多媒体技术之压缩标准
mpeg-1 标准
mpeg-1 标准MPEG-1标准。
MPEG-1是一种音频和视频压缩标准，它是由Moving Picture Experts Group （MPEG）制定的。
MPEG-1标准于1993年发布，是数字音频和视频压缩的首个国际标准。
它的出现标志着数字多媒体时代的开始，为数字音频和视频的传输和存储提供了重要的技术支持。
MPEG-1标准主要包括三个部分，音频压缩、视频压缩和多媒体系统。
在音频压缩方面，MPEG-1采用了一种称为Layer I、Layer II和Layer III的压缩技术，其中Layer III又被称为MP3，它成为了数字音乐传输和存储的主流格式。
在视频压缩方面，MPEG-1采用了一种称为MPEG-1视频的压缩技术，它可以将视频压缩到原始大小的100-200分之一。
多媒体系统部分定义了音频和视频的同步传输和存储方法，为多媒体应用提供了统一的标准。
MPEG-1标准的出现对数字音频和视频的发展产生了深远的影响。
首先，MPEG-1标准的制定使得数字音频和视频的传输和存储成为了可能，为数字音乐、数字电视等领域的发展提供了技术支持。
其次，MPEG-1标准的应用推动了数字音频和视频产业的快速发展，为数字多媒体产业的形成奠定了基础。
最后，MPEG-1标准的成功制定为后续的MPEG-2、MPEG-4等标准的制定和发展奠定了基础，为数字多媒体技术的不断进步提供了动力。
然而，随着技术的不断发展，MPEG-1标准在某些方面已经显得有些过时。
首先，MPEG-1标准的压缩比较低，无法满足高清晰度视频的传输和存储需求。
其次，MPEG-1标准的编解码复杂度较高，导致了在一些低性能设备上无法实时解码。
最后，MPEG-1标准在音频和视频的同步传输方面存在一定的局限性，无法满足一些特殊应用的需求。
为了解决这些问题，MPEG组织陆续发布了MPEG-2、MPEG-4等更新的标准，以满足不断发展的数字多媒体技术需求。
同时，随着计算机和网络技术的飞速发展，新的音频和视频压缩标准如AAC、H.264等也相继出现，逐渐取代了MPEG-1标准在一些领域的应用。
《多媒体技术》 第二讲 多媒体数据压缩技术(第1—2节)课堂笔记及练习题
多媒体技术第二讲多媒体数据压缩技术（第1—2节）课堂笔记及练习题主题：第二讲多媒体数据压缩技术（第1—2节）学习时间： 4月4日--4月10日内容：第二讲多媒体数据压缩技术第一节多媒体数据和信息转换一、多媒体间的信息转换为了便于交流信息，需要对不同的媒体信息进行转换。
下表是部分媒体之间说明：＊易＊＊较困难＊＊＊很困难二、多媒体数据文件格式多媒体文件的格式很多，下表介绍常用文件格式的特点和应用场合。
三、多媒体数据的信息冗余多媒体计算机系统主要采用数字化方式，对声音、文字、图形、图像、视频等媒体进行处理。
数字化处理的主要问题是巨大的数据量。
一般来说，多媒体数据中存在以下种类的数据冗余：1）空间冗余：一些相关性的成像结构在数字化图像中就表现为空间冗余。
2）时间冗余：两幅相邻的图像之间有较大的相关性，这反映为时间冗余。
3）信息熵冗余（编码冗余）：信息熵是指一组数据所携带的信息量。
如果图像中平均每个像素使用的比特数大于该图像的信息熵，则图像中存在冗余，这种冗余称为信息熵冗余。
4）结构冗余：有些图像从大域上看存在着非常强的纹理结构，例如布纹图像和草席图像，我们说它们在结构上存在冗余。
5）知识冗余：有许多图像的理解与某些基础知识有较大的相关性。
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。
6）视觉冗余：人类视觉系统对于图像场的任何变化，并不是都能感知的。
这类冗余我们称为视觉冗余。
7）其他冗余：例如由图像的空间非定常特性所带来的冗余。
以上所讲的是多媒体数据的信息冗余。
设法去掉信号数据中的冗余，就是数据压缩。
第二节常用的数据压缩技术一、数据压缩编码方法1）根据解码后数据与原始数据是否完全一致来进行分类：① 可逆编码(无失真编码)，如Huffman编码、算术编码、行程长度编码等。
② 不可逆编码(有失真编码)，常用的有变换编码和预测编码。
2）根据压缩的原理进行划分：① 预测编码：它是利用空间中相邻数据的相关性，利用过去和现在出现过的点的数据情况来预测未来点的数据。
计算机学院多媒体基础多媒体技术JPEG图像压缩
计算机学院多媒体基础多媒体技术JPEG图像压缩计算机学院多媒体基础课程中，我们学习了不同的多媒体技术，其中之一是JPEG图像压缩技术。
