多媒體技術基礎及應用本第一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四章多媒體數據壓縮編碼技術本章要重點掌握的知識點：

多媒體數據壓縮的必要性和可能性，數據壓縮方法分類，常用的壓縮編碼和算法（統計編碼、預測編碼、變換編碼）數據壓縮編碼的國際標準JPEG、MPEG等。

★哈夫曼編碼、JPEG第二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四章多媒體數據壓縮編碼技術(1)

為什么要進行數據壓縮多媒體信息包括了文本、數據、聲音、動畫、圖形、圖像以及視頻等多種媒體信息。雖然經過數字化處理后其數據量是非常大的，如果不進行數據壓縮處理，計算機系統就無法對它進行存儲和交換。另一個原因是圖像、音頻和視頻這些媒體具有很大的壓縮潛力。因為在多媒體數據中，存在著空間冗余、時間冗余、結構冗余、知識冗余、視覺冗余、圖像區域的相同性冗余、紋理的統計冗余等。它們為數據壓縮技術的應用提供了可能的條件。因此在多媒體系統中必須采用數據壓縮技術，它是多媒體技術中一項十分關鍵的技術。第三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五數據壓縮方法的分類

（1）根據質量有無損失可分為有損失編碼和無損失編碼。（2）按照其作用域在空間域或頻率域上分為：空間方法、變換方法和混合方法。（3）根據是否自適應分為自適應性編碼和非適應性編碼。

第四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五數據壓縮方法的分類依據壓縮算法分類：（1）脈沖編碼調制（2）預測編碼（3）變換編碼

（4）統計編碼

（5）混合編碼第五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五（1）脈沖編碼調制脈沖編碼調制實際上是連續模擬信號的數字采樣表示。脈沖編碼調制（PCM）編碼器和解碼器位于一個圖像編碼系統的起點和終點。下面幾種編碼方法都是在多媒體數據模擬信號經過PCM編碼后再進行的壓縮編碼方法。第六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五（2）預測編碼編碼器記錄與傳輸的不是樣本的真實值，而是它與預測值的差。這一方法稱為差值脈沖編碼調制（DPCM）方法。第七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五（3）變換編碼變換編碼的主要思想是利用圖像塊像素值之間的相關性，把圖像變換到一組新的基上，使得能量集中到少數幾個變換系數上，通過存儲這些系數而達到壓縮的目的。在變換編碼中，由于對整幅圖像進行變換的計算量太大，所以一般把原始圖像分成許多個矩形區域子圖像獨立進行變換。常用的有離散余弦變換（DCT）第八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五（4）統計編碼最常用的統計編碼是Huffman編碼。它對于出現頻率大的符號用較少的位數來表示，而對出現頻率較小的符號用較多的位數來表示。其編碼效率主要取決于需編碼的符號出現的概率分布，越集中則壓縮比越高。另外還有算術編碼、游程編碼。第九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五（5）混合編碼混合編碼是指合并變換和預測技術的編碼，通常有兩種編碼形式。第十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五量化的基本原理量化的作用是在圖像質量或聲音質量達到一定保真度的前提下，舍棄那些對視覺或聽覺影響不大的信息。量化的過程是模擬信號到數字信號的映射。模擬量是連續量，而數字量是離散量，因此量化操作實質上是用有限的離散量代替無限的連續模擬量的多對一的映射操作。第十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五量化的基本原理量化概念主要來自于從模擬量到數字量的轉換，即A/D轉換，也就是通過采樣把連續的模擬量離散化。量化過程預先設置一組判決電平和一組重建電平，各個判決電平覆蓋一定的區間，所有判決電平將覆蓋整個有效取值區間。量化時將模擬量的取樣值同這些電平比較，若采樣值幅度落在覆蓋區間之上，則取這個量化級的代表值，稱為碼字。一個量化器只能取有限多個量化級，因此量化過程不可避免地存在量化誤差。第十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五量化器的設計要求

通常設計量化器有下述兩種情況：（1）給定量化分層級數，滿足量化誤差最小。（2）限定量化誤差，確定分層級數，滿足以盡量小的平均比特數，表示量化輸出。第十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五信息、信息量、信息熵（1）信息：

