数据压缩预测编码课件

1、1第第5章章 预测编码 具有具有M 种取值的符号序列种取值的符号序列 ，第，第L 符号的熵满足：符号的熵满足： kx预测预测 HxxxxHxxxHxxHxHMLLLLLLLLL),|(),|()|()(log12121122第第5章章 预测编码 5.1 DPCM基本原理基本原理工作过程：工作过程：1）先发送）先发送 2）在）在 基础上进行预测，得到预测值；基础上进行预测，得到预测值； 3）差分，量化和编码）差分，量化和编码 4）重复一样的过程，预测器必须相同）重复一样的过程，预测器必须相同 10Nxx10Nxx35.2 最佳线性预测最佳线性预测非时变线性预测非时变线性预测：预测误差预测误差：一

2、、一、MMSE线性预测线性预测预测误差的均方值预测误差的均方值MSE最小的必要条件最小的必要条件)(22kkexxENiikikkkkxaxxxe1Niikikxax10)(ikkkxxxE0)(22ikkkieaxxxEaikkikkxxExxE45.2 最佳线性预测最佳线性预测定义自相关函数得到由于自相关函数满足当 广义平稳时有),(jixxEjiRkx),(1ikNjjkiikkxxaExxEikkRNjiikjkRa1),(),(),(jkikRikjkR)()(),(ijRjiRjkikR55.2 最佳线性预测最佳线性预测得到 实对称的 Toeplitz矩阵，正定，可逆。 如果 各态

3、历经的且N 足够大由上述方法求出的最佳预测系数得到的最小均方误差)()2() 1 ( )0( )2( ) 1( )2( )0( ) 1 () 1( ) 1 ( )0(21NRRRaaaRNRNRNRRRNRRRNkxkiNiixxNkR11)(NiiiRaR12min)()0(65.2 最佳线性预测最佳线性预测二、预测阶数的选择二、预测阶数的选择l当当N 足够大使预测误差不相关足够大使预测误差不相关 再增大再增大N 不会使均方误差在减小。不会使均方误差在减小。l若若 为为N 阶马尔克夫过程，则用阶马尔克夫过程，则用N 阶预测。阶预测。例5-2 设 为一阶马尔克夫序列，其相关系数求解 的公式若N

4、 =1，则ia)0(0jeeEjkkkxkx75.2 最佳线性预测最佳线性预测误差：有若加大N =2,与N =1时的预测表达式完全相等。2mine85.3 音频信号与听觉感知音频信号与听觉感知人耳可听到的声音频率范围：人耳可听到的声音频率范围：20Hz20KHz一、语音信号的时域冗余度一、语音信号的时域冗余度1、幅度非均匀分布、幅度非均匀分布2、样本间的相关性、样本间的相关性3、基音之间的相关性、基音之间的相关性语音语音 浊音（嗓音）浊音（嗓音） 清音（非嗓音）清音（非嗓音）4、话音间隔、话音间隔5、长时自相关函数、长时自相关函数95.3 音频信号与听觉感知音频信号与听觉感知二、语音信号的频域

5、冗余度二、语音信号的频域冗余度1、非均匀的长时功率谱密度、非均匀的长时功率谱密度2、语音特有的短时功率谱密度、语音特有的短时功率谱密度105.3 音频信号与听觉感知音频信号与听觉感知三、单音的听觉感知三、单音的听觉感知 人类听觉系统（人类听觉系统（HAS,Human Auditory System） 带通滤波器组，带通滤波器组，一系列带宽递增的带通滤波器组成一系列带宽递增的带通滤波器组成 可闻阈（听觉阈）：人耳刚能听见的声压级可闻阈（听觉阈）：人耳刚能听见的声压级 疼痛阈：使人耳有痛感的声压级疼痛阈：使人耳有痛感的声压级 听觉范围：疼痛阈和可闻阈之差听觉范围：疼痛阈和可闻阈之差HAS表现特性（

6、纯音）表现特性（纯音） 1）响度：与频率有关）响度：与频率有关 1kHz/10dB 200Hz/30dB 2）频率：可闻阈与频率有关）频率：可闻阈与频率有关 24kHZ 低低 16kHz高高 3）相位：对相位感知不敏感）相位：对相位感知不敏感115.3 音频信号与听觉感知音频信号与听觉感知三、多音的掩蔽效应三、多音的掩蔽效应 掩蔽效应：一个声音的存在会影响人耳对另一掩蔽效应：一个声音的存在会影响人耳对另一 个声音的听觉能力。个声音的听觉能力。 掩蔽阈：单音都有一个掩蔽阈掩蔽阈：单音都有一个掩蔽阈 其声压级越高，对其周围频率声音的其声压级越高，对其周围频率声音的 掩蔽效应越强。掩蔽效应越强。 1