JPEG（Joint Photographic Experts Group）是一种常用的图像压缩标准，广泛应用于图片传输和存储中。
JPEG图像压缩技术的目的是减小图片文件的大小，同时尽可能保持图像质量。
这项技术适用于需要在网络上传输大量图片的应用，如图片网站、社交媒体等。
JPEG压缩算法的核心思想是基于人眼对图像的感知特性，利用图像中的冗余和人眼的视觉敏感性来减少数据量。
具体来说，JPEG压缩包括三个主要步骤：色彩空间转换、离散余弦变换（DCT）和量化。
首先，将图像由RGB色彩空间转换为YCbCr色彩空间，因为人眼对亮度（Y）比对色度（Cb和Cr）更敏感。
然后，将图像分成8x8的小块，对每个小块进行DCT变换，将图像转化为频域表示。
之后，对频域图像进行量化操作，通过消除高频信息来减少数据量。
最后，将量化后的数据进行编码和压缩存储。
JPEG压缩技术的主要优点是压缩比高，可以将图像文件大小减小到原始大小的10%到20%，同时保持良好的视觉质量。
这对于需要传输大量图片且带宽有限的情况非常有帮助。
此外，JPEG压缩还具有较快的压缩和解压速度，使其成为处理图像文件的标准方法之一。
然而，JPEG压缩也存在一些限制和缺点。
最显著的是，压缩过程中会丢失一些细节和图片质量，尤其是在高压缩比下。
此外，由于JPEG是一种有损压缩算法，每次压缩和解压缩都会导致一些信息损失，因此不适合用于需要无损压缩的应用。
总之，JPEG图像压缩技术是计算机学院多媒体基础课程中的重要内容。
通过学习JPEG的压缩原理和算法，我们可以了解如何减小图像文件大小，提高图像传输效率，同时在保持较高视觉质量方面找到一个平衡点。
这对于我们将来从事与多媒体技术相关的工作将非常有帮助。
JPEG图像压缩技术是一种非常实用且广泛应用的图像压缩算法。
多媒体数据常用压缩标准
MPEG（Motion Picture Experts Group ）标准是ISO/IEC委员会针对全活动视频 的压缩标准系列，包含MPEG-1、MPEG-2 、MPEG-4、MPEG-7、MPEG-21等。
MPEG-1:适用于传输速率为1.5Mbps的数字电视标
准,91年提出草案,93年8月公布
JPEG确定的图像压缩标准的目标是：
编码器应该可由用户设置参数，以便用 户在压缩比和图像质量之间权衡折衷
标准可适用任意类连续色调的数字静止 图像，不限制图像的景像内容
计算复杂度适中，只需一定能力的CPU 就可实现，而不要求很高档的计算机，复 杂的软件本身要易于操作
定义了两种基本压缩编码算法和4种编码 模式
MPEG-2:适用于传输速率为10Mbps 的数字电视标
准,93年提出草案,94年11月公布
MPEG-3:适用于传输速率为40Mbps 的数 字电视标
准,已被MPEG-2取代
MPEG-4:1999年12月公布的多媒体应用标准
MPEG-7:多媒体内容描述接口标准,98年提出,2001
年完成并公布
MPEG-21:正式名称是Multimedia Ｆramework(多媒体
终形成清晰的图像。
下面是顺序模式和渐进模式的示意图
顺序模式 渐进模式
无失真编码模式 采用一维或二维的空间域
DPCM和熵编码。由于输入图像已经是数字化 的，经过空间域的DPCM之后，预测误差值也 是一个离散量，因此可以不再量化而实现无失 真编码。
分层编码模式 这是对一幅原始图像的空间
分辨率，分成多个分辨率进行“锥形”的编码方 法，水平(垂直)方向分辨率的下降 以2的倍数因子改变,先对分辨率最 低的一层图像进行编码，然后将经 过内插的该层图像作为下一层图像 的预测值，再对预测误差进行编码，
多媒体数据压缩标准—MPEG系列
维普资讯
微
机
发
展
２０ 年第 ６ ０２ 期 文章编号 ：０ ５ ３ ５ （０ ２ ０ — ０ ８ ５—ＭＰ Ｇ 系列 Ｅ
Ｉ ｒ ｄｕ ｔｏ ｆＭ ｕ ｔｍ ｅ ａ Ｃｏ ｐ ｅ ｓｏ ｔ ｎｄａ ｄ・ Ｍ ＰＥＧ ｅ ｉ ｌ ｎｔｏ ｃ ｉ ｎ ｏ ｌｉ ｄｉ ｍ ｒ ｓ ｉ ｎ Ｓ ａ ｒ ’ Ｓ ｒａｓ
Ｋｅ 啊 ，凼 ： ｌ ｔｍｅ ｉ ；ｃ ｉｇ；ｃ ｍｐ ｅ ｓｏ ｙ ｒ ｍｕ ｉ ｄ ａ ｏｄｎ ｏ ｒ ｓ ｉｎ；Ｍ Ｈ
模拟信号方 式向离散 信号 和数字 化方 式转 换。今 天 ，
人们谈论很多 的多 媒体技术是一种 全数字技术， 文字 、 图形 、 图像、 视频 、 画和声 音都 以数字化形式 表示 ， 动 从 而方便 了多媒 体信息 的存储 、 理 和网 络传 输。在各 处 种媒体 中， 以视频 的传输 和存储 最 引人关 注。 这是 由
