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计较公式领会数据压胀的三个环节目标即压胀比

[点击量:][更新时间:2019-07-11]

  尺度支撑的特征: MPEG算法答应用很多方式去旁不雅数字 存储体上的电视图像。有很多旁不雅方式取家 庭用机类似 ,但取机比拟,MPEG 算法支撑的功能却强大得多。MPEG电视图 像能够正向挨次播放、慢放和快放,反向顺 序播放时同样能够用一般的速度播放、慢放 和快放。MPEG支撑的特征次要有: 随机存取 快速搜刮 逆向播放 编纂功能 3 MPEG-1尺度算法根基思惟 正在设想动态图像的编码算法时,次要矛盾是:一方面仅仅靠帧内编码方式是无法正在有优良画面质量的前提下的高压缩比,另一方面用单一静止的帧内编码方式又能最好地满脚随机存取的要求,为了同时满脚高压缩比和随机存取的要求,MPEG保举的尺度化算法,必需利用帧间和帧内编码手艺。 MPEG-1尺度保举的算法是以两个根基手艺为根本的,一个是基于16×16子块的活动弥补手艺,用以削减帧序列的时域冗余度;另一个是基于DCT的压缩手艺,用以削减空域冗余度,正在MPEG-1中,不只帧内利用DCT,并且对帧间预测也利用DCT,以进一步削减数据量。 MPEG-1视频压缩手艺 为了实现随机存取,最好要用帧内编码。 为了把编码电视图像的位速度正在1.2Mbps, 既要有较高的压缩率,又要获得高质量的图像, 就要求正在帧内和帧间编码之间进行折中。因 此,MPEG定义了3种图像:I图像(Intra Picture帧内图像)、P图像(Predicted Picture 预测图像)和B图像(Bidirectional Picture双向 预测图像。 典型的陈列如图下所示。这三种图像将采用三种分歧的算法进行压缩。 图像组一般由一个I-图像帧、几个P-图像帧和若干个B-图像帧形成。 I B B P B B P B B P … B I I-图像帧(Intra-coded picture):帧内编码图像帧,简称内帧。这类图像帧不参考其他图像帧而只操纵本人的图像消息进行编码。 P-图像帧(Predictive-coded picture):预测编码图像帧,简称预测帧。此类图像帧操纵比来的前一个I帧或P帧做为参考,采用带活动弥补的帧间预测进行编码,此过程称为前向预测 B-图像帧(Bidirectionally predictive-coded picture):双向预测编码图像帧。此类图像帧既操纵过去的图像帧(I帧或P帧),也操纵后来的图像帧(P帧)进行带活动弥补的双向预测编码,此过程称为双向预测 自顺应差分脉冲调制(ADPCM)预测 DPCM系统的根本是输入数据为平稳的随机过程,如许就能够用固定的参数来设想预测器。然而,当输入数据并非是所要求的平稳的随机过程时,或总体上平稳,但局部不服稳时,利用固定的参数来设想预测器将是不合理的。这时可采用自顺应预测编码的方式,即按期地从头计较协方差矩阵和响应的加权因子,充实操纵其统计特征从头调整预测参数,使预测器跟着输入数据的变化而变化,从而获得较为抱负的输出。 自顺应预测又可分为线 变换编码 变换编码不是间接对时域图像信号编码,而是起首正在数据压缩前对原始输入数据做某种正交变换,把图像信号映照变换到别的一个正交相量空间,发生一批变换系数,然后再对这些变换系数进行编码处置。 采用变换编码,能够大大削减数据冗余。例如,若是有一个正弦波,我们用采样、量化的方式把它变换的时域上,则随时间的增加数据量会海量增加。但换个思一个正弦波只需记实频域上的幅度值以及它的频次,就完全能够暗示正弦波了。 又如,设有两个相邻的数据样本x1和x2,每个样本 采用3比特编码,则各有8个幅度品级,两个样本的结合事务共有64种可能用下图二维平面坐标暗示。 考虑到相邻样值的相关性,x1和x2同时呈现附近幅度的可能性最大。 因而,合成可能性往往落正在暗影区内。 若是对数据进行正交变换,从几何上 相当于坐标系扭转 450,变成y1、y2坐标系, 则正在新坐标系下,任凭y1正在较大的范畴变 化,而y2一直只正在相当小的范畴内变化, 因而通过如许的变化就能获得一组去除大 部门,以至是全数统计相关性的另一种输 出样本。 常用的变换编码有离散傅立叶变换 (DFT)、卡亨南-洛甫变换(KL) 、离散余 弦变换(DCT)等。 