数据压缩第1章绪论.ppt

第1章 绪论1.1 数据压缩的必要性1.2 数据压缩的可行性1.3 数据压缩技术的分类 1.4 数据压缩的标准和应用 1.1 数据压缩的必要性 例1.以 一 般 彩 色 电 视 信 号 为 例，设 代 表 光强、色 彩 和 色 饱 和 度 的YIQ 空 间 中 各 分 量 的 带宽 分 别 为4 MHz、1.3 MHz 和0.5 MHz。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 的 信 号 可 被保真地恢复为原始信号。再 设 各 样 点 均 被 数 字 化 为8 bit，从 而1 秒 钟 的电视信号的数据量为（4 1.3 0.5）2 8 bit=92.8 Mbit 因 而 一 张640 MB容 量 的CDCD*2ROM 能 够存放的原始电视数据（每字节附有2 位校验位）为 6408 92.8(1+0.25)=44 s 也 就 是 说，一 张 普 通 光 盘 只 能 存 放44 s的 原 始 数据。1.1 数据压缩的必要性 例2.我 们 再 来 看 看 语 音 信 号 的 数 据 量，人 在 正 常 说话 时 的 音 频 一 般 在200 Hz 3.4 kHz，即 人 类 语 音 的带 宽 为3.4 kHz。同 样 依 据 采 样 定 理，并 设 数 字 化精度为8 bit，则每秒的数据量为 3.4 kHz28=54.4 kbit 在上述采样条件下讲一分钟话的数据量约为400 kbit。表1-1 列 出 了 支 持 语 音、图 像、视 频 等 多 媒 体信 号 高 质 量 存 储 和 传 输 所 必 需 的 未 压 缩 速 率 以 及 信号特性。1.1 数据压缩的必要性表1-1 各种信号的特性和未压缩速率 显 然，对 于 多 媒 体 处 理 系 统 所 要 求 的 语 音 与 音 频、图 像、视 频、文 本、数 据 的 结 合，信 号 进 行 有 效 的存 储 和 传 输 之 前，必 须 进 行 处 理，而 最 关 键 的 处 理 方法 是 进 行 数 据 压 缩。多 媒 体 信 息 压 缩 技 术 的 对 象 主 要是 视 频、音 频 和 文 本 信 息 这 三 大 类。例 如，现 代 数字 压 缩 技 术 可 以 对 多 数 图 像 实 现 大 于100 1 的 压 缩 比，而质量没有重大损失。1.2 数据压缩的可行性 数 据 中 通 常 包 含 很 大 的 冗 余，数 据 的 大 小 与 所 携带的信息量的关系由下式给出：I=D-r(1-1)其 中，I、D、r 分 别 为 信 息 量、数 据 量 与 冗 余 量。以 存 储 一 本200 万 字 的 中 文 百 科 全 书 为 例，每 个 汉 字以2 字 节 计 算，该 书 的 数 据 量 为4 MB。我 们 只 要 使 用后 面 介 绍 的Huffman 算 法，就 可 简 单 地 将 大 约2 MB左右 的 冗 余 数 据 寻 找 出 来 并 压 缩 掉，这 样 就 可 以 节 省 出2 MB 的存储空间。图1-1 空间冗余 1 空间冗余 空 间 冗 余 是 在 图 像 数 据 中 经 常 存 在 的 一 种 冗 余。在 任 何 一 幅 图 像 中，均 有 许 多 灰 度 或 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，即 它 们 之 间 具 有 空 间（或 空 域）上 的 强 相 关 性，在 图 像 中 就 表 现 为 空 间 冗 余。例 如，图1-1 是 一 张 俯 视图，图 中 央 的 黑 色 是 一 块 表 面 均 匀 的 积 木 块，在 图 中，黑 色 区 域 所 有 点 的 光 强 和 色 彩 以 及 饱 和 度 都 是 相 同 的，因而黑色区域的数据表达有很大的冗余。对 空 间 冗 余 的 压 缩 方 法 就 是 把 这 种 集 合 块 当 作 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 压 缩 或 帧 内 压 缩，它的 基 本 点 就 在 于 减 少 邻 近 像 素 之 间 的 空 间（或 空 域）相关性。2 时间冗余 时 间 冗 余 是 活 动 图 像 和 语 音 数 据 中 经 常 包 含 的 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。