媒体信号编码第1章.ppt

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1、媒体信号编码通信工程学院通信工程学院 孙闽红孙闽红Email:Office:一教北一教北404课程概述课程概述p类型：限选课类型：限选课p学分：学分：2学分学分p先修课程：信息论与编码、通信原理先修课程：信息论与编码、通信原理、数字、数字 信号处理、信号处理、Matlab/VC+p课程地位：重要专业课课程地位：重要专业课参考书目参考书目p教材：姚英彪教材：姚英彪媒体信号编码媒体信号编码西电出版社西电出版社 p参考书：参考书：lRobert J.McEliece（美）（美）信息论信息论与编码理论与编码理论(第第二版二版)电子工业出版社电子工业出版社 2004l张春田张春田 数字图像压缩编码数字图

2、像压缩编码 清华出版社清华出版社 2006l王相海王相海 图像及视频可分级编码图像及视频可分级编码 科学出版社科学出版社 2016课程内容课程内容pChapter 1 绪论绪论pChapter 2 媒体信号分析及编码系统评价媒体信号分析及编码系统评价pChapter 4 熵保持编码熵保持编码pChapter 5 预测编码预测编码pChapter 6 变换编码变换编码pChapter 8 音频编码技术音频编码技术pChapter 9 图像视频编码技术图像视频编码技术第1章绪论 第1章绪论 1.1数字通信的一般模型数字通信的一般模型1.2常见的媒体信号常见的媒体信号1.3媒体信号编码的必要性媒体信

3、号编码的必要性1.4媒体信号压缩编码的分类媒体信号压缩编码的分类1.5媒体信号压缩编码标准媒体信号压缩编码标准第1章绪论 1.1数字通信的一般模型数字通信的一般模型何谓通信？信息交流，传递信息。何谓数字通信？传输数字信息。何谓信息？这是一个抽象概念，香农信息论的定义，信息是事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。通信：信息 消息 信号 第1章绪论 数字通信系统一般模型第1章绪论 1.信源信源信源是信息的来源地，其作用是产生信息。但是信源直接输出的是以符号形式表现的具体消息，信息蕴含在这些消息中。消息有多种形式，但可以归纳为两类：离散消息，例如由字母、文字、数字等各种符号组成的符号序列或单个符号

4、；连续消息，例如语音、视频等在时间上连续的信号。信源的核心问题是信源符号的概率如何分布信源符号的概率如何分布，它包含多少信息，用香农信息论的术语来说，就是信源的熵是多少信源的熵是多少。第1章绪论 2.编码器与译码器编码器与译码器编码是对消息符号进行处理的过程，或者说是把消息变换成信号的过程，而译码就是编码的反变换。编码器分为三种：信源编码、信道编码、加密编码。2.1 信源编码作用：（1）把信源发出的消息转换成由码元符号(一般为m进制码元)组成的码元符号序列，形成基带信号；（2）压缩信源冗余度，减少传输所需的码率。目的：提高通信系统传输消息的有效性有效性，即用尽量少的比特来表示信源内含的信息。第

5、1章绪论 评价指标：编码效率，即理论上所需的码率与实际码率之比。2.2 信道编码 作用：（1）使信号适合在具体的信道上传输；（2）增加一些监督码元，使之具有检错或纠错的能力。目的：提高通信系统传输消息的可靠性可靠性，即保证收发端的信号尽可能一样。分析：由于信道编码会增加冗余的监督码元，因而会增大码率，这正好与信源编码相反。第1章绪论 2.3 加密编码 作用：隐藏码元符号中的信息内容，防止信号在传输过程中信息被泄露。目的：提高通信系统传输信息的安全性安全性，即保证信息不被泄漏。译码器与编码器一一对应，其作用是对接收到的编码信号(已叠加了干扰)进行反变换，以尽可能准确地恢复原始的信源符号。第1章绪

