信息的存儲與壓縮

1、信息的存儲與壓縮第1頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一信息技術的核心在于信息的處理與存儲。多媒體信息包括文本、圖形、圖像、聲音等，由于這些媒體的信息量相當大，數字化后要占用大量的存儲空間，使得存儲與處理都十分困難。尤其在圖像信息的存儲和壓縮方面，其重要性作用表現得尤為明顯。第2頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一本章小結在信息技術的幾個環(huán)節(jié)（獲取、傳輸、存儲、顯示、處理）中，信息存儲是重要的環(huán)節(jié)之一。為減少數字化信息在存儲和傳輸時所占用的空間和時間，數據壓縮技術就成為信息處理中的關鍵技術之一。信息存儲涉及到材料科學、電子學、光電子學、光子學以及計算機科

2、學等，是一個綜合性的技術。通過本章的學習，讀者應了解磁存儲技術與光存儲技術的主要特點，理解圖像壓縮的基本概念，以及預測編碼、變換編碼和統(tǒng)計編碼的主要思想，并對JPEG和MPEG的圖像壓縮標準及實現方法有一定的了解。 第3頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.1 信息存儲技術的三次革命 歷史學家通常把文字的出現當做文明史的開端。文字記載是人在大腦之外尋找記憶載體的方式。通過記載，人的思想和關于歷史事件傳說得到保存、復制和流傳。人們由此而有了歷史。文字的出現是人類歷史上第一次劃時代的信息載體革命，這場革命的實質就是實現了腦外信息貯存方式。隨著印刷術的應運而生，它是人類歷史上規(guī)

3、?？涨暗男畔椭聘锩?，可以說是繼文字出現之后的第二次信息載體革命。科學史家通常把電訊業(yè)的出現當做人類歷史上第三次信息(載體)革命。不過今天也有人把這一佳冠授予計算機和互聯(lián)網。 第4頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.2 計算機存儲系統(tǒng) 信息存儲技術的金字塔結構 計算機的存儲設備從體系結構上看可分為內存儲器和外存儲器。內存儲器直接與計算機的CPU相連，處于金字塔的最上層。它的存取速度要求能與CPU相匹配，通常由半導體存儲器芯片組成，由于成本高，容量通常不太大。再下一層是鄰機存儲器，它由存取速度比硬盤更慢的光盤機、光盤庫等設備組成。磁盤（包括軟盤和硬盤）與光盤均提供聯(lián)機服務

4、。最底層是脫機存儲器（或稱離線存儲器），由磁帶機和磁帶庫組成。 第5頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.2 計算機存儲系統(tǒng) 磁存儲技術 磁存儲技術就是利用磁介質的這一特性來存儲信息的。數據（聲像）以電信號的形式通過錄制磁頭轉換成磁信號儲存在磁性介質上。重放時，只要通過磁頭將磁性介質上的磁信號還原成電信號，就可以在計算機屏幕上顯示出信息。軟磁盤存儲 硬盤 磁盤陣列 磁帶存儲第6頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.2 計算機存儲系統(tǒng) 光存儲技術 光存儲介質與磁存儲介質之間的本質區(qū)別在于前者使用光技術，而后者使用磁技術。光存儲技術通過光學的方法讀出和寫

5、入數據，由于使用的光源基本上是激光(也可以使用其他光源)，所以又稱為激光存儲。光盤具有一切存儲介質的優(yōu)點，如大容量、耐用、易保存、標準化等。由于它非常適合于大量生產，作為計算機軟件、多媒體出版物、計算機游戲等發(fā)行量大的電子出版物是非常合適的。 第7頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.3 圖像數據壓縮與編碼技術 熵與信息壓縮 從信息論的角度來看，壓縮就是去掉信息中的冗余，即保留不確定的信息，去除確定的信息(可推知的)，也就是用一種更接近信息本質的描述來代替原有冗余的描述。所以，將香農的信息論觀點運用到圖像信息的壓縮，所要解決的問題就是如何將圖像信息壓縮到最小，但仍攜有足夠

6、信息以保證能復制出與原圖近似的圖像。第8頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.3 圖像數據壓縮與編碼技術 圖像數據壓縮的可能性 多媒體視頻信號的冗余度存在于結構和統(tǒng)計兩方面。在結構上的冗余度表現為很強的空間（幀內）、和時間（幀間）相關性?？臻g冗余 時間冗余 視覺冗余 第9頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.3 圖像數據壓縮與編碼技術 壓縮編碼方法的分類與評價 壓縮編碼的分類方法有許多種，如果從信息論的角度來認識可分為兩大類：第10頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.3 圖像數據壓縮與編碼技術 無損壓縮是指數據在壓縮或解壓縮過

