第3章-数字信号的编码处理优秀PPT.ppt
3.1 信源编码n n3.1.1 信息的度量n n3.1.2 离散信源编码n n3.1.3 模拟信源编码3.1.1 信息的度量n n一离散信源的信息度量一离散信源的信息度量一离散信源的信息度量一离散信源的信息度量n n信源发出的消息由于具有不确定性而具有信息量，信源发出的消息由于具有不确定性而具有信息量，信源发出的消息由于具有不确定性而具有信息量，信源发出的消息由于具有不确定性而具有信息量，消息的不确定度越高，其相应的信息量就越大消息的不确定度越高，其相应的信息量就越大消息的不确定度越高，其相应的信息量就越大消息的不确定度越高，其相应的信息量就越大n n设信源发出消息设信源发出消息设信源发出消息设信源发出消息XiXi的概率为的概率为的概率为的概率为p(i)p(i)，则，则，则，则I(Xi)=log1/p(i)I(Xi)=log1/p(i)就是消息就是消息就是消息就是消息XiXi供应的自信息量。供应的自信息量。供应的自信息量。供应的自信息量。n n I(Xi)I(Xi)只表示了一个具体消息只表示了一个具体消息只表示了一个具体消息只表示了一个具体消息XiXi所具有的不愿定程所具有的不愿定程所具有的不愿定程所具有的不愿定程度，但不能表示度，但不能表示度，但不能表示度，但不能表示XiXi所属信源的总体不愿定度所属信源的总体不愿定度所属信源的总体不愿定度所属信源的总体不愿定度n n定义信源的平均信息量就是信源定义信源的平均信息量就是信源定义信源的平均信息量就是信源定义信源的平均信息量就是信源X X输出一个消息所输出一个消息所输出一个消息所输出一个消息所供应的平均信息量，也叫做信源熵。供应的平均信息量，也叫做信源熵。供应的平均信息量，也叫做信源熵。供应的平均信息量，也叫做信源熵。n n明显，具有明显，具有明显，具有明显，具有n n个独立符号的信源在各个符号等概率个独立符号的信源在各个符号等概率个独立符号的信源在各个符号等概率个独立符号的信源在各个符号等概率分布时，信源的熵分布时，信源的熵分布时，信源的熵分布时，信源的熵HN(x)HN(x)最大，为最大，为最大，为最大，为log2Nlog2N。n n假如信道没有噪声干扰，则发送消息Xi就必定收到Yi，即收到消息yi后即可确定发送为xi。n n当信道中有干扰时，收到消息yi后不能完全确定发送的确定就是xi。n n对无扰信道而言，H(x/y)=0n n有扰信道的H(x/y)0n n在无干扰状况下，收信者从信源收到的每个消息中得到的平均信息量等于信源的不愿定度H(x)；当信道存在于扰时，收信者得到的平均信息量将小于H(x)。3.1.2 离散信源编码离散信源编码n n离散信源的编码通过尽量使消息符号等概率出现或出现概率接近，使信源的离散信源的编码通过尽量使消息符号等概率出现或出现概率接近，使信源的平均信息量提高。平均信息量提高。n n具体地说，就是将出现概率大的消息符号编成位数少的短码、而出现概率小具体地说，就是将出现概率大的消息符号编成位数少的短码、而出现概率小的符号编成长码。的符号编成长码。n n比较常用的编码法有香农比较常用的编码法有香农范诺编码（范诺编码（ShannonFanoShannonFano）和霍夫曼编码）和霍夫曼编码（HuffmanHuffman），），n n香农一范诺编码法具体方法及步骤：香农一范诺编码法具体方法及步骤：n n首先把各个消息按其出现概率的大小，由大到小重新排列；首先把各个消息按其出现概率的大小，由大到小重新排列；n n将这个重排的概率序列分成两组，每组的概率之和尽可能接近或相等。然将这个重排的概率序列分成两组，每组的概率之和尽可能接近或相等。然后，再对每一组又进行同样的分组，仍旧使分成的相应两组概率之和尽可能后，再对每一组又进行同样的分组，仍旧使分成的相应两组概率之和尽可能相等，这时就得到四个分组了。如此接着进行下去，直至每个消息都被单独相等，这时就得到四个分组了。如此接着进行下去，直至每个消息都被单独分割出来为止。分割出来为止。n n对每一次划分出的第一组的消息安排一个对每一次划分出的第一组的消息安排一个0 0，其次组消息则安排一个，其次组消息则安排一个1 1。最终，每个消息的二元编码就由它分得的全部的最终，每个消息的二元编码就由它分得的全部的0 0、1 1序列给定。序列给定。