6、论 3.信道与干扰源信道与干扰源 3.1 信道信道 信道是传输消息的通道，或者说是传输物理信号的设施和媒介。在狭义的通信系统中，实际信道有明线、电缆、波导、光纤、无线电波传播空间等等。对广义的通信系统来说，信道还可以是其他的传输媒介，如纸、光盘等。信道的主要问题是单位时间内它能够不失真传送多少信单位时间内它能够不失真传送多少信息息，即信道容量的大小。第1章绪论 3.2 干扰 信息在处理和传输的每个环节都可能造成信号发生畸变，这些被建模成噪声和干扰。为了分析方便，一般把在系统其他部分产生的干扰和噪声也等效地折合成信道干扰，看成是由一个噪声源产生的，作用于所传输的信号上。这样，信道输出的是已叠加了

7、干扰的信号。4.信宿信宿信宿是信息传递的对象，即信息的目的地。信宿关心的问题是能够从收到的消息中收到或提取多少有用信息能够从收到的消息中收到或提取多少有用信息。第1章绪论 1.2常见的媒体信号常见的媒体信号媒体（Media）就是人与人之间实现信息交流的中介，简单地说，就是信息的载体，也称为媒介。常见的媒体信号主要包括下面几种：(1)文字(Text)：文字是语言的书写符号系统，是记录语言的书写形式。(2)图像(Image)：一般指如照片、图片等，采用位图形式进行存储。就色彩而言，图像一般分为单色图像、灰度图像和彩色图像三大类。(3)图形(Graphic)：图形是指采用某种算法语言或应用软件生成的

8、矢量化图形，一般采用数学方法进行描述，具有体积小、线条圆滑变化等特点。第1章绪论(4)音频(Audio)：人类能够听到的所有声音信号的总称，其频率范围在20 Hz20 kHz左右。语音是一类特殊的音频信号，单指由人发声器官发出的各种声音信号。(5)视频(Video)：视频信号是动态播放的图像。利用人眼的视觉暂留效应，当每秒钟播放24幅以上内容连续变化的静态图像时，人眼无法辨别单幅的静态画面，看上去是平滑连续的动态图像，即视频。第1章绪论 1.3媒体信号编码的必要性媒体信号编码的必要性 （1）信息时代、每天产生海量数字信息 （2）海量信息如何进行传输？进一步，如何提供实时传输？（3）海量信息如何

9、进行保存？第1章绪论 e.g.1 语音：语音信号的带宽一般04 kHz，奈奎斯特采样定理，对应采样频率为8 kHz，一般采用8位压扩量化，原始的未经压缩的数字信号的码率为I=88=64 kbps。目前，长途电话的带宽为32kbps，GSM移动通信中，全速率用户的通信带宽为13kbps，半速率为6.5kbps。为实现实时语音通信，原始语音信号必须要进行信源编码。如GSM半速率语音通信速率仅为原始语音信号速率的1/8左右；实际上，语音信号还可以压缩得更低。好处：相同带宽能够提供更多通话路数，节省带宽资源和信道资源，从而也降低了成本。第1章绪论 e.g.2 图像：一幅20321354像素、每像素采用

10、8 bit量化的灰度图像，需要2.7 MB左右的存储空间。同样大小的彩色图像，则需要8.1 MB左右的存储空间。一个存储容量为1G的数码相机，仅能拍摄存储126张未经压缩的20321354像素的彩色图片。实际上，现在的数码相机一般都会采用JPEG静态图像压缩技术，该技术能根据图像内容动态调整压缩比例，但一般都能达到101的压缩比例。这就是说，一个存储容量为1G的数码相机，至少能拍摄存储1200张以上20321354大小的彩色图片，这对大多数应用已经足够。第1章绪论 e.g.3 视频：在语音、音频、视频等媒体信号实时通信中，高清晰视频(High Definition Television,HDT