视频数据本 身的特 性决定的。视频数据 是一种非格 式 化 的流式数 据。 且 经常 是 与音 频 数据 同时 传输 的。 而 因此如何解 决视频 与音 频 的同步． 如何 随机 定位 播 放 任意 一段视 频， 如何 解决视 频 的广播 和网上 传 输都 需
要一个统一 的标准来协调。视频数 据和其他媒体形 式
７做了一些介绍。
关■翊： 多媒体 ； 绾码 ； 压缩 ； 动图像专 家组 运
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多媒体数据压缩技术
Huffman编码
◦ 1952年提出，基本思想是概率出现大的信源符号分配短码， 反之分配长码
算术编码
◦ 被编码的符号串[0，1）上的一个子区间
行程编码(游程编码，Run-length Encoding)
◦ 一维信号的分段常数逼近（位置信号和信号值） ◦ 差分方式和绝对值方式
最常用的统计编码是Huffman编码。它对于出现频 率大的符号用较少的位数来表示，而对出现频率小 的符号用较多的位数来表示。 其编码效率主要取决于需编码的符号出现的概率分 布，越集中则压缩比越高。
通过下列计算公式可完成数据转换
◦ Y=0.2990R+0.5870G+0.1140B ◦ Cb =-0.1687R-0.3313G+0.5000B+128 ◦ Crr=0.5000R-0.4187G-0.0813B＋128
通常有两种采样方式：
◦ YUV411 ◦ YUV422
它们所代 表的意义是Y、 Cb 和Cr三个成份的数据 取样比例
图像格 式
24位 BMP
24位 JPEG
8位 GIF
24位 TIFF
24位 TGA
文件长 度 921,654 17,707 177,152 923,044 768,136 (Byte)
无失真过程
顺序型模式 累进工作方式 分层工作方式
采用预测编码及Huffman编码(或算术编码) 可保证重建图像数据与原始图像数据完全相同
◦ 符合JPEG标准的硬软件编码/解码器都必须支持和实现这 个过程
另两个过程是可选扩展，对一些特定的应用项目有 很大实用价值
7.多媒体技术文件压缩、文件格式,存储量的计算知识点
七、多媒体技术文件压缩、文件格式，存储量的计算知识点1、多媒体技术的三个显著的特征：集成性：（指文字、图形、图像、声音、动画、视频等各种媒体的整合与综合运用，如多媒体课件、网页、多媒体电子地图等）交互性：（指人机交互功能，人可以积极参与其中的所有活动，如人机下棋，数字电视选择点播节目等）实时性：（指声音及活动的视频图像是强实时的，如电视或网上现场直播奥运会，汽车GPS电子导航系统等）2.多媒体作品的规划和设计3.．多媒体的创作工具（1）以页为基础的创作工具（ToolBook、PowerPoint）；（2）以图标和流程图为基础的创作工具（Authorware、IconAuthor）；（3）以时间为基础的创作工具（Director、Flash）；（4）以程序语言为基础的创作工具（Visual Basic、Visual\ C++、Java）。
4、多媒体技术的应用：(1) 生活中的多媒体：MP3音乐、影视动画、数字电视（优点：图像质量高、节目容量大、伴音质量好）等。
[普通模拟电视显示屏幕长宽比为4：3；数字电视屏幕的长宽比为16：9] (2) 多媒体技术的现状：音频技术（声控玩具、语音拔号功能的手机等）视频技术（大众化的数字视频产品如VCD、DVD、可视电话、视频会议等）网络传输技术（使可视电话、观看网络电视、电影等成为可能）5、压缩技术（1）压缩目的：为了使数据量更小，以便存储和传输。
（2）压缩原理：首先数据本身存在冗余；其次是在许多情况许媒体本身允少量失真。
（3）数据冗余分为：空间冗余、视觉冗余、结构冗余、时间冗余。
空间冗余：对应的对象是静态图像，例如：图像中有一片连续的区域，其像素为相同的颜色，空间冗余产生。
时间冗余: 对应的对象是序列图像，例如：房间里的两个人在聊天，在这个聊天的过程中，背景（房间和家具）一直是相同的，同时也没有移动，而且是同样的两个人在聊天，只有动作和位置的变化。
结构冗余：图像中重复出现或相近的纹理结构。
三大编码及压缩标准
编码和压缩是处理音频、视频和图像等多媒体数据时必不可少的技术。
通过编码，原始数据被转换成适合存储或传输的格式；而压缩则是为了减少数据量，以节省存储空间和加快传输速度。