3.2 信道容量n n3.2.1 信道容量n n3.2.2 香农公式n n3.2.1 信道容量信道容量n n一信道容量一信道容量信道可能达到的最大信道可能达到的最大传信率，用符号传信率，用符号C表示表示n n实际信源的符号之间往往存在相关性实际信源的符号之间往往存在相关性且不等概分布，使信源熵远远低于上且不等概分布，使信源熵远远低于上述志向状况的数值。因此，要想使信述志向状况的数值。因此，要想使信源输出的信号具有较大的信息量，必源输出的信号具有较大的信息量，必需在其送入信道前再进行编码，使信需在其送入信道前再进行编码，使信源的熵速率接近信道容量，即使信源源的熵速率接近信道容量，即使信源和信道相匹配。和信道相匹配。香农公式香农公式n n1.1.平均功率受限的高斯白噪声信道，当输入信号为高斯平均功率受限的高斯白噪声信道，当输入信号为高斯分布时，在确定带宽的信道上，单位时间内能够无差错地分布时，在确定带宽的信道上，单位时间内能够无差错地传递的最大信息量为传递的最大信息量为Wlog2(1+P/N)Wlog2(1+P/N)。n n2 2信道容量信道容量C C与信道带宽与信道带宽WW和信号噪声功率比和信号噪声功率比P/NP/N有关，有关，WW或或P/NP/N愈大，愈大，C C就愈大。就愈大。n n3 3对于平均功率受限的信道，高斯白噪声的危害最大，对于平均功率受限的信道，高斯白噪声的危害最大，因为此时噪声的熵最大，所以信道容量因为此时噪声的熵最大，所以信道容量C=Ht(y)C=Ht(y)Ht(n)maxHt(n)max最小最小.3.3 差错限制编码n n3.3.1 差错限制编码的概念n n3.3.2 差错限制技术3.3.1 差错限制编码的概念n n一误码限制基本原理一误码限制基本原理一误码限制基本原理一误码限制基本原理n n为了能使接收端推断传送来的信息是否有误，发送端在传为了能使接收端推断传送来的信息是否有误，发送端在传为了能使接收端推断传送来的信息是否有误，发送端在传为了能使接收端推断传送来的信息是否有误，发送端在传送数据之前增加了一些相关的信息；假如还要能够订正错送数据之前增加了一些相关的信息；假如还要能够订正错送数据之前增加了一些相关的信息；假如还要能够订正错送数据之前增加了一些相关的信息；假如还要能够订正错误的话，则须要增加更多的信息。当没有错误出现时，这误的话，则须要增加更多的信息。当没有错误出现时，这误的话，则须要增加更多的信息。当没有错误出现时，这误的话，则须要增加更多的信息。当没有错误出现时，这些信息完全是多余的；但一旦发生误码，即可利用被传数些信息完全是多余的；但一旦发生误码，即可利用被传数些信息完全是多余的；但一旦发生误码，即可利用被传数些信息完全是多余的；但一旦发生误码，即可利用被传数据与相关信息之间的特定关系来发觉据与相关信息之间的特定关系来发觉据与相关信息之间的特定关系来发觉据与相关信息之间的特定关系来发觉/订正错误，这就是订正错误，这就是订正错误，这就是订正错误，这就是差错限制编码的基本原理。差错限制编码的基本原理。差错限制编码的基本原理。差错限制编码的基本原理。n n换句话说，为了使信源编码输出的代码具有检错和纠错实换句话说，为了使信源编码输出的代码具有检错和纠错实换句话说，为了使信源编码输出的代码具有检错和纠错实换句话说，为了使信源编码输出的代码具有检错和纠错实力，发信端按确定规则在信源编码的基础上，增加一些冗力，发信端按确定规则在信源编码的基础上，增加一些冗力，发信端按确定规则在信源编码的基础上，增加一些冗力，发信端按确定规则在信源编码的基础上，增加一些冗余码元余码元余码元余码元(又称监督码又称监督码又称监督码又称监督码)，使这些监督码与被传信息码之间有，使这些监督码与被传信息码之间有，使这些监督码与被传信息码之间有，使这些监督码与被传信息码之间有确定的关系，这就是差错限制编码。在接收端，依据信息确定的关系，这就是差错限制编码。在接收端，依据信息确定的关系，这就是差错限制编码。在接收端，依据信息确定的关系，这就是差错限制编码。在接收端，依据信息码与监督码的特定关系，实现检码与监督码的特定关系，实现检码与监督码的特定关系，实现检码与监督码的特定关系，实现检/纠错，输出原信息码元，纠错，输出原信息码元，纠错，输出原信息码元，纠错，输出原信息码元，这就是差错限制译码这就是差错限制译码这就是差错限制译码这就是差错限制译码(或解码或解码或解码或解码)。3.3.2 差错限制技术差错限制技术n n一差错限制方式一差错限制方式n n常见差错限制编码的工作方式有前向纠错常见差错限制编码的工作方式有前向纠错（FEC）、检错重发（）、检错重发（ARQ）、混合纠错）、混合纠错（HEC）三种。）