11、V)信号需要的传输带宽无疑是最高的。HDTV的图像大小一般为19201080个像素，每秒钟60帧，一般按422的格式采样亮度信号和色度信号，每秒钟的数码率高达1.85 Gb/s。这就是说，一分钟的未经压缩编码的HDTV信号需要高达13.9 GB的存储空间，而一部HDTV格式的电影一般都时长90分钟。可见，如果没有视频压缩编码技术，实时传输和存储未经压缩的HDTV信号几乎是不可能的。第1章绪论 总结：(1)节省媒体信号在各种信道上的传输时间，使信息交流更加快速，即时间域时间域压缩；(2)减少媒体信号在实时传输时的带宽要求，或者增加现有信道可开展的业务，即频率域频率域压缩；(3)减少媒体信号在通信

12、时的能量消耗，降低通信设备的发射功率等，即能量域能量域压缩；(4)减少媒体信号存储时所需的内存空间，即空间域空间域压缩。第1章绪论 1.4媒体信号压缩编码的分类媒体信号压缩编码的分类 1.信号编码的一般模型信号编码的一般模型媒体信号经过数字化后，转换成数据信号。媒体信号数据的压缩编码就是以尽量少的数据来表示原始媒体信号的信息，其一般模型如图所示。第1章绪论(1)建模表达。根据要解决的问题，建立一个客观的数学模型，以便能更有效或更紧凑地重新表达原始数据信号，减少数据中的冗余，得到与原始数据信号相关但又不同的模型参数数据。(2)二次量化。用更简洁的数码表示得到的模型参数数据。对具体的应用来说，如果

13、模型参数数据的精度高于实际需要的精度，就可以重新量化这些模型参数，降低表示这些参数所需要的数据量。由于从模拟信号转换到数字信号时已经经过了一次量化，因此此处称为二次量化。第1章绪论(3)熵编码。对模型参数的量化表示或消息流进行码字分配，得到最后的压缩码流。此时一般要求编码后的码流能不失真地反映模型参数的量化符号，即能保持量化后信号的熵，所以称之为熵编码。在上述三个步骤中：步骤(1)既可以为可逆过程，也可以为不可逆过程；步骤(2)一般都为不可逆过程；步骤(3)一般为可逆过程。可逆或不可逆是指能否由经过处理后的数据无差错地恢复出处理前的数据。如果能无误差地恢复，则为可逆过程；反之为不可逆过程。第1

14、章绪论 2.信号压缩编码分类信号压缩编码分类媒体信号的压缩编码方法可根据编码过程中是否采用不可逆过程分为两类，即可逆压缩编码和不可逆压缩编码。可逆压缩编码又叫做冗余度压缩、无失真编码、熵保持编码等，其核心是可以由压缩码流无失真、无差错地恢复出原始码流。不可逆压缩又叫做熵压缩、有失真编码，其核心是不能由压缩码流无差错、无失真地恢复出原始码流。香农在创立信息论时指出，数据是信息与冗余度的组合，熵编码的目的就是要去除数据中的冗余度。第1章绪论 e.g.4 设想我们从森林将一批大小不一的圆木(数据)装上一辆卡车,并将其运输(通过信道传输)到木材加工厂。目标是降低运输成本，主要手段是在同一辆车上装更多的

15、圆木，或减轻每车圆木的重量，另外也关注圆木的形状是否发生变化（发生变化意味着有失真）。具体方法：（1）多装一些圆木最简单的方法就是有序地摆放圆木。这是因为随机摆放圆木的话，圆木之间的间隙会很大(外在冗余度)，有序摆放可以减少间隙(外在冗余度去除)，从而可以在同一辆卡车上装载更多的圆木。第1章绪论（2）由于湿的圆木比较重，体积也有所膨胀(存在“内在冗余度”水分)，这对降低运输成本都是不利的。因此我们可以将这些木材晾干(内在冗余度去除)后再运输。（3）如果木材加工厂允许我们对圆木进行少量的初加工，比如去掉树皮、将圆木加工成方木、将木材加工成标准长度等，并且这些加工过程中的废料都会被扔掉，则同一辆卡