在众多的编码及压缩标准中，有三大标准被广泛使用，它们分别是：JPEG、MPEG 和 H.264。
1.JPEG（Joint Photographic Experts Group）JPEG 是一种广泛应用于图像压缩的编码标准，它由联合摄影专家组开发。
JPEG 能够提供很好的压缩比例，同时保持较高的图像质量。
这使得JPEG 成为数字摄影、网页设计和许多其他应用的首选格式。
JPEG 支持多种颜色模式，包括 RGB、CMYK 和灰度。
此外，JPEG 还支持渐进式显示，即图像可以逐步加载，让用户在等待完整图像加载时可以看到低分辨率的预览。
JPEG 压缩算法基于离散余弦变换（DCT），通过量化和哈夫曼编码实现数据的压缩。
由于 JPEG 是有损压缩，因此在高压缩比下可能会出现图像质量的损失。
为了在保持较高图像质量的同时实现较大的压缩比，JPEG 提供了多种压缩级别供用户选择。
2.MPEG（Moving Picture Experts Group）MPEG 是一组用于音频和视频编码的标准，由动态图像专家组开发。
MPEG 标准包括多种类型，如 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 等。
这些标准在不同的应用场景中有不同的特点和优势。
MPEG-1 主要用于 VCD 和 CD 的音视频编码，其视频编码分辨率较低，适用于较低的传输速率。
MPEG-2 则用于 DVD、数字电视和高清电视等领域，提供了更高的分辨率和更好的图像质量。
MPEG-4 是一种面向对象的编码标准，支持更多的交互功能，如虚拟现实、游戏等。
MPEG 编码算法基于运动补偿和离散余弦变换（DCT），通过帧间预测、运动估计和熵编码实现数据的压缩。
与 JPEG 类似，MPEG 也是有损压缩，但在保证一定图像质量的前提下，可以实现较高的压缩比。
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表说明
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IDCT 表说明
8*8块 源图像数据
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离散余弦变换
首先把原始图像分割成8*8的子块 采样精度为P位（二进制），把[0,2P-1]范围的 无符号数变换成[-2p-1,2p-1]范围的有符号数， 作为离散余弦正变换(FDCT)的输入 在输出端经离散余弦逆变换(IDCT)后又得到一 系列8*8子块，需将数值范围[-2p-1,2p-1]变换回 [0,2P-1]来重构图像。
空间方式（可逆编码）
分为以DCT为基础和以二维空间DPCM为基 础两类。一般不会产生误差，采用熵编码。
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JPEG标准的特点
编码器和解码器参数化（用户可调节） 适用任何一种连续色调的图像 对硬件的要求都很低，不需要专用的DSP芯片 提供了四种工作方式
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JPEG三个层次的定义
基本系统
必须合理地解压缩彩色图像，保持高压缩率并能处 理4位/像素到16位/像素的图像。顺序模式， HUAFFMAN编码，算术编码。
扩展系统
包括了各种编码方式，如长度可变编码、渐进编码 以及分层模式的编码，可适用于各种应用。
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离散余弦变换（续）
8*8的FDCT的数学定义为：
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F(u,v)=C(u)C(v)[∑ ∑f(x,y)*cos(((2x+1)*uπ)/16)* cos(((2y+1)*uπ)/16)]
x=0 y=0
JPEG2000简介
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JPEG概述
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JPEG(Joint Photographic Experts Group，联合 图片专家组)是ISO和CCITT联合工作委员会成 立的，专门致力于静止图像压缩。
