g n a l) 2 / ( V n o i s e ) 2 ] 2 0 l g ( V s i g n a l/ V n o i s e )
超声波(Hypersound)：
1GHz－10THz
第4章音频媒体压缩编码
音频信号
声波图示，其中包含两个重要参数：频率和振幅
第4章音频媒体压缩编码
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。
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。
第4章音频媒体压缩编码
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。
音频信号压缩编码的分类
音频压缩方法
无失真压缩
有失真压缩
Huffman编码 波形编码
参数编码
混合编码
行程编码
全频带编码 PCM DPCM ADPCM
线性预测LPC
子带编码 自适应变换编码ATC 心理学模型
矢量量化
第4章音频媒体压缩编码
矢量和激励线 性预测VSELP
多脉冲线性 预测MP-LPC
码本激励线 性预测CELP
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。
第4章音频媒体压缩编码
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
采样
量化
samples
0.75 0.5
• 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.人的听觉系统中存在一个听觉阈值电平，低于这个 电平的声音信号人耳听不到 .
2.人的听觉存在屏蔽效应。当几个强弱不同的声音同时 存在时，强声使弱声难以听到，并且两者之间的关系 与其相对频率的大小有关 .
声音编码算法就是通过这些特性来去掉更多的冗余 数据，来达到压缩数据的目的。
第4章音频媒体压缩编码
Digital Processor
DAC
Analog Signal
Speaker
Output Devices
Reproduced Sound
第4章音频媒体压缩编码
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。
第四章
音频媒体的压缩编码标准与技术
第4章音频媒体压缩编码
本章内容
• 音频信号的相关概念
音频信号的基本概念；数字化方法；压缩编 码的可行性与分类；声音类别与数据率…
• 音频信息压缩编码技术标准体系
G.7XX系列和MPEG-X系列
• G.7XX声音压缩编码技术
各标准的编码方法；编/解码器等
• MPEG-X声音压缩编码 • 语音识别
其中，Vsignal表示信号电压， Vnoise表示噪声电压，SNR 的单位为分贝（dB）。信噪比越高，声音质量越好。
第4章音频媒体压缩编码
声音硬件：
Sound
Input Devices
Microphone
Analog Signal
ADC
Digital Signal
Storedቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/ Transmitted