第三章多媒体数据压缩技术

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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。
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u 容量为650MB的CD—ROM仅能存1分钟 的原始电视数据。若为高清晰度电视
( HDTV ) 其 1 秒 钟 数 据 量 约 为 150MB (1.2Gbps÷8),一张CD—ROM还存不下 5秒钟的HDTV图像。
n 巨大数字化信息的数据量对计算机存储 资源和网络带宽有很高的要求,解决的办 法就是要对视、音频的数据进行大量的压 缩。播放时,传输少量被压缩的数据,接 收后再对数据进行解压缩并复原。
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2.2.Hale Waihona Puke Baidu静态图像压缩编码JPEG概况
n 它满足以下要求: n (1)达到或接近当前压缩比图像保真度的技术水平,能覆盖一个
较宽的图像质量等级范围,能得到“很好”到“极好”的评估,与 原始图像相比,人的视觉难以区分。 n (2)能适用于任何种类的连续色调的图像,且长宽比都不受限制, 同时也不受限于景物内容、图像的复杂程度和统计特性等。 n (3)计算机的复杂性是可控制的,其软件可在各种CPU上完成,算 法也可用硬件实现。 n (4)JPEG算法具有4种操作方式。 n 第一,为顺序编码,每个图像分量按从左到右,从上到下扫描,一 次扫描完成编码; n 第二,累进编码,图像编码在多次扫描中完成,接收端收到图像是 一个由粗糙到清晰的过程; n 第三,无失真编码; n 第四,分层编码,对图像按多个分辨率编码,接收端按其显示分辨 率有选择地解码。
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。
第三章多媒体数据压缩技术
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
2.2.2 JPEG 压缩编码的基本系统
n 下面是一个基于离散余弦正变换DCT的有失 真JPEG编码的工作原理,图2-11是基于DCT的 JPEG编码的过程框图。
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2.2.2 JPEG 压缩编码的基本系统
n 顺序编码运行方式
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2.2.3 JPEG 压缩编码的扩展系统
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
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。
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
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
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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。
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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
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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2.2.1静态图像压缩编码JPEG概况
n 变换编码的基本思路:
u 1.编码时略去某些能量很小的高频分量以降低码 率。
u 2.变换编码还可以根据人眼对不同频率分量的敏 感程度而对不同系数采用不同的量化台阶,以进一 步提高压缩比。
n JPEG开发的压缩编码算法有三种工作方式:
u 1.基本系统(单次扫描)。 u 2.扩展系统(常采用累进编码或分层编码方式)。 u 3.无损压缩编码。
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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。
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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
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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。
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:
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
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
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
第三章多媒体数据压缩技术
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:
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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。
n 1. 基于DCT的累进编码运行方式
累进编码方式要扫描多次
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2.2.3 JPEG 压缩编码的扩展系统
n 2. 分层编码运行方 式
u 水平方向和垂直方 向分辨率以2的倍数 因子下降(降低原始 图像的空间分辨率), 导出若干低分辨率的 原图像,分层后再采 用JPEG的压缩编码方 法进行编码,随后以 上重复步骤,直到图 像达到完整的分辨率 编码为止。
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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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变换编码 DCT编码 小波变换 子带编码
模型编码 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
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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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。
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