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第3章编码技术第一章 多媒体技术概论第1页，共18页，编辑于2022年，星期一本章重点本章重点u多媒体数据压缩编码技术多媒体数据压缩编码技术u音频、图像、视频压缩编码标准音频、图像、视频压缩编码标准 第2页，共18页，编辑于2022年，星期一 就是把各种信源输出转换成易于处理的形式，就是把各种信源输出转换成易于处理的形式，如二进制或其他数字信号，以利于如二进制或其他数字信号，以利于:u在通信信道中传输在通信信道中传输u在磁介质、光盘中存储在磁介质、光盘中存储u在计算机中进行处理。在计算机中进行处理。多媒体数据压缩多媒体数据压缩第3页，共18页，编辑于2022年，星期一3.1 数据压缩编码技术数据压缩编码技术 为解决存储、处理和传输多媒体数据的问题为解决存储、处理和传输多媒体数据的问题采取的措施包括：采取的措施包括：u提高计算机本身的性能提高计算机本身的性能u提高通信信道的带宽提高通信信道的带宽u更重要的是更重要的是对多媒体数据进行高效实时的压缩，对多媒体数据进行高效实时的压缩，减少多媒体信息的存储量和传输量减少多媒体信息的存储量和传输量.因此，数据压缩编解码自然成为了多媒体因此，数据压缩编解码自然成为了多媒体技术中最为关键的核心技术。技术中最为关键的核心技术。第4页，共18页，编辑于2022年，星期一3.1.1 数据量、信息量和冗余量数据量、信息量和冗余量 u数据用来记录和传送信息，是信息的载体。真数据用来记录和传送信息，是信息的载体。真正有用的不是数据本身，而是数据所携带的信正有用的不是数据本身，而是数据所携带的信息。息。u多媒体数据量是相当大的，但数据量并不等于多媒体数据量是相当大的，但数据量并不等于它们所携带的信息量。在信息论中，这就称为冗它们所携带的信息量。在信息论中，这就称为冗余。余。u冗余是指信息存在的各种性质的多余度。冗余是指信息存在的各种性质的多余度。信息量信息量=数据量数据量-数据冗余数据冗余 第5页，共18页，编辑于2022年，星期一3.1.1 数据量、信息量和冗余量数据量、信息量和冗余量 数据冗余主要有以下几种类型：数据冗余主要有以下几种类型：u（l）空间冗余。）空间冗余。图像数据中常存在的一种图像数据中常存在的一种冗余。冗余。u（2）时间冗余。）时间冗余。序列图像（运动图像）和序列图像（运动图像）和语音数据中常包含的冗余。语音数据中常包含的冗余。u（3）信息熵冗余（编码冗余）。）信息熵冗余（编码冗余）。数据携带数据携带的信息量少于数据本身。的信息量少于数据本身。第6页，共18页，编辑于2022年，星期一3.1.1 数据量、信息量和冗余量数据量、信息量和冗余量 数据冗余主要有以下几种类型：数据冗余主要有以下几种类型：u（4）结构冗余。）结构冗余。数字图像（如草席图像）中表数字图像（如草席图像）中表面纹理存在着非常强的纹理结构。面纹理存在着非常强的纹理结构。u（5）知识冗余。）知识冗余。图像的理解与某些知识相关。如图像的理解与某些知识相关。如人脸图像有固定的结构，这类规律性的结构可由先验人脸图像有固定的结构，这类规律性的结构可由先验知识和背景知识得到。知识和背景知识得到。u（6）视觉冗余。）视觉冗余。人类视觉系统对图像场的变化人类视觉系统对图像场的变化并不是都能感知的。并不是都能感知的。针对不同类型冗余对多媒体数据压缩针对不同类型冗余对多媒体数据压缩第7页，共18页，编辑于2022年，星期一3.1.2 图像压缩预处理图像压缩预处理u 图像数据压缩图像数据压缩，在不影响或少影响图像质量的，在不影响或少影响图像质量的前提下，设法减少数据量。前提下，设法减少数据量。u其首要任务是其首要任务是去除各种冗余数据去除各种冗余数据。删除冗余数。删除冗余数据会给图像质量带来一定损失，要进行相应的预据会给图像质量带来一定损失，要进行相应的预处理，将损失降至最低限度。处理，将损失降至最低限度。u图像压缩技术使用一些通用的预处理工具，如图像压缩技术使用一些通用的预处理工具，如滤滤波器波器、色差信息二次抽样色差信息二次抽样、量化量化、预测编码预测编码、运动运动补偿补偿、变长编码变长编码和和图像内插法图像内插法等图像变换算法。等图像变换算法。第8页，共18页，编辑于2022年，星期一3.1.3 数据压缩方法数据压缩方法数据压缩处理一般由两个过程组成：数据压缩处理一般由两个过程组成：u 编码过程编码过程，即将原始数据经过编码进行压，即将原始数据经过编码进行压缩，以便于存储与传输；缩，以便于存储与传输；u 解码过程解码过程，即对编码数据进行解码，还原为，即对编码数据进行解码，还原为可以使用的数据。可以使用的数据。第9页，共18页，编辑于2022年，星期一3.1.3 数据压缩方法数据压缩方法 根据解码后数据与原始数据是否完全一致，数据根据解码后数据与原始数据是否完全一致，数据压缩方法可分为两类：压缩方法可分为两类：u可逆（无失真）编码可逆（无失真）编码，解码图像与原始图像严格，解码图像与原始图像严格相同，压缩是没有偏差完全可恢复的。相同，压缩是没有偏差完全可恢复的。