现代通信技术基础(蒋青主编)第8章分析.ppt

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1、第八章第八章 多媒体通信技术多媒体通信技术 8.1 8.1 多媒体通信概述多媒体通信概述8.2 8.2 多媒体音频技术多媒体音频技术 8.3 8.3 多媒体图像视频技术多媒体图像视频技术 8.4 8.4 多媒体通信系统多媒体通信系统 8.5 IP8.5 IP多媒体子系统多媒体子系统 8.1 8.1 多媒体通信概述多媒体通信概述 8.1.1 媒体和多媒体的基本概念媒体和多媒体的基本概念国际电信联盟国际电信联盟ITU-TITU-T把媒体分成把媒体分成5 5大类大类（1 1）感觉媒体）感觉媒体作作用用人人的的感感觉觉器器官官，直直接接产产生生感感觉觉的的一一类类媒媒体体。如如各各种种语语言、音乐、自

2、然界的各种音乐等。言、音乐、自然界的各种音乐等。（2 2）表示媒体）表示媒体为为了了有有效效传传输输、存存储储、加加工工和和处处理理感感觉觉媒媒体体而而人人为为研研究究、构构造造出出的的一一种种媒媒体体。如如文文本本编编码码、语语言言编编码码、图图像像和和视视频频编码等。编码等。（3 3）表现媒体）表现媒体 是是感感觉觉媒媒体体和和通通信信中中的的电电信信号号之之间间进进行行转转换换的的一一种种媒媒体体。分为输入表现媒体和输出表现媒体两种。分为输入表现媒体和输出表现媒体两种。（4 4）存储媒体）存储媒体存储表示媒体的物理介质。如：纸张、磁盘、光盘等。存储表示媒体的物理介质。如：纸张、磁盘、光盘

3、等。（5 5）传输媒体）传输媒体 将将媒媒体体从从一一处处传传送送到到另另一一处处的的物物理理载载体体。如如同同轴轴电电缆缆、双绞线、光纤、自由空间等。双绞线、光纤、自由空间等。根根据据上上述述分分类类，可可从从两两个个层层面面来来理理解解媒媒体体：一一是是媒媒体体是是存存储储和和传传递递信信息息的的物物理理载载体体；另另一一个个是是媒媒体体是是信信息息的的表表现现形形式，如文字、声音、图像、视频等。式，如文字、声音、图像、视频等。8.1.2 多媒体信息的主要类型多媒体信息的主要类型1、文本、文本是是用用文文字字和和各各种种专专用用符符号号表表达达信信息息的的一一种种形形式式。主主要要用用于于

4、对对知知识识的的描描述述性性表表示示，如如阐阐述述概概念念、定定义义、原原理理和和问问题题以及显示标题、菜单等内容。以及显示标题、菜单等内容。2、图像、图像是是记记录录在在介介质质上上的的客客观观景景物物的的映映像像，如如照照片片、电电影影、电电视等。图像是多媒体中最重要的信息表现形式之一。视等。图像是多媒体中最重要的信息表现形式之一。3、动画、动画利利用用人人的的视视觉觉暂暂留留特特性性，快快速速播播放放一一系系列列连连续续运运动动变变化化的的图图形形图图像像，包包括括画画面面的的缩缩放放、旋旋转转、变变换换、淡淡入入淡淡出出等等特特殊殊效效果果。动动画画用用于于教教学学中中，可可以以把把抽

5、抽象象的的内内容容形形象象化化，使许多难以理解的教学内容变得生动有趣。使许多难以理解的教学内容变得生动有趣。4、声音、声音是是人人们们用用来来传传递递信信息息、交交流流感感情情最最方方便便、最最熟熟悉悉的的方方式式之之一一。在在多多媒媒体体技技术术中中，按按其其表表达达形形式式，可可将将声声音音分分为为讲讲解、音乐、效果三类。解、音乐、效果三类。5、视频影像、视频影像视视频频影影像像具具有有时时序序性性与与丰丰富富的的信信息息内内涵涵，常常用用于于交交待待事事物物的的发发展展过过程程。视视频频非非常常类类似似于于我我们们熟熟知知的的电电影影和和电电视视，有声有色，在多媒体中充当起重要的角色。有

6、声有色，在多媒体中充当起重要的角色。8.1.3 多媒体通信及其主要特征多媒体通信及其主要特征1 1、集成性、集成性 多媒体信息的集成和处理这些媒体的设备与设施的集成。多媒体信息的集成和处理这些媒体的设备与设施的集成。2 2、交互性、交互性 是是指指在在通通信信系系统统中中人人与与系系统统之之间间的的相相互互控控制制能能力力。有有两两个个方方面面的的内内容容。其其一一是是人人机机接接口口，其其二二是是用用户户终终端端与与系系统统之之间的应用层通信协议。间的应用层通信协议。3 3、同步性、同步性是是指指多多媒媒体体通通信信终终端端上上显显示示的的图图像像、声声音音和和文文字字必必须须以以同同步步方