三种。n n检错重发（检错重发（ARQ）n n其消息一方面通过前向信道送至接收端，同时也其消息一方面通过前向信道送至接收端，同时也送至缓存器存储。接收端对接收信息进行译码和送至缓存器存储。接收端对接收信息进行译码和检错，假如没有发觉错误，则将该译码信息输出；检错，假如没有发觉错误，则将该译码信息输出；假如检测到错误，则触发重发指令从反向信道向假如检测到错误，则触发重发指令从反向信道向发送端发出恳求重发指令和错误码组编号，同时发送端发出恳求重发指令和错误码组编号，同时停止输出。发信端收到该恳求后，马上重发发生停止输出。发信端收到该恳求后，马上重发发生传输差错的那部分已发信息，直到接收端正确接传输差错的那部分已发信息，直到接收端正确接收为止。明显，收为止。明显，ARQ方式发送的是检错码。方式发送的是检错码。n n(2)前向纠错前向纠错FECn nFEC发信端接受具有确定纠错实力的纠错码规则发信端接受具有确定纠错实力的纠错码规则将信码编码后发送出去，使接收端在收到信码后将信码编码后发送出去，使接收端在收到信码后不仅能发觉错码，还能够订正错码。不仅能发觉错码，还能够订正错码。n n（3）混合纠错）混合纠错n n混合纠错法在发生少量差错时利用纠错码的纠错混合纠错法在发生少量差错时利用纠错码的纠错实力在接收端进行自动订正，当差错较严峻、超实力在接收端进行自动订正，当差错较严峻、超出纠错码的订正实力时，再向发信端发出重发恳出纠错码的订正实力时，再向发信端发出重发恳求。求。n二二.差错限制编码分类差错限制编码分类n依据误码限制的不同功能：依据误码限制的不同功能：n 检错码、纠错码和纠删码检错码、纠错码和纠删码n依据信息码元与附加监督码元间的依据信息码元与附加监督码元间的检验关系：检验关系：n 线性码与非线性码线性码与非线性码n依据信息码元与监督附加码之间的依据信息码元与监督附加码之间的约束方式：约束方式：n 分组码与卷积码分组码与卷积码n依据信息码元在编码之后是否保持依据信息码元在编码之后是否保持原来的形式：原来的形式：n 系统码与非系统码系统码与非系统码三有关误码限制编码的几个基本概念三有关误码限制编码的几个基本概念信息码元与监督码元信息码元与监督码元许用码组与禁用码组许用码组与禁用码组码重与码距码重与码距最小码距与信道编码的检纠错实力的关系最小码距与信道编码的检纠错实力的关系四差错限制码四差错限制码 常见的差错限制码基本上都属于代数常见的差错限制码基本上都属于代数码，即码组中添加的监督码元和信息码元码，即码组中添加的监督码元和信息码元之间是依据确定的代数关系来进行约束的。之间是依据确定的代数关系来进行约束的。依据码组的结构，可以把抗干扰编码分为依据码组的结构，可以把抗干扰编码分为分组码和卷积码。分组码和卷积码。3.4 几种差错限制编码简介n n3.4.1 奇偶监督码n n行列监督码n n线性分组码n n3.4.4 卷积码n n3.4.5 编码交织3.4.1 奇偶监督码奇偶监督码n n奇偶校验码也称奇偶监督码，是一种最简洁的线奇偶校验码也称奇偶监督码，是一种最简洁的线性分组检错编码。它把信源编码后的信息数据分性分组检错编码。它把信源编码后的信息数据分成等长码组，在每个信息码组后加入一位监督码成等长码组，在每个信息码组后加入一位监督码元作为相应的奇偶检验位，使得生成的新码组中元作为相应的奇偶检验位，使得生成的新码组中含含1 1的码元个数为偶数的码元个数为偶数(称为偶校验码称为偶校验码)或奇数或奇数(称称为奇校验码为奇校验码)。n n假如传输过程中任何一个码组发生奇数位错误，假如传输过程中任何一个码组发生奇数位错误，则收到码组所含码元则收到码组所含码元1 1的个数必定不再符合奇偶校的个数必定不再符合奇偶校验规律，使接收端籍此发觉误码。验规律，使接收端籍此发觉误码。n n 码组传输过程中出现偶数个错误时，奇偶校验码码组传输过程中出现偶数个错误时，奇偶校验码是无法检测到的，而且它也不能发觉连续多位突是无法检测到的，而且它也不能发觉连续多位突发性误码的状况，检错实力有限。发性误码的状况，检错实力有限。行列监督码行列监督码行列监督码是二维的奇偶监督码，又称为矩阵码，可行列监督码是二维的奇偶监督码，又称为矩阵码，可以克服奇偶监督码不能发觉偶数个差错的缺点，还可以克服奇偶监督码不能发觉偶数个差错的缺点，还可以订正确定的突发差错。以订正确定的突发差错。行列监督码基本原理与简洁奇偶监督码相像，只是它行列监督码基本原理与简洁奇偶监督码相像，只是它的每个码元都要受到纵、横两次监督。