数据压缩与编码技术

数据压缩与编码技术

①多媒体数据压缩编码的种类

多媒体数据压缩方法根据不同的依据可产生不同的分类。通常根据压缩前后有无质量损失分为有失真（损）压缩编码和无失真（损）压缩编码。

无损压缩：利用信息相关性进行的数据压缩并不损失原信息的内容。是一种可逆压缩，即经过文件压缩后可以将原有的信息完整保留的一种数据压缩方式，如RLE压缩，huffman 压缩、算术压缩和字典压缩。

有损压缩：经压缩后不能将原来的文件信息完全保留的压缩，是不可逆压缩。如静态图像的JPEG压缩和动态图像的MPEG压缩等。有损压缩丢失的是对用户来说并不重要的、不敏感的、可以忽略的数据。

无论是有损压缩还是无损压缩，其作用都是将一个文件的数据容量减小，又基本保持原来文件的信息内容。压缩的反过程-----解压缩，将信息还原或基本还原。

压缩编码的方法有几十种之多，如预测编码、变换编码、量化与向量编码、信息熵编码、子带编码、结构编码、基于知识的编码等。其中比较常用的编码方法有预测编码、变换编码和统计编码。没有哪一种压缩算法绝对好，压缩效率高的算法，其具体的运算过程相对就复杂，即需要更长的时间进行转化编码操作。

图1.3 音频信号的压缩方法

②多媒体数据压缩编码的国际标准

国际电活电报咨询委员会CCITT和ISO联合定的数字化图像压缩国际标淮，主要有三个标准：用于计算机静止图像压缩的JPEG、用于活动图像压缩的MPEG数字压缩技术和用于会议电视系统的H.261压缩编码。

（1）J PEG标准

联合图像专家小组，多年来一直致力于标准化工作，他们开发研制出，连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压缩编码方法。这个压缩编码方法称为JPEG（Joint Photographic Experts Group）算法。JPEG算法被确定为JPEG国际标准，它是国际上，彩色、灰度、静止图像的第一个国际标准。JPEG标准是一个适用范围广泛的通用标准。它不仅适于静图像的压缩；电视图像序列的帧内图像的压缩编码，也常采用JPEG压缩标准。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。

JPEG 标准定义了两种基本压缩算法：一是：基于DCT变换有失真的压缩算法。二是：基于空间预测编码DPCM的无失真压缩算法。

（2）MPEG标准

MPEG(Moving Picture Experts Group)的中文意思是运动图像专家小组。MPEG和JPEG 两个专家小组，都是在ISO领导下的专家小组，其小组成员也有很大的交叠。JPEG的目标是专门集中于静止图像压缩，MPEG的目标是针对活动图像的数据压缩，但是静止图像与活动图像之间有密切关系。

（3）H．261标准

H．261标准是面向可视电话和电视会议系统的视频压缩算法的国际标准。

图像压缩编码方法

图像压缩编码方法综述 概述： 近年来, 随着数字化信息时代的到来和多媒体计算机技术的发展, 使得人 们所面对的各种数据量剧增, 数据压缩技术的研究受到人们越来越多的重视。 图像压缩编码就是在满足一定保真度和图像质量的前提下，对图像数据进行变换、编码和压缩，去除多余的数据以减少表示数字图像时需要的数据量，便于 图像的存储和传输。即以较少的数据量有损或无损地表示原来的像素矩阵的技术,也称图像编码。 图像压缩编码原理： 图像数据的压缩机理来自两个方面:一是利用图像中存在大量冗余度可供压缩；二是利用人眼的视觉特性。 图像数据的冗余度又可以分为空间冗余、时间冗余、结构冗余、知识冗余 和视觉冗余几个方面。 空间冗余：在一幅图像中规则的物体和规则的背景具有很强的相关性。 时间冗余：电视图像序列中相邻两幅图像之间有较大的相关性。 结构冗余和知识冗余：图像从大面积上看常存在有纹理结构，称之为结构 冗余。 视觉冗余：人眼的视觉系统对于图像的感知是非均匀和非线性的，对图像 的变化并不都能察觉出来。 人眼的视觉特性： 亮度辨别阈值：当景物的亮度在背景亮度基础上增加很少时，人眼是辨别 不出的，只有当亮度增加到某一数值时，人眼才能感觉其亮度有变化。人眼刚 刚能察觉的亮度变化值称为亮度辨别阈值。 视觉阈值：视觉阈值是指干扰或失真刚好可以被察觉的门限值，低于它就 察觉不出来，高于它才看得出来，这是一个统计值。 空间分辨力：空间分辨力是指对一幅图像相邻像素的灰度和细节的分辨力，视觉对于不同图像内容的分辨力不同。 掩盖效应：“掩盖效应”是指人眼对图像中量化误差的敏感程度，与图像 信号变化的剧烈程度有关。 图像压缩编码的分类： 根据编码过程中是否存在信息损耗可将图像编码分为: 无损压缩：又称为可逆编码(Reversible Coding)，解压缩时可完全回复原始数据而不引起任何失真； 有损压缩：又称不可逆压缩(Non-Reversible Coding)，不能完全恢复原始数据，一定的失真换来可观的压缩比。 根据编码原理可以将图像编码分为: 熵编码：熵编码是编码过程中按熵原理不丢失任何信息的编码。熵编码基

《数据压缩与编码》课程教学大纲1

《数据压缩与编码》课程教学大纲 课程类型:专业限选课课程代码: 课程学时: 46学分: 2 适用专业:电子信息工程专业 开课时间: 三年级二学期开课单位: 电气与电子工程学院 大纲执笔人: 吴德林大纲审定人:杨宁 一、课程性质、任务： 人类社会已进入信息时代，网络是信息时代的重要产物，大量数据的存贮、处理特别是传输，是影响网络系统效率的重要因素之一，数据压缩技术对提高网络通信能力和效率提供了有力的支持。课程的目的在于学习数据通信基本原理和了解数据通信网络。 通过本课程的学习，学生能够掌握数据压缩的基本知识、基本方法；掌握数据压缩技术及经典算法，包括信源的数字化方法、基本的统计编码方法、预测编码的理论与实现方法、HUFFMAN方法、算术编码方法、字典压缩技术、文本压缩技术、图像压缩技术；理解和实验基本图像JPEG压缩编码或EZW/SPIHT压缩编码。 二、课程教学内容 1）教学内容、目标与学时分配 (一)理论教学部分

