多媒体技术与通信第2章.ppt

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1、第二章第二章 多媒体信息处理的必要性和可行性多媒体信息处理的必要性和可行性2.1 多媒体信息的特点多媒体信息的特点2.2 信息压缩的必要性信息压缩的必要性2.3 信息压缩的可行性信息压缩的可行性2.4 信息压缩技术的性能指标信息压缩技术的性能指标2.1 多媒体信息的特点多媒体信息的特点数据量庞大数据量庞大码率可变、突发性强码率可变、突发性强复合性信息多，同步性、实时性要求高复合性信息多，同步性、实时性要求高2.2 信息压缩的必要性信息压缩的必要性 以一般彩色电视信号为例，设代表光强、以一般彩色电视信号为例，设代表光强、色彩和色饱和度的色彩和色饱和度的YIQ空间中各分量的带宽空间中各分量的带宽分

2、别为分别为4MHz、1.3MHz和和0.5MHz。2.2 信息压缩的必要性信息压缩的必要性 根据采样定理，仅当采样频率大于或等于根据采样定理，仅当采样频率大于或等于2倍的原始信号的频率时，才能保证采样后倍的原始信号的频率时，才能保证采样后的信号可能被无失真地恢复为原始信号。的信号可能被无失真地恢复为原始信号。再设各样点均被数字化再设各样点均被数字化8bit，从而，从而1秒钟秒钟的电视信号的数据量为的电视信号的数据量为(4+1.3+0.5)28bit=92.8Mbit。各种信号的特性和未压缩速率各种信号的特性和未压缩速率2.3 信息压缩的可行性信息压缩的可行性 前提条件：前提条件：I=D-r其中

3、，其中，I、D、r 分别为信息量、分别为信息量、数据量数据量与冗余量。与冗余量。2.3 信息压缩的可行性信息压缩的可行性 在图像数据中，一般存在以下一些数据冗在图像数据中，一般存在以下一些数据冗余类型。余类型。u 空间冗余：在任何一幅图像中，均有许多空间冗余：在任何一幅图像中，均有许多灰度和颜色都相同的邻近像素组成的局部区灰度和颜色都相同的邻近像素组成的局部区域，它们形成了一个性质相同的集合块，在域，它们形成了一个性质相同的集合块，在图像中就表现为空间冗余。图像中就表现为空间冗余。2.3 信息压缩的可行性信息压缩的可行性 2.3 信息压缩的可行性信息压缩的可行性 对空间冗余的压缩方法就是把这种

4、集合对空间冗余的压缩方法就是把这种集合块当做一个整体，用极少的数据量来表示它，块当做一个整体，用极少的数据量来表示它，从而节省了存储空间。这种压缩方法叫空间从而节省了存储空间。这种压缩方法叫空间压缩或帧内压缩，它的基本点在于减少邻近压缩或帧内压缩，它的基本点在于减少邻近像素之间的空间相关性。像素之间的空间相关性。2.3 信息压缩的可行性信息压缩的可行性 u 时间冗余：活动图像中的两幅相邻的图像时间冗余：活动图像中的两幅相邻的图像有较大的相关性，这反映为时间冗余。有较大的相关性，这反映为时间冗余。时间压缩时间压缩/帧间压缩帧间压缩 2.3 信息压缩的可行性信息压缩的可行性 信息熵冗余（编码冗余）

5、信息熵冗余（编码冗余）所谓信息熵，是指数据所带的信息量。所谓信息熵，是指数据所带的信息量。信息熵的数学表达式为：信息熵的数学表达式为：式中，式中，Pi为任意一个码元为任意一个码元i出现的概率，出现的概率，k为数据码元的总个数。为数据码元的总个数。2.3 信息压缩的可行性信息压缩的可行性 H的单位是的单位是bit/码元。码元。如果对码元采用二进制编码，并且第如果对码元采用二进制编码，并且第i个个码元码元yi所分配的比特数为所分配的比特数为b(yi)，那么码元的，那么码元的平均长度（即包含的平均比特数或平均信息平均长度（即包含的平均比特数或平均信息量）为：量）为：为为了了使使编编码码后后的的信信息