信息是用不確定性的量度定義的。一個消息的可能性愈小，其信息愈多；而消息的可能性愈大，則其信息愈少。第十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五信息、信息量、信息熵（2）信息量：

所謂信息量是指從N個相等可能事件中選出一個事件所需要的信息度量或含量，也就是在辯識N個事件中特定的一個事件的過程中所需要提問“是或否”的最少次數第十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五信息、信息量、信息熵（3）熵：

如果將信源所有可能事件的信息量進行平均，就得到了信息熵(entropy)。熵就是平均信息量。第十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五最佳編碼定理在變字長碼中，對于出現概率大的信息符號編以短字長的碼，對于出現概率小的信息符號編以長字長的碼，如果碼字長度嚴格按照符號概率的大小的相反順序排列，則平均碼字長度一定小于按任何其它符號順序排列方式得到的碼字長度。第十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五Huffman編碼Huffman編碼的步驟：（1）概率統計，得到n個不同概率的信息符號；（2）將n個信源信息符號的n個概率，按概率大小排序；（3）將n個概率中，最后兩個小概率相加，這時概率個數減為n-1個；（4）將n-1個概率，按大小重新排序；（5）重復（3），將新排序后的最后兩個小概率相加，相加和與其余概率再排序；（6）如此反復重復n-2次，得到只剩兩個概率序列；（7）以二進制碼元（0，1）賦值，構成哈夫曼碼字，編碼結束。第十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五010.39010.35010.611000.261010.11a1a2a3a4a5a6a70.200.190.180.170.150.100.01101100000101001100111信源符號概率Huffman碼編碼過程Huffman編碼過程第十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五x1x2x3x4x5x6x70.350.200.150.100.100.060.040.350.200.150.100.100.100.350.200.200.150.100.350.250.200.200.400.350.250.600.40信源符號概率編碼過程第一步第二步第五步第四步第三步輸入輸入Huffman編碼步驟第二十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五圖4.8Huffman碼字的構成x1x2x3x4x5x6x70.350.200.150.100.100.060.040.350.200.150.100.100.100.350.200.200.150.100.350.250.200.200.400.350.250.600.40第一步第二步第五步第四步第三步碼長輸入哈夫曼碼2233344001001001111011101111

0010010011110111

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第二十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五x1x2x3x4x5x6x70.350.200.150.100.100.060.04碼長哈夫曼碼2233344001001001111011101111

信源符號概率編碼過程010.25010.60010.4001010.20010.10第二十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五碼字的平均碼長N按下式計算：Pj：信源符號Xj出現的概率Lj：編碼長度0.350.200.150.100.100.060.04碼長2233344001001001111011101111

概率哈夫曼碼第二十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五熵：對數的換底公式：第二十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五預測編碼概念（P114）預測編碼是根據某一模型利用以往的樣本值對于新樣本進行預測，然后將樣本的實際值與預測值相減得到一個誤差值，對這一誤差值進行編碼。第二十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五幀間預測編碼（P119）

幀間預測編碼技術的對象是序列圖象。隨著大規模集成電路技術的發展，已有可能把幾幀的圖象存起來作實時處理，利用幀間的時間相關性進一步消除圖象信號的冗余度，提高壓縮比。幀間編碼的技術基礎是預測技術。第二十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五★JPEG標準（P135）

JPEG算法被確定為JPEG國際標準，它是國際上彩色、灰度、靜止圖像的第一個國際標準。JPEG標準是一個適合范圍廣泛的通用標準。它不僅適于靜圖像的壓縮，電視圖像序列的幀內圖像的壓縮編碼也常采用JPEG壓縮標準。

JPEG的目的是為了給出一個適用于連續色調圖象的壓縮算法。第二十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五JPEG算法具有四種操作方式（P135）（1）順序編碼；（2）累進編碼；（3）無失真編碼；（4）分層編碼。第二十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五JPEG編碼的原理簡化框圖如下圖所示：

壓縮的圖象數據表說明表說明編碼器第二十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五①把圖像分成8×8的塊②

DCT正變換③量化器④熵編碼器

第三十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五什么是信息“熵”