7、方式式工工作作。多多媒媒体体通通信信系系统统中中通通过过网网络络传传送送的的多多媒媒体体信信息息必须保持其时间对应关系，即同步关系。必须保持其时间对应关系，即同步关系。8.1.3 多媒体通信业务类型多媒体通信业务类型1 1、交互型业务、交互型业务在在用用户户之之间间或或用用户户与与主主机机之之间间提提供供双双向向信信息息交交换换的的业业务务，又又可可分为：分为：（1 1）会话型业务）会话型业务以以实实时时端端到到端端的的信信息息传传送送方方式式提提供供用用户户之之间间或或用用户户与与主主机机之之间间的的双双向向通通信信。如如：电电话话、会会议议电电视视、InternetInternet接接入入

8、、数数据据通通信信以及交互式视频娱乐。以及交互式视频娱乐。（2 2）消息型业务）消息型业务通通过过具具有有存存储储转转发发和和消消息息处处理理功功能能的的存存储储单单元元，提提供供用用户户对对用用户户的的非非实实时时通通信信。如如电电子子信信箱箱、语语音音信信箱箱、视视频频邮邮件件、文文件件传传递等。递等。（3）检索型业务）检索型业务用用户户能能够够检检索索存存储储在在信信息息中中心心的的信信息息。该该信信息息只只在在用用户户需需要要时时才才送送至至用用户户，信信息息能能够够单单个个地地受受到到检检索索，而而且且，信信息息序序列列开开始始的的时时间间是是由由用用户户控控制制的的。如如：宽宽带带

9、可可视视图图文文、图图像像检检索业务、文件检索业务、数据检索业务。索业务、文件检索业务、数据检索业务。2、分配型业务、分配型业务是是由由网网络络的的一一个个给给定定点点向向其其它它多多个个位位置置传传送送单单向向信信息息流流的的业业务务。又又分分为为不不由由用用户户控控制制的的分分配配型型业业务务和和由由用用户户控控制制的的分分配型业务。配型业务。（1）不由用户控制的分配型业务）不由用户控制的分配型业务该该类类业业务务是是一一种种广广播播业业务务，提提供供连连续续的的信信息息流流，并并把把这这些些信信息息流流从从中中心心源源分分配配至至网网络络中中有有权权接接收收的的用用户户，用用户户不不能能

10、控控制制广广播播信信息息的的起起始始时时间间和和顺顺序序。包包括括：常常规规电电视视分分配配型型业业务务、数字电视分配型业务、音乐节目分配型业务等。数字电视分配型业务、音乐节目分配型业务等。（2）用户控制的分配型业务）用户控制的分配型业务该该类类业业务务为为点点播播型型的的，这这类类业业务务也也是是将将信信息息流流从从中中心心源源分分配配至至用用户户，但但用用户户可可以以控控制制节节目目的的起起停停和和顺顺序序。这这类类业业务务包包括括：全全频频道道广广播播视视频频通通信信，可可用用于于远远程程教教学学，新新闻闻检检索索和和节节目点播等。目点播等。8.1.4 多媒体通信的应用多媒体通信的应用

11、多多媒媒体体通通信信已已经经开开始始走走进进家家庭庭和和学学校校，多多媒媒体体技技术术已已经经应用到教育、科研、商业、医疗、企事业单位等许多领域。应用到教育、科研、商业、医疗、企事业单位等许多领域。1 1、多媒体走进家庭、多媒体走进家庭2 2、多媒体走进学校、多媒体走进学校（1 1）交互式学习）交互式学习（2 2）虚拟实验室和虚拟图书馆）虚拟实验室和虚拟图书馆3 3、多媒体技术在商业和企事业单位的应用、多媒体技术在商业和企事业单位的应用4 4、多媒体技术在医疗领域的应用、多媒体技术在医疗领域的应用5 5、多媒体技术在出版社的应用、多媒体技术在出版社的应用 8.2.1 8.2.1 声音信号及数字

12、化声音信号及数字化声声音音是是携携带带信信息息的的重重要要媒媒体体，是是多多媒媒体体技技术术研研究究的的主主要要内内容。声音信号由许多不同频率和幅度的分量信号组成的。容。声音信号由许多不同频率和幅度的分量信号组成的。亚音信号：频率小于亚音信号：频率小于20Hz20Hz的信号；的信号；音频信号：频率范围为音频信号：频率范围为20Hz20Hz20kHz20kHz信号；信号；话音信号：频率范围为话音信号：频率范围为3003003400Hz3400Hz声音信号；声音信号；超音频信号：高于超音频信号：高于20kHz20kHz的信号。的信号。8.2 多媒体音频技术多媒体音频技术在在多多媒媒体体技技术术中中

