信息的存储与压缩

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,*,*,*,信息的存储与压缩,一、存储技术,1.磁存储技术,利用小磁体的,N,极和,S,极来表示1和0,（书,P101）,2.光盘存储技术,数据表示方法：,用盘片上的,pits（,凹坑）和,lands（,平面）来分别表示“0”与“1”。,信息的存储与压缩,读取光盘信号原理：,根据盘片上光的反射,信号的有无或强弱来决定所读取的数字信,号单元是“0”还是“1”。如果激光照在,lands,上，大部分光会反射回来，,CD,读取头就读,取到较强的反射信号，则表示读取到数字,“1”，如果激光照在,pits,上，则激光束被散射，,CD,读取头无法接收到反射信号或反射信号,很弱，则表示读取到数字“0”。,信息的存储与压缩,在介绍图象的压缩编码之前，先举一个例子：,一,A4(210mm297mm),幅面的照片，若用,中等分辨率,(300,dpi),的扫描仪按真彩色扫描，其,数据量为：,(300210/25.4)(300297/25.4),个像,素，每个像素占,3,个字节，其数据量为,26,M,字,节。,信息的存储与压缩,二、图像数据压缩与编码技术,熵与信息压缩,熵：一条信息中真正需要编码的信息量。,压缩：去掉信息中的冗余，几保留不确定信息，去掉确定的信息（可推知的），也就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有冗余的描述。,信息的存储与压缩,2.图像数据压缩的可能性,相关性：,空间相关性（帧内）、时间相关性（帧间）,（1）,空间冗余：,画面的大部分区域信号变化,缓慢，尤其是背景。,（2）,时间冗余：,相邻图象之间的相似性,连续两幅图画的前景与背景没有多,大变化。,信息的存储与压缩,（3）,视觉冗余：,人的视觉对某些信号具有,不那么敏感的生理特性。,3.图像压缩编码方法与分类,压缩可分为两大类：,无损压缩：,这是数学上的一种逆运算，从压缩后的图像能够完全恢复出原来的图象，信息没有任何丢失。,有损压缩：,靠丢失大量的冗余信息来降低数字图像或声音所占的空间。,信息的存储与压缩,(1)无损压缩编码种类 哈夫曼编码 算术编码,行程编码 ,Lempel zev,编码,(2)有损压缩编码种类预测编码：,DPCM，,运动补偿频率域方法：正文变换编码(如,DCT)，,子带编码,信息的存储与压缩,空间域方法：统计分块编码,模型方法：分形编码，模型基编码,基于重要性：滤波，子采样，比特分配，,矢量量化,(3)混合编码,JBIG，H261，JPEG，MPEG,等技术标准,信息的存储与压缩,压缩编码方法的评价,压缩比要高；,压缩与解压缩运算速度要快，算法要简单，,硬件实现容易；,解压缩质量要好。,信息的存储与压缩,4.图像压缩编码方法,预测编码：,所谓预测编码是指，去除相邻象素之间的相关性和冗余性，只对新的信息进行编码。,举个简单的例子，因为象素的灰度是连续的，所以在一片区域中，相邻象素之间灰度值的差别可能很小。,信息的存储与压缩,如果我们只记录第一个象素的灰度，其它象素的灰度都用它与前一个象素灰度之差来表示，就能起到压缩的目的。,如：,248,，,2,，,1,，,0,，,1,，,3,，实际上这,6,个象素的灰度是,248,，,250,，,251,，,251,，,252,，,255,。表示,250,需要,8,个比特，而表示,2,只需要两个比特，这样就实现了压缩。,信息的存储与压缩,变换编码：,先对信号进行某种函数变换，,从信号的一种表示空间变换到另一种表示,空间，然后在变换后的域上对变换后的信,号进行编码。,统计编码：,根据信息码字出现频率的分布特征而进行压缩编码，寻找频率与码子长度间的最优匹配。,（如,P110,的,Huffman,编码,）,信息的存储与压缩,三、静态图像压缩标准,JPEG,1.JPEG,静态图像专家组，负责制定,开发静态图像压缩、解压缩标准，主,要用于帧内压缩。,JPEG,使用的颜色是,YUV,格式,JPEG,算法的原理是利用单帧内的空间相关性，,减小空间冗余度，这种方式称为,帧内编码,。,信息的存储与压缩,采用,JPEG,标准可以得到不同压缩比的图像，,在使图像质量得到保证的情况下，可以从每个像,素24,bit,减到每个像素1,bit,甚至更小。,2.压缩过程：,信息的存储与压缩,离散余弦变换：,把源图像划分为若干个88,个像素的子块，定义一个8行8列的二维数,组,P,来表示图像子块中个像素的灰度值和颜,色值，再进行,DCT,变换。,量化：,这里的量化操作，就是将某一个值除,以量化表中对应的值。量化表为,88矩阵，,与,DCT,系数一一对应，表中的元素为1到255之间的任意整数。,注：量化是产生信息损失的根源。