的每个码元都要受到纵、横两次监督。这样，当某一行这样，当某一行(或某一列或某一列)出现偶数个差错时，该行出现偶数个差错时，该行(或该列或该列)虽不能发觉，但只要差错所在的列虽不能发觉，但只要差错所在的列(或行或行)，没有同时出现偶数个差错，则这种差错仍旧可，没有同时出现偶数个差错，则这种差错仍旧可以被发觉。以被发觉。矩阵码发觉错码的实力是特别强的，而且它的编码效矩阵码发觉错码的实力是特别强的，而且它的编码效率也高于简洁奇偶监督码。率也高于简洁奇偶监督码。线性分组码线性分组码线性分组码一般用符号线性分组码一般用符号(n,k)(n,k)表示，其信息码元与监表示，其信息码元与监督督码元之间的关系可用一组线性方程来描述，且监督码码元之间的关系可用一组线性方程来描述，且监督码元仅由本码组的信息码元确定。其中，元仅由本码组的信息码元确定。其中，k k是码组中信是码组中信息码元的数目，息码元的数目，n n是编码后码组的总长度，编码效率是编码后码组的总长度，编码效率=k/n=k/n。线性分组码的随意两个许用码组相加后（指按位模线性分组码的随意两个许用码组相加后（指按位模2 2相加），所得编码仍是许用码组。相加），所得编码仍是许用码组。每一个线性分组码都唯一对应一个特定线性方程组。每一个线性分组码都唯一对应一个特定线性方程组。卷积码卷积码卷积码卷积码n n一卷积码原理和数学表示：一卷积码原理和数学表示：一卷积码原理和数学表示：一卷积码原理和数学表示：n n卷卷卷卷积积积积码码码码的的的的每每每每个个个个(n(n，k k）码码码码段段段段（也也也也称称称称子子子子码码码码，通通通通常常常常较较较较短短短短）内内内内的的的的n n个个个个码码码码元元元元不不不不仅仅仅仅与与与与该该该该码码码码段段段段内内内内的的的的信信信信息息息息元元元元有有有有关关关关，还还还还与与与与前前前前面面面面mm段段段段内内内内的的的的信信信信息息息息元有关。元有关。元有关。元有关。二、卷积码的编码实现二、卷积码的编码实现 1.1.串行编码电路串行编码电路串行编码电路串行编码电路n n2 2型编码电路型编码电路型编码电路型编码电路n n3 3型编码电路型编码电路型编码电路型编码电路3.4.5 编码交织编码交织n n一编码交织的原理和作用一编码交织的原理和作用一编码交织的原理和作用一编码交织的原理和作用n n大部分信道纠错编码仅在检测和校正单个差错和不太长的大部分信道纠错编码仅在检测和校正单个差错和不太长的大部分信道纠错编码仅在检测和校正单个差错和不太长的大部分信道纠错编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效，而对于陆地移动通信和数据存储等变参差错串时才有效，而对于陆地移动通信和数据存储等变参差错串时才有效，而对于陆地移动通信和数据存储等变参差错串时才有效，而对于陆地移动通信和数据存储等变参信道上，常常出现的成串连续错误或突发性错误却无法复信道上，常常出现的成串连续错误或突发性错误却无法复信道上，常常出现的成串连续错误或突发性错误却无法复信道上，常常出现的成串连续错误或突发性错误却无法复原。为此，人们考虑把一片连续的突发错误变为分散的随原。为此，人们考虑把一片连续的突发错误变为分散的随原。为此，人们考虑把一片连续的突发错误变为分散的随原。为此，人们考虑把一片连续的突发错误变为分散的随机错误，即把一条消息中的相继比特以非相继方式发送，机错误，即把一条消息中的相继比特以非相继方式发送，机错误，即把一条消息中的相继比特以非相继方式发送，机错误，即把一条消息中的相继比特以非相继方式发送，使成串差错变成单个或长度很短的错误，再利用信道编码使成串差错变成单个或长度很短的错误，再利用信道编码使成串差错变成单个或长度很短的错误，再利用信道编码使成串差错变成单个或长度很短的错误，再利用信道编码的纠错功能，即可订正差错、正确复原原消息。这就是交的纠错功能，即可订正差错、正确复原原消息。这就是交的纠错功能，即可订正差错、正确复原原消息。这就是交的纠错功能，即可订正差错、正确复原原消息。这就是交织技术，它在移动通信系统中被广泛接受。织技术，它在移动通信系统中被广泛接受。织技术，它在移动通信系统中被广泛接受。织技术，它在移动通信系统中被广泛接受。