同 理，在 语 音 中，由 于 人 在 说话 时 其 发 出 的 音 频 是 一 个 连 续 和 渐 变 的 过 程，而 不 是一 个 完 全 的 时 间 上 独 立 的 过 程,因 而 存 在 着 时 间 冗 余。图1-2 中 F1 帧 中 有 一 辆 汽 车 和 一 个 路 标P，在 经 过 时间T 后的图像F2 仍包含以上两个物体，只 是 小 车 向 前 行 驶 了 一 段 路 程。此 时，F1 和F2 是 时间 相 关 的，后 一 幅 图 像F2 在 参 照 图 像F1 的 基 础 上 只 需很 少 数 据 量 即 可 表 示 出 来，从 而 减 少 了 存 储 空 间，实现 了 数 据 压 缩。这 种 压 缩 对 运 动 图 像 往 往 能 得 到 很 高的压缩比，这也称为时间压缩或帧间压缩。图1-2 时间冗余 3 信息熵冗余（编码冗余）所谓信息熵，是指数据所带的信息量。信息量是指从N 个相等可能事件中选出一个事件所需要的信息度量或含量，即在N 个事件中辨识一个特定事件的过程中需要提问“是”或“否”的最少次数。将信源所有可能事件的信息量进行平均，就得到信息的“熵”（Entropy）。熵就是平均信息量。通常，信息熵的数学表达式为（1-2）式 中，Pi为 任 意 一 个 数i 的 概 率，k为 数 据 类 数 或码元的个数。设单位数据量d 为（1-3）图1-3 结构冗余示意图 5 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，由 此 带 来 的 冗 余 称 为 知 识 冗 余。例如，人 脸 的 图 像 有 固 定 的 结 构，嘴 的 上 方 有 鼻 子，鼻 子 的 上 方 有 眼 睛，鼻 子 位 于 正 脸 图 像 的 中 线 上 等 等。这 类 规 律 的 结 构 可 由 先 验 知 识 和 背 景 知 识 得 到，因 此这类信息对一般人来说是冗余信息。6 视觉冗余 在 多 媒 体 技 术 的 应 用 领 域 中，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 面 的 任 何变 化 都 能 感 觉 到，视 觉 系 统 对 于 图 像 场 的 注 意 是 非 均 匀和 非 线 性 的，即 注 意 主 要 部 分 质 量，同 时 取 画 面 的 整 体效果，不拘泥每一个细节。例 如，人 的 视 觉 对 于 图 像 边 缘 的 急 剧 变 化 不 敏 感，对 图 像 的 亮 度 信 息 敏 感，对 颜 色 的 分 辨 率 较 弱 等。因 此，如 果 图 像 经 压 缩 或 量 化 发 生 的 变 化（或 称 引 入 了 噪 声）不能 被 视 觉 所 感 觉，则 认 为 图 像 质 量 是 完 好 的 或 是 够 好 的，即图像压缩并恢复后仍有满意的主观图像质量。7 其他冗余 多 媒 体 数 据 除 了 具 有 上 面 所 说 的 各 种 冗 余 外，还 存在 一 些 其 他 的 冗 余 类 型。例 如，图 像 的 空 间 非 定 常 特 性所带来的冗余等。空 间 冗 余 和 时 间 冗 余 是 将 图 像 信 号 看 作 为 随 机 信 号时 所 反 映 出 的 统 计 特 征，因 此 有 时 把 这 两 种 冗 余 称 为 统计 冗 余。它 们 也 是 多 媒 体 图 像 数 据 处 理 中 两 种 最 主 要 的数据冗余。1.3 数据压缩技术的分类 信息熵编码：Huffman编码，行程编码，算术编码，LZW编码 预测编码：差分线性预测DPCM，自适应线性预测 ADPCM，运动补偿帧间线性预测；非线性预测 变换编码：最优正交变换（KLT）,离散傅立叶变换（DFT）离散余弦变换（DCT）,WHT变换，wavelet变换1.3 数据压缩技术的分类 矢量量化编码：多段式，分离式，全搜索式 子带编码：分频带法，块切割法 模型编码（参数编码）：结构编码，基于知识的编码，分析识别合成编码，分形（Fractal）编码 混合编码：JPEG编码，MPEG编码，P64编码1.4 数据压缩的标准和应用习题与思考题 1 如何理解信号的时域、空域和频域的相互关联？2 以数字电视信号为例说明压缩的必要性和可行性。3 多媒体数据存在哪些类型的冗余？去掉这些冗余的方 法所对应的技术有哪些？