16、车上必然能装载更多的木材。第1章绪论 由这个例子我们可以给出一些压缩编码的基本概念和结论：有冗余度就可以压缩(随机摆放圆木有较大空隙，湿的圆木内部有水分)；压缩只能在一定限度内可逆(圆木形状不发生改变)；超过一定的限度，必然带来失真(如去掉圆木树皮、圆木变方木、加工圆木至标准长度等,这些措施都会使得圆木的形状发生改变)；允许的失真越大，压缩的比例也越大(极端情况下，圆木因初加工被抛弃，没有圆木需要运输)。第1章绪论 小波变换压缩编码（压缩比小波变换压缩编码（压缩比28%）第1章绪论 1.5 媒体信号压缩编码标准媒体信号压缩编码标准 1.音频编解码标准音频编解码标准音频编码始于20世纪70年代的

17、脉冲编码调制(PCM)，并按语音编码和音频编码两条路线发展。音频编码关键技术包括：心理声学模型、时频变换、窗切换、时域噪声整形、带宽扩展、立体声编码、空间音频编码等。语音编码关键技术包括：PCM、ADPCM、SB-ADPCM、线性预测、码激励线性预测(CELP)、代数码激励线性预测(ACELP)等。第1章绪论 主要的音频编码算法和标准主要的音频编码算法和标准第1章绪论 主要的语音编码算法和标准主要的语音编码算法和标准第1章绪论 2.图像与视频编码图像与视频编码图像与视频编码最早出现于1948年Shannon和他的两个学生Oliver与Pierce联合发表的对电视信号进行脉冲编码调制的论文中，这

18、标志着数字图像与视频压缩编码技术的开端。1969年,在美国举行的首届“图像编码会议(Picture Coding Symposium)”表明图像编码以独立的学科跻身于学术界。近半个世纪以来，图像以视频压缩编码技术早已走出实验室，广泛应用于信息社会的各个领域。第1章绪论 主要的媒体信号压缩编码标准及应用主要的媒体信号压缩编码标准及应用第1章绪论 lHETV/H.265 2013.2月月ITU批准批准l高效视频编码高效视频编码(High Efficiency Video Coding)l华为公司是该标准主导者华为公司是该标准主导者l在相同的图象质量下，相比于在相同的图象质量下，相比于H.264，通

19、过，通过H.265编码的编码的视频大小将减少大约视频大小将减少大约39-44%l在码率减少在码率减少51-74%的情况下，的情况下，H.265编码视频的质量还能编码视频的质量还能与与H.264编码视频近似甚至更好编码视频近似甚至更好主要的媒体信号压缩编码标准及应用主要的媒体信号压缩编码标准及应用第1章绪论 l以编码单位来说，以编码单位来说，H.264中每个宏块中每个宏块(macroblock/MB)大大小都是固定的小都是固定的16x16像素，而像素，而H.265的编码单位可以选择的编码单位可以选择从最小的从最小的8x8到最大的到最大的64x64lH.263可以可以24Mbps的传输速度实现标准

20、清晰度广播级数的传输速度实现标准清晰度广播级数字电视（符合字电视（符合CCIR601、CCIR656标准要求的标准要求的720*576）；）；而而H.264由由 于算法优化，可以低于于算法优化，可以低于2Mbps的速度实现标清的速度实现标清(SD)数字图像传送；数字图像传送；H.265 High Profile 可实现低于可实现低于1.5Mbps的传输带宽下，实现的传输带宽下，实现1080p全高清全高清(Full HD)视频视频传输传输lH.265也支持也支持4K(40962160)和和8K(81924320)超高清超高清(UHD)视频视频主要的媒体信号压缩编码标准及应用主要的媒体信号压缩编码标准及应用第1章绪论 主要的媒体信号压缩编码标准及应用主要的媒体信号压缩编码标准及应用第1章绪论 主要的媒体信号压缩编码标准及应用主要的媒体信号压缩编码标准及应用