和

熵編碼？第三十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五信息“熵”是信源隨機變量的平均信息量；熵編碼是無失真數據壓縮編碼，在編碼過程中不丟失信息量，熵編碼是建立在隨機過程的統計特性基礎上的。第三十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五

JPEG標準采用了哪些混合編碼方法？

第三十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五JPEG標準采用了：預測編碼變換編碼熵編碼第三十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五

詳述JPEG靜態圖像壓縮編碼原理及其實現技術。

第三十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五JPEG的工作原理如下圖所示

恢復圖像信道DCT變換量化器熵編碼器量化表熵編碼表IDCT逆變換逆量化器熵解碼器量化表熵編碼器源圖像數據88塊第三十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五首先把一幅圖像（單色圖像的灰度值或彩色圖像的亮度分量、色差分量信號）分成8×8的塊離散余弦正變換（FDCT）第三十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五量化（查表）熵編碼（查表）傳輸或存儲解碼逆量化離散余弦逆變換（IDCT）第三十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五JPEG建議使用兩種熵編碼方法：哈夫曼(Huffman)編碼和自適二進制算術編碼。（P138）第三十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五運動圖像壓縮編碼標準MPEGMPEG標準是針對全活動視頻的壓縮標準。該標準包括：MPEG系統、MPEG視頻、MPEG音頻、MPEG測試和驗證四大部分。

(P159)

第四十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五MPEG將圖像分成三種類型（P152）

I圖像（IntraPicture幀內圖）P圖像（PredictedPicture預測圖）B圖像（BidirectionalPicture雙向預測圖）。第四十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五MPEG視頻壓縮技術（P152）

MPEG視頻壓縮技術是針對運動圖象的數據壓縮技術。為了提高壓縮比，幀內圖象數據壓縮和幀間圖象數據壓縮技術必須同時使用。第四十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四章習題解答

在MPEG中為了提高數據壓縮比，采用了哪些方法：（A）運動補償與運行估計（B）減少時域冗余與空間冗余（C）幀內圖象數據與幀間圖象數據壓縮（D）向前預測與向后預測第四十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四章習題解答在JPEG中使用了哪兩種熵編碼方法：（A）統計編碼和算術編碼

（B）PCM編碼和DPCM編碼（C）預測編碼和變換編碼

（D）哈夫曼編碼和自適應二進制算術編碼

第四十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四章習題解答簡述MPEG和JPEG的主要差別。答：MPEG視頻壓縮技術是針對運動圖象的數據壓縮技術。為了提高壓縮比，幀內圖象數據和幀間圖象數據壓縮技術必須同時使用。MPEG通過幀運動補償有效地壓縮了數據的比特數，它采用了三種圖象，幀內圖、預測圖和雙向預測圖。有效地減少了冗余信息。對于MPEG來說，幀間數據壓縮、運動補償和雙向預測，這是和JPEG主要不同的地方。而JPEG和MPEG相同的地方均采用了DCT幀內圖象數據壓縮編碼。在JPEG壓縮算法中，針對靜態圖象對DCT系數采用等寬量化，而是MPEG中視頻信號包含有靜止畫面（幀內圖）和運動信息（幀間預測圖）等不同的內容，量化器的設計不能采用等寬量化需要作特殊考慮。從兩方面設計，一是量化器綜合行程編碼能使大部分數據得到壓縮；另一方面是通過量化器、編碼器使之輸出一個與信道傳輸速率匹配的比特流。

第四十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四章習題解答簡述預測編碼的基本原理(4)

答：預測編碼原理是從相臨像素之間有強的相關性特點考慮的。比如當前像素的灰度或顏色信號，數值上與其相臨的像素總是比較接近的，除非處于邊界狀態，那么，當前像素的灰度或顏色信號的數值就可以用前面出現的像素的值進行預測，得到一個預測值并將實際值與預測值進行求差，對這個差值進行編碼、傳送，這種編碼方法就是預測編碼方法。第四十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四章習題解答

JPEG編碼的原理簡化框圖如下，則①

、②

、③

。．①DCT正交變換、②量化器、③熵編碼器第四十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四章習題解答