7、25.4 语音信号的预测编码语音信号的预测编码一、基于预测的语音压缩技术一、基于预测的语音压缩技术 波形编码波形编码：被编码的语音信号与重建信号波形基 本相同。 语声编码语声编码：重建信号听起来与原始声音基本一样 混合编码混合编码：综合两种方法 。几个阶段：几个阶段：1）增量调制）增量调制 DM, Delta modulation 1kkkkkxxxxe135.4 语音信号的预测编码语音信号的预测编码2）DPCM3）ADPCM 预测器或量化器中引入自适应调节 1986-1990 ITU-T 制定的语音编码标准技术基础4）LPC声码器：声码器： 不传送预测误差，传送参数 波形编码 参数编码145

8、.4 语音信号的预测编码语音信号的预测编码5）混合编码）混合编码 RELP: 残差激励线性预测 CELP：码激励线性预测（1984 提出） LD-CELP：低时延的码激励线性预测（G.728建议，1992） ACELP：代数码激励线性预测（G.723.1建议，1996） CS-ACELP：共轭结构代数码激励线性预测（G.729建议，1996）155.5 静止图像的预测编码静止图像的预测编码一、预测器设计一、预测器设计 1、预测器 一维预测： 二维预测： 三维预测：2、相关性的强弱3、阶数选择4、预测器实现5、系数确定165.5 静止图像的预测编码静止图像的预测编码二、二、JPEG无损压缩模式无

9、损压缩模式 空间域无量化DPCM，Huffman或算术编码175.5 静止图像的预测编码静止图像的预测编码三、三、JPEG-LS压缩标准压缩标准l近无损、无损压缩标准，1998正式公布lJPEG-LS编码系统1）基于上下文的建模 计算其邻域点变化量 判断进入预测还是游程185.5 静止图像的预测编码静止图像的预测编码2）预测 自适应非线性预测 =3）常规模式的误差编码 4）游程模式195.6 视频信号与视觉感知视频信号与视觉感知一、电视信号概述一、电视信号概述 PAL 25帧/s 625行 视频带宽6M 205.6 视频信号与视觉感知视频信号与视觉感知二、数字化格式二、数字化格式CCIT601

10、:对彩色电视信号的亮度和色差采样编码采样频率：13.5MHz（亮度）215.6 视频信号与视觉感知视频信号与视觉感知采样频率：13.5MHz（亮度）l采样定理l行频的整数倍l兼容三种国际标准制式取样结构：4:4:4 4:2:2 4:1:1数码率：r=(13.5+6.75+6.75)*8=216Mb/s r=3*13.5*8=324Mb/s225.6 视频信号与视觉感知视频信号与视觉感知三、电视信号的冗余度三、电视信号的冗余度空间冗余：时间冗余（帧间冗余）：l 帧间差值 l 对相邻两帧图像进行测试 黑白图像：帧间差值超过3的像素不到4% 变化剧烈的彩色序列：亮度6 只有7.5% 色度 只有千分之

11、7.5l 可视电话，电视会议 ),(),(),(1nmxnmxnmd235.6 视频信号与视觉感知视频信号与视觉感知四、人的视觉感知特性四、人的视觉感知特性彩色电视信号的数码率彩色电视信号的数码率人类视觉系统人类视觉系统 （HVS,human visual system）1）亮度掩蔽特性：背景较明或较暗时，人眼对亮度分辨）亮度掩蔽特性：背景较明或较暗时，人眼对亮度分辨能力下降。能力下降。2）空间掩蔽特性：随着空间变化频率的提高，人眼对亮）空间掩蔽特性：随着空间变化频率的提高，人眼对亮度（灰度）分辨能力下降度（灰度）分辨能力下降3）时间掩蔽特性：随着时间变化频率的提高，人眼对细）时间掩蔽特性：随

12、着时间变化频率的提高，人眼对细节和亮度分辨能力下降节和亮度分辨能力下降 ( )()()srBZrf RP YP CP CfR245.7 活动图像的预测编码活动图像的预测编码一、帧间预测编码一、帧间预测编码1、发展、发展2、编码方法、编码方法1）条件帧修补法）条件帧修补法2）运动补偿预测）运动补偿预测电视图像特点（可视电话、电视会议和电视等）l背景区：l运动物体区：l暴露区：),(),(),(1nmxnmxnmd255.7 活动图像的预测编码活动图像的预测编码3、运动补偿预测组成运动补偿预测组成1）图像分割：把图像分为）图像分割：把图像分为静止和运动两部分静止和运动两部分.2）运动估值：估计物体