2.3 大都据常用压缩尺度 2.3.1 音频压缩尺度 2.3.2 静态图像压缩编码尺度JPEG 2.3.3 数字图像压缩编码尺度MPEG-1 2.3.4 通用视频图像压缩编码尺度MPEG-2 2.3.5 低比特率音/视频压缩编码尺度MPEG-4 2.3.1 音频压缩尺度 音频压缩方式概述 无损压缩 压缩 哈夫曼编码 算术编码 逛程编码 波形编码 参数编码 夹杂编码 (熵编码) (熵压缩) PCM μ(A) DPCM ADPCM SB-ADPCM CELPC VSELP PRE-LTP MPEG AC-3 用于公共网 ISDN配音 用于保密德律风 用于挪动通信 用于语音邮件 用于CD 用于声响 用于ISDN LPC 音频压缩手艺尺度 1 德律风质量的音频压缩编码手艺尺度 G.711 :采用非线性量化PCM 编码,数据速度为64kbit/s G.721 :采用ADPCM编码,速度为32 kbit/s ,G.728 :采用基于短时延码本激励线性预测编码LD-CELP ,速度为16kbit/s G.729 :采用基于共轭布局代数码本激励线性预测编码CS-ACELP ,速度为8kbit/s GSM :采用长时延线性预测法则码本激励RPE-LTP 编码,速度为13kbit/s CTIA:采用矢量和激励线性预测手艺VSELP ,速度为8kbit/s 2 调幅质量的音频压缩编码手艺尺度 G.722:采用子带编码 ,数据速度为224kbit/s 3 高保实度立体声音频压缩编码手艺尺度 MPEG音频: 采用MPEG-Audio算法,数据速度每声道达705kbit/s。它操纵了人的听觉心理机能对输入信号进行快速付里叶变换,将时间域采样信号变换到频次域,然后计较功率谱,对于低于听力阈值的采样值不予编码,如许大幅度压缩数据量。 AC-3:采用子带编码,数据率为320kbit/s 。AC-3尺度凡是合用于数字电视和HDTV系统的音频数据压缩。 2.3.2 静态图像压缩编码尺度JPEG 静止图像压缩编码尺度JPEG是由ISO结合图像专家组(Joint Photographic Expert Group)为单帧彩色图像的压缩编码而制定的尺度,图像尺寸能够正在1~65535行/帧,1~65535像素/行的范畴内。采用此尺度可将每像素24比特的彩色图像压缩至每像素1~2比特仍连结很好的质量。 JPEG确定的图像压缩尺度的方针是: 编码器该当可由用户设置参数,以便用户正在压缩比和图像质量之间衡量折衷 尺度可合用肆意类持续色调的数字静止图像,不图像的景像内容 计较复杂度适中,只需必然能力的CPU就可实现,而不要求很高档的计较机,复杂的软件本身要易于操做 定义了两种根基压缩编码算法和4种编码模式 JPEG尺度的次要内容 尺度名称: 彩色多灰度持续色调静态图像压缩编码 尺度。 1 采用算法: JPEG采用了夹杂编码方式,定义了两种 根基压缩算法: 基于DCT并使用行程编码和熵编码的有 失实压缩算法。 基于空间线性预测手艺(即DPCM)的无 失线 此中,有失实压缩算法又分 根基系统 是一种基于DCT的简化编码方 法,该系统必需的功能,可满脚大多 数使用的要求。所有JPEG编解码器都必需 支撑根基系统。输入图像精度为 8bits/像素/色,支撑挨次模式,采用Huffman 编码 扩展系统 是为了满脚更为广漠的使用要 求而设置的。加强了数据压缩能力,输入 图像精度可达12bits/像素/色,支撑渐进模式, 可采用哈夫曼编码和算术编码。 JPEG算法的编码模式: JPEG定义了四种编码模式: DCT挨次模式 其根基算法是将图像分成8 ×8 的块,然后进行DCT变换、量化和熵编码(哈 夫曼编码)。这种模式每个图像分量的编码一 次扫描完成的。 DCT渐进模式 所采用的算法取DCT挨次模式 相雷同,分歧的是需要对图像进行多次扫描, 先 传送部门DCT系数消息(如低频带的系数或所有 系数的近似值),使领受端尽快获得一个“初略” 的图像,然后再将残剩频带的系数渐次传送,最 终构成清晰的图像。 3 下面是挨次模式和渐进模式的示企图 挨次模式 渐进模式 无失实编码模式 采用一维或二维的空间域 DPCM和熵编码。因为输入图像曾经是数字化 的,颠末空间域的DPCM之后,预测误差值也 是一个离散量,因而能够不再量化而实现无失 实编码。 分层编码模式 这是对一幅原始图像的空间 分辩率,分成多个分辩率进行“锥形”的编码方 法,程度(垂曲)标的目的分辩率的下降 以2的倍数因子改变,先对分辩率最 低的一层图像进行编码,然后将经 过内插的该层图像做为下一层图像 的预测值,再对预测误差进行编码, 以次类推,曲到底层。 