四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 多媒體技術(shù) 6

數(shù)據(jù)壓縮一、InformationTheory二、WhyCompression?三、HowtoCompress?四、LosslessCompression五、LossyCompression六、JPEG七、JPEG2000八、MPEGstandards1.MPEGVideo2.ScalableMPEG-2Video3.MPEGAudio2002年10月28日HybridCoding:BasicEncodingSteps2002年10月28日有損壓縮（LossyCompression）——一些數(shù)據(jù)在壓縮中丟失。（人不能察覺或極其微小的數(shù)據(jù)）目的：限制不必要的或冗余信息。應(yīng)用：圖象、聲音文件，如：SpeechAudioImageVideo2002年10月28日有損壓縮目標(biāo)： 對(duì)于給定的壓縮率，使失真程度最小。 優(yōu)化基于“可察覺的失真程度”，實(shí)際難以計(jì)算2002年10月28日?qǐng)D象壓縮（ImageCompression）圖象類型：如：–Photographs(colororgrayscale)–Fax(bilevel)–Documents(text,handwriting,graphicsandphotographs)2002年10月28日?qǐng)D象壓縮（ImageCompression）?應(yīng)用示例：–Slide-showgraphicsontheInternet(catalogs,homeshopping,real-estateviewing,…).圖象以各種分辨率表示，包括瀏覽的低分辨率到觀察細(xì)節(jié)的高分辨率；–Medicalapplications(X-rays,CATscans,etc.)高分辨率圖象，需做存儲(chǔ)、索引、訪問、位置之間轉(zhuǎn)換等2002年10月28日StandardtestimageLenna

SoderbergIn1972Size：180×225Colors:16millionLena24.bmp:122KB2002年10月28日Standardtestimage(cont’d)Lenna

SoderbergTheFirstLadyoftheInternetIn1972：Size：180×225Colors:256Lena24.bmp:

42KB2002年10月28日Standardtestimage(cont’d)Canyoutellthedeferencebetweenthem?

(Lenna

Soderberg)2002年10月28日Standardtestimage(cont’d)InMay1997atIS&T's(ImagingScienceandTechnology)50thAnniversaryconferenceLenna

Soderberg(Sj??blom)andJeffSeideman

2002年10月28日失真度量方法（DistortionMeasurement）PSNR(peaksignaltonoiseratio)——峰值信號(hào)噪聲比,最大像素值與均方差(meansquareerror，MSE)之比,單位為db對(duì)8位二進(jìn)制圖像，其中，為原始圖像的像素值，為解壓縮之后的像素值。2002年10月28日DistortionMeasurement(cont’d)NMSE(normalizedmeansquareerror)——規(guī)格化均方差2002年10月28日DistortionMeasurement(cont’d)SNR(signaltonoiseratio)——信號(hào)噪聲比MAE(meanabsoluteerror)——平均絕對(duì)誤差2002年10月28日DistortionMeasurement(cont’d)在電子工程中，信號(hào)噪聲比(SNR)一直是最流行的誤差度量指標(biāo)，在大多數(shù)情況下可提供很有價(jià)值的信息，在數(shù)學(xué)上也比較容易計(jì)算。信號(hào)噪聲比雖然也用在圖像編碼中，但由于它的數(shù)值與圖像編碼系統(tǒng)中高壓縮比的關(guān)系不容易體現(xiàn)，因此提出了其他的幾種度量方法，包括平均主觀評(píng)分(meanopinionscore，MOS)2002年10月28日SomeDefinitions

=theoriginalvalueofasample=thesamplevalueaftercompression=error(ornoiseordistortion)=power(variance)ofthesignal=power(variance)oftheerrorSignal-to-noiseratio:2002年10月28日J(rèn)PEGJPEG——JointPhotographicExpertsGroup(聯(lián)合圖像專家組

)ISO-InternationalStandardsOrganizationCCITT-Comité

ConsultatifInternationaldeTélégraphie

(nowITU-TInternationalTelegraphandTelephoneConsultativeCommittee)JPEG算法

JPEG標(biāo)準(zhǔn)2002年10月28日J(rèn)PEGJPEG算法：有損壓縮算法：—順序的基于離散余弦變換算法—累加的基于離散余弦變換算法無損壓縮算法：—預(yù)測(cè)編碼分層的算法：

