1、多媒体计算机技术 原理及应用,主讲：李 晓 ,辅导课程三,数据压缩技术信息表示与编码,2,第二章 多媒体数据压缩技术,多媒体计算机系统中，要处理、传输、存储的多媒体信息，主要包括数字、文本、图形、图像、视频等媒体类型。这些媒体的表示在计算机系统中以大量数据存在，所以数据的高效表示和压缩技术就成为多媒体系统的关键技术。,数据压缩技术信息表示与编码,3,第二章 学习内容,2.1 信息表示与编码 2.2 常用的数据压缩技术 2.3 静态图像压缩标准JPEG 2.4 运动图像压缩标准MPEG 2.5 视听通信编码解码标准H.261 2.6 声音压缩标准 本章小结,数据压缩技术信息表示与编码,4,2.1
2、 学习要求,数据压缩技术信息表示与编码,5,2.1.1 概述,1.为什么要数字化？ 采用模拟方式表示声音和图像信息缺点 易出故障； 不适合数字计算机加工处理。对多媒体信息进行数字化处理的优点： 提高稳定性、精确性； 适于计算机处理。,数据压缩技术信息表示与编码,6,2.1.1 概述,2.数据压缩的必要性 数字化处理面临的主要问题是巨大的数据量例1：A4幅面（21.6cm*30cm)的彩色照片，用扫描仪采样（设12dot/cm)，像素用24bit彩色信号表示。则其数据量为： (21.6*12)*(30*12)*24Bit = 26.7M,数据压缩技术信息表示与编码,7,2.1.1 概述,2.数据
3、压缩的必要性 数字化处理面临的主要问题是巨大的数据量例2 双声道立体声。若16位，22.05kHz，录制1分钟，数据=？ （22.05*1000*16*2*60）/（8*1000*1000） = 5.292 M 录制1小时？,数据压缩技术信息表示与编码,8,2.1.1 概述,2.数据压缩的必要性 关键：数据压缩。 解决如下问题： 存储、存取、处理 传输,数据压缩技术信息表示与编码,9,2.1.1 概述,3. 数据压缩的可能性 图像和视频中存在大量冗余信息。什么是冗余？ 相同或者相似信息的重复 可以在空间范围重复，也可以在时间范围重复 可以是严格重复，也可以是以某种相似性重复常见冗余种类 （1）
4、空间冗余 （2）时间冗余 （3）信息熵冗余 （4）结构冗余 （5）先验知识冗余 （6）视觉冗余 （7）其他冗余,数据压缩技术信息表示与编码,10,数据压缩的可能性,（1）空间冗余 这是静态图像中存在的最主要的一种数据冗余 在同一幅图像中，规则物体和规则背景的表面物理特性具有相关性 即对同一景物表面上采样点的颜色之间存在着空间连贯性 例如：图像中一片连续的区域，其像素为相同的颜色，空间冗余产生,数据压缩技术信息表示与编码,11,数据压缩的可能性,（2）时间冗余 序列图像(电视图像、动画)和语音数据中所经常包含的冗余 一组连续的画面之间往往存在着时间和空间的相关性 例如：唱歌的歌手,数据压缩技术信
5、息表示与编码,12,数据压缩的可能性,（3）信息熵冗余 信息熵：一组数据所携带的信息量。 冗余的产生是因为：在信源符号的表示过程中未遵循信息论下最优编码而造成。 通过熵编码进行压缩,数据压缩技术信息表示与编码,13,数据压缩的可能性,（4）结构冗余 在某些场景中，存在着明显的分布模式结构 结构可以通过特定的过程来生成 例如：方格状的地板，蜂窝，砖墙等,数据压缩技术信息表示与编码,14,数据压缩的可能性,（5）知识冗余 有许多图像的理解与某些基础知识有相当大的相关性,这类规律性的结构可以由先验知识和背景知识得到 例如：人脸的图像,数据压缩技术信息表示与编码,15,数据压缩的可能性,（6）视觉冗余
6、 可以根据这些视觉特性来对图象信息进行取舍 人类的视觉系统对图像场的敏感性：非均匀和非线性的,对亮度变化敏感，而对色度的变化相对不敏感 在高亮度区，人眼对亮度变化敏感度下降 对物体边缘敏感，内部区域相对不敏感 对整体结构敏感，而对内部细节相对不敏感,数据压缩技术信息表示与编码,16,彩色空间 （1）RGB 彩色空间,R，G，B分别代表红(red)、绿(green)、蓝(blue)三色。这是彩色最基本的表示模型。通过对R、G、B三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加可得到各式各样的颜色。,数据压缩技术信息表示与编码,17,彩色空间 RGB 彩色空间,RGB是计算机系统使用的彩色模型。显示器可显
7、示256*256*256=16,777,216种颜色，即24位真彩(TrueColor)。常用的有RGB5：5：5方式和RGB8：8：8方式。 RGB5：5：5方式中，用两个字节表示一个像素；RGB8：8：8方式中，R、G、B三个分量各占一个字节(8位)。,数据压缩技术信息表示与编码,18,彩色空间 （2）HSI彩色空间,用三个分量来表示一种颜色 H（hue，色调） S（saturation，饱和度） I（intensity，光强度） HSI彩色空间更适合人的视觉特性。,数据压缩技术信息表示与编码,19,颜色编辑器,数据压缩技术信息表示与编码,20,方形区域为色度图，可对色度进行调节（包括色调
8、和饱和度）,色调值 0 239,240,0,亮度 0240,饱和度,从,到,条形区域为亮度图，可调节亮度,颜色编辑器,数据压缩技术信息表示与编码,21,彩色空间 （3）YUV彩色空间,Y为亮度信号， U（B-Y）和V（R-Y）是色差信号 YUV的最初作为电视系统信号编码。优点之一是亮度信号和色差信号分离，容易使彩色电视系统与只对亮度敏感的黑白电视机亮度信号兼容。否则，如果用RGB传输，黑白电视机无法处理。中国和西欧采用的PAL制式电视系统就采用该空间进行传输，电视机接收到后，再转换成RGB空间,数据压缩技术信息表示与编码,22,彩色空间 （3）YUV彩色空间,国际无线电咨询委员会(CCIR)根
9、据实验认为，采用双倍度采样4：2：2方案效果较好，提出了CCIR 601标准：,数据压缩技术信息表示与编码,23,彩色空间 YUVRGB,YUV与RGB的相互变换（线性关系），这里对系数作了小的改变Y = 0.3R + 0.59G + 0.11B（宽频）U = B Y（窄频）V = R Y （窄频） 接收时，R = Y + G = Y 0.19U 0.51B = Y + ,数据压缩技术信息表示与编码,24,彩色空间 （4）YIQ彩色空间,YIQ彩色空间是在广播电视系统中另一种常用的亮度与色差分离的模型。美国的电视系统采用NTSC制式，其彩色空间即为YIQY是亮度，I和Q共同描述图像的色调和饱和度。YUV与RGB的相互关系为：,数据压缩技术信息表示与编码,25,彩色空间,更多内容请参照 第9章 9.1.2 基础知识 中颜色模式和颜色模型的内容,数据压缩技术信息表示与编码,26,2.1.2 数字图像编码技术,2.数字图像的文件格式数字图像的文件格式有TIF、PCX、GIF，TGA，BMP，DVI等。这里不做讨论。,