13、，处处理理的的信信号号主主要要是是音音频频信信号号，包包括括音音乐乐、话音、效果声等。话音、效果声等。话音信号是模拟信号，如图话音信号是模拟信号，如图8.18.1所示。所示。音音频频信信号号数数字字化化的的处处理理通通过过：采采样样、量量化化和和编编码码三三个个过过程程，可以把模拟的音频信号转换成数字音频信号。可以把模拟的音频信号转换成数字音频信号。在在多多媒媒体体技技术术中中，对对音音频频信信号号的的质质量量要要求求比比较较高高，通通常常选选用的采样频率为：用的采样频率为：11.025kHz11.025kHz、22.05kHz22.05kHz和和44.1kHz44.1kHz。图图8.1 ca

14、t单词中单词中ae发声的波形图发声的波形图8.2.2 数据量与声音质量数据量与声音质量音频信号经过数字化后产生的数据量的公式计算：音频信号经过数字化后产生的数据量的公式计算：例例：1 1分分钟钟双双声声道道立立体体声声，采采样样频频率率为为11.025kHz11.025kHz，量量化化比比特特数数为为8 8，通通过过使使用用上上面面的的公公式式计计算算，其其存存储储容容量量为为1.323MB1.323MB。数数字字化化激激光光光光盘盘CD-CD-DADA红红皮皮书书标标准准采采用用的的抽抽样样频频率率是是44.1kHz44.1kHz，量量化化比比特特数数为为1616，双双声声道道1 1分分钟，

15、其存储容量为钟，其存储容量为10.584MB10.584MB。音频质量越高，采样频率越大，数字化后数据量就很大。音频质量越高，采样频率越大，数字化后数据量就很大。8.2.3 音频压缩编码技术音频压缩编码技术模模拟拟音音频频数数字字化化后后的的数数据据量量很很大大，处处理理和和传传输输数数据据的的时时间间、和存储数据的容量也增加。因此，可采用压缩编码技术。和存储数据的容量也增加。因此，可采用压缩编码技术。1 1、音频压缩编码方法、音频压缩编码方法音音频频信信号号的的编编码码方方法法主主要要分分成成三三类类：波波形形编编码码、参参数数编编码码和混合编码。和混合编码。波形编码：直接对离散音频信号的样

16、值进行编码和传输；波形编码：直接对离散音频信号的样值进行编码和传输；参参数数编编码码：先先从从离离散散音音频频信信号号样样值值中中提提取取出出反反映映该该信信号号的的特征值，再对特征值进行编码处理和传输；特征值，再对特征值进行编码处理和传输；混合编码是前两种方法的综合应用。混合编码是前两种方法的综合应用。（1）波形编码）波形编码常用的编码方法有：常用的编码方法有：脉冲编码调制脉冲编码调制PCMPCM；差值脉冲编码调制差值脉冲编码调制DPCMDPCM；自适应差值脉冲编码调制自适应差值脉冲编码调制ADPCMADPCM；自适应变换编码自适应变换编码ATCATC；子带编码子带编码SBCSBC等。等。波

17、波形形编编码码的的优优点点是是简简单单、易易于于实实现现、可可获获得得较较高高的的语语音音质质量，缺点是压缩比不高。量，缺点是压缩比不高。（2 2）参数编码）参数编码 语语音音信信号号可可用用一一些些描描述述语语音音特特征征的的参参数数，如如基基音音周周期期、共共振振峰峰频频率率、清清/浊浊音音判判决决和和语语音音强强度度等等来来描描述述。发发送送端端通通过过分分析析后后提提取取语语音音的的特特征征参参数数，对对它它们们量量化化编编码码后后进进行行传传输输，接收端解码后用这些参数去激励发声模型即可重构发端语音。接收端解码后用这些参数去激励发声模型即可重构发端语音。特特点点：数数据据压压缩缩比比

18、很很高高，其其编编码码速速率率在在2.4kb/s2.4kb/s左左右右。合合成成语语音音的的音音质质较较差差。由由于于发发送送端端需需要要提提取取语语音音信信号号的的特特征征参参数，算法复杂，计算量大。数，算法复杂，计算量大。（3 3）混合编码技术）混合编码技术混合编码方法有：混合编码方法有：多脉冲线性预测（多脉冲线性预测（MP-LPCMP-LPC）；）；矢量和激励线性预测矢量和激励线性预测（VSELPVSELP）；）；码激励线性预测（码激励线性预测（CELPCELP）；）；短延时码激励线性预测码（短延时码激励线性预测码（LD-CELPLD-CELP）；）；长延时码激励线性预测码（长延时码激励

