多媒体技术基础及应用课件

多媒体技术基础及应用北京广播电视大学吕小星副教授1多媒体技术基础及应用北京广播电视大学吕小星副教授1第4章多媒体数据压缩编码技术本章讲课思路:静态图像压缩编码的国际标准(JPEG)变换编码统计编码预测编码数据压缩的基本概念2第4章多媒体数据压缩编码技术本章讲课思路:静态图像压缩编码第二部分

（二）预测编码3第二部分

（二）预测编码3预测编码（PredictiveCoding）是统计冗余数据压缩理论的三个重要分支之一，它的理论基础是现代统计学和控制论。预测编码主要是减少了数据在时间和空间上的相关性，因而对于时间序列数据有着广泛的应用价值。

4.4预测编码4预测编码（PredictiveCoding）是统计建立一个数学模型利用以往的样本数据对新样本值进行预测将预测值与实际值相减对其差值进行编码这时差值很少可以减少编码码位。1.预测编码的基本思想5建立一个数学模型利用以往的样本数据2.预测编码的分类预测编码分为：线性预测和非线性预测62.预测编码的分类预测编码分为：63.DPCM和ADPCM

DPCM差分脉冲编码调制

DifferentialPulseCodeModulation73.DPCM和ADPCMDPCM差分脉冲编码调制

DPCM

编/解码原理图8DPCM编/解码原理图8信道DPCM系统发送编码器预测器量化器接收解码器预测器9信道DPCM系统发送编码器预测器量化器接收解码器预测器9最佳线性预测预测域例如：三阶线性预测系统10最佳线性预测预测域例如：三阶线性预测系统10预测域应用均方误差最小准则，求出预测系数、、11预测域应用均方误差最小准则，11均方误差的表达式为12均方误差的表达式为12解方程，得、、13解方程，13

DPCM

编/解码原理图14DPCM编/解码原理图14N阶预测器的设计假定给定样本序列：、、……预测那么预测误差

15N阶预测器的设计假定给定样本序列：、、……15均方误差的定义为:

假如是一个平稳随机过程,对各个取偏导数,令其为零。16均方误差的定义为:16通过线性方程组求出预测系数ai就得到n-1线性方程组,解系数。17通过线性方程组求出预测系数ai就得到n-1线性方程组,解斜率过载当预测误差值很大（图像边界），而量化器的量化输出不够大时，出现斜率过载，使边界变模糊。 DPCM线性预测系统，较为常见的噪声18斜率过载DPCM线性预测系统，较为常见的噪声18颗粒噪声 在图像灰度平坦区域（人的面部或背景），预测误差绝对值较小，而量化器的输出绝对值不够小，将预测误差扩大化，使量化输出忽正忽负，出现粒状斑点。

19颗粒噪声19假轮廓噪声 对于图像中平滑上升或平滑下降区域，预测误差绝对值很小，但经过量化器后，由于量化器的步距较大，将差值扩大，使平滑区域变成一个个台阶，形成假轮廓噪声。

2020边沿繁忙 不同帧之间在同一像素位置产生的量化误差各不相同，使边缘处看到不断闪烁变化的忙乱现象。21边沿繁忙21ADPCM自适应预测编码这种编码方法中，量化器的步长和预测器的参数均能根据图象的局部特征作自适应的调整。22ADPCM自适应预测编码这种编码方法中，量化器的已知三阶预测器:设量化器最大输出为emax，最小输出为emin，某一个预测误差的量化输出为e′23已知三阶预测器:设量化器最大输出为emax，最小输出为emi当不变 自动增大 自动减小24当不变244.帧间预测编码帧间编码技术处理的对象是序列图像（也称为运动图像）。随着大规模集成电路的迅速发展，已有可能把几帧的图像存储起来作实时处理，利用帧间的时间相关性进一步消除图像信号的冗余度，提高压缩比。帧间编码的技术基础是预测技术。254.帧间预测编码帧间编码技术处理的对象是序列图像（也称为运动ONMLUKJIQPABCDEFGHRSTZ当前场的像素前一场的像素前一帧的像素图4.19

帧间预测像素位置示意图若最小，则用同一场同一扫描行上的前一个像素H最小，则用同一场上一扫描行上的像素B最小，则上一帧对应位置像素M（1）帧间预测26ONMLUKJIQPABCDEFGHRSTZ当前场的像素前一（1）条件传送和内插条件传送：设置一个阈值“T”，对于帧间对应位置像素的亮度或色差信号值，大于T值传送，小于T值者不传送。一帧电视画面，只传送其中一部分活动比较明显像素的帧间差值信号，可以有效降低传输比特率。这种传送方式，称为条件传送。27（1）条件传送和内插条件传送：设置一个阈值“T”，对于帧间（1）条件传送和内插内插方法：当帧内像素的空间分辨率降低时，如果采样频率降低一倍，那么对于未采样像素的亮度或色差信号值，可用内插（插补）方法补充。28（1）条件传送和内插28（1）条件传送和内插内插方法举例：fi-1图4.17同一扫描行上像素插补fifi+129（1）条件传送和内插内插方法举例：fi-1图4.17（1）条件传送和内插内插方法举例：fCfifAfBfD4.18隔场邻近点像素插补30（1）条件传送和内插内插方法举例：fCfifAfBfD4.