n n交织器按交织方式可分为交织深度固定的交织器（如分组交织器按交织方式可分为交织深度固定的交织器（如分组交织器按交织方式可分为交织深度固定的交织器（如分组交织器按交织方式可分为交织深度固定的交织器（如分组交织器和卷积交织器）和交织深度不断变更的随机交织器；交织器和卷积交织器）和交织深度不断变更的随机交织器；交织器和卷积交织器）和交织深度不断变更的随机交织器；交织器和卷积交织器）和交织深度不断变更的随机交织器；按交织对象可分为码元交织器和码段交织器，这里主要探按交织对象可分为码元交织器和码段交织器，这里主要探按交织对象可分为码元交织器和码段交织器，这里主要探按交织对象可分为码元交织器和码段交织器，这里主要探讨的是交织深度固定的码段交织器。讨的是交织深度固定的码段交织器。讨的是交织深度固定的码段交织器。讨的是交织深度固定的码段交织器。n n1 1交织的基本原理交织的基本原理交织的基本原理交织的基本原理 n n三、卷积交织三、卷积交织三、卷积交织三、卷积交织n n四四四四GSMGSM系交织统中的信号系交织统中的信号系交织统中的信号系交织统中的信号3.5 数字压缩编码n n3.5.1 压缩编码的概念n n3.5.2 几种压缩编码法n n3.5.3 MPEG标准3.5.1 压缩编码的概念压缩编码的概念一数据压缩一数据压缩 数字信号有很多优点，但当模拟信号数字数字信号有很多优点，但当模拟信号数字化后化后,其信号所占频带将大大加宽。如一路其信号所占频带将大大加宽。如一路6MHz的一般电视信号在数字化后，其数码的一般电视信号在数字化后，其数码率将高达率将高达167Mbps，带宽达，带宽达80MHz左右。左右。这一带宽变更将使数字信号失去好用价值，这一带宽变更将使数字信号失去好用价值，为此，必需运用数字压缩技术解决上述状为此，必需运用数字压缩技术解决上述状况。实际中，线性数字压缩技术很好地完况。实际中，线性数字压缩技术很好地完成了这一任务，使压缩后信号所占频带大成了这一任务，使压缩后信号所占频带大大低于原始模拟信号的频带。可以说，数大低于原始模拟信号的频带。可以说，数字压缩编码技术是数字信号好用化的关键字压缩编码技术是数字信号好用化的关键技术之一。技术之一。常见数字压缩技术主要是数据通信系统常见数字压缩技术主要是数据通信系统中用于静止图像压缩的中用于静止图像压缩的JPEG、活动图像压、活动图像压缩的缩的MPEG，以及有线电视网中用于会议，以及有线电视网中用于会议电视系统的电视系统的H.261数字压缩技术。数字压缩技术。二数据压缩编码分类二数据压缩编码分类二数据压缩编码分类二数据压缩编码分类1 1从信息论角度动身，可分为无损压缩和有损压缩从信息论角度动身，可分为无损压缩和有损压缩从信息论角度动身，可分为无损压缩和有损压缩从信息论角度动身，可分为无损压缩和有损压缩两大类：两大类：两大类：两大类：(1)(1)无损压缩无损压缩无损压缩无损压缩也叫冗余度压缩，压缩前后其信息保持编码或熵编也叫冗余度压缩，压缩前后其信息保持编码或熵编也叫冗余度压缩，压缩前后其信息保持编码或熵编也叫冗余度压缩，压缩前后其信息保持编码或熵编码，即压缩解码后的图像和压缩编码前的图像严码，即压缩解码后的图像和压缩编码前的图像严码，即压缩解码后的图像和压缩编码前的图像严码，即压缩解码后的图像和压缩编码前的图像严格相同，没有失真，从数学上讲是一种可逆运算。格相同，没有失真，从数学上讲是一种可逆运算。格相同，没有失真，从数学上讲是一种可逆运算。格相同，没有失真，从数学上讲是一种可逆运算。(2)(2)有损压缩有损压缩有损压缩有损压缩也叫信息量压缩法，这是一种失真度编码或熵压缩也叫信息量压缩法，这是一种失真度编码或熵压缩也叫信息量压缩法，这是一种失真度编码或熵压缩也叫信息量压缩法，这是一种失真度编码或熵压缩编码，即它压缩解码后的图像和原始图像是有差编码，即它压缩解码后的图像和原始图像是有差编码，即它压缩解码后的图像和原始图像是有差编码，即它压缩解码后的图像和原始图像是有差别的，允许有确定的失真。别的，允许有确定的失真。别的，允许有确定的失真。别的，允许有确定的失真。2 2从压缩编码算法原理上，可以把数据压缩分类为从压缩编码算法原理上，可以把数据压缩分类为无损、有损、混合压缩编码三类。无损、有损、混合压缩编码三类。常见的无损压缩编码主要有霍夫曼编码、算术编码、常见的无损压缩编码主要有霍夫曼编码、算术编码、行程编码、行程编码、Lempel zevLempel zev编码等。编码等。