2、实验要求指：必做或选做 2) 教学重点与难点 1、重点：数据压缩的基本概念、数据压缩的常用方法与算法，数据编码技术、图像压缩技术以及视频压缩技术。。 2、难点：视频压缩与小波分析技术 三、课程各教学环节的基本要求 1）课堂讲授： 多媒体、PPT课件 2）实验（实训、实习）：

3）作业： 问答题，计算题 4）课程设计： 5）考试 5.1 考试方法：（考试；考查；闭卷；开卷；其它方法） 闭卷考试 5.2 各章考题权重 第一章 5% 第二章 10% 第三章 10% 第四章 20% 第五章 20% 第六章. 20% 第七章 10% 第八章 5% 5.3 考试题型与比例 Eg：填空：20% ；判断题：10% ；单项选择：20% ；问答题：40%；分析题：10% 四、本课程与其他课程的联系 先修课程： 微机原理与程序设计、C 语言程序设计、数据结构、算法设计与分析。 五、建议教材及教学参考书 教材：吴乐南著：《数据压缩（第3版）》，电子工业出版社，2012年 参考书：魏江力．JPEG2000图像压缩基础、标准和实践．电子工业出版社，2004

常用工具软件 多媒体数据压缩及编码技术

常用工具软件多媒体数据压缩及编码技术 在计算机获取原始的声音、图形图像以及视频影像时，其数据量是十分庞大的。如果数据不进行压缩处理，存放该数据文件时将十分困难，并且即使存储下来也是比较浪费存储介质的。例如，一张600MB的光盘也只能存储几十秒的真彩视频影像。 因此，用户需要对所获取的声音、图形图像以及视频影像数据进行压缩。其压缩主要包含下列两种方法。 ●无损压缩 多媒体原始信源数据存在大量的冗余，如动态视频图像帧内像素之间的空间相关性和帧与帧之间的时间相关性都很大，故而原始信源数据有很多的冗余，采用去掉冗余的压缩方法。 ●有损压缩 利用人的视觉对于边缘急剧变化不敏感和对图像的亮度信息敏感、对颜色分辨率弱的特点以及听觉只能听到20Hz~20KHz等特征实现数据压缩，舍弃一些非主要的细节，从而使由压缩数据恢复的图像、声音仍有令人满意的质量的方法。 数据压缩技术的研究已经有许多年了，从PCM编码理论开始，到现在的ADPCM、JPEG、MPEG-1、MPEG-2、H.261等，已经产生了多种针对不同用途的压缩算法、实现手段和相关的数字硬件及软件。目前，被国际社会广泛认可和应用的通用压缩编码标准大致有如下4种。 ●H.261编码 由CCITT（国际电报电话咨询委员会）通过的用于音频视频服务的视频编码解码器（也称Px64标准），它使用两种类型的压缩：一帧中的有损压缩（基于DCT）和用于帧间压缩的无损编码，并在此基础上使编码器采用带有运动估计的DCT和DPCM（差分脉冲编码调制）的混合方式。这种标准与JPEG及MPEG标准间有明显的相似性，但关键区别是它是为动态使用设计的，并提供完全包含的组织和高水平的交互控制。 ●JPEG编码 JPEG（全称是Joint Photogragh Coding Experts Group（联合照片专家组））是一种基于DCT 的静止图像压缩和解压缩算法，它由ISO（国际标准化组织）和CCITT（国际电报电话咨询委员会）共同制定，并在1992年后被广泛采纳后成为国际标准。 它是把冗长的图像信号和其它类型的静止图像去掉，甚至可以减小到原图像的百分之一（压缩比100:1）。但是在这个级别上，图像的质量并不好；压缩比为20:1时，能看到图像稍微有点变化；当压缩比大于20:1时，一般来说图像质量开始变坏。 ●MPEG编码 MPEG是Moving Pictures Experts Group（动态图像专家组）的英文缩写，实际上是指一组由ITU和ISO制定发布的视频、音频、数据的压缩标准。它采用的是一种减少图像冗余信息的压缩算法，它提供的压缩比可以高达200:1，同时图像和音响的质量也非常高。现在通常有三个版本:MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4以适用于不同带宽和数字影像质量的要求。它的三个最显著优点就是兼容性好、压缩比高（最高可达200:1)、数据失真小。 ●DVI编码 DVI视频图像的压缩算法的性能与MPEG-1相当，即图像质量可达到VHS的水平，压缩后的图像数据率约为1.5Mb/s。为了扩大DVI技术的应用，Intel公司最近又推出了DVI算法的软件解码算法，称为Indeo技术，它能将为压缩的数字视频文件压缩为五分之一到十分之一。

信源编码(数据压缩)课程课后题与答案(第二章)

信源编码 Assignment of CH2 1、（a）画出一般通信系统结构的组成框图，并详细说明各部分的作用或功能； 信源信源编码信道编码调制 噪声信道传输 , 信宿信源解码信道解码解调 图1、一般数字通信系统框图 各部分功能： 1、信源和信宿：信源的作用是把消息转换成原始的电信号；信宿的作用是 把复原的电信号转换成相应的消息。 . 2、信源编码和信源解码：一是进行模/数转换，二是进行数据压缩，即设法降低信号的数码率；信源解码是信源编码的逆过程。 3、信道编码和信道解码：用于提高信道可靠性、减小噪声对信号传输的影响；信道解码是信道编码的反变换。 4、调制和解调：将信息调制为携带信息、适应在信道中传输的信号。数字 " 解调是数字调制的逆变换。 5、信道：通信的通道，是信号传输的媒介。 （b）画出一般接收机和发射机的组成框图，并分别说明信源编解码器和信道编 解码器的作用； … 高频振荡器高频放大调制高频功放天线

