《信息的存储与压缩》PPT课件.ppt

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(300dpi)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26M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Lempelzev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JPEG1.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24bit减到每个像素1bit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：P1242.、4、8、9,信息的存储与压缩,四、视频图像压缩标准MPEG1.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（DiscreteCosineTransform）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P12416、17、18、19,