基于離散余弦變換算法或預(yù)測(cè)編碼的擴(kuò)展2002年10月28日J(rèn)PEG?JPEG是一個(gè)靜態(tài)圖象壓縮的標(biāo)準(zhǔn)算法?特點(diǎn)： 計(jì)算復(fù)雜度低 圖象壓縮質(zhì)量高

兼有無損壓縮和有損壓縮

適用任意大小的灰度圖和彩色圖2002年10月28日J(rèn)PEG壓縮編碼Imagepreparation:Pixelresolutionofp=8bit8x8pixelblocks(dataunits)MCU:MinimumCodedUnitFDCT:ForwardDiscreteCosineTransformation2002年10月28日J(rèn)PEG壓縮-解壓算法框圖2002年10月28日J(rèn)PEG壓縮編碼JPEG壓縮編碼算法步驟：使用正向離散余弦變換(forwarddiscretecosinetransform，F(xiàn)DCT)把空間域表示的圖變換成頻率域表示的圖。使用加權(quán)函數(shù)對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化。使用霍夫曼可變字長(zhǎng)編碼器對(duì)量化系數(shù)進(jìn)行編碼。

2002年10月28日J(rèn)PEG壓縮編碼JPEG壓縮編碼算法的主要計(jì)算步驟如下：正向離散余弦變換(FDCT)。量化(quantization)。Z字形編碼(zigzagscan)。使用差分脈沖編碼調(diào)制(differentialpulsecodemodulation，DPCM)對(duì)直流系數(shù)(DC)進(jìn)行編碼。使用行程長(zhǎng)度編碼(run-lengthencoding，RLE)對(duì)交流系數(shù)(AC)進(jìn)行編碼。熵編碼(entropycoding)。

2002年10月28日J(rèn)PEG壓縮編碼正向離散余弦變換C(u),C(v)=1/,當(dāng)u,v=0；C(u),C(v)=1,其他。f(i,j)經(jīng)DCT變換之后，F(xiàn)(0，0)是直流系數(shù)，其他為交流系數(shù)。

2002年10月28日J(rèn)PEG壓縮編碼2.量化

表5-05亮度量化值表表5-06色度量化值2002年10月28日J(rèn)PEG壓縮編碼3.Z字形編排

為了增加連續(xù)的“0”系數(shù)的個(gè)數(shù)，就是“0”的游程長(zhǎng)度，量化后的系數(shù)要重新編排，這樣就把一個(gè)8×8的矩陣變成一個(gè)1×64的矢量，頻率較低的系數(shù)放在矢量的頂部。2002年10月28日J(rèn)PEG壓縮編碼4.直流系數(shù)的編碼

8×8圖像塊經(jīng)過DCT變換之后得到的DC直流系數(shù)有兩個(gè)特點(diǎn)，一是系數(shù)的數(shù)值比較大，二是相鄰8×8圖像塊的DC系數(shù)值變化不大。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，JPEG算法使用了差分脈沖調(diào)制編碼(DPCM)技術(shù)，對(duì)相鄰圖像塊之間量化DC系數(shù)的差值(Delta)進(jìn)行編碼。Delta＝DC(0,0)k-DC(0,0)k-12002年10月28日J(rèn)PEG壓縮編碼5.交流系數(shù)的編碼 量化AC系數(shù)的特點(diǎn)是1×64矢量中包含有許多“0”系數(shù)，并且許多“0”是連續(xù)的，因此使用非常簡(jiǎn)單和直觀的游程長(zhǎng)度編碼(RLE)對(duì)它們進(jìn)行編碼。

JPEG使用了1個(gè)字節(jié)的高4位來表示連續(xù)“0”的個(gè)數(shù)，而使用它的低4位來表示編碼下一個(gè)非“0”系數(shù)所需要的位數(shù)，跟在它后面的是量化AC系數(shù)的數(shù)值。2002年10月28日J(rèn)PEG壓縮編碼6.熵編碼 使用熵編碼還可以對(duì)DPCM編碼后的直流DC系數(shù)和RLE編碼后的交流AC系數(shù)作進(jìn)一步的壓縮。 在JPEG有損壓縮算法中，使用霍夫曼編碼器來減少熵。2002年10月28日J(rèn)PEG壓縮編碼7.組成位數(shù)據(jù)流

