信源的数字化与压缩系统评价3

第二章信源的数字化

与压缩系统评价课前回顾2.非线性量化的两种标准，我国采用何种标准?3.如何实现压扩量化？1.如何确定最佳量化器算法中的“最佳量化值”和“最佳划分区间”？结论：在预先划分量化区间下，集合中的每个量化值必须是对应量化区间的质心。结论：在预先给定量化值的情况下，，量化区间的端点必须是两个相邻量化值的中点值。1取样2标量量化

3矢量量化

4信号压缩系统的性能评价本章内容带记忆量化实际信号各样值之间存在着相关性，如能合理利用这些相关性，就能进一步压缩数据率

DPCM（DifferentialPulseCodeModulation，差分脉冲编码调制）

△M（增量调制）

VQ(VectorQuantization,矢量量化）带记忆的量化器2.3矢量量化带记忆量化对于带记忆标量量化，量化器的输出是由当前输入样值和存储前样值的信息共同决定的。带记忆量化器是对信号采样值和信号预测值的差值进行量化和编码，传输的信号实际是差值。预测问题是某一随机序列的外推问题。若一个由平稳随机信号取样值构成的离散序列,在时间上按如下顺序排列，即。当前值为，且它们之前相互关联，则当前值可以由前面的值来确定，即根据前面的值来预测，的预测值为这里希望有合适的函数，使预测的均方误差最小。带记忆量化在线性预测情况下，函数的误差值与各离散值的加权有关，即线性预测器的估计值为则线性预测差值为均方误差为所谓预测良好，就是选择合适的预测系数,使得均方误差为最小。带记忆量化

在DPCM中，只将前1个抽样值当作预测值，再取当前抽样值和预测值之差进行编码并传输。这相当于在下式

中，p=1，a1=1，故

这时，预测器就简化成为一个延迟电路，其延迟时间为1个抽样间隔时间Ts。差分脉冲编码调制（DPCM）差分脉冲编码调制（DPCM）此时，量化器的输入信号为差值信号量化器可以采用均匀量化、非均匀量化，或其它自适应量化。经量化后，量化器的输出信号为量化误差

对于PCM，在发射端是用二进制或多进制码组来表示每个量化采样值，会引入量化误差。为了减小量化误差，应采用较长的码组，会增加设备的复杂度和信道带宽。

因此引入了增量调制技术。

M可以看成是DPCM的一种特例。ΔM是将模拟信号变换成仅有一位二进制码组成的数字信号序列，来表示相邻信号的相对大小，通过相邻抽样值的相对变化反应模拟信号的变化规律。ΔM只用一位编码，不是表示采样值的大小，而是表示采样时刻波形的变化趋势。增量调制矢量量化信源序列:个取样值每K个为一组分为N个K维随机矢量构成信源空间

，

在每一个子空间中找一个代表矢量,记恢复矢量集为：

：输出空间（或码书、码本）

：为码矢（CodeVector）或码字（CodeWord）J：码书长度(2.3.2)(2.3.3)

将划分成个互不相交的子空间，即满足：编码过程

输入一个任意矢量，矢量量化器首先判断它属于哪个子空间；

然后输出该子空间的代表矢量:VQ过程就是用代替

（2.3.4）

式中Q为量化函数

VQ编码、解码的过程

从K

维欧氏空间中的矢量X

到空间中有限子集Y

的映射矢量量化

接收端解码：

发射端编码：

图2.2

矢量量化的基本结构VQ的压缩能力

为每个矢量所需要的编码比特数，

K为每个矢量所包含的信号取样数。当K=1时，VQ退化为标量量化VQ的特点：

压缩能力很强；

一定产生失真，但失真量容易控制（码书中的码字越多，失真就越小，码书设计是关键技术);

计算量大，编码矢量搜索运算量大（难点，关键技术），接收端计算特别简单(只需查表),

适用于数据库应用中要求检索快的场合;

VQ是定长码，比变长码容易处理，也有利减小传输误码的影响。1取样2标量量化

3矢量量化

4信号压缩系统的性能评价

本章内容2.4信号压缩系统的性能评价信号压缩后，常会产生失真，但只要最终用户的人察觉不出或者能够容忍这些失真允许对数字信号进一步压缩以换取更高的编码效率1、信号质量对信号质量的评价，其实就是对于波形逼真度（或失真度）的测量

通过客观度量，如信噪比来表示。

用主观度量，如平均评分来表示。客观度量一维信号(如语音信号)

连续波形

波形差值

均方误差（MSE）

离散波形输入/输出样值之差均方误差（MSE）

通常

对编码波形质量的客观评价与优化设计更多地在离散时间域进行。信噪比定义：

抽样信号方差对重建误差方差的比值

（2.4.5）

采样信号方差重建误差方差二维信号（如图像信号）峰值信噪比对于8位灰度图像

(2.4.6b)（2.4.6a）

用MSE来度量波形用SNR来度量数字波形的主观感觉并不适宜数值大的重建误差比数值小者对波形失真的影响大得多。意味着归一化均方误差（2.4.7）

对NMSE的倒数取对数，得到等效的信噪比（2.4.8）（表达黑白图像的逼真度）为某种运算符，最简单常见的是，即进行点变换。峰值均方误差

（2.4.9）对PMSE的倒数取对数，得到等效的峰值信噪比

(2.4.10)可以按照人类视觉系统(HVS,HumanVisualSystem)取其他更适宜的视觉心理生理函数,以便与人眼对图像主观质量的感觉更贴近。运算符主观度量感觉上的主观测试对与编码器的设计和评价不可缺少，设计这类实验的要求:

保证激励源的次序最随机，以消除排列先

后对评价的影响；

保证足够的样本数，以平滑判决结果中的

噪声或起伏；

实验人数必须足够多，实验人员的类型也

必须有广泛的代表性。质量的度量：

二元判决

主观SNR

平均判分（MOS：meanopinionscore）

等偏爱度曲线

多维计分（MDS）

其中MOS最常用

图像质量的主观评价要把人对图像质量的主观感觉与客观参数和性能联系起来；类型：

质量测试，评定图像的质量等级；

比较测试，对一幅给定图像和另一幅图像作

出质量比较。任务：

语音质量的主观评价类型：

5级质量MOS判分（MOS分数的标准差，来评价结果的可信度）

可懂度

可接受度2、比特率

单从数据压缩的角度看：

而从通信的角度看：比特率常常体现一个实际编码系统或理论压缩算法技术水平的最主要指标；最终的比特率还应与要求的业务质量（QoS：QualityofService

）和现行的数字传输体制相适应。3、复杂度信号压缩系统的复杂度

指为实现编解码算法所需的硬件设备量：

其他一些与复杂度相关的指标，如CODEC的

算法的运算量

需要的存储量

体积

重量

价格

功耗数据压缩算法的选择：

对称

非对称针对具体应用的要求来选择恰当的信号压缩算法，有可能使的系统的总复杂度最低。业务分类：

会话型、会议型、消息型：对称型算法；

分配型、检索型：解压尽量简单，压缩算法可

有较大运算量；

采集型：压缩简单，解压可采取复杂的算法保

证总体性能。4、通信延时实际处理延时在1ms到500ms之间，一般要求控制在200ms以内。随着压缩算法复杂度增加，处理的延时常常也会相应增加，引起较大的通信延时。时延大的算法能不能用于实时通信，取决于使用环境。编码与