压缩编码标准

压缩编码标准第1页，共26页，2023年，2月20日，星期三6.1数据压缩概述

1、

压缩的必要性

声音、图像、视频和动画的数据量太大声音1分钟立体声音乐采样频率为44.1KHZ，16位量化精度的数据量为

44.1*1000*16*2*60/8=10.09MB

存储一首4分钟的歌曲约需40MB图像

1副640*480的RGB彩色图像的存储容量为

640*480*24/8=900KB视频

1秒钟（25帧/秒）的视频数据量为

25*900KB=21.97MB1张650MB的CDROM光盘只能存储约650/21.97=29.59秒的视频第2页，共26页，2023年，2月20日，星期三空间冗余：图像内部相邻像素之间的相关性时间冗余：视频序列中前后帧之间的相关性视觉或听觉冗余（人眼或人耳具有一定的掩蔽效应）知识冗余（具有规律性的结构，用于图像理解上，如人脸）统计冗余（字符出现的频率具有一定的规律性）结构冗余（具有纹理结构的图像区域）信息熵冗余（即编码冗余，用相同位数进行编码产生的冗余）2数据冗余第3页，共26页，2023年，2月20日，星期三6.2数据压缩的基本原理1、信息编码基础压缩的实质：根据数据的内在联系将数据从一种编码映射为另一种编码，又叫压缩编码。编码器（压缩）存储器或网络解码器（解压缩）输入数据输出数据数据压缩过程数据压缩方法的衡量指标

压缩率：越大越好

压缩质量：数据失真越小越好

压缩与解压缩的速度：速度越快越好第4页，共26页，2023年，2月20日，星期三2、数据压缩方法无损压缩有损压缩混合编码预测编码变换编码PCM编码DPCM编码ADPCM编码帧间预测编码离散余弦变换K-L变换小波变换JPEGMPEGH.261行程编码哈夫曼编码算术编码香农编码LZW编码统计编码第5页，共26页，2023年，2月20日，星期三6.3数据压缩的编码算法无损压缩编码算法行程编码哈夫曼编码算术编码

有损压缩编码算法

PCM（脉冲编码调制）预测编码变换编码重点第6页，共26页，2023年，2月20日，星期三一、无损压缩原理：

减少或去除数据中的冗余；优点：可以无失真地还原成原来的数据；缺点：但是压缩比率较小，一般在2：1到5：1之间；应用：压缩数据或程序；第7页，共26页，2023年，2月20日，星期三1.行程编码（游程编码）原理:将连续相同的数据序列用重复次数和单个数据来表示。应用：用于图像文件的压缩（尤其适合于由计算机生成的图像）如bmp和tiff等图像格式。

（1）多值信息的编码

编码格式：信息重复次数+被重复的信息

例：字符串为：atttefppppppddddss

行程编码为：a3tef6p4d2s

（2）二值信息的编码

编码格式：0或1重复的次数

例如二进制数据流为000111111000001111

假设行程约定以0开始，则编码为：3654

若约定以1开始，则编码为：03654第8页，共26页，2023年，2月20日，星期三2.哈夫曼（Huffman）编码算法步骤（1）按照符号出现的概率大小进行排序（2）把最小的两个概率值相加，得到一个新的概率序列（3）重复上述两个步骤，直到概率值为1（4）从后往前进行编码，概率大的赋予1，概率小的赋予0。（反过来也可以)（5）写出每个符号的码字第9页，共26页，2023年，2月20日，星期三例1：字母ABCDE出现的概率分别为0.15、0.25、0.1、0.37和0.13，其哈夫曼编码为：P(C)=0.1P(E)=0.13P(CE)=0.23P(A)=0.15P(ACE)=0.38P(B)=0.25P(D)=0.37P(BD)=0.62P(ACEBD)=100001111A:00B:10C:010D:11E:011

假设共有100个字符,若采用等长编码，每个字符至少需要3位二进制，100个字母需要300位，采用哈夫曼编码则只需要15*2+25*2+10*3+37*2+13*3=223位。压缩比为300：223=1.34：1第10页，共26页，2023年，2月20日，星期三例2：字母ABCDE出现的概率分别为0.53、0.25、0.07、0.05和0.1，其哈夫曼编码为：A:1B:01C:0011D:0010E:000

若采用等长编码，至少需要3位二进制，100个字母需要300位，采用哈夫曼编码则需要:53*1+25*2+7*4+5*4+10*3=181位压缩比为300：181=1.65:10P(E)=0.1P(D)=0.05P(C)=0.07P(DC)=0.12P(EDC)=0.22P(B)=0.25P(EDCBA)=1000111P(EDCB)=0.47P(A)=0.5301第11页，共26页，2023年，2月20日，星期三3、算术编码编码原理：将被编码信源表示为[0，1）区间的一个实数，根据各符号出现的概率构造其所在区间，随着信息字符的不断出现，其所在区间越来越小，对应表示的实数也越来越小。例：假设有一个4个符号的信源A={a1，a2，a3，a4}，各符号出现的概率及起始编码区间如下表：信号字符出现概率起始编码区间a10.2[0,0.2)a20.4[0.2,0.6)a30.2[0.6,0.8)a40.2[0.8,1.0)第12页，共26页，2023年，2月20日，星期三新区间的计算方法：新区间起始位置：前面区间起始位置+当前区间左端*前面区间长度