19、线性预测码（RPE-LTPRPE-LTP）等。等。特点：特点：提高了数据压缩比，又提高了合成语音质量提高了数据压缩比，又提高了合成语音质量 2 2、音频压缩编码的国际标准、音频压缩编码的国际标准国国际际电电信信联联盟盟国国际际标标准准化化部部ITU-TITU-T（原原CCITTCCITT）根根据据不不同同的质量要求，制定了一系列的音频压缩编码标准。的质量要求，制定了一系列的音频压缩编码标准。（1 1）G.711G.711标准标准CCITTCCITT于于19721972年年制制定定的的话话音音质质量量的的PCMPCM语语音音压压缩缩编编码码标标准准，数数据据率率为为64kb/s64kb/s，采采

20、用用非非均均匀匀量量化化技技术术，处处理理语语音音频频率率范范围为围为300Hz300Hz3400Hz3400Hz。（2 2）G.721G.721标准标准CCITTCCITT于于19841984年制定的，采用了年制定的，采用了ADPCMADPCM技术，对中等质量技术，对中等质量音频信号进行高效编码，数据率为音频信号进行高效编码，数据率为32kb/s32kb/s，适用于语音压适用于语音压缩、调幅广播质量的音频压缩和缩、调幅广播质量的音频压缩和CD-ICD-I音频压缩等应用中。音频压缩等应用中。（3）G.722标准标准CCITT在在1988年年制制定定的的，对对频频率率范范围围为为50Hz7000

21、Hz的的音音频频信信号号进进行行波波形形编编码码，将将音音频频频频带带以以4kHz为为界界分分成成高高低低两两个个子子带带，对对每每个个子子带带采采用用ADPCM编编码码。编编码码数数据据率率为为64kb/s。该标准主要用于视听多媒体、会议电视等应用中。该标准主要用于视听多媒体、会议电视等应用中。（4）G.728标准标准1992年年CCITT制制定定的的，使使用用基基于于短短时时延延码码本本激激励励线线性性预预测测编编码码（LDCELP）算算法法，编编码码速速率率为为16kb/s，质质量量与与32kb/s的的G.721标标准准相相当当，编编码码时时延延仅仅2ms，具具有有高高质质量量、低低码码

22、率率和和低时延的特点。主要用于综合业务数字网（低时延的特点。主要用于综合业务数字网（ISDN）。）。（5 5）G.729G.729标准标准ITU-TITU-T于于19951995年年制制定定的的，采采用用共共轭轭结结构构代代数数码码激激励励线线性性预预测测（CS-ACELPCS-ACELP）算算法法，编编码码速速率率为为8kb/s8kb/s，主主要要用用于于多多媒媒体体通信和通信和IPIP电话等领域。电话等领域。（6 6）MPEGMPEG音频压缩标准音频压缩标准是是ISOISO和和IECIEC制制定定的的高高保保真真立立体体声声音音频频压压缩缩编编码码标标准准。该该标标准准按按不不同同算算法法

23、分分为为三三个个层层次次，层层次次1 1和和层层次次2 2具具有有基基本本相相同同的的算算法法。输输入入信信号号经经过过4848、44.144.1和和32kHz32kHz频频率率采采样样后后，通通过过滤滤波波器器分分成成3232个个子子带带。编编码码器器利利用用人人耳耳的的掩掩蔽蔽效效应应，控控制制每每一一个个子子带带的的量量化化阶阶数数，完完成成数数据据压压缩缩。层层次次3 3引引入入了了辅辅助助子子带带、非非均均匀匀量量化化和和熵熵编编码码等等技技术术，进进一一步步压压缩缩数数据据。MPEGMPEG音音频频的的数据率为每声道数据率为每声道3232448kb/s448kb/s。（7 7）AC

24、-3AC-3系统系统AC-3AC-3系系统统不不是是国国际际标标准准，是是DolbyDolby公公司司于于19921992年年开开发发的的新新一一代代高高保保真真立立体体声声音音频频编编码码系系统统，目目的的是是为为美美国国的的全全数数字字式式高高清清晰晰度度电电视视（HDTVHDTV）提提供供高高质质量量的的伴伴音音。系系统统提提供供了了5 5个个声声道道的的从从20Hz20Hz20kHz20kHz的的全全通通带带频频响响，即即左左、右右声声道道、中中置置和和两两个个独独立立环环绕绕声声声声道道。另另外外，还还提提供供了了一一个个100Hz100Hz以以下下的的超超低低音音声声道道，也也称称

25、5.15.1声声道道。AC-3AC-3系系统统将将6 6个个声声道道的的信信息息进进行行数数字字编编码码，并并压压缩缩成成一一个个通通道道，比比特特率率仅仅为为320kb/s320kb/s。AC-3AC-3系系统统的的总总体体性性能能要要优优于于MPEGMPEG音音频频标标准准。该该系系统统在在激激光光影影碟碟（LDLD）、CDCD激激光光唱唱盘盘、VHSVHS录录像像带带、数数字字广广播播系系统统、电电视视广广播和有线电视登有着广泛的应用。播和有线电视登有着广泛的应用。8.3 8.3 多媒体图像视频技术多媒体图像视频技术8.3.1 8.3.1 数字图像基本概念数字图像基本概念图图像像是是一一