3.运动补偿

近几年运动补偿技术(MotionCompensation)十分活跃。在H.261，MPEG标准编码中都用到这个技术。313.运动补偿31

运动估计有下述三种方法：

(1)块匹配法

（BlockMatchingAlgorithmBMA）(2)像素递归法

（PixelRecursiveAlgorithmPRA）(3)傅立叶变换法。32运动估计有下述三种方法：32块匹配法图4.19块匹配位移估计算法33块匹配法图4.19块匹配位移估计算法33块匹配法假定当前帧中的一个M×N子块是从第k—Ns帧平行移动而来，并设M×N子块内所有像素都具有同一个位移值（i，j）。假定运动物体在Ns帧差时间内水平和垂直最大位移均为L，这样我们可以在第k—Ns帧搜索区SR内进行搜索，这里SR搜索区为（M+2L，N+2L）34块匹配法假定当前帧中的一个M×N子块是从第k—Ns帧平行移动匹配算法归一化相关函数NCCF均方误差MSE帧间绝对差MAD35匹配算法归一化相关函数NCCF35计算两帧中子块的相关函数

当NCCF相关函数最大时，i,j就被定为子块的水平和垂直的偏移值，但此式计算量大.36计算两帧中子块的相关函数36MSE是均方误差,MAD是绝对差

取MES或MAD最小时的i,j值就是水平和垂直的偏移量。37MSE是均方误差,MAD是绝对差37搜索方法穷尽搜索法二维对数法（TDL）三步搜索法（TTS）38搜索方法穷尽搜索法38取MAD最小值，新得到的i,j就是水平和垂直的偏移量。穷尽搜索法穷尽搜索法39取MAD最小值，新得到的i,j就是水平和垂直的偏移量。穷尽搜二维对数法(TDL)此算法用MSE均方误差作为匹配准则，并在搜索窗口中用沿着最小误差方向执行对数二维搜索过程。40二维对数法(TDL)此算法用MSE均方误差作为匹配40（1）5个初始点如图所示取MSE为最小点,如（2）下一步搜索三个新位置，如最小误差位置同前，如（3）步长除以2，并搜索围绕次最小误差的9个（3*3）点如41（1）5个初始点如图所示取MSE为最小点,如三步搜索法(TTS)此搜索过程是一个由粗到细的过程，每一步搜索9个点，用MSE度量，找到最小搜索步长减半再搜索，共25个点。

三步搜索法42三步搜索法(TTS)此搜索过程是一个由粗到细的过程，每预测编码小结重点掌握:预测编码的基本思想预测编码的分类ADPCM编码方法中自适应系数m的变化条件43预测编码小结重点掌握:43

多媒体技术基础及应用吕小星副教授北京广播电视大学理工教学部E-Mail:lvxx@Tel:621236482007.944多媒体技术基础及应用吕小星副教授44第4章多媒体数据压缩编码技术本章讲课思路:静态图像压缩编码的国际标准(JPEG)变换编码统计编码预测编码数据压缩的基本概念45第4章多媒体数据压缩编码技术本章讲课思路:静态图像压缩编码第二部分

（三）变换编码46第二部分

（三）变换编码461.什么叫数据压缩？定义（1）:数据压缩就是以最少的数码表示信源所发的信号，减少容纳给定消息集合或数据采样集合的信号空间。

4.5变换编码471.什么叫数据压缩？4.5变换编码47第四章多媒体数据压缩编码技术4.1数据压缩编码的重要性和分类4.2预测编码4.3变换编码4.4统计编码4.5数据压缩编码的国际标准48第四章多媒体数据压缩编码技术4.1数据压缩编码的1、变换编码的特点利用预测编码可以去除图象数据的时间和空间的冗余。它的优点是直观、简捷、易于实现，特别是用于硬件实现。但压缩能力有限，DPCM一般只能压缩到2~4bit/像素。491、变换编码的特点利用预测编码可以去除1、变换编码的特点变换编码是进行一种函数变换，映射变换从信号域变换到另一个信号域。501、变换编码的特点变换编码是进行一种函数例：有两个相邻采样值X1和X2，每一采样值用3bit编码，因此有8个幅度等级，两个为：8×8=64种。y2x2y1x151例：有两个相邻采样值X1和X2，每一采变换编码的系统构成信源序列变换变换域采样量化编码存储和传输解码反变换再现序列52变换编码的系统构成信源序列变换变换域采样量化编码存储和传输解2、K-L变换(Karhunen—Loeve)它是以统计特性为基础的，也称为特征向量变换。最优的正交变换：特征向量矩阵向量指向数据变化最大的方向。缺点：计算过程复杂，变换速度慢。532、K-L变换(Karhunen—Loeve)它是以统计一、Y向量的平均向量为0，直流分量为0。二、Y的协方差矩阵协方差等于0方差对角线按减序排列K-L变换是最佳变换54一、Y向量的平均向量为0，直流分量为0。