" 音频功放 信 号 图2、一般发射机框图（无线广播调幅发射机为例）

天线 信号放大器混频器解调器音频放大器 信 号 本地振荡器 图3、一般接收机框图（无线广播调幅发射机为例） 信源编解码器作用：它通过对信源的压缩、扰乱、加密等一系列处理，力求 用最少的数码最安全地传输最大的信息量。信源编解码主要解决传输的有效性问题。 信道编解码器作用：使数字信息在传输过程中不出错或少出错，而且做到自 动检错和尽量纠错。信道编解码主要解决传输的可靠性问题。 （c）信源编码器和解码器一般由几部分组成，画出其组成图并给以解释。 信源编码器 时频分析量化熵编码 信道传输 时频分析反量化熵解码 信源解码器 图 4、信源编解码器框图 时频分析部分：信源编码器对信源传送来的信号进行一定方法的时域频域分析，建立一个能够表达信号规律性的数学模型，从而得知信号中的相关性和多余度，分析出信号数据中可以剔除或减少的部分（比如人感知不到的高频率音频信号或者看不见的色彩信号等等），以决定对后续数据的比特分配、编码速率等处理问题。 量化部分：根据时频分析的结果，为了更加简洁地表达利用该模型的参数， 减少精度，采取相应量化方法对信号进行量化，减小信号的多余度和不相关性，

栅格数据存储压缩编码方法

栅格数据存储压缩编码方法 栅格数据存储压缩编码方法主要有：（1）.链式编码（2）.行程编码（3）.块式编码（4）.四叉树编码 （1）.链式编码：由某一原点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。基本方向可定义为：东＝0，南＝3，西＝2，北＝1等，还应确定某一点为原点。（2）.行程编码：只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数，即按（属性值，重复个数）编码 （3）.块式编码：块式编码是将行程编码扩大到二维的情况，把多边形范围划分成由像元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。 （4）.四叉树编码而块状结构则用四叉树来描述，将图像区域按四个大小相同的象限四等分，每个象限又可根据一定规则判断是否继续等分为次一层的四个象限，无论分割到哪一层象限，只要子象限上仅含一种属性代码或符合既定要求的少数几种属性时，则停止继续分割。否则就一直分割到单个像元为止。而块状结构则用四叉树来描述。按照象限递归分割的原则所分图像区域的栅格阵列应为 2n×2n（n为分割的层数）的形式。下面就着重介绍四叉树编码。 四叉树编码又称为四分树、四元树编码。它是一种更有效地压编数据的方法。它将2n×2n像元阵列的区域，逐步分解为包含单一类型的方形区域，最小的方形区域为一个栅格像元。图像区域划分的原则是将区域分为大小相同的象限，而每一个象限又可根据一定规则判断是否继续等分为次一层的四个象限。其终止判据是，不管是哪一层上的象限，只要划分到仅代表一种地物或符合既定要求的几种地物时，则不再继续划分否则一直分到单个栅格像元为止。 所谓四叉树结构，即把整个2ｎ×2ｎ像元组成的阵列当作树的根结点，n 为极限分割次数，n＋1为四分树的最大高度或最大层数。每个结点有分别代表西北、东北、西南、东南四个象限的四个分支。四个分支中要么是树叶，要么是树叉。树叉、树叶用方框表示，它说明该四分之一范围全属多边形范围（黑色）或全不属多边形范围（空心四方块），因此不再划分这些分枝；树用圆圈表示，它说明该四分之一范围内，部分在多边形内，另一部分在多边形外，因而继续划分，直到变成树叶为止。 为了在计算机中既能以最小的冗余存储与图像对应的四叉树，又能方便地完成各种图形操作，专家们已提出多种编码方式。下面介绍美国马里兰大学地理信

数据压缩

一、名词解释 1、数据压缩：以最小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。 2、数据压缩比：将压缩前每个信源符号（取样）的编码位数（mlog）与压缩后平均每符号的编码位数（l）之比，定义为数据压缩比。 3、均匀量化：把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。 4、最优量化（MMSE准则）：使均方误差最小的编码器设计方法称为最小均方误差（MMSE）设计。以波形编码器的输入样值与波形解码器的输出样值之差的均方 误差作为信号质量的客观评判标准和MMSE的设计准则。（能使量化误差最小的所谓最佳量化器，应该是非均匀的。） 5、信息熵定义：信息量的概率平均值，即随机变量的数学期望值，叫做信息熵或者简称熵。 6、统计编码定义：主要利用消息或消息序列出现概率的分布特性，注重寻找概率与码字长度间的最优匹配，叫做统计编码或概率匹配编码，统称熵编码。 7、变长编码：与等长编码相对应，对一个消息集合中的不同消息，也可以用不同长度码字来表示，这就叫做不等长编码或变长编码。 8、非续长码：若W中任一码字都不是另一个码字的字头，换句换说，任何一个码字都不是由另一个码字加上若干码元所构成，则W称为非续长码、异字头码或前缀码。 9、游程长度：是指字符（或信号采样值）构成的数据流中各字符重复出现而形成字符串的长度。 10、电视图像的取向：我国彩色电视制式采用逐行倒相的PAL-D制。 11、HVS的时间掩蔽特性：指随着时间变化频率的提高，人眼对细节分辨能力下降的特性。 12、HVS的空间掩蔽特性：指随着空间变化频率的提高，人眼对细节分辨能力下降的特性。 13、HVS的亮度掩蔽特性：指在背景较亮或较暗时，人眼对亮度不敏感的特性。 14、CIF格式：是常用的标准图像格式。是一种规范Y、Cb、Cr色差分量视频信号的像素分辨率的标准格式。像素。 15、SIF格式:是一种用于数字视频的存储和传输的视频格式。 16、压扩量化：由于低电平信号出现概率大、量化噪声小；高电平信号虽然量化噪声变大，但因为出现概率小，总的量化噪声还是变小了，从而提高量化信噪比。这种方法叫做压缩扩张量化。（压扩量化用一个非线性函数变换先将信号“压缩”后再均匀量化，它和非线性量化器完全等效。） 17、信号压缩系统的复杂度：指实现编解码算法所需的硬件设备量，典型地可用算法的运算量及需要的存储量来度量。 18、离散信源：被假设为由一系列随机变量所代表，往往用随机出现的符号表示，称输出这些符号集的源为信源，如果取值于某一离散集合，就叫做离散信源。 19、互信息量：对两个离散随机时间集X和Y，事件yj的出现给出关于xi的信息量，即为互信息量。 20、联合熵：两个变量X和 Y 的联合熵定义为：