JPEG編碼的最后一個(gè)步驟是把各種標(biāo)記代碼和編碼后的圖像數(shù)據(jù)組成一幀一幀的數(shù)據(jù)，這樣做的目的是為了便于傳輸、存儲(chǔ)和譯碼器進(jìn)行譯碼，這樣的組織的數(shù)據(jù)通常稱為JPEG位數(shù)據(jù)流(JPEGbitstream)。2002年10月28日J(rèn)PEG有損壓縮說明：?首先，圖像中的RGB顏色矢量轉(zhuǎn)換成YCrCb

值?圖象轉(zhuǎn)換為一系列的8×8像素塊，然后按從左——右，從上——下的順序處理。?每個(gè)8×8像素塊分別進(jìn)行離散余弦變換（DCT)和系數(shù)量化。2002年10月28日J(rèn)PEG2000JPEG2000的制定始于1997年3月關(guān)鍵技術(shù)——小波變換

JPEG2000與傳統(tǒng)JPEG最大的不同在于它放棄了JPEG所采用的以離散余弦變換為主的區(qū)塊編碼方式，轉(zhuǎn)而采用以小波變換為主的多解析編碼方式。2002年10月28日J(rèn)PEG2000采用余弦變換的不足： 余弦變換是經(jīng)典的譜分析工具，它考察的是整個(gè)時(shí)域過程的頻域特征或整個(gè)頻域過程的時(shí)域特征，因此對(duì)于平穩(wěn)過程，它有很好的效果，但對(duì)于非平穩(wěn)過程，它卻有諸多不足。在JPEG中，離散余弦變換將圖像壓縮為8×8的小塊，然后依次放入文件中，這種算法靠丟棄頻率信息實(shí)現(xiàn)壓縮，因而圖像的壓縮率越高，頻率信息被丟棄的越多。在極端情況下，JPEG圖像只保留了反映圖像外貌的基本信息，精細(xì)的圖像細(xì)節(jié)都損失了。

2002年10月28日J(rèn)PEG2000采用小波變換的優(yōu)勢(shì)： 小波變換是現(xiàn)代譜分析工具，它既能考察局部時(shí)域過程的頻域特征，又能考察局部頻域過程的時(shí)域特征，因此即使對(duì)于非平穩(wěn)過程，處理起來也得心應(yīng)手。它能將圖像變換為一系列小波系數(shù)，這些系數(shù)可以被高效壓縮和存儲(chǔ)，此外，小波的粗略邊緣可以更好地表現(xiàn)圖像，因?yàn)樗薉CT壓縮普遍具有的方塊效應(yīng)。2002年10月28日J(rèn)PEG2000性能特點(diǎn)●高壓縮率

JPEG2000壓縮性能比JPEG提高了30～50%，也就是說，在同樣的圖像質(zhì)量下，JPEG2000可以使圖像文件的大小比JPEG圖像文件小30～50%。同時(shí)，使用JPEG2000的系統(tǒng)穩(wěn)定性好，運(yùn)行平穩(wěn)，抗干擾性好，易于操作。2002年10月28日J(rèn)PEG2000●同時(shí)支持有損和無損壓縮

JPEG只支持有損壓縮，而JPEG2000能支持無損壓縮。在實(shí)際應(yīng)用中，諸如衛(wèi)星遙感圖像、醫(yī)學(xué)圖像、文物照片等重要的圖像都非常適合于采用JPEG2000壓縮。目前，對(duì)圖像進(jìn)行無損編碼的經(jīng)典方法——預(yù)測(cè)法已經(jīng)發(fā)展成熟，并作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)寫入了JPEG2000。2002年10月28日J(rèn)PEG2000●實(shí)現(xiàn)了漸進(jìn)傳輸

這是JPEG2000一個(gè)極其重要的特征，它可以先傳輸圖像的輪廓，然后逐步傳輸數(shù)據(jù)，不斷提高圖像質(zhì)量，讓圖像由朦朧到清晰顯示，而不必像現(xiàn)在的J