JPEG尺度的压缩算法 JPEG用基于DPCM的压缩算法来满脚无 失实压缩图像数据的特殊使用场所,它选择了 简单的线性预测编码方式,具有实现容易,沉建 图像质量好的特点。但压缩比太低, 大约为 2:1 1 基于DPCM(差分脉冲编码调制)的无失实编码: 编码器的简单道理框图如图所示 预测器 熵编码器 表申明 无失实编码器 源图像数据 压缩图像数据 无失实编码器采用三邻域采样值法,由a、b、c预测x,如图2.17所示。用x′暗示x的预测值,x′可由表2.2中的任选一个公式,并按照a、b、c的值获得。从x中减去x′获得一个差值,再对差值进行无失实的熵编码(可采用哈夫曼或算术编码) c b a x 图2.17 三邻域预测 (a+b)/2 7 c 3 b+((a-c)/2) 6 b 2 a+((b-c)/2) 5 a 1 a+b-c 4 非预测 0 预测值x′ 序号 预测值x′ 序号 表2.2 三邻域预测公式 基于DCT的有失实压缩编码 基于DCT的编码过程为:先辈行DCT正 变换,然后再对DCT系数进行量化,并对量 化后的曲流(DC)系数和交换(AC)系数 别离进行差分编码和行程编码,最初再进行 熵编码。编码过程的简化框图如下: 2 DCT 正变换 熵编码器 码表申明 无失实编码器 源图像数据 压缩图像数据 量化器 码表申明 8?8块 DCT变换 这是正交变换中傅立叶变换中的一种特殊环境,叫做离散余弦变换( Discrete Cosine Transform)。正在傅立叶级数展开式中,若是被展开的函数是实偶函数,那么,其傅立叶级数中只包含余弦项, 将其离散化就可导出余弦变换。 离散余弦变换道理是:将信号从空间域变换到频次域,正在频次域中,大部门的能量集中正在少数几个低频次系数上,并且代表分歧空间频次分量的系数间的相关性大大削弱,只操纵几个能量较大的低频系数就能够很好地恢回复复兴始图像。 DCT压缩编码分成6个步调: 切割分块 起首把原始图像中零丁的彩色图像 分量(如亮度信号分量、色度信号分量)挨次分 割成8×8 子块,即输入分量的样本被构成8×8 大小的数据块。 沉采样并进行正交变换 离散余弦正变换FDCT 可看做一个谐波阐发仪,每个8×8 二维原图像 采样数据块,现实上是64点离散信号,它们是空 间二维坐标的函数,FDCT把它做为输入,然后 把它分化成64个正交基信号,每个正交基信号对 应于64个二维空间频次中的一个。FDCT的 输出是64个基信号的幅值,称做DCT系数, 这64 个DCT系数中,有一个曲直流系数(DC),其 余63个是交换系数(AC)。 量化 量化处置是一个多到一的映照,正在JPEG 尺度中采用线性平均量化器,量化定义为,对 64个DCT变换系数,除以量化步长,四舍五入 取整获得。这里,量化器步长是量化表的元素, 它随DCT变换系数的和每种颜色分量的色 调值分歧而分歧。因为人眼对亮度信号比对色 差信号更,因而利用了两种量化表,即亮 怀抱步长小于对应的色怀抱化步长;别的考虑 到人眼对低频分量的图像比对高频分量的图像 更,因而量化表中左上角量化步长比左下 角量化步长小。 JPEG尺度中亮怀抱化参考表 16 11 10 16 24 40 51 61 12 12 14 19 26 58 60 55 14 13 16 24 40 57 69 56 14 17 22 29 51 87 80 62 18 22 37 56 68 109 103 77 24 35 55 64 81 104 113 92 49 64 78 87 103 121 120 101 72 92 95 98 112 100 103 99 JPEG尺度中色怀抱化参考表 17 18 24 47 99 99 99 99 18 21 26 66 99 99 99 99 24 26 56 99 99 99 99 99 47 66 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 量化后处置 量化后的DCT系数要从头 编排,如许做能够添加持续的“0”系 数的个数,也就是说尽量添加“0”行 程长度,最好 的法子是采用 “Z字蛇行” 矩阵,如左图, 如许就把8×8 的矩阵变成一 个1×64的矢 量。 