26、类类携携带带信信息息的的极极其其重重要要的的媒媒体体。人人们们获获取取信信息息的的70%70%以以上上来来自自视视觉觉系系统统。由由于于图图形形、图图像像、动动画画和和视视频频等等更更直观体现信息的内容，因此更容易被人接受。直观体现信息的内容，因此更容易被人接受。1 1、颜色与、颜色与RGBRGB图像格式图像格式任任何何一一种种颜颜色色都都可可用用红红（RedRed）、绿绿（GreenGreen）和和蓝蓝（BlueBlue）三三种种基基本本颜颜色色按按不不同同的的比比例例混混合合得得到到。某某一一种种颜颜色色和三种基本颜色之间的关系可用下面的式子来描述：和三种基本颜色之间的关系可用下面的式子来

27、描述：某种颜色某种颜色R R（红色百分比）红色百分比）G G（绿色百分比）绿色百分比）B B（蓝色百分比）蓝色百分比）如如果果每每个个像像素素的的每每个个颜颜色色分分量量用用8 8位位二二进进制制码码来来表表示示，每每个个分量的范围是分量的范围是0 0255255，这种图像表示方式称为，这种图像表示方式称为2424位彩色方式。位彩色方式。为为了了节节省省存存储储空空间间和和便便于于存存储储器器结结构构设设计计，图图像像表表示示方方式式可可采采用用1616位位彩彩色色方方式式，如如5 5位位表表示示R R，6 6位位表表示示G G，5 5位位表表示示B B。这种方法是通过对这种方法是通过对242

28、4位彩色方式做简单的截尾得到的。位彩色方式做简单的截尾得到的。在在计计算算机机显显示示系系统统中中，还还有有一一种种8 8位位彩彩色色方方式式，彩彩色色图图像像的的每每一一个个像像素素，用用8 8位位索索引引值值表表示示，按按照照索索引引值值在在一一个个查查找找表表（或或称称调调色色板板）中中获获得得该该像像素素真真正正的的彩彩色色R R，G G，B B的的值值。由由于于用用8 8位位表表示示的的256256种种索索引引值值只只能能表表示示256256种种颜颜色色，而而实实际际的的彩彩色色图像本身的色彩要丰富得多，因此，显示时有失真。图像本身的色彩要丰富得多，因此，显示时有失真。2 2、图像的

29、基本属性、图像的基本属性 图图像像的的基基本本属属性性有有分分辨辨率率、像像素素深深度度、真真/伪伪彩彩色色、图图像像表示法和种类。表示法和种类。(1)(1)显示分辨率和图像分辨率显示分辨率和图像分辨率显显示示分分辨辨率率是是指指显显示示屏屏上上能能够够显显示示出出的的像像素素数数目目，显显示示设设备备的的分分辨辨率率越越高高，显显示示的的图图像像质质量量就就越越好好。图图像像分分辨辨率率是是指指组组成成一一幅幅图图像像的的像像素素密密度度的的度度量量方方法法。对对同同样样大大小小的的一一幅幅图图，如如果果组组成成该该图图的的像像素素数数目目越越多多，则则说说明明图图像像的的分分辨辨率率越越高

30、高，看看起起来来就就越越逼逼真真。相相反反，图图像像显显得得越越粗粗糙糙。图图像像分分辨辨率率与与显显示分辨率是两个不同的概念。示分辨率是两个不同的概念。(2)(2)像素深度像素深度是是指指存存储储每每个个像像素素所所用用的的位位数数，像像素素深深度度决决定定彩彩色色图图像像的的每每个个像像素素可可能能有有的的颜颜色色数数，或或者者确确定定灰灰度度图图像像的的每每个个像像素素可可能有的灰度级数。能有的灰度级数。(3)(3)真彩色和伪彩色真彩色和伪彩色在在组组成成一一幅幅彩彩色色图图像像的的每每个个像像素素值值中中，有有R R，G G，B B三三个个基基色色分分量量，每每个个基基色色分分量量直直

31、接接决决定定显显示示设设备备的的基基色色强强度度，这这样样产生的彩色称为真彩色。产生的彩色称为真彩色。伪伪彩彩色色图图像像的的每每个个像像素素的的颜颜色色不不是是由由每每个个基基色色分分量量的的数数值值决决定定，而而是是把把像像素素值值当当作作彩彩色色查查找找表表的的表表项项入入口口地地址址，去去查查找找一一个个显显示示图图像像时时使使用用的的R R，G G，B B强强度度值值，用用查查找找出出的的R R，G G，B B强度值产生的彩色称为伪彩色。强度值产生的彩色称为伪彩色。3、彩色空间的线性变换、彩色空间的线性变换为为了了利利用用人人的的视视觉觉特特性性来来降降低低表表示示图图像像的的数数据