有损压缩编码主要有预料编码有损压缩编码主要有预料编码DPCMDPCM、频率域法（如、频率域法（如正交变换编码、子带编码等）、空间域法（如统正交变换编码、子带编码等）、空间域法（如统计分块编码等）、模型法（如分形编码、模型基计分块编码等）、模型法（如分形编码、模型基编码等）、基于重要性的编码法（如滤波、子采编码等）、基于重要性的编码法（如滤波、子采样、矢量量化等）。样、矢量量化等）。混合编码主要有混合编码主要有JBIGJBIG、H261H261、JPEGJPEG、MPEGMPEG等。等。n n三数据压缩编码法的指标三数据压缩编码法的指标n n衡量数据压缩编码法的主要技术指标如下：衡量数据压缩编码法的主要技术指标如下：n n(1)压缩比：越高越好。目前各种技术的压缩压缩比：越高越好。目前各种技术的压缩比可以从几倍到几十倍乃至几千倍；比可以从几倍到几十倍乃至几千倍；n n(2)压缩与解压缩速度：越快越好。一般来说，压缩与解压缩速度：越快越好。一般来说，压缩算法越简洁，硬件实现越简洁，压缩与解压缩算法越简洁，硬件实现越简洁，压缩与解压缩速度越快；压缩速度越快；n n(3)解压缩的图像质量：解压后的图像与原是解压缩的图像质量：解压后的图像与原是图像越相像越好，它通常与压缩图像越相像越好，它通常与压缩/解压缩算法、解压缩算法、系统硬件有关。系统硬件有关。3.5.2 几种压缩编码法几种压缩编码法一一.莫尔斯码莫尔斯码莫尔斯码就是电报码，它的编码思路是现代数字编莫尔斯码就是电报码，它的编码思路是现代数字编码中信源编码的参照。莫尔斯码分别用短码中信源编码的参照。莫尔斯码分别用短/长码长码表示常常出现表示常常出现/不常出现的字母，成功的减小了不常出现的字母，成功的减小了编码后的传码率，被延用至今。编码后的传码率，被延用至今。如电视信号经差分脉冲编码如电视信号经差分脉冲编码DPCM后，其前后像素后，其前后像素幅度差值小的概率大，而差值大的概率小。利用幅度差值小的概率大，而差值大的概率小。利用莫尔斯码的编码思想，用短码表示概率大的信号，莫尔斯码的编码思想，用短码表示概率大的信号，而用长码来代表概率小的信号，达到了压缩码率而用长码来代表概率小的信号，达到了压缩码率的目的。的目的。二二二二.差值脉冲编码差值脉冲编码差值脉冲编码差值脉冲编码DPCMDPCM图像信号很多时候是由面积较大的图像块图像信号很多时候是由面积较大的图像块图像信号很多时候是由面积较大的图像块图像信号很多时候是由面积较大的图像块(如蓝天、大地等如蓝天、大地等如蓝天、大地等如蓝天、大地等)组成。虽然每个像块的幅度不同，但像块内部大部分区域组成。虽然每个像块的幅度不同，但像块内部大部分区域组成。虽然每个像块的幅度不同，但像块内部大部分区域组成。虽然每个像块的幅度不同，但像块内部大部分区域的样值幅度是很接近或相同的，只有像块的轮廓部分图像的样值幅度是很接近或相同的，只有像块的轮廓部分图像的样值幅度是很接近或相同的，只有像块的轮廓部分图像的样值幅度是很接近或相同的，只有像块的轮廓部分图像的幅度值可能会有较大的跳动，但他们只占整幅图像的很的幅度值可能会有较大的跳动，但他们只占整幅图像的很的幅度值可能会有较大的跳动，但他们只占整幅图像的很的幅度值可能会有较大的跳动，但他们只占整幅图像的很小一部分。从信号传输的角度来看，各帧信号之间幅度值小一部分。从信号传输的角度来看，各帧信号之间幅度值小一部分。从信号传输的角度来看，各帧信号之间幅度值小一部分。从信号传输的角度来看，各帧信号之间幅度值相同的概率就更大了，静止图像相邻两帧之间相应位置上相同的概率就更大了，静止图像相邻两帧之间相应位置上相同的概率就更大了，静止图像相邻两帧之间相应位置上相同的概率就更大了，静止图像相邻两帧之间相应位置上的像素甚至完全一样。的像素甚至完全一样。的像素甚至完全一样。的像素甚至完全一样。差分脉冲编码（差分脉冲编码（差分脉冲编码（差分脉冲编码（DPCMDPCM）考虑信号幅度样值中的相关性，即）考虑信号幅度样值中的相关性，即）考虑信号幅度样值中的相关性，即）考虑信号幅度样值中的相关性，即前面的幅度样值中包含有后面样值的大部分信息，利用前前面的幅度样值中包含有后面样值的大部分信息，利用前前面的幅度样值中包含有后面样值的大部分信息，利用前前面的幅度样值中包含有后面样值的大部分信息，利用前面的幅度样值来对后面的幅度样值进行编码，大大降低了面的幅度样值来对后面的幅度样值进行编码，大大降低了面的幅度样值来对后面的幅度样值进行编码，大大降低了面的幅度样值来对后面的幅度样值进行编码，大大降低了信号编码的位数，使信息传输的比特率也随之减小。信号编码的位数，使信息传输的比特率也随之减小。