多媒体技术基础及应用课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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,第二部分（二）预测编码,3,预测编码（,Predictive Coding,）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,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,5,2.,预测编码的分类,预测编码分为：,线性预测和非线性预测,6,3.DPCM和ADPCM,DPCM,差分脉冲编码调制,Differential Pulse Code Modulation,7,DPCM,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,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,均方误差的表达式为,12,解方程，,得 、 、,13,DPCM,编/解码原理图,14,N,阶预测器的设计,假定给定样本序列： 、 、,预测,那么预测误差,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,通过线性方程组求出预测系数,a i,就得到,n-1,线性方程组,解 系数。,17,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,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,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。,20,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,ADPCM,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。,22,已知三阶预测器,:,设量化器最大输出为,e,max,，最小输出为,e,min,，,某一个预测误差的量化输出为,e,23,当 不变,自动,增大,自动,减小,24,4.,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。,25,O,N,M,L,U,K,J,I,Q,P,A,B,C,D,E,F,G,H,R,S,T,Z,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,26,（,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,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,内插方法举例：,f,i-1,图,4.17,同一扫描行上像素插补,f,i,f,i+1,29,（,1,）条件传送和内插,内插方法举例：,f,C,f,i,f,A,f,B,f,D,4.18,隔场邻近点像素插补,30,3.,运动补偿,近几年运动补偿技术,(Motion,Compensation),十分活跃。在,H.261,，,MPEG,标准编码中都用到这个技术。,31,运动估计有下述三种方法：,(1),块匹配法,（,Block Matching Algorithm BMA,）,(2),像素递归法,（,Pixel Recursive Algorithm PRA,）,(3),傅立叶变换法,。,32,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,匹配算法,归一化相关函数,NCCF,均方误差,MSE,帧间绝对差,MAD,35,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,MSE,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。,37,搜索方法,穷尽搜索法,二维对数法（,TDL,）,三步搜索法（,TTS,）,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,39,二维对数法,(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,（,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,41,三步搜索法,(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,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,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:,lvxxmail.btvu.org,Tel: 62123648,2007.9,44,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,第二部分（三）变换编码,46,1.,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,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,48,1,、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,24bit/,像素。,49,1,、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。,50,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：,88=64,种。,y2,x2,y1,x1,51,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,52,2,、,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。,53,一、,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,54,3,、离散余弦变换（,DCT,变换）,次最优正交变换,DCT,变换与,K-L,变换压缩性能和误差很接近，而,DCT,计算复杂度适中，又具有可分离性，还有快速算法等特点。所以在图像数据压缩中，采用离散余弦变换编码的方案很多。,55,离散余弦变换,(DCT,变换,),二维离散傅立叶变换,正变换,逆变换,56,