huffman编码译码实现文件的压缩与解压

数据结构 课程设计 题目名称：huffman编码与解码实现文件的压缩与解压专业年级： 组长： 小组成员： 指导教师： 二〇一二年十二月二十六日

目录 一、目标任务与问题分析 (2) 1.1目标任务 (2) 1.2问题分析 (2) 二、算法分析 (2) 2.1构造huffman树 (2) 2.1.1 字符的统计 (2) 2.1.2 huffman树节点的设计 (2) 2.2构造huffman编码 (3) 2.2.1 huffman编码的设计 (3) 2.3 压缩文件与解压文件的实现 (3) 三、执行效果 (4) 3.1界面 (4) 3.2每个字符的编码 (4) 3.3操作部分 (5) 3.4文件效果 (6) 四、源程序 (7) 五、参考文献 (16)

huffman编码与解码实现文件的压缩与解压 一、目标任务与问题分析 1.1目标任务 采用hu ffm an编码思想实现文件的压缩和解压功能，可以将任意文件压缩，压缩后也可以解压出来。这样即节约了存储空间，也不会破坏文件的完整性。 1.2问题分析 本问题首先应该是利用哈夫曼思想，对需要压缩的文件中的个字符进行频率统计，为了能对任意的文件进行处理，应该所有的文件以二进制的方式进行处理，即对文件（不管包含的是字母还是汉字）采取一个个的字节处理，然后根据统计的频率结果构造哈夫曼树，然后对每个字符进行哈夫曼编码，然后逐一对被压缩的文件的每个字符构建的新的哈夫曼编码存入新的文件中即得到的压缩文件。解压过程则利用相应的哈夫曼树及压缩文件中的二进制码将编码序列译码，对文件进行解压，得到解压文件。 二、算法分析 2.1构造huffman树 要利用哈夫曼编码对文本文件进行压缩，首先必须知道期字符相应的哈夫曼编码。为了得到文件中字符的频率，一般的做法是扫描整个文本进行统计，编写程序统计文件中各个字符出现的频率。由于一个字符的范围在[0-255]之间，即共256个状态，所以可以直接用256个哈夫曼树节点即数组（后面有节点的定义）空间来存储整个文件的信息，节点中包括对应字符信息，其中包括频率。 2.1.1 字符的统计 用结构体huffchar来存放文件字符的信息。其中有文件中不同字符出现的种类Count、字符data。 struct huffchar{ //存放读入字符的类； int Count;//字符出现的个数； char data;//字符； }; 函数实现： bool char_judge(char c)//判断字符出现的函数； void char_add(char c)//添加新出现的字符； void read_file_count() //文件的读取 2.1.2 huffman树节点的设计 用结构体huff_tree来存储结点信息，其中有成员频率weight、父亲节点parent、左儿子节点lchild、右儿子节点rchild。

多媒体数据压缩编码的国际标准

多媒体数据压缩编码的国际标准 国际标准化协会( ISO)，国际电子学委员会(IEC)，国际电信协会(ITU)等国际组织，于90年代领导制定了三个重要的多媒体国际标准，①JPEG标准，②H.261标准；③MPEG 标准。 我们在概述中只对这三个标准的制定做简单的介绍： 静态图像压缩编码的国际标准（JPEG）联合图像专家小组，多年来一直致力于标准化工作，他们开发研制出，连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压缩编码方法。这个压缩编码方法称为JPEG算法。JPEG算法被确定为JPEG国际标准，它是国际上，彩色、灰度、静止图像的第一个国际标准。JPEG标准是一个适用范围广泛的通用标准。它不仅适于静图像的压缩；电视图像序列的帧内图像的压缩编码，也常采用JPEG压缩标准。 在JPEG编码中用到了我们已学过的变换编码、预测编码和熵编码等原理和方法。这一章前面几节讲的内容是这一部分的基础。因此我们把重点放在JPEG的编码算法的具体实现上。 JPEG 标准定义了两种基本压缩算法：一是：基于DCT 变换有失真的压缩算法。二是：基于空间预测编码DPCM的无失真压缩算法。 我们将重点讲述基于DCT变换有失真的压缩算法。

1．基于离散余弦变换（DCT）的有失真压缩编码 （1）基于DCT的有失真编码处理过程图 基于DCT解码器处理步骤 首先来看"基于DCT的编码器处理步骤"图。从这幅图我们可以看出JPEG编码的处理过程，从总的来说是这样的：对于一幅图像首先将其分成许多个"8×8"的小块，也就是每个小块有8×8=64个像素；分成多少个小块要看图像的分辨率，分辨率高，分的块就多，分辨率小，分的块就少。然后对（每一个）8×8的块进行DCT变换（二维），经过DCT变换后就得到频域的64个离散余弦变换系数，得到64个离散余弦变换系数后，要对这64个系数进行量化，量化是根据"表说明"也就是量化表进行的，量化表是JPEG组织根据人的眼睛视觉特性规定好的，直接用量化表去除得到的64个系数就是量化，量化后得到的仍是一个（8×8）64的系数，而这一系数已是低频集中在左上角的一个8×8的系数了。最后再利用熵编码表对其进行熵编码，熵编码后的到的就是已压缩的图像数据。这是一个总的过程，我把刚才说的归纳如下：（2）基于DCT的有失真编码处理总过程：