信号编码的位数，使信息传输的比特率也随之减小。信号编码的位数，使信息传输的比特率也随之减小。n n三三三三.预料编码预料编码预料编码预料编码n n预料编码利用像素的相关性，可进一步减小差值。预料编码利用像素的相关性，可进一步减小差值。预料编码利用像素的相关性，可进一步减小差值。预料编码利用像素的相关性，可进一步减小差值。假如差值编码中小幅度信号出现概率增加，由于假如差值编码中小幅度信号出现概率增加，由于假如差值编码中小幅度信号出现概率增加，由于假如差值编码中小幅度信号出现概率增加，由于这种信号对应的编码长度较大，系统形成的总数这种信号对应的编码长度较大，系统形成的总数这种信号对应的编码长度较大，系统形成的总数这种信号对应的编码长度较大，系统形成的总数码率就会进一步减小。码率就会进一步减小。码率就会进一步减小。码率就会进一步减小。n n因此，假如我们既利用信号前后样值之间的相关因此，假如我们既利用信号前后样值之间的相关因此，假如我们既利用信号前后样值之间的相关因此，假如我们既利用信号前后样值之间的相关性，也利用其它各行、帧像素之间的相关性，必性，也利用其它各行、帧像素之间的相关性，必性，也利用其它各行、帧像素之间的相关性，必性，也利用其它各行、帧像素之间的相关性，必定可以使当前样值的预料值与当前样值更接近，定可以使当前样值的预料值与当前样值更接近，定可以使当前样值的预料值与当前样值更接近，定可以使当前样值的预料值与当前样值更接近，这自然会导致小幅度的差值信号数量增加，总数这自然会导致小幅度的差值信号数量增加，总数这自然会导致小幅度的差值信号数量增加，总数这自然会导致小幅度的差值信号数量增加，总数码率就会进一步减小，这就是预料编码降低数码码率就会进一步减小，这就是预料编码降低数码码率就会进一步减小，这就是预料编码降低数码码率就会进一步减小，这就是预料编码降低数码率的思路和方法。率的思路和方法。率的思路和方法。率的思路和方法。n n四四四四.离散余弦变换离散余弦变换离散余弦变换离散余弦变换n n离散余弦变换离散余弦变换离散余弦变换离散余弦变换(Discrete Cosine Transform)(Discrete Cosine Transform)简简简简称称称称DCTDCT，它利用数学理中连续实对称函数的傅里，它利用数学理中连续实对称函数的傅里，它利用数学理中连续实对称函数的傅里，它利用数学理中连续实对称函数的傅里叶变换只含有余弦项的结论，对信号进行压缩编叶变换只含有余弦项的结论，对信号进行压缩编叶变换只含有余弦项的结论，对信号进行压缩编叶变换只含有余弦项的结论，对信号进行压缩编码变换。码变换。码变换。码变换。n nDCTDCT在先将整个须要压缩的信号如图像分成在先将整个须要压缩的信号如图像分成在先将整个须要压缩的信号如图像分成在先将整个须要压缩的信号如图像分成NNNN个像素块，然后对个像素块，然后对个像素块，然后对个像素块，然后对NNNN像素块逐一进行像素块逐一进行像素块逐一进行像素块逐一进行DCTDCT变换，变换，变换，变换，从发送端将这些变换系数发送出去。接收端收到从发送端将这些变换系数发送出去。接收端收到从发送端将这些变换系数发送出去。接收端收到从发送端将这些变换系数发送出去。接收端收到这些这些这些这些DCTDCT变换系数后，通过反离散余弦变换即可变换系数后，通过反离散余弦变换即可变换系数后，通过反离散余弦变换即可变换系数后，通过反离散余弦变换即可得到发送样值，最终还原原始图像或声音等信号。得到发送样值，最终还原原始图像或声音等信号。得到发送样值，最终还原原始图像或声音等信号。得到发送样值，最终还原原始图像或声音等信号。n n五五五五.霍夫曼编码霍夫曼编码霍夫曼编码霍夫曼编码n n霍夫曼编码是可变字长编码霍夫曼编码是可变字长编码霍夫曼编码是可变字长编码霍夫曼编码是可变字长编码(VLC)(VLC)的一种。的一种。的一种。的一种。HuffmanHuffman于于于于19521952年提出年提出年提出年提出这种编码法，即完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短这种编码法，即完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短这种编码法，即完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短这种编码法，即完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短的码字。