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1、第5章多媒体数据压缩技术5.1数据压缩基本原理5.1.1信息、数据与编码5.1.2数据压缩的条件5.1.3数据冗余5.2数据压缩算法5.2.1数据压缩算法分类5.2.2预测编码原理5.2.3变换编码原理5.2.4统计编码原理5.2.5霍夫曼编码原理5.2.6行程编码原理5.2.7算术编码原理5.2.8LZW压缩编码5.3静态图像JPEG压缩编码技术5.3.1JPEG标准的由来5.3.2JPEG压缩算法5.3.3无失真预测编码5.3.4有失真DCT压缩编码5.4动态图像MPEG压缩编码技术5.4.1基本原理5.4.2MPEG技术标准
2、数据压缩基本原理5.15.1.1信息、数据与编码1．信息和熵●信息量的大小和消息有一定的关系。在数学上，消息是其出现概率的单调下降函数。信息量越大，消息的可能性越小，反之亦然。●信息量：为了从N个相等的可能事件中挑选出一个事件所需的信息度量和含量，所提问“是或否”的次数。也就是说，在N个事件中辨识特定的一个事件要询问“是或否”次数。要从256个数中选定某一个数，可以先提问“是否大于128？”，不论回答是与否，则半数的可能事件被取消。如果继续询问下去，每次询问将对应一个1bit的信息量。例例●随着每次询问，有半数的可能事件被取消，这
3、个过程由公式表示：可看出：对于256个数的询问只要进行8次，即可确定一个具体的数。设：从N个数中选定任意一个数x的概率为p(x)，假定选定任意一个数的概率都相等，即p(x)=1/N，则信息量为：log2256=8bit如果将信息源所有可能事件的信息量进行平均，即可得到信息的“熵”(熵是平均信息量)，信息源X的符号集为xi(i=1,2,…,N)。设：xi出现的概率为p(xi)，则信息源X的熵为：I(x)=log2N=-log21／N=-log2p(x)=I[p(x)]H(x)=P(xi)log2p(xi)∑P(xi)I[p(xi)]
4、=-∑ni=1ni=1信息与数据2.信息可以用函数表示，该函数由信息论创始人C.E.Shannon提出，以概率论的观点对信息进行定量描述，具体的信息函数表达式为：I(ai)=-log2Pi(i=1,2,…,r)公式中，Pi(i=1,2,…,r)是随机消息组合X{a1,a2,…,ar}中的消息ai(i=1,2,…,r)的先验概率。Pi可以度量ai(i=1,2,…,r)所含的信息量。而I(ai)(i=1,2,…,r)在X的先验概率空间P{p1,p2,…,pr}中的统计平均值为信息源X的熵：信息源X的熵用来度量X中每种消息所包含的平均信
5、息量。信息熵主要表示信息系统的有序程度，而不是热力学中系统的无序程度。H(X)=H{p1,p2,…,pr}=-Pilog2pi∑ni=1多媒体信息的数据量3.1)文本——假设屏幕显示分辨率为1024×768，字符为16×16点阵，每个字符用4个字节表示，则显示一屏字符所需要的存储空间为：（1024/16）×（768/16）×4B=12288B（约合12KB）2)图像——假定图像显示在1024×768分辨率的屏幕上，则满屏幕像点所占用的空间为：1024×768×log2256=768KB3)音频——假定模拟声音频率22050Hz，其
6、数字采样频率44100Hz，采样精度为16bit，双声道立体声模式，则1min所需数据量为：44100Hz×2B(16bit采样精度)×2(双声道)×60s=10MB/min4)视频——采用带宽为5MHz的PAL制视频信号，扫描速度25帧/s，样本宽度24bit，采样频率最低10MHz，则一帧数字化图像所占用的最少存储空间为：10(采样频率)÷25(扫描速度)×24(样本宽度)=9.6Mbit(合1.2MB)数据压缩的条件5.1.2●数据冗余度(重复数据、可忽略数据)●信息传输与存储的限制(压缩→传输或存储→解压缩)■44.1kH
7、z/Stereo1.3MB■22.0kHz/Mono0.3MB■Stop重复数据可忽略数据●人类不敏感因素(颜色、亮度、细节等)224颜色(16,777,216色)28颜色(256色)●音频不敏感因素(试听)●颜色不敏感因素数据冗余5.1.3●冗余基本概念●冗余——信息所具有的各种性质中多余的无用空间●冗余度——多余的无用空间的程度I=D－duI—信息量D—数据量du—冗余量，包含在D中●信息量与冗余的关系●冗余举例播音员——180字/分钟，2Byte一个字，360Byte(合0.35KB/分钟)音频数据——8kHz采样×8bit
8、×60秒=3840KBit(合480KB/分钟)冗余分类●[1]空间冗余——规则物体的物理相关性[2]时间冗余——视频与动画画面间的相关性[3]统计冗余——具有空间冗余和时间冗余[6]视觉冗余——视觉、听觉敏感度和非线性感觉[7]知识冗余——凭借经
