页数：44页文件大小：328.7 KB来源： 多媒体技术及其应用ppt课件
本课件聚焦多媒体数据压缩这一核心技术，先说明数据为何必须压缩、压缩的基本原理与冗余类型，再介绍常用压缩方法，随后讲解JPEG与JPEG 2000的压缩过程、MPEG系列标准要点，最后说明H.261视听通信编解码标准。
第4章多媒体数据压缩技术
多媒体数据压缩技术
多媒体数据压缩技术多媒体数据压缩技术是多媒体技术中的核心技术之一。它揭示了多媒体数据处理的本质，是在计算机上实现多媒体信息处理、存储和应用的前提。静态图像和视频数据压缩国际标准的制定为多媒体通信和大规模应用提供了统一的技术标准。学习和掌握多媒体数据压缩技术的相关知识，是更深入学习多媒体技术其他知识所必备的
教学内容
教学内容4.1数据压缩的基本原理和方法4.2静态图像的压缩标准JPEG4.3运动图像压缩标准MPEG4.4 CCITT H.261视听通信编码解码标准
1数据压缩的基本原理和方法4.1.1数据
.1数据压缩的基本原理和方法4.1.1数据压缩概述4.1.2数据压缩的基本原理4.1.3常用的数据压缩方法
综述
数据压缩是指对原始数据进行重新编码，以除去原始数据中的冗余，以较小的数据量表示原始数据的技术。数据压缩技术是实现在计算机上处理音视频等多媒体信息的前提。
数据压缩技术可分为两种类型：一种是无损压缩，一种是有损压缩。
4.1.1 数据压缩概述
息的数据量过大使得利用计算机对多媒体数据处理面临很大的困难，而且多媒体数据处理通常还有实时性的要求，所以对多媒体原始数据经过压缩，只保留有用的信息并交给计算机来处理，就可以解决上述问题。
4.1.2 数据压缩的基本原理编码
、1数字序列来表示。数据压缩编码是指减少码长的有效编码。根据数据压缩编码的长度，可以将编码方法分为等长编码和不等长编码。例4.1对字符串“aa bb cccc dddd eeeeeeee”进行编码。
方式1
方式1：ASCII码直接编码对每一个字符直接写出其ASCII编码为：01100001 01100001 00100000 0110001001100010……上述字符串的编码总长度为：24×8=192(bit)方式2：等长压缩编码取每一个字符ASCII码的后3位进行观察，可以看出它们各不相同(即可以通过这3个bit唯一识别)，如只取每个字符的后3位直接编码，则新的码字序列可写为：001 001 000 010 010……则可计算出编码总长度为：24×3=72(bit)
方式3
方式3：不等长编码考查字符串中不同字符出现的概率并对其重新定义一个编码字如表4.2所示：则其编码的总长度为：8×1+4×3×3+2×4×2=60(bit)
4.1.3 常用的数据压缩方法
)行程长度编码是指将一系列的重复值(如像素值)由一个单独的值和一个计数值代替的编码方法。行程长度编码是一种无损压缩编码方法，它是视频压缩编码中最简单、但十分常见的方法。如上图的行程长度编码可写为：白8黑5白3黑8白6……
预测编码的基本思想
2.预测编码预测编码的基本思想是根据原始信号的相关性，在当前时刻(或位置)预测下一时刻(或位置)的信号值，并对预测出现的误差进行编码的压缩编码方法。预测编码主要考虑消除两个方面的信息冗余：一是消除存在于图像内部的数据冗余，即空间冗余度。一是消除存在于相邻图像之间的数据冗余，即时间冗余度。
变换编码的基本思想
3.变换编码变换编码的基本思想:是利用变换方法(如DCT变换)先改变表示图像的模式(如RGB模式→YUV模式)，再对变换得到的变换基信号进行量化取整和编码的技术。变换编码不直接对原始的空域信号(基于空间的视频信号)进行编码，而是首先将空域信号映射到另一个正交矢量空间(如以可见光频率表示的图像频域空间)，经过这样的变换后，将得到一批变换系数(即基信号)，再对这些系数进行编码的技术。
矢量量化编码
矢量量化编码是一种有失真的压缩编码方法，是近年来在图像压缩编码和音频压缩编码技术中应用比较多的一种新型量化编码方法。
矢量量化编码可以将多个复杂的采样点编码量化到一个码本矢量的编号，进而对这一矢量编号进行编码。只要有码本和相应的编号，就可以快速解码。所以可以极大地压缩编码率。
熵编码
熵编码是一种基于统计的、可变码长的压缩编码方法。它首先将原始信息中所有不同的信息(也称为事件)进行统计，将出现概率最多的信息赋予最短的编码，将出现概率较少的信息赋予较长的编码，以缩短平均编码长度。
熵及其计算