,信息的存储与压缩,编码：（略）,3.新一代静态图像压缩标准,JPEG2000,目前网站上80%的图像采用这个标准,JPEG2000,特点：（书,P116）,高压缩率（比传统的提高30%-50%）,同时支持有损和无损压缩,实现渐进传输,支持“感兴趣区域”,信息的存储与压缩,课后练习：,P124 2.、4、8、9,信息的存储与压缩,四、视频图像压缩标准,MPEG,1.,MPEG,运动图像专家组。它是,ISO,下的一个工作组，成立于1988年，有300名专家10个小组。该标准用于全运动视频图像，生成全屏幕活动视频标准文件,MPEG,文件。,MPEG,格式文件：,1024786 分辨率，每秒钟25帧（或30）的速度同步播放全运动视频图像和,CD,音乐伴音。,信息的存储与压缩,2.MPEG,家族,（1）,MPEG-1：1993.8,公布,包括,MPEG,视频、,MPEG,音频和,MPEG,系统三个标准。,应用：,通信网络：,图像传输，,MP3,音乐源于,MPEG-1,音频的音频标准。,媒体存储：,VCD,光盘，视频片段下载,信息的存储与压缩,（2）,MPEG-2：,1994.11,公布，全称为运动图像及其伴音的编码。它主要针对高清晰度电视（,HDTV）,所需要的视频及伴音信号。,应用：,DVD，,数字视盘和数字电视卫星,技术,（3）,MPEG-4：,对,AV（,音视对象）场景进行分层描述，基于内容的交互。,（4）,MPEG-7：,支持多种音频和视觉的描述，,信息的存储与压缩,它根据信息的抽象层次，提供一种描述多媒体材,料的方法以便表示不同层次上的用户对信息的要,求。,注：,MPEG,技术不是无偿使用的。,MPEG,标准采用了帧间和帧内相结合的压缩算法。,信息的存储与压缩,4.,MPEG,压缩过程,MPEG-1,的图像类型（3种,I,帧、,P,帧和,B,帧）,在,MPEG,编码的过程中，部分视频帧序列压缩成为,I,帧；部分压缩成,P,帧；还有部分压缩成,B,帧。,I,帧法：,是帧内压缩法，也称为“关键帧”压缩法。,I,帧法是基于离散余弦变换,DCT（Discrete Cosine Transform）,的压缩技术。,I,帧,是对整幅图像采用,JPEG,编码的图像，它是一个独立的帧，其信息由自身的画面决定，不需要参照其他画面，它是,P,帧和,B,帧的参考图。,采用,I,帧压缩可达到1/6的压缩比而无明显的压缩痕迹。,信息的存储与压缩,P,帧,法,：,是一种前向预测算法，它考虑相邻帧之间的相同信息或数据，也即考虑运动的特性进行帧间压缩。,P,帧法是根据本帧与相邻的前一帧（,I,帧或,P,帧）进行,运动补偿预测,来产生图像，从而达到压缩目的。,P,帧图像中，与,I,帧相同的信息不传送，只传送主体变化的差值，生成的,P,帧又可以作为其下一帧的参考帧。,P,帧又称为,向前预测帧,。,采取,P,帧和,I,帧联合压缩的方法可达到更高的压缩且无明显的压缩痕迹。,信息的存储与压缩,B,帧法：,是双向预测的帧间压缩算法。当把一帧压缩成,B,帧时，它根据相邻的前一帧、后一帧（,I,帧或,P,帧）以及本帧数据的不同点来进行,运动补偿预测,从而产生图像，仅记录本帧与前后帧的差值，它只反映,I、P,画面的运动主体变化情况。所以，,B,帧被称为,双向预测帧。,B,帧数据只有,I,帧数据的百分之十五、,P,帧数据的百分之五十以下。,B,帧的压缩比最大。,信息的存储与压缩,MPEG-1,的压缩过程,采用类似4：2：2的采用格式，压缩后亮度信,号的分辨率为352240，两个色度信号分辨率均,为176120，这两种不同分辨率信息的帧率都是,每秒30帧。,其编码的基本方法,是在单位时间内，首先采,集并压缩第一帧的图像为,I,帧。然后对于其后的,各帧，在对单帧图像进行有效压缩的基础上，只,存储其相对于前后帧发生变化的部分。,信息的存储与压缩,帧间压缩的过程中也常间隔采用帧内压缩法。,帧间压缩的过程中也常间隔采用帧内压缩法，由,于帧内（关键帧）的压缩不基于前一帧，一般隔,15帧设一关键帧，这样可以减少相关前一帧压缩,的误差积累。,MPEG,编码器首先要决定压缩当前帧,为,I,帧或,P,帧或,B,帧，然后采用相应的算法对其进,行压缩。一个视频序列经,MPEG,全编码压缩后可能,的格式为：,IBBPBBPBBPBBPBBIBBPBBPBBPBBPBBI.,信息的存储与压缩,2.,MPEG,的帧序列,播放时看到的帧的次序不是传送的帧的次序。一般,B,帧比它所参照的,I,帧或,P,帧传送晚。,3.,宏块,1616的像素小块。,4.,运动补偿,是一种帧间编码的方法，其原理是利用帧间的空间相关性，减少空间冗余度。,（解释详见书,P121）,5.,MPEG,视频压缩算法的缺陷（见书本,P121）,信息的存储与压缩,课后练习,书,P124 16、17、18、19,