第三章多媒体数据压缩技术

第三章多媒体数据压缩技术
2.2.1静态图像压缩编码JPEG概况
n JPEG是国际上彩色、灰度、静止图像的第 一个国际标准。用来在低分辨率到高分辨率 的较宽范围内支持较高的图像分辨率。它不 仅适用于黑白、彩色照片和印刷图片（高分 辨率）等静止图像的压缩，而且适用于传送 彩色传真、电话会议、新闻图片（低分辨率） 的静止图像的压缩，以及电视图像序列的帧 内图像的压缩编码也常采用JPEG压缩标准。
变换编码 DCT编码 小波变换 子带编码
模型编码ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分形编码
混合编码 JPEG MPEG H. 261
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四、数据压缩技术的性能指标
节省图象或视频的存储容量，增加访问速 度，使数字视频能在PC机上实现，需要进行视 频和图象的压缩。
有三个关键参数评价一个压缩系统 u 压缩比 u 图象质量 u 压缩和解压的速度 u 另外也必须考虑每个压缩算法所需的硬
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2.2.3 JPEG 压缩编码的扩展系统
n 3. 无损压缩预测编码运行方式
源图像 数据
预测器
熵编码器
压缩后 图像数据
表说明
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无损压缩预测编码 运行方式
Px
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2.的3 国运际动标图准像—压M缩PE编G码
n 2.3.1运动图像压缩编码—MPEG概况 n 2.3.2 MPEG 标准简介 n 2.3.3 MPEG 标准化算法
u ①经常会产生噪音和信号丢失，并且在复 制过程中逐步积累噪音和误差。
u ②模拟信号不适合数字计算机加工处理。
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一、多媒体数据压缩编码的必要性
n 数字化后未经压缩的视频和音频等媒 体信息的数据量是非常大的。
1.图像数据量的大小可用下面的公式来计 算：
图像数据量＝图像的总像素×色彩深度 ÷8 （ 单 位 为 Byte ， 简 写 为 B ） 例如，一幅640×480、24位（bit）真彩 色的图像，其文件大小为： 640×480×24÷ 8 ＝921.6KB
u 无损压缩 （图象质量不变） u 有损压缩
u 有损压缩：失真情况很难量化，只能对测 试的图象进行估计。
– 模拟图象质量的指标：信噪比、分辨率 – 必须观察实际图象以后估计。
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3．压缩解压速度
n 在许多应用中，压缩和解压可能不同时用，在 不同的位置不同的系统中。所以，压缩、解压 速度分别估计。
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二、多媒体数据压缩的可能性
u 1. 空间冗余
一幅图像中一般都有连续的有规则物体和规 则背景的颜色分布，使图像数据在空间上表现 出相关性，我们可以通过改变物体表面颜色的 像素存储方式来利用空间相关性，达到减少数 据量的目的。
例: 图象中的“A”是一个规则物体。光的亮 度、饱 和度及颜色都一样，因此，数据A有很大的冗余。
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三、数据压缩技术的分类
n 根据多媒体数据冗余类型的不同，解码后数据 与原始数据是否完全一致、质量有无损失来进行 分类，压缩方法可被分为有失真编码和无失真编 码两大类。 u 无失真压缩法也称无损压缩，一般是利用数 据的统计特性来进行数据压缩，对数据流中出 现的各种数据进行概率统计编码，使得数据流 经压缩后形成的代码流总位数大大减少。 u 无失真压缩的特点是压缩比较小，大约在2∶l 至5∶l之间，主要用于文本数据、程序代码和 某些要求严格不丢失信息的环境中，常用的无 失真压缩编码有如哈夫曼编码等。
如草席图结构上存在冗余。
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二、多媒体数据压缩的可能性
u 4. 知识冗余
有许多图像的理解与某些基础知识有相当大的 相关性。这类规律性的结构可由先验知识和背景知 识得到，我们称此类冗余为知识冗余。
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……
u 5. 视觉冗余
人类视觉系统对图像场的敏感性是非均匀和非 线性的，人眼并不能察觉图像场的所有变化，人类 视觉系统的分辨能力约为64灰度等级，而一般图像 量化采用256灰度等级，这类冗余称视觉冗余。
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二、多媒体数据压缩的可能性
u 6. 听觉冗余
u 人耳对不同频率的声音的敏感性是不同的， 并不能察觉所有频率的变化，对某些频率不必 特别关注，因此存在听觉冗余。
第三章多媒体数据压缩 技术
2020/12/7
第三章多媒体数据压缩技术
第一节 多媒体数据压缩技术概述
n 一、多媒体数据压缩编码的必要性 n 二、多媒体数据压缩的可能性 n 三、数据压缩技术的分类 n 四、数据压缩技术的性能指标
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一、多媒体数据压缩编码的必要性