6、息不不损损失失，应应当当使使d接接近近H，理理论论上上应应取取b(yi)=-lbPi。实实际际上上，很很难难估估计计P0，Pk-1，因因此此，一一般般总总是是取取b(y0)=b(y1)=b(yk-1)，而而等等概概情情况况下下的的平平均均数数据据量量d是是最最大大的的，这这样样d必必定定大大于于H，由由此此带带来来的的冗冗余余称称为为信信息息熵熵冗冗余余或或编码冗余。编码冗余。2.3 信息压缩的可行性信息压缩的可行性v结构冗余：有些图像从整体上看存在着结构冗余：有些图像从整体上看存在着非常强的纹理结构，称它在结构上存在非常强的纹理结构，称它在结构上存在冗余。冗余。2.3 信息压缩的可行性信息压

7、缩的可行性v知识冗余：人们通过认识世界而得到某知识冗余：人们通过认识世界而得到某些图像所具有的先验知识和背景知识，些图像所具有的先验知识和背景知识，由此带来的冗余称为知识冗余。由此带来的冗余称为知识冗余。v视觉冗余：人的眼睛是图像信息的接收视觉冗余：人的眼睛是图像信息的接收端，而人类的视觉系统并不能对图像画端，而人类的视觉系统并不能对图像画面的任何变化都能感觉到，这称为视觉面的任何变化都能感觉到，这称为视觉冗余。冗余。2.3 信息压缩的可行性信息压缩的可行性 空空间间冗冗余余和和时时间间冗冗余余是是将将图图像像信信号号看看作作随随机机信信号号时时反反映映出出来来的的统统计计特特征征，因因此此有

8、有时时把把这这两两种种冗冗余余称称为为统统计计冗冗余余。它它们们也也是是图图像像数数据据处处理理中中两两种种最最主主要要的的数据冗余。数据冗余。2.3 信息压缩的可行性信息压缩的可行性2.4 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标1 压缩比压缩比 压缩性能常常用压缩比来定义，也就是压压缩性能常常用压缩比来定义，也就是压缩过程中输入数据量和输出数据量之比。缩过程中输入数据量和输出数据量之比。压缩比越大，说明数据压缩的程度越高。压缩比越大，说明数据压缩的程度越高。在实际应用中，压缩比可以定义为比特流中在实际应用中，压缩比可以定义为比特流中每个样点所需要的比特数。每个样点所需要的比特数。2.4

9、 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标2 重现质量重现质量 重现质量是指比较重现时的图像、声音信重现质量是指比较重现时的图像、声音信号与原始图像、声音之间有多少失真，这与号与原始图像、声音之间有多少失真，这与压缩的类型有关。压缩的类型有关。图像和声音质量的评估常采用客观评估和图像和声音质量的评估常采用客观评估和主观评估两种方法。主观评估两种方法。图像质量的评价方法：图像质量的评价方法：方法一：主观评价方法一：主观评价 观察者依据自己的感觉对图像质量进行评价。观察者依据自己的感觉对图像质量进行评价。常用基于常用基于5级质量制或级质量制或5级损伤制的平均意见级损伤制的平均意见分（分（MOS

10、分），它由分），它由ITU-R BT.500标准规定。标准规定。2.4 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标质量评估标准质量评估标准质量尺度质量尺度妨碍尺度妨碍尺度5分：非常好分：非常好丝毫看不出图像质量变化丝毫看不出图像质量变化4分：好分：好能看出图像质量的变化，但并不妨碍能看出图像质量的变化，但并不妨碍观看观看3分：一般分：一般清楚地看出图像质量变坏，对观看稍清楚地看出图像质量变坏，对观看稍有妨碍有妨碍2分：差分：差对观看有妨碍对观看有妨碍1分：非常差分：非常差非常严重地妨碍观看非常严重地妨碍观看2.4 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标 主观评价的方法是将待评价的图像序