JPEG是一种静止彩色图象和灰度图像(连续图 像)的压缩标准，它分为两部分：
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对64个DCT系数进行量化，关键是找到最小量 化失真的量化器。
JPEG采用线性均匀量化器，定义为对64个DCT 系数除以量化步长，然后四舍五入取整： FQ(u,v)=Integer Round[F(u,v)/Q(u,v)]
Q(u,v)是量化步长，由JPEG提出参考值，作为 编码器的一个输入，取值为1~255。
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JPEG提出的要求(续)
必须提供渐进编码(由多次扫描得到)，图像解 压时，较粗糙的图像先显示，随后更多图像成 分被解压并补充过来，以提供更精细的图像。 必须提供分层编码(由一次扫描得到) ，图像压 缩为多个分辨率水平，这样低分辨率水平可被 低分辨率目标系统访问，不用解压全分辨率图 像。 必须提供无损压缩选项，图像在解压时能保证 提供所选分辨率下的全部细节。
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基于DPCM的无失真编码
无失真编码器源图像数据预测器熵编码器 表说明
压缩图像数据 HUFFMAN表
cb ax
选择值
0 1 2 3
预测
非预测 a b c
选择值
4 5 6 7
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设计必须将图象质量控制在这样的范围：可视保真度 非常高，同时编码器可以被参数化，允许用户设置压 缩或质量水平。 压缩标准必须可应用于实践中任何一类连续色调数字 源图象，并且不受到维数、颜色、画面长宽比、类、 图像或布景内容、颜色或影调范围的限制。 必须是从完全无损到有损范围内都可以伸缩的，使他 适应不同的存储器、CPU和显示要求。 提供顺序编码。每个图象成分都以单一的从左到右、 从上到下的扫描方式进行编码。
8*8的IDCT的数学定义为：
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F(u,v)=C(u)C(v)[∑∑f(x,y)*cos(((2x+1)*uπ)/16)* cos(((2y+1)*uπ)/16)]
x=0 y=0
其中：C(u),C(v)=1/1.414 C(u),C(v)=1
当u,v=0 其他
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量化处理
预测 a+b-c a+(b-c)/2 b+(a-c)/2 (a+b)/2
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基于DCT的有失真压缩编码
8*8块
源图像数据
FDCT
基于DCT的编码过程
编码器
量化器 表说明
熵编码器 表说明
压缩图像数据
解码器
压缩图像数据
熵解码器 逆量化器
解码过程
特殊无损功能(预测无损编码法)
确保了在图像被压缩的分辨率下，解压缩没有造成 出事源图像中任何细节的损失。
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JPEG算法的两种方式
DCT方式（非可逆编码）
包含基本系统和扩展系统。可采用的算法有： 顺序算法、界进算法、分层算法，根据算法 可压缩比调节在10：1~100：1之间
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图像、视频压缩标准
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静态图象压缩标准JPEG
JPEG标准的主要内容 JPEG静态图象压缩算法
基于DPCM的无失真编码 基于DCT的有失真压缩编码 基于DCT的累进操作方式编码
详细规定了操作模式、格式转换和这些模式的编码 器/解码器以及实现的具体指导。
描述了符合测试，可确定编码器或解码器的实现是 否符合第一部分的标准细则，以便确保与遵守
JPEG标准系统的互操作性。
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Technology of Multimedia Computer
JPEG提出的要求