1)熵及其计算5.熵编码熵用于表示一个事件所包含的信息量大小。信息量越大，表示事件的不稳定性越大，则对该事件进行编码时就需要更多的比特数。假设N为待编码的信息集(如一幅图像中的像素色彩等级)，为某事件(如图像中的某种色彩)出现的概率，则的信息量A可记为：
熵及其计算5.熵编码信息集
1)熵及其计算5.熵编码信息集N的平均信息量为：H即为信息熵。在上式中可以证明：当所有事件的概率相等的时，H最大；当只有一个事件的概率为1，而其他事件概率为0时，H最小。
熵及其计算
1)熵及其计算5.熵编码在多媒体压缩编码技术中，信息熵的引入主要用于解决信息压缩编码的极限问题。对于某一个信息集N，如果其中包含了i个事件，每个事件的编码长度为Ci，对应的概率为Pi的话，则信息集N中每个事件的平均编码长度可记为：
熵及其计算5.熵编码一个编码方案是否是最
1)熵及其计算5.熵编码一个编码方案是否是最佳编码，可以下式来验证：实践证明：如果L远远大于H，则该编码为非最佳编码，说明编码中仍有数据冗余，可以进一步压缩；如果L小于H，证明是不可实现的。所以通常情况下，最佳编码应满足L稍大于H。
熵编码实例——哈夫曼编码
2)熵编码实例——哈夫曼编码5.熵编码哈夫曼(Huffman)编码方法于1952年问世，是一种典型的熵编码，并被广泛应用于现代数字图像处理技术中，如JPEG、MPEG、和H.26X等压缩标准中。哈夫曼编码过程采用变字长的编码方法，编码过程中，编码器对不同概率的信息输出的编码长度不同。对于大概率信息符号，赋于短字长的输出(编码)，对于小概率的信息符号，赋于长字长的输出(编码)。
熵编码实例——哈夫曼编码5.熵编码算法可
2)熵编码实例——哈夫曼编码5.熵编码算法可描述为：(1)对图像中出现的不同像素值进行概率统计，得到n个不同概率的信息符号。(2)按符号出现的概率由大到小、由上到下排列。(3)对两个最低概率符号分别以二进制0、1赋值。(4)两最低概率相加后作为一个新符号的概率重新置入符号序列中。(5)对概率按从大到小重新排列。(6)重复(2)～(5)，直到只剩下两个概率符号的序列。(7)分别以二进制0、1赋值后，以此为根结点，沿赋值的顺序的逆序依次写出该路径上的二进制代码，得到哈夫曼编码。
例：根据表中的信息及出现的概率
例：根据表中的信息及出现的概率，写出其哈夫曼编码。
算术编码
算术编码也是一种基于统计的压缩编码方法。算术编码中，信息符号用0到1之间的实数进行编码。
算术编码以符号的概率和它的编码间隔为参数，信息符号的概率决定了压缩编码的效率，也决定了编码过程中信息符号的间隔，而这些间隔包含在0到1之间。编码过程中的间隔决定了符号压缩后的输出。
例：一个信息符号集为{
例：一个信息符号集为{00，01，10，11}，每个符号对应的概率分别为{0.1，0.4，0.2，0.3}，当输入的信息符号序列为10 00 11 00 10 11 01时，写出其算术编码及解码过程。
它编码技术对于没有统计特性或无法事先进行
7.其它编码技术对于没有统计特性或无法事先进行统计的信息符号，出现了不少很优秀的通用压缩编码方法。其中的代表算法为词典编码方法。在词典编码技术中，LZ77算法、LZSS算法、LZ78算法及LZW算法等都较有代表性。二十世纪九十年代，压缩编码技术研究出现了两个重要方向：一是多分辩率编码，二是金字塔编码。尤其在多分辩率编码技术上发展起来的分波编码和小波编码技术十分引人注目，并得到广泛应用。
4.2 静态图像的压缩标准
准简介4.2.2 JPEG标准中的主要技术4.2.3 JPEG标准的压缩过程4.2.4 JPEG2000
4.2.1 JPEG标准简介JPEG
graphic Experts Group)是指由国际标准化组织(ISO)和国际电报电话委员会(CCITT)联合成立的专家组联合制定的一个适用于连续色调、多级灰度、彩色或单色静止图像数据压缩的国际标准。JPEG方案的问世，在多媒体技术领域产生了巨大的影响，并迅速应用于视频压缩编码国际标准MPEG中。JPEG以其较大的压缩比和很好的压缩效果，对网络多媒体的应用、多媒体系统集成等产生了极其重要的推动作用。
4.2.2 JPEG标准中的主要技术JPEG标准
压缩方式:基于DCT变换的有损压缩编码方式(含必须保证功能和扩展系统两部分)、基于空间DPCM方法的无损压缩编码方式。基于DCT的压缩编码方式虽然是有损压缩，但它可用较少的编码得到较好品质的还原图像，所以作为JPEG标准的基础。另一方面，基于二维空间的DPCM压缩编码方法虽然压缩比较低，但可实现图像的无失真还原，可满足对图像还原要求较为苛刻的处理环境。
4.2.3 JPEG标准对静态图像的压缩过程