编码 因为变换后的“曲流系数”数值 较大,且相邻图像块系数数值变换不大, 所以利用差分脉冲编码调制对曲流系数 进行编码。而量化的AC“交换系数的特 点是1×64矢量中包含有很多0,且0是连 续的,因而利用行程编码对交换系数进 行编码。接着按照数据符号呈现的概率 凹凸进行熵编码,使DPCM编码后的曲 流DC系数和交换系数进一步压缩。 构成位数据流 这是JPEG编码的最初一 个步调,即把各类标识表记标帜代码和图像编码 后的图像数据构成一帧一帧的数据,以 便于传输、存储和译码器译码。 解码过程是编码过程的逆过程,解码 过程的框图如下: 熵解码器 DCT逆变换 码表申明 解码器 逆量化器 码表申明 8?8块 恢复的图像数据 压缩图像数据 2.3.3 数字图像压缩编码尺度MPEG-1 MPEG-1尺度概述 MPEG(Motion Picture Experts Group)尺度是ISO/IEC委员会针对全勾当视频的压缩尺度系列,包含MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7、MPEG-21等。 MPEG-1:合用于传输速度为1.5Mbps的数字电视标 准,91年提出草案,93年8月发布 MPEG-2:合用于传输速度为10Mbps 的数字电视标 准,93年提出草案,94年11月发布 MPEG-3:合用于传输速度为40Mbps 的数 字电视标 准,已被MPEG-2代替 MPEG-4:1999年12月发布的多使用尺度 MPEG-7:多内容描述接口尺度,98年提出,2001 年完成并发布 MPEG-21:正式名称是Multimedia Framework(多 框架),是为大范畴的收集上实现通明的传输 和对多资本的充实操纵而制定的尺度 MPEG使用的数字存储包罗:CD-ROM,DAT(数字录音带),Disk(磁盘),CD-R(可写光盘),通信收集如ISDN(分析营业数字网)和LAN(局域网)等。视频压缩算法必需有取存储相顺应的特征,即可以或许随机拜候、快进/快退、检索、倒放、音像同步、容错能力、延时节制小于150ms、可编纂性以及矫捷的视频窗口格局等,这些特征就形成了MPEG视频编码压缩算法的要乞降特点。 MPEG-1尺度的次要内容 MPEG音频尺度 该尺度定义了音频数 据的编码息争码。 尺度名称: 用于数字存储活动图像及其伴音速 率为1.5MBps的压缩编码,简称MPEG-1. 1 尺度的构成: MPEG专家组下设3个委员会:MPEG系统委员会、MPEG视频委员会和MPEG音频委员会。这三个委员会别离制定了三个尺度,即MPEG系统尺度、MPEG视频尺度、MPEG 音频尺度。 2 MPEG视频尺度 该尺度定义了视频数 据的编码和沉建图像所需的解码过程。 MPEG系统尺度 该尺度定义了多道压缩 音频、视频码流的的同步和合成。 输入矢量 搜刮器 码本Y 传送矢量 下标i 查表 码本Y 编码 解码 i 输入矢量 图2.5 矢量量化编码解码框图 输入量是一个待编码的矢量xi(i=1, 2, …, m),即先将图像朋分成m个方块,此中任一方块i的大小为k(k=n2),以行(或列)便可堆叠成k维矢量xi:(xi1, xi2, …, xik)。码本Y:(y1, y2, …, yN)是一个码字调集,它现实上是一个长度为N的表,表中任一分量yi是一个k维矢量,称为码字。 矢量量化编码过程就是从码字调集当选出最慎密适配于输入矢量xi的一个码字yi的过程。正在码本中找到取输入矢量xi完全分歧的码字yi的概率很小,但只需两者之间的误差最小时,便可用该码字yi来代表输入矢量xi。传输时并不传送码字yi本身,而只传送其下标号“i”。当码本长度为N时,传送下标所需的比特数为log2N。于是传送一个像素所需的平均比特数为 (1/k)·log2N。 此方式以输入矢量取选出的码字之间失实最小为根据,取标量量化比拟,它有更大的数据压缩比。但其环节问题是设想一个优良的码本。 2.1.5 数据压缩算法的分析评价目标 数据压缩方式的好坏次要由所能达到的压缩倍数、从压缩后的数据所能恢复(或称沉建)的图像(或声音)质量、以及压缩息争压缩的速度等几方面来评价。此外,算法的复杂性和延时等也是该当考虑的要素。 压缩的倍数 压缩的倍数也称压缩率,凡是有两种权衡的方式: 1 由压缩前取压缩后的总的数据量之比来暗示 例如,一幅1024×768像素点构成的口角图像,每像素具有8bit,通过使其分辩率降低为512×384,又经数据压缩使每个像素平均仅用0.5bit,则压缩倍数为64倍,或称其压缩率为1:64。 