第10讲 信源编码的性能指标

第10讲 信源编码的性能指标 1. 无失真信源编码的冗余度压缩原理 为了压缩冗余度，必须改造信源输出符号的统计特性。一方面要尽量提高任一时刻输出符号的概率分布的均匀性，另一方面要尽量消除前后输出符号的统计相关性。因此，无失真信源编码的实质是将信源尽可能地改造为均匀分布的无记忆信源。这种信源的通信效率是最大的。改造后的新信源是由原信源和编码器共同组成的，称为编码后的信源。设f 是信源S 的一个编码，X 是编码后的信源，则三者之间的关系表示如下 f S X ??→ 信源编码f 所用的码元可以与信源S 的符号不同，一般是某个信道的输入符号。 从数据处理这个角度来看，编码f 是一个数据处理器，输入信源S 的数据，输出信源X 的数据。从通信的角度看，编码f 是一个信道，输入信源S 的数据，输出信源X 的数据。 无失真信源编码的目的是无损压缩，即用尽可能少的数据表示数据中的所有信息，不能破坏数据原有信息。这相当于提高信息传输效率，使之接近于1。因此，度量无失真编码的压缩性能可以看编码后信息传输效率，称为编码效率。编码效率越接近于1，无损压缩性能越好。下面介绍信源编码的5个性能指标，包括平均码长、码率、编码效率、编码冗余度和压缩率。 2. 平均码长 平均码长是信源编码的一个关键的性能指标。在已知信源熵的前提下，根据平均码长，可以计算出无损压缩编码的码率和编码效率。 定义2.1 设f 是一个N-分组码，各码字的码长分别记为,1i l i q ≤≤，对应的N 长分组的概率为i p ，则f 的平均码长定义为 11(/ q i i i L p l N ==∑码元信源) 注：在有的教材中，当平均码长的单位转化为“比特/信源”时，称为编码速率。本课程用不到这个概念。 讨论：用平均码长估计编码后的数据长度 设S 是一个离散无记忆信源，:f S C →是信源S 的一个编码，其平均码长为L 。令12n s s s s =?是一个信源序列。假设用f 对该数据进行编码，试估计编码后码元序列的长度。 对于信源数据12n s s s s =?，我们令L i 表示信源符号s i 所对应的码字f (s i )的长度，则编码后的数据长度为12+++n L L L 。我们把L i 视为随机变量，则对于任何i ，我们有[]i E L L =。 因为S 是离散无记忆的，所以{L i }是独立同分布随机序列。根据辛钦大数定理，我们有

数据压缩与编码技术

数据压缩与编码技术 ①多媒体数据压缩编码的种类 多媒体数据压缩方法根据不同的依据可产生不同的分类。通常根据压缩前后有无质量损失分为有失真（损）压缩编码和无失真（损）压缩编码。 无损压缩：利用信息相关性进行的数据压缩并不损失原信息的内容。是一种可逆压缩，即经过文件压缩后可以将原有的信息完整保留的一种数据压缩方式，如RLE压缩，huffman 压缩、算术压缩和字典压缩。 有损压缩：经压缩后不能将原来的文件信息完全保留的压缩，是不可逆压缩。如静态图像的JPEG压缩和动态图像的MPEG压缩等。有损压缩丢失的是对用户来说并不重要的、不敏感的、可以忽略的数据。 无论是有损压缩还是无损压缩，其作用都是将一个文件的数据容量减小，又基本保持原来文件的信息内容。压缩的反过程-----解压缩，将信息还原或基本还原。 压缩编码的方法有几十种之多，如预测编码、变换编码、量化与向量编码、信息熵编码、子带编码、结构编码、基于知识的编码等。其中比较常用的编码方法有预测编码、变换编码和统计编码。没有哪一种压缩算法绝对好，压缩效率高的算法，其具体的运算过程相对就复杂，即需要更长的时间进行转化编码操作。 图1.3 音频信号的压缩方法 ②多媒体数据压缩编码的国际标准 国际电活电报咨询委员会CCITT和ISO联合定的数字化图像压缩国际标淮，主要有三个标准：用于计算机静止图像压缩的JPEG、用于活动图像压缩的MPEG数字压缩技术和用于会议电视系统的H.261压缩编码。 （1）J PEG标准 联合图像专家小组，多年来一直致力于标准化工作，他们开发研制出，连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压缩编码方法。这个压缩编码方法称为JPEG（Joint Photographic Experts Group）算法。JPEG算法被确定为JPEG国际标准，它是国际上，彩色、灰度、静止图像的第一个国际标准。JPEG标准是一个适用范围广泛的通用标准。它不仅适于静图像的压缩；电视图像序列的帧内图像的压缩编码，也常采用JPEG压缩标准。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。

第讲多媒体数据的压缩与编码

第2讲多媒体数据的压缩与编码 一级学科课程基础课 主讲：于俊清 2 内容提要 ?压缩的必要性和可能性?压缩与编码的分类?PCM 与预测编码?无损压缩编码?变换编码 ?JPEG ?MPEG 3§2. 1 压缩的必要性和可能性 ?从目前计算机的软硬件和通信网络的发展水平及发展趋势来看，可以断言： ?在将来很长的一段时期内，数字化的媒体信息数据以压缩形式存储和传播仍将是唯一的选择 4 压缩的必要性 ?信息时代的重要特征是信息的数字化，数字化带来了“信息爆炸” ?数字音频和视频信号的数据量之大是非常惊人?举例说明 5 举例一：音频 ?双通道立体声数字音乐光盘（CD-DA ），采样频率为44.1kHz ，采样精度16位/样本?1秒钟的数据量 ?44.1*103*16*2/8=0.176MB/S=1378.1kbps ?一个650MB 的CD-ROM ，可存61.55分钟，约1小时的音乐 ?MP3压缩后，压缩比约为15:1 ?1秒钟的数据量为96kbps ?声音质量接近于数字音乐光盘 6 举例二：标清电视 ?标准清晰度SDTV 格式，PAL 制式，每帧数据量？ ?720*576*3=1.19MB ?每秒数据量（比特率） ? 1.19*25=29.75MB/S ?一片650M 的CD-ROM 可存帧数 ?650/5.93=546帧/片 ?一片CD-ROM 节目时间 ?650/29.75)=21.84秒/片