4.2.4 JPEG 2000使用小波转换
为主的多解析编码方式对图像进行编码。小波转换将一幅图像作为一个整体进行变换和编码，很好地保存了图像信息中的相关性，达到了更好的压缩编码效果。
JPEG
JPEG 2000标准作为JPEG升级版，其压缩率比JPEG高约30%左右；同时支持有损(阈值非0)和无损压缩(阈值为0)，而JPEG最常用的压缩方案为有损压缩；支持所谓的“感兴趣区域”特性，可任意指定影像上感兴趣区域的压缩质量，还可以选择指定的部分先解压缩。便于突出重点。JPEG 2000可以实现累进式传输，特别适合具有QoS要求的网络传输；
4.3 运动图像压缩标准
4.3.1 MPEG系列标准
MPEG(Moving Picture Experts Group)系列标准是由ISO/IEC共同制定的。MPEG专家组始建于1988年，专门负责为运动图像建立视频和音频标准，以适用于配合不同带宽和数字影像质量的要求。
现有四个版本：MPEG-l、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7。MPEG-21正在制定中。
4.3.2 MPEG-1中的主要技术
4.3.3 MPEG-2标准的新进展MPEG-2
码，是对MPEG-1的重大改进。
4.3.4 MPEG-4标准中的新技术
MPEG-
4.3.5 多媒体内容描述接口标准
Multimedia Content Description Interface)的目标就是为多媒体信息制定一种标准化的描述方法，这种描述与多媒体信息的内容一起，帮助用户实现对多媒体信息基于内容的快速的检索。在MPEG-7标准不包括对描述特征的自动提取，目的是可以使这些算法的新进展及时物化，避免阻碍未来MPEG-7的应用。
4.4 CCITT H.261视听通信编码解
.1 H.26x标准简介4.4.2 H.261标准中的主要技术
4.4.1 H.26x标准简介
信标准化组)成立于1993年，其前身为CCITT(国际电报和电话咨询委员会)。ITU-T与ISO/IEC是制定视频编码标准的两大组织。ISO/IEC制定了MPEG系列视频压缩编码国际标准，主要应用于视频存储(DVD)、广播电视、因特网或无线网上的流媒体等。而ITU-T制定出了H.26x(包括H.261、H.262、H.263、H.264等)系列电信行业的国际标准。
H.261视频编码标准H.261
1. H.261视频编码标准H.261是ITU-T为在综合业务数字网(ISDN)上开展双向声像业务(可视电话、视频会议)而制定的，主要针对于64kb/s的多重数据率而设计。H.261于1988年开始制定，并于1990年12月正式公布。H.261是最早的运动图像压缩标准，其核心技术与MPEG-1基本相似。
H.263视频编码标准H.263
2. H.263视频编码标准H.263是ITU-T第一个专为低于64kb/s的窄带通信信道制定的视频编码标准。H.263以H.261为基础，该标准对帧内压缩采用变换编码，但对帧间压缩采用的预测编码进行了改进：主要包括半象素精度运动补偿、无限制运动矢量、基于句法的算术编码、PB-帧及先进的预测算法等。
H.264视频编码标准
H.264也称为MPEG-4 AVC，是由ISO/IEC与ITU-T组成的联合视频组(JVT)制定的新一代视频压缩编码标准。支持极低码率的视频通信。
H.264可以在相同的重建图像质量下比H.263+和MPEG-4(SP)减小50%码率，同时对信道延时适应性增强。H.264既可满足低延时的实时业务需要(如会议电视等)，也可满足无时延限制的视频存储等场合。
4.4.2 H.261标准中的主要技术H.261
算法主要有变换编码、帧间预测和运动补偿。帧内编码采用JPEG，帧间采用预测编码和运动补偿。编码算法的数据率在40Kbits/s和2Mbits/s之间。H.261标准中的关键技术与MPEG-1相比基本技术原理十分相似。在H.261的编码序列中，只有帧内图(I图)和预测图(P图)而没有插补图(B图)
4.5 小结本章主要介绍了数据压缩的基本原理
、静态图像压缩编码国际标准JPEG及JPEG 2000、ISO/IEC制定的运动图像压缩编码国际标准MPEG系列和ITU-T制定的H.26x系列。本章内容是深入了解多媒体信息压缩编码技术的基础，也为我们进一步学习多媒体技术的相关知识打下了坚实的基础。
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