2 将任何非压缩算法发生的结果(如降低分辩率、帧率等)解除正在外,用压缩后的比特流中每个显示像素的平均比特数bpdp(bit per displayed pixel)来暗示 例如,以15000字节存储一幅256×240的图像,则压缩率为 (15000×8)/(256×240)=2比特/像素 图像质量 图像质量评估法常采用客不雅评估和客不雅 评估两种方式。 客不雅评估 是通过一种具体的算法来统计大都据压缩成果的评估方式 1 具体做法是:由若干人对所不雅测的沉建图像的质量按很好、好、尚可、欠好、坏五个品级评分,然后计较出平均分数MOS 2 客不雅评估 是通过一种具体的算法来统计大都据压缩成果的评估方式 凡是利用信噪比SNR来评价,其计较方式是 和 别离是输入图像的均方差取输出 图像的均方差。 压缩息争压缩的速度是压缩系统的两项主要的机能目标。 压缩息争压缩的速度 1 对称压缩:正在有些使用中,压缩息争压缩都需要及时进行,这称为对称压缩,如电视会议的图像传输。 2 非对称压缩。正在有些使用中只需求解压缩是及时的,而压缩能够非及时的,这称为非对称压缩,如多CD-ROM节目标制做就采用非对称压缩。 3 压缩的计较量:数据的压缩息争压缩都需大量的计较。 凡是压缩的计较量比解压缩的计较量大。如MPEG的压缩编码计较量约为解码的4倍。正在MPEG中程度标的目的的像素≤768,垂曲标的目的的像素≤576。对于352×240的图像,就有1320个8×8的图像块,计较如许一幅图像的DCT变换需126720次乘法运算和638880次加法运算。及时计较30帧/秒的口角图像,仅DCT变换就需要数倍于一帧图的计较量。若是处置彩色数字电视时,运算次数还要多。 2.2 数据压缩取解压缩常用算法 2.2.1 数据压缩方式的分类 2.2.2 哈夫曼编码 2.2.3 预测编码 2.2.4 变换编码 2.2.1 数据压缩方式的分类 数据压缩现实上是一个编码过程,即将原始数据进行编码压缩。数据解压缩是数据压缩的逆过程,即将压缩的编码还原为原始数据。因而,数据压缩方式也称编码方式。自从1948年Oliver提出脉冲编码调制(PCM)编码理论以来,编码方式的研究取得了极大的成长,数据压缩手艺已日臻成熟,适合各类使用场所的编码方式不竭发生。目前采用的数据压缩方式按起点分歧会有几种分歧的分类成果。 按照压缩方式能否发生失实分类 无损压缩 是指压缩后的数据经解压缩 还原后,获得的数据取原始数据完全不异。 压缩 是指压缩后的数据经解压缩还 原后,获得的数据取原数据不完全不异。 按照压缩方式的道理分类 1 预测编码 它是针对空间冗余和时间冗余的压缩方式。其根基思惟是操纵已被编码的点的数据值来预测临近的一像素点的数据值。预测是按照某一模子进行的,若是模子拔取得脚够好的话,则只需存储和传输起始像素和模子参数就能够取代整幅图像了。按照模子的分歧,预测编码又分为线性预测、帧内预测和帧间预测。 2 变换编码 它也是针对空间冗余和时间冗余的压缩方式。其根基思惟是将图像的光强矩阵(时域信号)变换到系数空间(频域信号)上,然后对系数进行编码压缩。正在空间上具有强相关的信号,反映正在频域上是某些特定区域内的能量常常被集中正在一路,或者是系数矩阵的分布具有某些纪律。能够操纵这些纪律来分派频域上的量化比特数,从而达到压缩的目标。 3 子带编码 又称分频带编码。其根基思惟是将图像数据变换到频域后,按频次分带,然后用分歧的量化器进行量化,达到最优的组合。言语和图像消息都有较宽的频带,消息的能量集中正在低频区域,细节和边缘则集中正在高频区域。子带编码采纳保留低频系数舍去高频系数的方式进行编码,操做时对低频区域取较多的比特数来编码,以边缘细节来换取比特数的下降,恢复后的图像比原图恍惚。其特点是有较高的压缩比和信噪比。 4 消息熵编码 按照消息熵道理,对呈现概率大的符号用短码字暗示,反之用长码字暗示。其目标是削减符号序列中的冗余度,提高符号的平均消息量。它按照符号序列的统计特征,寻找某种方式把符号序列变换为最短的码字序列,使各码元承担的消息量达到最大,同时无失实地恢复本来的符号序列。实现这种编码的方式有行程编码方式、哈夫曼编码方式和自顺应二进制算术编码方式。 5 统计编码 按照一幅图像像素值的统计环境进行编码压缩,也可先将图像按前述方式压缩,对所得的值加以统计,再做压缩。