新区间长度：当前符号的概率*前面区间长度假设要传送的消息为a1a2a3a2，算术编码的过程为：①a1，取值区间为[0，0.2)②a2，起点：0+0.2*0.2=0.04，长度0.4*0.2=0.08，新区间为[0.04，0.12)③a3，起点：0.04+0.6*0.08=0.088，长度0.2*0.08=0.016，新区间为[0.088，0.104)④a2，起点：0.088+0.2*0.016=0.0912，长度0.4*0.016=0.0064，新区间为[0.09120.0976)编码结果：0.0912信号字符出现概率编码范围a10.2[0,0.2)a20.4[0.2,0.6)a30.2[0.6,0.8)a40.2[0.8,1.0)第13页，共26页，2023年，2月20日，星期三信息：a1a2a3a2信源符号0.20.120.1040.097600.040.0880.0912输出区间内任一数编码区间a4a3a2a10.20.60.801第14页，共26页，2023年，2月20日，星期三二、有损压缩原理：

减少或去除数据中的冗余，压缩时会丢失部分数据，且丢失的数据无法恢复；优点：压缩比率较大；缺点：解压缩以后的数据与原始数据不完全一致；应用：压缩视频、图像和音频等；第15页，共26页，2023年，2月20日，星期三1.PCM（PulseCodeModulation,脉冲编码调制）采样：按固定时间间隔获取一个样本值量化：按允许的误差将样本对应到近似的数值（幅度上的离散化）。有均匀量化和非均匀量化。编码：用二进制代码表示采样量化后的样本值。第16页，共26页，2023年，2月20日，星期三2.预测编码（1）DPCM（差分脉冲编码调制）编码器量化器输入预测器编码器信道信道s+-ee’++s’s”编码器预测器++s’s”e’输出解码器原始信号为：s，预测器产生的预测值为：s”预测误差：e=s-s”发送端：发送经过量化的误差e’接收端：用相同的预测器获得预测值s”,

输出s’=s”+e’最终误差为：

s’-s=s”+e’-s=e’

–(s-s”)=e’-e（即量化器产生的量化误差）第17页，共26页，2023年，2月20日，星期三（2）ADPCM（自适应脉冲编码调制）

自适应量化：当信号分布不均匀时，能随输入信号的变化改变量化区间的大小。自适应预测：采用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，得到最小的实际样本值与预测值之间的差值。（3）帧间预测编码 利用视频图像各帧之间的时间相关性，减少帧内图像信号的冗余，即不直接传送当前帧的像素值，而是传送x和其前一帧或后一帧对应像素x’之间的差值。运动补偿的帧间预测帧间内插法（4）线性预测编码（LinearPredictiveCoding,LPC）

采用过去的样本值，以一种前向反馈的方式预测当前采样值，预测值可以用过去p个样本值的线性组合来表示。该方法被广泛应用于语音处理。第18页，共26页，2023年，2月20日，星期三3.变换编码将图像信号从一个域（如时间域）变换到另外一个域（如频率域），然后对变换后的信号进行量化与编码。正交变换前两个样本的联合事件正交变换后两个样本的联合事件例:有两个相邻的数据样本x1和x2,每个样本采用3bit编码,各自都有8个幅度等级,两个样本的联合事件共有64种可能,用64个点表示。对一般的像来说,两个相邻的数据样本很有可能出现近似的幅度,即很可能出现在x1=x2直线附近。对该数据进行正交变换，将坐标系逆时针旋转45度，在新坐标系中y1对应到x1=x2这条直线，那么变换后的数据样本集中在y1轴上，对这部分数据进行量化、编码和传输，其他数据不做处理，这样就达到了压缩数据的目的。常用的变换编码方法有：1、K-L变换2、傅立叶变换3、离散余弦变换等第19页，共26页，2023年，2月20日，星期三1．电话语音压缩标准

数据：带宽为200Hz～3.4kHz，采样频率为8kHz，8位量化，传输速率为64kb/s

语音压缩标准：G.722（64kb/s）、G.721（32kb/s）、G.728（16kb/s）和G.729（8kb/s）

应用：数字电话通信。

6.4 常用多媒体数据压缩标准

6.4.1音频压缩标准第20页，共26页，2023年，2月20日，星期三2.调幅广播语音压缩标准

数据：带宽为50hz～

7khz的调幅广播语音，使用16kHz采样频率和14位量化位数时，所对应的速率为224kb/s。

语音压缩标准：G.722应用：优质语音、音乐、音频会议和视频会议等。第21页，共26页，2023年，2月20日，星期三3．高保真立体声的宽带音频压缩标准

数据：采样频率44.1kHz，用16位量化，速率为每声道705kb/s。语音压缩标准：MPEG音频MPEG-1音频：层Ⅰ（简化的ASPEC）层Ⅱ（即MUSICAM，又称MP2）层Ⅲ（又称MP3）。

MPEG-2音频：多声道，5.1声道形式及7.1声道形式

应用：影剧院、家庭影院系统，及将来的高清晰度电视（HDTV）。第22页，共26页，2023年，2月20日，星期三6.4.2静态图像压缩标准JPEG（jointphotographicexpertsgroup）联合照片专家组

1.JPEG标准适应于彩色和单色多灰度或连续色调的静止数字图像。支持很高的图像分辨率和量化精度，具有较高的压缩比和图像质量。包含了基于DCT的有损压缩方法和基于预测方法的无损压缩方法。

2.JPEG2000标准

特征：支持低比特率传输，支持无损和有损压缩，象素精度和分辨率的渐进式传输，感兴趣域编码，随机码流访问和处理。经典算法：包含三个部分：小波变换、画布坐标系统、嵌入式优化截断编码（EBCOT）。

第23页，共26页，2023年，2月20日，星期三压缩标准屏幕比例分辨率帧频备注MPEG-14：3352x24029.97NTSC制式MPEG-14：3352x28825PAL制式MPEG-24：3720×48029.97NTSC制式MPEG-24：3720×