7、程中不會改變或損失原有的信息，解壓縮產生的數據是對原始對象的完整復制，沒有失真。無損壓縮從數學上講是一種可逆運算。 有損壓縮算法靠丟掉大量冗余信息來降低數字圖像所占的空間，回放時也不能完整地恢復原始圖像，而將有選擇地損失一些細節(jié)，損失多少信息由需要多高的壓縮率決定。 第11頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.3.4 數據壓縮編碼技術的發(fā)展 第一代編碼技術經典編碼方法 1959年，Shannon進一步確立了碼率失真理論，以上工作奠定了信息編碼的理論基礎。主要編碼方法有預測編碼、變換編碼和統(tǒng)計編碼，也稱為三大經典編碼方法。經典編碼技術又可以稱為“第一代”編碼技術。 “第二代

8、”編碼方法 “第二代”編碼方法主要有：基于分形的編碼、基于模型的編碼、基于區(qū)域分割的編碼和基于神經網絡的編碼等。第12頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一 圖像壓縮編碼方法 數據的壓縮都可以看成是一種變換，解壓縮(恢復數據)就是一種反變換，變換的實現方法即編碼技術，每一種編碼方法都是實現數據壓縮的具體操作，對于不同的多媒體數據，可以有選擇地采取某種編碼方法。 預測編碼 變換編碼 統(tǒng)計編碼 混合編碼 圖像與視頻壓縮標準 第13頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.4 靜態(tài)圖像壓縮標準JPEG JPEG(念作“jay-peg”)是“The Joint Ph

9、otographic Expert Group”的縮寫，它是由國際電報咨詢委員會(CCITT)和國際標準化組織(ISO)聯(lián)合組成的專家組，共同制定的靜態(tài)數字圖像壓縮標準。JPEG的算法的基礎是離散余弦變換(DCT)和哈夫曼(Huffman)變換，其壓縮過程可分成DCT變換、量化和編碼三個階段。第14頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.4 靜態(tài)圖像壓縮標準JPEG 離散余弦變換 離散余弦變換(Discrete cosine Transform)，簡稱DCT。它是變換編碼中的一個非常重要的成員。 DCT的優(yōu)點很多，主要表現為：1.已證明DCT是許多圖像的最佳變換;2.DCT

10、可以將圖像的空間域轉換為頻率域，只需要少量的數據點表示圖像；第15頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.4 靜態(tài)圖像壓縮標準JPEG 3.DCT產生的系數很容易被量化，以獲得好的塊壓縮；4.DCT算法的性能很好，可以進行高效的運算，因此使它在硬件和軟件中都容易實現；5.DCT算法是對稱的，逆DCT算法可用來解壓縮圖像。第16頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.4 靜態(tài)圖像壓縮標準JPEG 4.4.2 量化 所謂量化，即根據不同的要求，設置不同的量化等級，以降低數據率。量化的作用是在保證主觀圖像質量的前提下，丟掉那些對視覺效果影響不大的信息。量化是造

11、成DCT編碼信息損失的根源。 編碼 相鄰塊的DC系數進行差分編碼 Z型路徑的游程編碼 熵編碼 第17頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.4.4 新一代靜態(tài)圖像壓縮標準JPEG2000 JPEG2000 主要有以下特點： 高壓縮率 同時支持有損和無損壓縮 實現了漸進傳輸 支持“感興趣區(qū)域” 第18頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.5 視頻圖像壓縮標準MPEG 什么是視頻 視頻就其本質而言，實際上就是一系列連續(xù)播放的靜態(tài)圖像而已。數字視頻占用大量的存儲空間，因為它要存儲每一幀的像素（全速運動圖像為30幀/秒）和與之同步的伴音。視頻壓縮的目的是致力于

12、使數字視頻既少占空間，又要保證好的視覺效果。電視信號是視頻的重要信息源。 第19頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.5 視頻圖像壓縮標準MPEG MPEG家族 MPEG在三方面優(yōu)于其他壓縮/解壓縮方案。首先，由于在一開始它就是做為一個國際化的標準來研究制定，所以，MPEG具有很好的兼容性。其次，MPEG能夠比其他算法提供更好的壓縮比，最高可達200:1。更重要的是，MPEG在提供高壓縮比的同時，對數據的損失很小。MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 MPEG-7 第20頁，共21頁，2022年，5月20日，0點58分，星期一4.5 視頻圖像壓縮標準MPEG MPEG壓縮過程 MPEG標準的視頻壓縮主要以兩個基本技術為基礎，一是采用DCT的幀內壓縮，其目的是為了