由此可知,统计编码既可零丁利用,又可用正在某个算法之后做进一步的压缩。最常用的统计编码方式是哈夫曼编码方式。 除了上述编码方式外,还有布局编码方式、统计编码方式、基于学问的编码方式等。 2.2.2 哈夫曼编码 哈夫曼最佳变字长编码 :正在变字长编码中,对于呈现概率大的消息符号编以短字长的码,对于概率小的符号编以长字长的码。若是码字长度严酷按所对应符号呈现概率大小逆挨次陈列,则平均码字长度必然小于其他任何符号挨次陈列体例获得的码字长度。 哈夫曼编码的方式 连系一个具编制子申明哈夫曼编码的方式步调 设有信源符号集{a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7},各符号对应的呈现频次别离为{0.23,0.21,0.18,0.15,0.13,0.07,0.03} 其哈夫曼编码过程如下: 0.44 0.33 0.56 0.23 0.10 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 0.23 0.21 0.18 0.15 0.13 0.07 0.03 11 10 011 010 001 0001 0000 信源符号 概率 Huffman码 编码过程 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 按照的编“1”,下面的编“0” 下面别离计较码字的平均长度N和信源符号的熵值H 哈夫曼编码的特点 虽然哈夫曼码是变长的,编码后的码串中又没有分隔码字的标识符,但因为它的无歧义性,完万能够准确地恢复出原信源所输出的符号序列来。 1 哈夫曼编码方式构制出来的码不是专一的 2 哈夫曼编码码字字长分歧一,给硬件实现带来必然的坚苦 3 对分歧的信源,哈夫曼编码的效率也是分歧的 4 对信源进行哈夫曼编码后构成了一个哈夫曼编码表,若要准确解码必需按照此表。于是正在信源存储取传输过程中,必需起首考虑此表的存储取传输,故此表也拥有必然的比特数。最好的处理方式是利用默认的哈夫曼编码表。 5 2.2.3 预测编码 预测编码方式是一种特地用于压缩统计冗余数据的手艺,次要是削减数据正在空间和时间上的相关性。它按照某一模子操纵以往的样本值对新样本值进行预测,然后将样本的现实值取其预测值相减获得一个误差值,进而对这一误差值进行编码。若是模子脚够好,且样本序列正在时间上相关性较强,则误差值远远小于现实值,从而达到了压缩的目标。 预测编码方式中典型的有DPCM和ADPCM方式。 差分脉冲调制(DPCM)预测 差分脉冲调制(Differential Pulse Code Modulation,简称DPCM)是降低每个像素所需平均比特数最适用的方式。对于绝大大都图像来说,正在局部空间和时间上是高度相关的,因此能够正在已获得像素的根本上通过对当前像素的预测来削减图像的数据量。 当输入信号 进入时, 先取 相减获得 预测误差值 ,量化器对差值 进行量化获得 ,由编码器编成二进制码通过信道发送。接 收端解码获得 ,取领受端本身构成的预测值 相加,获得恢复后的 。 1 DPCM道理 假设用给出的样本值序列x1,x2,x3, …,x n-1来预测x n,令预测值 为: 预测器设想是预测编码系统的焦点,预 测器的复杂程度取线性预测中利用以前的样 本数相关,样本数越多,预测器越复杂。 2 DPCM编码预测器设想 xn的最优估量值是使误差dn的期望值最 小的 之值,由均方差定义: 要使 最小,应对 a i求偏导数,并令其 为零,就可成立关于a1,a2,…,an-1的线性方程组 即: 上式中 可见, 所有的n-1个a i都可由上述方程组解出 拾掇可得 式中E{x i x j}为x i和x j的协方差,可由 统计学方式确定 正在预测编码系统中,预测误差的量化是形成图像质量下降的次要缘由,其表示形式有: 斜率过载 颗粒噪声 边缘慌乱 伪轮廓 正在预测编码系统中,形成图像质量下降的另一个次要缘由是由图像传输过程中的误码正在领受端预测器中惹起的误码。因为领受端当前像素是由前面曾经收到的像素预测而来,因此一旦某个像素编码发生误码,必然惹起误码向后面的像素,形成局部图像的毁伤。幸而这种图像毁伤将跟着取误码像素距离的加大而逐步削弱。 * 控制数据压缩的主要意义 控制数据冗余的概念、分类及消息熵的 计较公式 领会数据压缩的三个环节目标,即压缩 比、图像质量、压缩息争压缩的速度 控制Huffman编码道理、方式及特点 领会预测编码和变换编码道理 熟知音频压缩尺度 控制图像压缩尺度JPEG和MPEG 讲授方针 2.1 大都据压缩根基道理 2.2 数据压缩取解压缩常用算法 2.3 大都据常用压缩尺度 内容 2.1 大都据压缩根基道理 2.1.1 大都据压缩的需要性和可能性 2.1.2 数据冗余的根基概念取品种 2.1.3 图像压缩预处置手艺 2.1.4 量化及其质量 2.1.5 数据压缩算法分析评价目标 一幅640×480中等分辩率的实彩色位图图像的数据量为 640×480×24/8= 0.92MB,若以25幅/s的帧频播放,数据率为23MB/s,用容量为650MB的CD-ROM光盘只能存29s的PAL制式数据。 2 多消息数据庞大是多计较机系统所面对的最题之一。正在各类消息中,视频消息数据量最大,其次是音频信号,因而,为了处置和传输多消息不只需要很大的存储容量,并且要有很高的传输速度. 激光唱盘CD的采样频次为44.1kHz,量化位数为16位,双通道立体声,则1秒的音频数据量为176.4KB,一个650MB的光盘仅能存储不脚60分钟的音频数据。 1 2.1.1 大都据压缩的需要性和可能性 数据压缩的需要性——数据量大 消息的冗余度 如空间冗余、时间冗余、消息 熵冗余、布局冗余、学问冗余等。 1 音频信号和视频图像的数字化数据能够进行数据压缩是基于以下两种现实: 数据压缩的可能性 因而,完全能够操纵这些特征去除一些多余及不的消息,从而实现对数据的压缩。 人的视觉、听觉特征 2 人的听觉特征表示出对部门音频信号不,如人的听觉具有一个强音能一个同时存正在的弱音现象,并且,人耳对低频端比力,而对高频端不太。 人的视觉特征表示为对亮度消息很而对边缘的急剧变化不; 2.1.2 数据冗余的根基概念取品种 数据冗余的根基概念 数据冗余 消息存正在的各类多余度 若是用I、D、du别离暗示消息量、数据量和冗余量,则它们之间的关系可由下式给出 I=D - du 消息量 指从N个相等的可件当选出一个事务所需要的消息怀抱和含量。 I(x)= log2N= - log2 = - log2p(x) 1 N 消息熵 信源所有可件的消息量的平均值 H(x) = H(p(x1),(p(x2), …,p(xn)) = - ∑p(xi) ×log2p(xi) i=1 n 式中,n为数据或码元的个数,p(x i )为码元x i 发生的概率。 为使单元数据量D接近或等于H,应设 此中b(x i)为分派给码元x i 的比特数。 理论环境下,应取 但现实上很难确定各码元的概率,因而, 一般总取 b(x1)= b(x2)= ...= b(x n),即 分派给每个码元的比特数相等(等长码),如许 所得的D必然大于H,从而构成了消息冗余。 数据冗余的类别 这是图像数据中经常存正在的 一种冗余。正在统一幅图像中, 法则物体和法则布景的概况 物理特征具有相关性,这些 相关的光成像布局正在数字化 图像中就表示为数据冗余。 1 空间冗余 这是序列图像和语音数据中所经常包含的冗余。序列图像一般是位于一时间轴区间的一组持续画面,前后帧之间具有很强的相关性。当播放该图象序列时,跟着时间的推移,若干帧画面的某些处所发生了变化,但有的部位却没有变化,这就构成了时间冗余。 2 时间冗余 3 布局冗余 有些图像的纹理区,图像的像素值存正在着较着的分布模式,如方格状的地板图案等,我们称之为布局冗余 。 消息熵冗余是指数据所照顾的消息量少于数据本身所反映出来的数据冗余。 例如 若信号{a1,a2}的概率别离为 P(a1)=0.9, P(a2)=0.1, 则信号的平均消息量为 H(x)=-(0.9×log20.9+0.1×log20.1)=0.467(bit) 用二进制数据暗示这两个信号时需用1bit 明显呈现了数据冗余。 4 消息熵冗余 5 视觉冗余 人类的视觉系统因为受心理特征的,对于图像场的任何变化并不是都能。例如,对图像的压缩或量化而引入的噪声能使图像发生一些变化,若是这些变化并不克不及被视觉所,则忽略这些变化后,仍认为图像是无缺的。现实上,人的视觉系同一般的分辩能力约为26灰度品级,而图像量化一般采用28灰度品级,如许的冗余就称为视觉冗余。 6 学问冗余 又如 建建物的门和窗的外形、、大小比例等,这些纪律的布局可由先验学问和布景学问获得。 由图像记实体例取人对图像的学问之间的差别所发生的冗余称为学问冗余。 