13、的）运动估值：估计物体的位移量，得到运动矢位移量，得到运动矢量量.3）运动补偿：用运动矢量）运动补偿：用运动矢量补偿物体的运动效果，补偿物体的运动效果，再预测再预测.4）编码：帧间运动误差和）编码：帧间运动误差和运动矢量运动矢量.265.7 活动图像的预测编码活动图像的预测编码二、快匹配运动估值二、快匹配运动估值l对当前帧的每一个子块，对当前帧的每一个子块，在上一帧某一搜索范围在上一帧某一搜索范围内寻找最优匹配，该子内寻找最优匹配，该子块和最优匹配块之间的块和最优匹配块之间的位移就是运动矢量。位移就是运动矢量。当前帧搜索窗当前宏块匹配宏块运动矢量参考帧275.7 活动图像的预测编码活动图像的预

14、测编码1）判断准则）判断准则归一化互相关函数归一化互相关函数(NCCF)均方误差均方误差(MSE)最小绝对差最小绝对差(MAD) , ( | ),(),(|1),(maxmaxmaxmax111dxjdxdyidyjnimxnmxMNjiMADMmNn ),(),(),(),(),(2/11010212/11010210101MmNnkMmNnkMmNnkkjnimxnmxjnimxnmxjiNCCF( , )( , )(,)MNkkmnMSE i jx m nxmi nj MN1121001285.7 活动图像的预测编码活动图像的预测编码2）搜索策略）搜索策略全局搜索法（Full Searc

15、h Method，FS） 二维对数搜索法（Two-Dimensional Logarithmic，TDL基本思想：从原点开始，以“十”字形分布的五个点构成每次搜索的点群，通过快速搜索跟踪最小块误差MAD点。Step 1：从原点开始，选取一定的步长，以十字形分布的五个点处进行MAD值的计算并比较。Step 2：若MBD点在边缘四个点处，则以该点为中心点，保持步长不变，重新搜索十字形分布的五个点； 若MBD点位于中心点，则保持中心点位置不变，将十字点群的步长减半，并在五个点处计算。Step 3：若步长为1，在中心及周围8个点处找出MBD点，该点所在位置即对应最佳匹配点，算法结束；否则重复Step

16、2。295.7 活动图像的预测编码活动图像的预测编码 0，-4、+4，-4、+6，-4是每个搜索阶段的最小块误差点若+5,-4是8个点中的最小MBD, 则运动矢量为+5，-4， 305.7 活动图像的预测编码活动图像的预测编码2）搜索策略）搜索策略三步搜索法（Three Step Search，TSS） 四步搜索法（Four Step Search，FSS） 基于块的梯度下降搜索法 （Block-Based Gradient Descent Search，BBGDS） 菱形搜索法（Diamond Search） 基本思想：两种搜索模板，5个检测点的小模板SDSM 和9个检测点的大模板LDSM。

17、搜索时先用大模板计算，当最小块误差MAD点出现在中心点处时，将大模板LDSM换为SDSM，再进行匹配计算，这时5个点中的MAD即为最优匹配点。315.7 活动图像的预测编码活动图像的预测编码菱形搜索法SDSM LDSM 325.7 活动图像的预测编码活动图像的预测编码3）块的划分）块的划分H261,MPEG1,2 16*16H263 16*16 高级预测模式 4个8*8 H264 7种模式335.8 高光谱遥感图像的预测编码高光谱遥感图像的预测编码 对同一对象（区域或目标）对同一对象（区域或目标） 在多个窄光谱波段范围上获在多个窄光谱波段范围上获 得的图像得的图像 。一、特点一、特点1）三维）

18、三维 空间冗余空间冗余 谱间冗余谱间冗余2）丰富纹理信息，空间相关性较弱）丰富纹理信息，空间相关性较弱 各波段的成像对象是同一地物，在结构上具有相似性各波段的成像对象是同一地物，在结构上具有相似性3）预测、变换和矢量量化等方法去除两种冗余）预测、变换和矢量量化等方法去除两种冗余4）无损压缩、近无损压缩。）无损压缩、近无损压缩。二、二、DPCM预测预测345.8 高光谱遥感图像的预测编码高光谱遥感图像的预测编码三、最小绝对权值（三、最小绝对权值（MAW）预测树方法）预测树方法1、原理、原理把一幅图像看作一个加权图把一幅图像看作一个加权图每个像素为图中的一个顶点，四邻域像素之间的连线每个像素为图中的一个顶点，四邻域像素之间的连线为图中的边，边的两端像素之差为边的权值为图中的边，边的两端像素之差为边的权值