7 举例三：高清电视 ?全高清电视图像HDTV 格式，PAL 制式，每帧数据量？ ?1920*1080*3=5.93MB ?每秒数据量（比特率） ? 5.93*25=148.3MB/S ?一片650M 的CD-ROM 可存帧数 ?650/5.93=109.6帧/片 ?一片CD-ROM 节目时间 ?650/148.3)=4.38秒/片 8 举例四：超高清电视（4K ） ?超高清电视图像UltraHDTV 格式，PAL 制式，每帧数据量？ ?3840*2160*3=23.73MB(高清视频的4倍) ?每秒数据量（比特率） ?23.73*25=593.26MB/S ?一片650M 的CD-ROM 可存帧数 ?650/23.73=27.39帧/片 ?一片CD-ROM 节目时间 ?650/593.26)=1.1秒/片 9 举例五：卫星 ?一个陆地卫星（LandSat-3）的例子 ?水平、垂直分辨率分别为2340和3240，四波段、采样精度7位） ?一幅图像的数据量 ?2340*3240*7*4=212Mbit ?按每天30幅计 ?每天数据量为212*30=6.36Gbit ?每年的数据量高达2300Gbit 10 数据压缩的可能性 ?人们研究发现，多媒体数据中存在着大量的冗余 ?通过去除冗余数据可以使原始数据极大地减少，从而解决多媒体数据量巨大的问题 ?数据压缩就是研究如何利用数据的冗余性来减少数据量的方法 ?数据压缩研究的起点 ?研究数据的冗余性 11 （1）空间冗余 ?静态图像存在的最主要的一种数据冗余?同一景物表面上各采样点的颜色之间往往存在着空间连贯性 ?通过改变物体表面像素颜色的存储方式来利用空间连贯性，达到减少数据量的目的

数据压缩试题库

第一章 填空题： 1、信源编码主要解决传输的问题，信道编码主要解决传输的问题。 2、数据压缩的信号空间包括、、。 3、数据压缩按其压缩后是否产生失真可划分为 和两大类。 第二章 填空题： 1、脉冲编码调制包括、、三个步骤。 2、连续信号的多种离散表示法中，我们最常用的取样方法是。 3、若要将取样信号准确地恢复成原信号，取样频率必须满足定理。 4、黑白电视信号的带宽大约为5MHz，若按256级量化，则按奈奎斯特准则取样时的数据速率为。如果电视节目按25帧/s发送，则存储一帧黑白电视节目数据需内存容量。 5、量化器可分为和两大类。 6、量化器的工作特性可分为、、三个区域。 6、按照处理方法是否线性来判断，我们认为量化过程本身是。 7、我国数字电话网中压扩量化的对数函数采用曲线。 8、信号质量的主观度量方法中最常用的判决方法是。 9、对信号压缩系统的性能评价应从几个性能指标上综合评价，这些性能指标包括、、、。 简答题： 1、量化误差和噪声的本质区别是什么？ 2、简述压扩量化的工作过程？ 3、数据压缩中的“二次量化”是指什么？它和模数转换时的量化有什么区别？ 证明题：

1、试导出以均方误差最小定义的最佳量化方法中量化判决电平k d 和量化输出电平k y 的表达式。 2、证明M-L 量化器的最小量化误差为：{}{}∑-=+≤<-=1 012 2min J k k k k d x d p y x E ε 第三章 填空题： 1、离散无记忆平稳信源的冗余度隐含在 。 2、对于联合信源，其冗余度除了各自本身的冗余度外还隐含在 。 3、离散有记忆信源的的理论极限是 。 4、在限失真编码理论中，使限失真条件下比特数最少的编码称为 。 问答题： 1、什么是平均自信息量（信息熵），平均条件自信息量（条件熵）以及平均互信息量？它们之间有什么关系？ 2、简述率失真函数的基本含义，并指出它对信源编码的指导意义。 3、什么是最大离散熵？它对数据压缩有什么指导意义？ 证明题： 2、证明 ()()|H Y X H Y ≤，并简述它对数据压缩的意义。 3、证明：()()()Y |X H X H Y X I －＝；。 第四章 填空题： 1、统计编码主要是利用消息或消息序列 的分布特性，注重寻找 的最优匹配。 2、长度为L 1，L 2，…，L n 的m 进制唯一可译码存在的充分必要条件是 。

数据压缩与信源编码第四章

第四章 1、详细解释下面概念：（a）绝对掩蔽门限；（b）临界频带；（c）听觉门限；（d）掩蔽效应。（a）绝对掩蔽门限:被掩蔽音单独存在时的听阈分贝值，或者说在安静环境中能被人耳听到的纯 音的最小值称为绝对掩蔽门限。 （b）临界频带:当噪声掩蔽纯音时，起作用的是以纯音频率为中心频率的一定频带宽度内的噪声 频率。如这频带内的噪声功率等于在噪声中刚能听到的该纯音的功率，则这频带就称为听觉临界 频带。 （c）听觉门限:刚刚能引起感觉的最小刺激量，称为感觉阈下限；能产生正常感觉的最大刺激量 ，称为感觉阈上限。刺激强度不允许超过上限，否则，不但无效而且还会引起相应听觉器官的损 伤。 （d）掩蔽效应:一个较弱的声音(被掩蔽音)的听觉感受被另一个较强的声音(掩蔽音)影响的现象 称为人耳的“掩蔽效应”。 2、详细说明：（a）什么是心理声学模型，它的输入和输出分别是什么？ 心理声学模型是对人听感的统计性质的数学表述模型，它解释人各种听感的生理原理。输入是声 音信号，输出是编码数据流。 （b）心理声学模型在音频编码中的作用？ 心理声学原理应用到音频压缩技术中，使获得低比特传输速率和透明音质成为可能。 3、（a）MPEG-1音频编码分几层，各层在编码效率、算法复杂度和算法延迟上有和区别？三层，MPEG-1 Layer1采用每声道192kbit/s，每帧384个样本，32个等宽子带，固定分割数据块。 MPEG-1 Layer2采用每声道128kbit/s，每帧1152个样本，32个子带，属不同分帧方式。MPEG-1 Layer3采用每声道64kbit/s，用混合滤波器组提高频率分辨率，按信号分辨率分成6X32或18X32个