32、据量量，可可把把RGB空空间间表表示示的的彩彩色色图图像像变变换换到到其其它它彩彩色色空空间间。常常用用的的变变换换有有YIQ，YUV和和YCrCb三三种种，每每一一种种彩彩色色空空间间都都会会产产生生一一种种亮亮度度分分量量信信号号和和两两种种色色度度分分量量信信号号。而而每每一一种种变变换换使使用用的的参参数都是为了适应某种类型的显示设备。数都是为了适应某种类型的显示设备。YIQ适用于适用于NTSC彩色电视制式；彩色电视制式；YUV适用于适用于PAL和和SECAM彩色电视制式；彩色电视制式；YCrCb适用于计算机用的显示器。适用于计算机用的显示器。（1）RGB和和YUV分量之间的转换关系转

33、换为：分量之间的转换关系转换为：Y=0.299R+0.587G+0.114B U=0.147R0.289G+0.436B0.492（B-Y）V=0.615R 0.515G0.100B0.877（R-Y）（2）RGB和和YIQ的转换关系为：的转换关系为：Y=0.299R+0.587G+0.114B I=0.596R-0.275G-0.321B Q=0.212R-0.523G+0.311B（3）YCrCb与与RGB的转换关系如下：的转换关系如下：Y 0.299R0.578G0.114B Cr（0.500R0.4187G0.0813B）128 Cb=（-0.1687R0.3313G0.500B）12

34、88.3.2 图像数据压缩编码技术图像数据压缩编码技术图像数据压缩主要根据：图像数据压缩主要根据：图图像像数数据据中中有有许许多多重重复复的的数数据据，使使用用数数学学方方法法来来表表示示这这些重复数据就可以减少数据量；些重复数据就可以减少数据量；利利用用人人的的眼眼睛睛对对图图像像细细节节和和颜颜色色的的辨辨认认的的极极限限，把把超超过过极限的部分去掉，这也可以达到压缩数据的目的。极限的部分去掉，这也可以达到压缩数据的目的。利利用用前前一一个个事事实实的的压压缩缩技技术术属属于于无无损损压压缩缩技技术术，利利用用后后一一个个事事实实的的压压缩缩技技术术属属于于有有损损压压缩缩技技术术。实实际

35、际的的图图像像压压缩缩是是综合使用了各种有损和无损压缩技术来实现的。综合使用了各种有损和无损压缩技术来实现的。1 1、熵编码、熵编码也也称称为为无无损损压压缩缩编编码码，用用于于去去除除图图像像数数据据的的统统计计冗冗余余。常常用的熵编码有：用的熵编码有：霍夫曼编码（霍夫曼编码（Huffman codingHuffman coding）游程长度编码（游程长度编码（RLCRLC，run-length codingrun-length coding）算术编码（算术编码（arithmetic codingarithmetic coding）（1 1）霍夫曼编码霍夫曼编码是是一一种种不不等等长长最最佳

36、佳编编码码方方法法，它它的的平平均均码码长长比比其其他他任任何何一一种有效的编码方法都短。霍夫曼编码的特点：种有效的编码方法都短。霍夫曼编码的特点：必须知道信源的概率分布，没有错误保护功能；必须知道信源的概率分布，没有错误保护功能；因因为为是是可可变变长长码码，很很难难随随意意查查找找或或调调用用压压缩缩文文件件中中间间的的内容，然后再译码。内容，然后再译码。（2 2）游程长度编码）游程长度编码 是是一一种种高高效效的的压压缩缩技技术术，能能获获得得的的压压缩缩比比有有多多大大，这这主主要要是是取取决决于于图图像像本本身身的的特特点点。如如果果图图像像中中具具有有相相同同颜颜色色的的图图像像块

37、块越越大大，图图像像块块数数目目越越少少，获获得得的的压压缩缩比比就就越越高高。反反之之，压缩比就越小。压缩比就越小。适适用用于于计计算算机机生生成成的的图图像像，对对减减少少图图像像文文件件的的存存储储空空间间非非常常有有效效。不不适适合合自自然然图图像像的的压压缩缩。如如果果和和其其他他压压缩缩编编码码技技术术综综合合起起来来使使用用，如如与与变变换换编编码码结结合合使使用用还还是是可可以以用用于于自自然然图像的压缩。图像的压缩。（3 3）算术编码）算术编码 算算术术编编码码跳跳出出了了分分组组编编码码的的范范畴畴，从从全全序序列列出出发发，采采用用递递推推形形式式的的连连续续编编码码。它