我们能够构制其根基模子,并建立对应各类特征的图像库,进而图像的存储只需要保留一些特征参数,就能够大大削减数据量。 例如 人脸的图像就有固定的布局,鼻子位于脸的中线上,上方是眼睛,下方是嘴等 7 其他冗余 如图像的空间非定常特征所带来的冗余。 别的,空间冗余和时间冗余是将信号看做概率信号时所反映出的统计特征,因而有时也称这两种冗余为统计冗余。 2.1.3 图像压缩预处置手艺 图像数据压缩的使命是正在不影响或少影响图像质量的前提下,尽量设法削减图像数据中的数据量。 图像数据中存正在各类冗余,数据压缩的首要使命就是去除各类冗余数据。当然删除冗余数据必然会给图像质量带来必然的丧失,这就需要进行响应的预处置,来将这种丧失降至最低限度。 图像预处置的手艺次要有以下几种: 二次抽样 滤波器 量化 预测编码 活动弥补 变长码 图像内插法 2.1.4 量化及其质量 量化的概念取道理 量化是将具有持续幅度值的输入信号转换为只具有无限个幅度值的输出信号的过程。 就一般而言,量化是模仿信号到数字信号的映照。模仿信号是持续量,而数字信号是离散量,因而量化过程现实上就是用无限的离散量取代无限的持续量的多对一的映照过程。 一般的量化过程是事后设置一组判决电安然平静取其对应的一组码字,再将整个无效值区间划分成若干个子区间(也即量化级),每个子区间对应一个判决电平。量化时将模仿量的采样值取这些判决电平比力,若采样值幅度落正在某一子区间上,则将它量化为该量化级对应的码字。 量化的方式 正在量化器中从输入信号x到输出信号y的过程能够暗示为 y = Q(x) = yi (x∈A) Ai: {xix ≥xi+1} (i=1,2,…N) 式中,xi为判决电平,yi为输出电平,N为量化器的量化级数。 量化器输出幅度取输入幅度之差,称为量化误差,其均方误差值为 e=E{[x-Q(x)]2}= σ 2 Σ ∫ xi xi+1 (x-yi)2p(x)dx N i=1 式中,p(x) 为量化器输入信号x的概率分布密度。 量化的方式凡是有标量量化和矢量量化 1 标量量化 标量量化是对颠末映照变换后的数据或PCM数据逐一进行量化,正在这种量化中,所有采样利用统一个量化器进行量化,每个采样的量化都取其他采样无关,故也称为零回忆量化。 标量量化又有平均量化、非平均量化和自顺应量化之分. W3 (c) (a) (b) 灰度差 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W1 W2 W4 W5 W6 W7 W8 点数 (-255~255) 图2.1 量化过程示企图 此中,(a)图是待量化的函数,是一幅图像的灰度差值曲方图。其灰度范畴为0~255,灰度差的范畴为﹣255~255,需要log2512=9位暗示一个输入。当限制输出量化级为8时,量化输出用log28=3位即可 (b)图给出了平均量化处置的示意,W1 ~W8为8个等宽的量化箱,其宽度总和等于输入的动态范畴-255~255也响应地划分成8个不异的区间,每个区间对应一个量化箱。第k个区间内的核心函数值对应第k个量化箱的量化值,其量化级定义为“k”级,该区间内的所有输入均被定义为“k”级。 (c) 图给出了非平均量化处置的示意,这时的量化箱不等宽,两头大要率处箱窄,两边小概率处箱宽。同样量化为8级,但非平均量化的误差小于平均量化误差。 标量量化的量化特征采用阶梯形函数的形式。图2.2给出了几种平均量化器的量化特征 图2.2 平均量化特征 xi yi yi+1 y x xi+1 y x y x 死区 (a)中平型 (b)中升型 (c)具有死区的中平型 图中量化器的特征都是对称的,且 式中Δ称为量化台阶。 不难看出,平均量化器适合于输入信号的统计特征(概率分布密度函数P(x))平均分布的环境。 y 图2.3 非平均量化特征 x 当输入信号的概率分布密度函数分布不服均时,最佳的量化器应是一个非平均量化器。 图2.3给出了一个非平均量化特征的例子。 2 矢量量化 这是近年来成长起来的一种新的编码方式,是一种的编码方案,其次要思惟是先将输入的语音信号按必然体例分组,再把这些分组数据当作一个矢量,对它进行量化。每组构成的矢量当作一个元素,又叫码字,这些码字陈列起来,就形成了一个表(码表),如许正在领受端放置同样的码表,当领受到码字的下标消息后,就能够通过查表的到码字消息。 *

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