多媒体数据压缩编码的国际标准

第四章多媒体数据压缩编码技术 考核目的： 考核学生对多媒体数据压缩编码的基本原理和算法、数据压缩编码的分类和方法、多媒体数据压缩编码的国际标准等内容的理解和掌握。 考核的知识点： 什么是多媒体数据压缩、为什么信息能被压缩、常用的压缩编码和算法（统计编码、预测编码、变换编码）、多媒体数据压缩编码的国际标准JPEG、MPEG-1等内容。 考核要求： 掌握：数据压缩编码的方法、常用的压缩编码和算法、JPEG的原理和实现技术。 理解：量化的原理和量化器的设计、MPEG-1的原理和实现技术。 了解：其它的国际标准等。 4.1 多媒体数据压缩编码的重要性和分类 一．多媒体数据压缩编码的重要性 多媒体信息传送面临的最大难题是海量数据存储与传送电视信号数字化后的数据量问题，数据压缩是解决问题的重要途径。 二．多媒体数据压缩的可能性 1.空间冗余 2.时间冗余 3.信息熵冗余 ●信息量：指从N个相等的可能事件中选出一个事件所需要的信息度量和含量。 ●信息熵：指一团数据所带的信息量，平均信息量就是信息熵（entropy）。 4.结构冗余 图象有非常强的纹理结构。 5.知识冗余 图像的理解与某些基础知识有关。 6.视觉冗余 视觉冗余是非均匀、非线性的。 三．多媒体数据压缩方法的分类

1．按压缩方法分: (1). 有失真压缩 (2). 无失真压缩 2．编码算法原理分: （1）预测编码：PCM、DPCM、ADPCM等 （2）变换编码：傅里叶（DFT）、离散余弦（DCT）、离散正弦（DST）等 （3）统计编码：哈夫曼、算术等 （4）静图像编码：方块、逐渐浮现等 (5) 电视编码：幀内预测、幀间编码等 (6) 其他编码：矢量量化、子带编码等 4.2量化 一．量化原理 量化处理是使数据比特率下降的一个强有力的措施。 数据压缩编码中的量化处理，不是指A/D变换后的量化，而是指以PCM码作为输入，经正交变换、差分、或预测处理后，熵编码之前，对正交变换系数、差值或预测误差的量化处理。 量化输入值的动态范围很大，需要以多的比特数表示一个数值，量化输出只能取有限个整数，称作量化级，希望量化后的数值用较少的比特数便可表示。每个量化输入被强行归一到与其接近的某个输出，即量化到某个级。 量化处理总是把一批输入，量化到一个输出级上，所以量化处理是一个多对一的处理过程，是个不可逆过程，量化处理中有信息丢失，或者说，会引起量化误差（量化噪声）。 二．标量量化器的设计 1．量化器的设计要求 ●给定量化分层级数，满足量化误差最小。 ●限定量化误差，确定分层级数，满足以尽量小的平均比特数，表示量化输出。 三．量化方法： ●标量量化： 对于PCM数据，一个数一个数地进行量化叫标量量化。 分为：均匀量化、非均匀量化和自适应量化。 四．矢量量化

多媒体数据压缩编码技术

多媒体数据压缩编码技术 多媒体数据压缩编码技术 1. 多媒体数据压缩的可行性 (1)多媒体视频信号存在空间冗余和时间冗余。 (2)人眼对图像的细节分辨率、运动分辨率和对比度分辨率的感觉都存在着一定的界限。 ２. 多媒体数据压缩方法 (1) 熵编码详细内容 熵编码在解压缩过程中重新构造出与原始数据完全一致的数据，因此是一种无损压缩方法。它把已压缩的数据流看做是简单的数字序列，而忽略该数据的语义，因此熵编码适用于不考虑其自身具体特点的媒体。 (2) 源编码详细内容 源编码用于把原始数据中的相关数据与不相关数据分开的场合。该方法要考虑原始数据的语义，通过消除不相关数据以达到对初始数据流的压缩。源编码常常是有损方法，其原始数据流与已编码的数据流相似但不相同。 (3) 混合编码详细内容 混合编码是熵编码和源编码技术的组合，通常是几种不同的熵编码和源编码技术组织在一起构成一种新的混合编码

方法。 3.多媒体数据国际标准 (1) H.261 详细内容 由CCITT （国标电报电话咨询委员会）通过的用于音视频服务的视频编码解码器，主要适用于视频电话和视频电视会议。它使用一帧中的有损压缩和用于帧间压缩的无损编码两种类型的压缩，并在此基础上使编码器采用带有运动估计的DCT （离散余弦变换）和DPCM 的混合方式。 2) JPEG 详细内容 JPEG （Joint Photographic Experts Group ）联合图像专家组，是一种基于DCT （离散余弦变换）的静止图像压缩和解压缩算法，它由ISO （国际标准化组织）和CCITT （国标电报电话咨询委员会）共同制定，并在1992 年后被广泛采纳后成为国际标准。用于连续色调、多级灰度、彩色/ 单色静态图像压缩 (3) 混合编码详细内容 MPEG 是Moving Pictures Experts Group （动态图像专家组）的英文所写，实际上是指一组由ITU 和ISO 制定发布的视频、音频数据的压缩标准。包括MPEG 视频、MPEG 音频和MPEG 系统（视音频同步）三个部分。MPEG 压缩标准是针对运动图像而设计的，基本方法是：在单位时间