38、它不不是是将将单单个个的的信信源源符符号号映映射射成成一一个个码码字字，而而是是将将整整个个输输入入符符号号序序列列映映射射为为实实数数轴轴上上11，00区区间间内内的的一一个个小小区区间间，其其长长度度等等于于该该序序列列的的概概率率。而而在在该该小小区区间间内内选选择择一一个个代代表表性性的的二二进进制制小小数数，作作为为实实际际的的编编码码输输出出，从从而而达达到到高高效效的的编编码码效效率率的的目目的的。关关于于算算法法编编码码的的具具体体编编码码方方法法请请参参阅阅其其他他相相关关参参考考资资料料。算算术术编编码码在在已已经经在在图图像像数数据据压压缩标准，如缩标准，如JPEGJPE

39、G，H.263H.263中使用。中使用。2 2、预测编码、预测编码在一副图像内进行的预测编码称为帧内预测编码；在一副图像内进行的预测编码称为帧内预测编码；在多幅图像之间进行的预测编码称为帧间预测编码。在多幅图像之间进行的预测编码称为帧间预测编码。预预测测编编码码是是根根据据图图像像数数据据的的空空间间和和时时间间冗冗余余特特性性，用用相相邻邻的的已已知知像像素素（或或图图像像块块）来来预预测测当当前前像像素素（或或图图像像块块）得得到到预预测测值值，然然后后把把当当前前像像素素（或或图图像像块块）减减去去预预测测值值得得到到一一个个差差值值信信号号，再再对对该该差差值值信信号号进进行行量量化化

40、和和编编码码。这这些些相相邻邻像像素素或或图图像像块块可可以以是是同同行行的的，也也可可以以是是前前几几行行或或前前几几帧帧的的，相相应应的的预预测测编编码码分分别别称称为为一一维维、二二维维和和三三维维预预测测，其其中中一一维维和和二二维预测是帧内预测，三维预测属于帧间预测。维预测是帧内预测，三维预测属于帧间预测。（1 1）帧间预测编码）帧间预测编码 利利用用视视频频序序列列相相邻邻帧帧间间的的相相关关性性，即即图图像像数数据据的的时时间间冗冗余余来来达达到到压压缩缩的的目目的的，可可以以获获得得比比帧帧内内预预测测编编码码高高得得多多的的压压缩缩比比。帧帧间间预预测测一一般般是是针针对对图

41、图像像块块的的预预测测编编码码，主主要要方方法法有有帧帧重重复复法法、帧帧内内插插法法、运运动动补补偿偿法法、自自适适应应交交替替帧帧内内、帧帧间间编编码码法法等等。其其中中运运动动补补偿偿预预测测编编码码效效果果最最好好，已已成成为为各各种种图图像像/视频编码标准所采用。视频编码标准所采用。3 3、变换编码、变换编码通通过过信信号号变变换换来来消消除除图图像像数数据据空空间间相相关关性性的的一一种种有有效效的的方方法法。尽尽管管图图像像变变换换本本身身不不能能对对数数据据进进行行压压缩缩，但但由由于于变变换换后后系系数数之之间间的的相相关关性性明明显显降降低低，图图像像的的大大部部分分能能量

42、量只只集集中中到到少少数数几几个个变变换换系系数数上上，采采用用适适当当的的量量化化和和熵熵编编码码可可以以有有效效地地压压缩缩图图像像的的数数据据量量。而而且且图图像像经经某某些些变变换换后后，系系数数的的空空间间分分布布和和频频率率特特性性能能与与人人眼眼的的视视觉觉特特性性匹匹配配，因因此此可可以以利利用用人人的的视视觉系统和生理和心理特点来得到较好的编码系统觉系统和生理和心理特点来得到较好的编码系统。8.3.3 8.3.3 图像数据压缩国际标准图像数据压缩国际标准图图像像编编码码技技术术的的快快速速发发展展和和广广泛泛应应用用，其其标标志志就就是是图图像像编编码码国国际际标标准准的的制

43、制定定。图图像像数数据据压压缩缩国国际际标标准准主主要要由由国国际际标标准准化化组组织织ISOISO和和国国际际电电信信联联盟盟ITU-TITU-T制制定定的的。对对于于静静止止图图像像的的压压缩缩，ISOISO有有JPEGJPEG标标准准，ITU-TITU-T有有T.81T.81标标准准；对对于于不不同同速速率率的的彩彩色色视视频频图图像像，ISOISO有有MPEG-1MPEG-1和和MPEG-2MPEG-2标标准准，ITU-TITU-T有有H.261H.261标标准准；对对于于用用于于多多媒媒体体通通信信的的低低码码率率视视频频图图像像，ISOISO有有MPEG-4MPEG-4和和MPEG

44、-7MPEG-7标准，而标准，而ITU-TITU-T有有H.263H.263和和H.264H.264标准。标准。1 1、静止图像压缩标准、静止图像压缩标准JPEGJPEG JPEGJPEG是是ISO/IECISO/IEC联联合合图图像像专专家家组组制制定定的的、适适用用于于连连续续色色调调（包包括括灰灰度度和和彩彩色色）的的静静止止图图像像压压缩缩标标准准。该该标标准准在在彩彩色色图图像像传传真真、会会议议电电视视、卫卫星星图图片片、图图像像文文献献资资料料、医医疗疗图图像像以以及新闻图片的传输和保存中有着广泛的应用。及新闻图片的传输和保存中有着广泛的应用。2 2、H.261H.261 H.2