11、列播主观评价的方法是将待评价的图像序列播放给评论者观看，并记录他们的打分，然后对放给评论者观看，并记录他们的打分，然后对所有评论者的打分进行统计，得出平均分作为所有评论者的打分进行统计，得出平均分作为评价结果。评价结果。ITU-R BT500-7定义了两种标准的主观定义了两种标准的主观评价方法。评价方法。2.4 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标（1）双刺激连续质量分级法（）双刺激连续质量分级法（DSCQS：Double Stimulus Continuous Quality Scale）2.4 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标双刺激连续质量分级法的评分公式：双刺激连续质

12、量分级法的评分公式：平均分数平均分数=其中：其中：j为分值，取为分值，取15；nj为某分值的人数。为某分值的人数。2.4 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标（2）单刺激连续质量评价方法（）单刺激连续质量评价方法（SSCQE：Single Stimulus Continuous Quality Evaluation）这种方法只把被评价的图像序列播放给评这种方法只把被评价的图像序列播放给评估者看，评价时间长达估者看，评价时间长达30s，评估者在观看的，评估者在观看的同时给出评价分值。同时给出评价分值。2.4 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标主观评价的不足之处：主观评价的不足之

13、处：观察者一般需要是一个群体，其中既包含观察者一般需要是一个群体，其中既包含未受过专业训练的未受过专业训练的“外行外行”，也包含训练，也包含训练有素的有素的“内行内行”。图像内容与情节千变万化，观察者个体差图像内容与情节千变万化，观察者个体差异大，容易发生主观上的偏差。异大，容易发生主观上的偏差。仅仅只有平均分，如果评测分数低，也无仅仅只有平均分，如果评测分数低，也无法确切定位问题出在哪里。法确切定位问题出在哪里。2.4 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标方法二：客观评价方法二：客观评价 又称为图像逼真度计量法。又称为图像逼真度计量法。在此方法中，首先给出一系列标准的或理在此方法中，

14、首先给出一系列标准的或理想的图像作为参考图像，然后定义一个数学公想的图像作为参考图像，然后定义一个数学公式，利用该公式计算待评价的图像与参考图像式，利用该公式计算待评价的图像与参考图像的接近程度，所得到的计算结果就是测量结果。的接近程度，所得到的计算结果就是测量结果。2.4 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标 常采用两种计算方法：一种是均方差，一常采用两种计算方法：一种是均方差，一种是峰值信噪比。种是峰值信噪比。客观评价的好处：不仅减少了对人力、物客观评价的好处：不仅减少了对人力、物力的需求，而且测量时间大大缩短，甚至可以力的需求，而且测量时间大大缩短，甚至可以做到实时监测。做到实时

15、监测。2.4 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标均方误差：均方误差：峰值信噪比：峰值信噪比：信噪比：信噪比：2.4 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标3 压缩和解压缩的速度压缩和解压缩的速度 压缩与解压缩的速度是两项单独的性压缩与解压缩的速度是两项单独的性能度量。能度量。有些应用中，压缩与解压缩都需要实有些应用中，压缩与解压缩都需要实时进行，这称为对称压缩，如电视会议的时进行，这称为对称压缩，如电视会议的图像传输；图像传输；在有些应用中，压缩可以用非实时压在有些应用中，压缩可以用非实时压缩，缩，而只要解压缩是实时的，这种压缩称而只要解压缩是实时的，这种压缩称为非对称压缩，为

16、非对称压缩，如多媒体如多媒体CD-ROM的节的节目制作。目制作。2.4 数据压缩技术的性能指标数据压缩技术的性能指标1、多媒体数据存在哪些类型的冗余？去掉这些、多媒体数据存在哪些类型的冗余？去掉这些冗余所对应的技术有哪些？冗余所对应的技术有哪些？2、如何衡量一种压缩算法的好坏？举例说明。、如何衡量一种压缩算法的好坏？举例说明。3、对一幅图像作主观评价，有、对一幅图像作主观评价，有20个观察者参个观察者参加评定。其中，有加评定。其中，有10个观察者认为该图像是个观察者认为该图像是“非常好的非常好的”，5个观察者认为该图像是个观察者认为该图像是“好好的的”，另，另5个观察者认为该图像属于个观察者认为该图像属于“一般一般”，求该图像的平均分数。，求该图像的平均分数。习题习题