u不可逆（有失真）编码不可逆（有失真）编码，还原图像较原始图像存，还原图像较原始图像存在一定的误差，但误差在一定范围内，就视觉效在一定的误差，但误差在一定范围内，就视觉效果而言是可接受的。果而言是可接受的。第10页，共18页，编辑于2022年，星期一3.1.4 无损压缩与有损压缩无损压缩与有损压缩l无损压缩法无损压缩法u去掉或减少数据中的冗余，但这些冗余值可去掉或减少数据中的冗余，但这些冗余值可以重新插入到数据中的，是可逆的。以重新插入到数据中的，是可逆的。u也称无失真压缩，也称无失真压缩，典型的无损压缩法主要是典型的无损压缩法主要是基于统计的编码方案。基于统计的编码方案。u由于不产生失真，在多媒体技术中常用于文本由于不产生失真，在多媒体技术中常用于文本数据的压缩，能保证完全恢复原始数据，如磁盘数据的压缩，能保证完全恢复原始数据，如磁盘文件的压缩。文件的压缩。u压缩比较低。压缩比较低。第11页，共18页，编辑于2022年，星期一3.1.4 无损压缩与有损压缩无损压缩与有损压缩2有损压缩法有损压缩法u会减少信息量，是不可逆的。会减少信息量，是不可逆的。u由于允许一定程度的失真，适用于重构信号不由于允许一定程度的失真，适用于重构信号不一定非要和原始信号完全相同的场合，一定非要和原始信号完全相同的场合，图像图像声音声音动态视频动态视频第12页，共18页，编辑于2022年，星期一3.1.5 数据压缩算法的综合评价指标数据压缩算法的综合评价指标 u压缩比要大；压缩比要大；u压缩算法要简单，压缩、解压速度快；压缩算法要简单，压缩、解压速度快；u恢复质量、效果要好。恢复质量、效果要好。第13页，共18页，编辑于2022年，星期一3.2 数据压缩编码标准数据压缩编码标准数据压缩编码标准主要有：数据压缩编码标准主要有：u音频压缩技术标准（音频压缩技术标准（MPEG-l音频）音频）u静止图像压缩编码标准（静止图像压缩编码标准（JPEG）u数字声像压缩标准（数字声像压缩标准（MPEG-l）u通用视频图像压缩编码标准（通用视频图像压缩编码标准（MPEG-2）u低比特率音视频压缩编码标准（低比特率音视频压缩编码标准（MPEG-4）u视频会议压缩编码标准（视频会议压缩编码标准（H.261）第14页，共18页，编辑于2022年，星期一 MPEG-1音频在音频压缩标准方面取得巨大成音频在音频压缩标准方面取得巨大成功，规定了三种模式，层功，规定了三种模式，层、层、层(MP2)、层、层(MP3)都得到了广泛的应用。都得到了广泛的应用。uVCD中使用的是中使用的是MPEG-1音频层音频层；u层层的复杂度适当、音质优秀，广泛应用在数字演的复杂度适当、音质优秀，广泛应用在数字演播室等数字节目的制作、交换、存储、传送中；播室等数字节目的制作、交换、存储、传送中；uMP3综合了层综合了层、的优点，提出混合压缩技术，的优点，提出混合压缩技术，在低码率条件下高水准的声音质量，使得它成为软在低码率条件下高水准的声音质量，使得它成为软解压及网络广播的宠儿。解压及网络广播的宠儿。MPEG-1音频音频第15页，共18页，编辑于2022年，星期一uMPEG1是是1.5Mb/s，主要与，主要与cd-rom速度相容，也就速度相容，也就是是vcd所用的压缩格式。所用的压缩格式。uMPEG2是是4-60Mb/s，数字电视、，数字电视、DVD等。等。uMPEG4压缩率很低（波特率可变），用途很广，压缩率很低（波特率可变），用途很广，可视电话，远程监控等，可视电话，远程监控等，uh.261是国际视频会议标准，主要用于视频会议是国际视频会议标准，主要用于视频会议和可视电话。和可视电话。3.2 数据压缩编码标准数据压缩编码标准第16页，共18页，编辑于2022年，星期一uWMA与与MP3齐名。在压缩比和音质方面都超过齐名。在压缩比和音质方面都超过了了MP3，在较低的采样频率下也能产生较好的，在较低的采样频率下也能产生较好的音质。音质。u听觉上听觉上64k WMA接近接近128k mp3音质，音质，96K好于好于128K mp3，u高于高于128k的的WMA音质和音色表现相差不大音质和音色表现相差不大u低于低于128K时，时，WMA对对MP3拥有优势！但当码拥有优势！但当码流上升到流上升到128k以后，以后，WMA的音质没有像的音质没有像MP3那那样随着码流的提高而提升。样随着码流的提高而提升。3.2 数据压缩编码标准数据压缩编码标准第17页，共18页，编辑于2022年，星期一 静止图像压缩编码标准（静止图像压缩编码标准（JPEG）“联合图像专家组联合图像专家组”JPEG（joint photographic experts group）致力于制定适用于连续色调、多极）致力于制定适用于连续色调、多极灰度、彩色或单色静止图像数据压缩的国际标准。灰度、彩色或单色静止图像数据压缩的国际标准。JPEG图像压缩标准目标：图像压缩标准目标：（l）编码器可由用户设置参数，以便用户在压缩比和图像质编码器可由用户设置参数，以便用户在压缩比和图像质量之间权衡折中。量之间权衡折中。（2）标准可适用任意类连续色调的数字静止图像，不限标准可适用任意类连续色调的数字静止图像，不限制图像内容。制图像内容。（3）计算复杂度适中，只需一定能力的计算复杂度适中，只需一定能力的CPU就可实现就可实现第18页，共18页，编辑于2022年，星期一