45、61H.261是是ITU-TITU-T在在19901990年年针针对对可可视视电电话话和和会会议议电电视视、窄窄带带ISDNISDN等等要要求求实实时时编编解解码码和和低低延延时时应应用用提提出出的的一一个个视视频频压压缩缩编编码码标标准准，也也称称p64kbit/sp64kbit/s视视频频编编码码标标准准，其其中中p p是是一一个个取取值值范范围围为为1 13030的的整整数数。当当p p1 1或或2 2时时，适适用用于于可可视视电电话话，当当p p6 63030时，支持帧频（即每秒帧数）较高的电视会议。时，支持帧频（即每秒帧数）较高的电视会议。3、H.263 H.263H.263是是IT

46、U-TITU-T于于19951995年年制制定定的的为为低低比比特特率率应应用用制制定定的的视视频频压压缩缩标标准准，目目的的是是利利用用速速率率小小于于64kb/s64kb/s的的PSTNPSTN网网和和无无线线移移动动网网开开展展可可视视电电话话业业务务。H.263H.263视视频频编编码码的的综综合合能能力力比比H.261H.261有有较较大大的的提提高高，被被认认为为是是以以像像素素为为基基础础的的DCT/MCDCT/MC（运运动动估估计计）混合编码所能达到的最佳结果。混合编码所能达到的最佳结果。19961996年年以以后后几几年年里里ITU-TITU-T进进一一步步完完善善H.263

47、H.263算算法法，于于19981998年年推推出出了了H.263+H.263+建建议议草草案案。H.263+H.263+进进一一步步提提高高编编解解码码器器的的总总体性能，尤其是在抗信道干扰方面作了许多重要的改进。体性能，尤其是在抗信道干扰方面作了许多重要的改进。在在20002000年年ITUITU又推出了又推出了H.263+H.263+。4、MPEG-1 MPEG-1MPEG-1是是ISO/IECISO/IEC运运动动图图像像专专家家组组MPEGMPEG于于19931993年年制制定定的的用用于于数数字字存存储储媒媒体体运运动动图图像像及及其其伴伴音音的的国国际际编编码码标标准准，主主要要

48、使使用在光盘存储、用在光盘存储、VCDVCD、消费视频和视频监控等应用中。消费视频和视频监控等应用中。该该标标准准的的比比特特率率不不超超过过1.5Mb/s1.5Mb/s，其其中中1.1Mb/s1.1Mb/s用用于于视视频频，128kb/s128kb/s用用于于音音频频，其其余余带带宽宽用用于于MPEGMPEG系系统统本本身身。采采用用的的主主要要编编码码技技术术有有：JPEGJPEG所所有有的的技技术术、自自适适应应量量化化、运运动动补补偿偿预预测、双向运动补偿和半像素运动估计。测、双向运动补偿和半像素运动估计。5、MPEG-2 MPEG-2MPEG-2是是MPEGMPEG组组织织在在199

49、51995年年推推出出的的，是是在在MPEG-1MPEG-1标标准准基基础础上上的的扩扩展展和和改改进进，主主要要是是针针对对数数字字视视频频广广播播、高高清清晰晰度度电电视视HDTVHDTV和和数数字字视视盘盘等等制制定定的的4 49Mb/s9Mb/s的的运运动动图图像像及及其其伴伴音音的的编码标准，编码标准，MPEG-2MPEG-2是数字电视机顶盒与是数字电视机顶盒与DVDDVD等产品的基础。等产品的基础。采采用用的的核核心心技技术术是是分分块块DCTDCT和和帧帧间间运运动动补补偿偿预预测测技技术术。MPEG-2MPEG-2视视频频允允许许数数据据速速率率高高达达100Mb/s100Mb

50、/s，支支持持隔隔行行扫扫描描视视频频格格式式和和许许多多高高级级性性能能。MPEG-2MPEG-2专专门门设设置置了了“按按帧帧编编码码”和和“按按场场编编码码”两两种种模模式式，并并相相应应地地对对运运动动补补偿偿和和DCTDCT方方法法进进行行了了扩扩展展，提提高高了了压压缩缩编编码码效效率率。考考虑虑到到标标准准的的通通用用性性，MPEG-2MPEG-2允许有更大的画面格式、比特率和运动矢量长度。允许有更大的画面格式、比特率和运动矢量长度。5、MPEG-4 MPEG-4MPEG-4是是ISOISO于于19981998年年1010月月正正式式公公布布的的一一种种具具有有交交互互性性、通通