信息时代的重要特征是信息的数字化。 早期的计算机系统采用模拟方式表示信息，但 存在着明显的缺点：
n 2.2.3 JPEG压缩编码的扩展系统
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2.2.1静态图像压缩编码JPEG概况
JPEG(Joint Photographic Experts Group) 是一个由 ISO和IEC两个组织机构 联合组成的一个专家组，负责制定静态的 数字图象数据压缩编码标准，因此又称为 JPEG标准。JPEG是一个适用范围很广的静 态图象数据压缩标准，适应于彩色和单色 多灰度或连续色调静止数字图像的压缩标 准。
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一、多媒体数据压缩编码的必要性
n 2. 双通道立体声激光唱盘，采用脉冲 码调制采样，采样频率为44.1KHz，采样 精度16位，其一秒钟时间内的采样数据 量为：
44.1×1000×16×2÷8 ＝ 176.4KB
一个650MB的CD—ROM，大约可存1小时 的音乐。
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三、数据压缩技术的分类
u 有失真压缩法也称有损压缩，允许一定程 度的失真，会丢失一些人眼和人耳所不敏感 的图像或音频信息，而且丢失的信息不可恢 复，即解压缩后并不能完全恢复成原来的数 据，但是根据人的视觉和听觉的主观评价是 可以接受的，有失真压缩法的冗余压缩取决 于初始信号的类型、前后的相关性、信号的 语义内容等，压缩比可以从几到几百倍。
n 静态图象中，压缩速度没有解压速度严格；动 态图象中，压缩、解压速度都有要求，因为需 实时地从摄像机或VCR中抓取动态视频。
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4．硬软件系统
n 有些压缩解压工作可用软件实现。设计系统时 必须充分考虑：
u 算法复杂 － 压缩解压过程长 u 算法简单 － 压缩效果差
目前有些特殊硬件可用于加速压缩/解压。 硬接线系统速度快，但各种选择在初始设计时 已确定，一般不能更改。因此在设计硬接线压 缩/解压系统时必须先将算法标准化。
n 对于今天我们所范指的MPEG-X版本，是指一组由
ITU(International
Telecommunications
Union) 和 ISO(International Standards
Organization)制定发布的视频、音频、数据的压
u 帧间编码技术 u 运动补偿技术
n 2.3.4 MPEG视频压缩数据流结构 n 2.3.5 MPEG音频简述
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2.3.1运动图像压缩编码—MPEG概况
n MPEG本是Moving Pictures Experts Group,动 态图象专家组的英文缩写，这个专家组始建于 1988年，专门负责为CD建立视频和音频标准，其 成员均为视频、音频及系统领域的技术专家。
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2.2 静态图像压缩国际标准--JPEG
n 2.2.1静态图像压缩编码JPEG概况 n 2.2.2 JPEG压缩编码的基本系统
u （1） 数据块准备 u （2） 离散余弦正变换DCT u （3） 量化 u （4） DCT系数Z形扫描 u （5） DC系数编码 u （6） AC系数编码
件和软件。
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1．压缩比
n 压缩性能常常用压缩比定义（输入数据 和输出数据比）
n 例：512×480， 24bit/pixel(bpp)
u 输出15000byte u 输入＝737280byte u 压缩比＝737280/15000＝49
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2．图象质量
n 压缩方法：
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二、多媒体数据压缩的可能性
u 2. 时间冗余
图像序列中的相邻帧图像往往包含相同的背 景和移动物体，只不过移动物体所在的空间位 置略有不同。我们把一帧图像中的某物体或场 景可以由其他帧图像中的物体或场景进行处理 后重构出来，可以大大减少时间冗余。
u 3. 结构冗余
有些图像从大体上看存在着非常强的纹理结 构，这些纹理具有较强的相似性称此为结构冗 余。
u 常用的有失真压缩编码技术有预测编码、变 换编码、模型编码、混合编码方法等。
u 主要用于压缩图像、声音等信息。
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三、数据压缩技术的分类
n 常用的图像和视频压缩方法如图2-1所示：
图像和视频压缩方法
无失真压缩
有失真压缩
哈夫曼编码 行程编码 算术编码 LZW编码
预测编码 运动补偿
一、多媒体数据压缩编码的必要性
n 3. 对动态图形和视频图像。例如对于 彩色电视信号，设代表光强Y的带宽为 4.2MHz、色彩I为1.5MHz和色饱和度Q为 0.5MHz，采样频率＞2倍原始信号频率， 各分量均被数字量化为8位，从而1秒钟 电视信号的数据量为：
（ 4.2 ＋ 1.5 ＋ 0.5 ） ×2×8×1000000÷8 ＝12.3 MB
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2.2.1静态图像压缩编码JPEG概况