的码字。的码字。的码字。n n 霍夫曼编码的具体方法如下：霍夫曼编码的具体方法如下：霍夫曼编码的具体方法如下：霍夫曼编码的具体方法如下：n n 将信源各个消息按其出现的概率大小以降序排列；将信源各个消息按其出现的概率大小以降序排列；将信源各个消息按其出现的概率大小以降序排列；将信源各个消息按其出现的概率大小以降序排列；n n 把排列后的两个最小概率对应的消息分成一组，给其中大的（或小把排列后的两个最小概率对应的消息分成一组，给其中大的（或小把排列后的两个最小概率对应的消息分成一组，给其中大的（或小把排列后的两个最小概率对应的消息分成一组，给其中大的（或小的）一个消息安排的）一个消息安排的）一个消息安排的）一个消息安排0 0，另一个安排，另一个安排，另一个安排，另一个安排1 1，然后求出它们的概率和，并把这，然后求出它们的概率和，并把这，然后求出它们的概率和，并把这，然后求出它们的概率和，并把这个新得到的概率与其他尚未处理过的概率再次按由大到小的依次重新个新得到的概率与其他尚未处理过的概率再次按由大到小的依次重新个新得到的概率与其他尚未处理过的概率再次按由大到小的依次重新个新得到的概率与其他尚未处理过的概率再次按由大到小的依次重新排成一个新序列；排成一个新序列；排成一个新序列；排成一个新序列；n n 反复重复步骤反复重复步骤反复重复步骤反复重复步骤，直到全部的概率都已经被联合处理过为止。，直到全部的概率都已经被联合处理过为止。，直到全部的概率都已经被联合处理过为止。，直到全部的概率都已经被联合处理过为止。n n从图的左边起先，沿着从这个消息为动身点的路途始终走到最右边，从图的左边起先，沿着从这个消息为动身点的路途始终走到最右边，从图的左边起先，沿着从这个消息为动身点的路途始终走到最右边，从图的左边起先，沿着从这个消息为动身点的路途始终走到最右边，将遇到的二元数字依次由最低写到最高位所得的二元数字序列，就是将遇到的二元数字依次由最低写到最高位所得的二元数字序列，就是将遇到的二元数字依次由最低写到最高位所得的二元数字序列，就是将遇到的二元数字依次由最低写到最高位所得的二元数字序列，就是最佳的二元代码。最佳的二元代码。最佳的二元代码。最佳的二元代码。3.5.3 MPEG标准标准 n n一一一一JPEGJPEG标准标准标准标准n nJPEGJPEG是是是是Joint Photographic Experts GroupJoint Photographic Experts Group的缩写，的缩写，的缩写，的缩写，主要用于计算机静止图像的压缩，在用于活动图像时，其主要用于计算机静止图像的压缩，在用于活动图像时，其主要用于计算机静止图像的压缩，在用于活动图像时，其主要用于计算机静止图像的压缩，在用于活动图像时，其算法仅限于帧内。接受算法仅限于帧内。接受算法仅限于帧内。接受算法仅限于帧内。接受JPEGJPEG标准可以得到不同压缩比的标准可以得到不同压缩比的标准可以得到不同压缩比的标准可以得到不同压缩比的图像，在图像质量有保证的前提下，可以将每个像素的图像，在图像质量有保证的前提下，可以将每个像素的图像，在图像质量有保证的前提下，可以将每个像素的图像，在图像质量有保证的前提下，可以将每个像素的24bit24bit信息量减到信息量减到信息量减到信息量减到1bit1bit甚至更小。甚至更小。甚至更小。甚至更小。n nJPEGJPEG标准所依据的压缩算法理论是离散余弦变换标准所依据的压缩算法理论是离散余弦变换标准所依据的压缩算法理论是离散余弦变换标准所依据的压缩算法理论是离散余弦变换DCTDCT和和和和可变长编码。可变长编码。可变长编码。可变长编码。JPEGJPEG的关键技术有变换编码、量化、差分的关键技术有变换编码、量化、差分的关键技术有变换编码、量化、差分的关键技术有变换编码、量化、差分编码、霍夫曼编码等。编码、霍夫曼编码等。编码、霍夫曼编码等。编码、霍夫曼编码等。n nJPEGJPEG算法利用单帧内的空间相关性，减小信号空间的冗算法利用单帧内的空间相关性，减小信号空间的冗算法利用单帧内的空间相关性，减小信号空间的冗算法利用单帧内的空间相关性，减小信号空间的冗余度，这种方式属于前面所说的帧内编码。余度，这种方式属于前面所说的帧内编码。余度，这种方式属于前面所说的帧内编码。余度，这种方式属于前面所说的帧内编码。n n二二二二.MPEG.MPEG标准标准标准标准n n1 1MPEG