信息压缩与编码概述

多媒体压缩与编码概述 一、多媒体数据压缩技术 随着多媒体、视频图象、文档映象等技术的出现，数据压缩成了网络管理员的一个重要课题。数据压缩基本上是挤压数据使得它占用更少的磁盘存储空间和更短的传输时间。压缩的依据是数字数据中包含大量的重复，它将这些重复信息用占用空间较少的符号或代码来代替。 多媒体数据之所以能够压缩，是因为视频、图像、声音这些媒体具有很大的压缩力。以目前常用的位图格式的图像存储方式为例，在这种形式的图像数据中，像素与像素之间无论在行方向还是在列方向都具有很大的相关性，因而整体上数据的冗余度很大；在允许一定限度失真的前提下，能对图像数据进行很大程度的压缩。 在多媒体计算系统中，信息从单一媒体转到多种媒体；若要表示，传输和处理大量数字化了的声音/图片/影像视频信息等，数据量是非常大的。例如，一幅具有中等分辨率（640*480像素）真彩色图像（24位/像素），它的数据量约为每帧7.37Mb。若要达到每秒25帧的全动态显示要求，每秒所需的数据量为184Mb，而且要求系统的数据传输速率必须达到184Mb/s，这在目前是无法达到的。对于声音也是如此。若用16位/样值的PCM编码，采样速率选为44.1kHz，则双声道立体声声音每秒将有176KB的数据量。由此可见音频、视频的数据量之大。如果不进行处理，计算机系统几乎无法对它进行存取和交换。因此，在多媒体计算机系统中，为了达到令人满意的图像、视频画面质量和听觉效果，必须解决视频、图像、音频信号数据的大容量存储和实时传输问题。解决的方法，除了提高计算机本身的性能及通信信道的带宽外，更重要的是对多媒体进行有效的压缩。 二、数据压缩技术的分类 数据压缩的分类方法繁多。有人统计，仔细分来可达30至40种，到目前为止尚未统一。多数学者认同的比较一致的分类方法，是将数据压缩分为在某种程度上可逆的与实际上不可逆的两类，这样更能说明他们的区别。 （1）可逆压缩 可逆压缩也叫做无失真编码或无造神编码，而不同专业文献作者还采用了另一些术语。香农在创立信息论时，提出把数据看做是信息和冗余的组合。冗余度压缩的工作机理，是去除（至少是减少）那些可能是后来插入数据中的冗余度，因而始终是一个可逆的过程。（2）不可逆压缩 不可逆压缩就是有失真的编码，信息论中叫熵压缩。 熵压缩的一个简单的例子，是在检测采样值设置某个门限；只有当采样值超过指定的门限时，才传输数据。如果这种事件不常出现，就会实现信号空间的较大压缩，但是记得原始采样值就不可能精确恢复。即丢失了信息。 根据编码原理进行分类，大致有编码、变换编码、统计编码、分析－合成编码、混合编码和其他一些编码方法。其中统计编码是无失真的编码，其他编码方法基本上都是有失真的编码。 预测编码是针对空间冗余的压缩方法，其基本思想是利用已被编码的点的数据值，预测邻近的一个像素点的数据值。预测根据某个模型进行。如果模型选取得足够好的话，则只需存储和传输起始像素和模型参数就可代表全部数据了。按照模型的不同，预测编码又可分为线性预测、帧内预测和帧间预测。 变换编码也是针对空间冗余和时间冗余的压缩方法。其基本思想是将图像的光强矩阵

数据压缩与信源编码第五章

第五章 1、（a）人类视觉特性中空间频率灵敏度、对比度灵敏度和色彩灵敏度分别表示什么意思？答：空间：从空间频率域来看，人眼是一个低通型线性系统，分辨景物的能力是有限的。由于瞳孔有一定的几何尺寸和一定的光学像差，视觉细胞有一定的大小，所以人眼的分辨率不可能是无穷的，HVS对太高的频率不敏感。对比度：它是相对于亮度变化的一种量度，一般来讲它与激励信号的相对亮度幅度成正比，它与激励的颜色、空间频率和时间频率有关。色彩：这是人类的一中明视觉，基本参数有色调。亮度和饱和度。 （b）JPEG编码算法是如何利用这些灵敏度特性的？ 答：JPEG压缩编码算法的主要计算步骤如下：用正向离散余弦变换（FDCT）把空间域图变成频率域图；用加权函数对DCT系数量化，以使人的视觉系统最佳，Z字形扫描（zigzag scan）；用差分脉冲编码调制（DPCM）对直流系数（DC）编码；用行程长度编码（RLE）对交流系数（AC）编码；熵编码：使用霍夫曼可变字长编码器进行编码；组成位数据流，以形成帧图像 2、（a）图像编码算法常用的知名算法有那些？ 答：行程编码压缩算法、哈夫曼编码压缩算法、LZW压缩算法及离散余弦变换 （b）图像编码算法的关键技术有那些？ 答： （c）为什么图像可以进行压缩？ 答：数字图像如果不进行压缩，数据量是比较大的，这无疑对图像的存储、处理、传送带来很大的困难。事实上，在图像像素之间，无论在行方向还是列方向，都存在一定的相关性。也就是说，在一般图像中都存在很大的相关性，即冗余度。静态图像数据的冗余包括：空间冗余、时间冗余、结构冗余、知识冗余和视觉冗余、图像区域的相同性冗余、纹理的统计冗余等。图像压缩编码技术就是利用图像数据固有的冗余性和相干性，将一个大的图像数据文件转换为较小的同性质的文件。根据压缩后文件能否准确恢复原文件，将图像压缩编码技术分为无失真编码技术和有失真编码技术。 （d）就现有图像压缩技术而言，压缩比多大时仍然可以保持良好的图像质量？ 答：5：1 3、（a）画出JPEG图像编解码算法的框图，并详细解释其算法； 答：图片共享到群里 详解：1）整个文件的大体结构JFIF格式的JPEG文件(*.jpg)的一般顺序为：SOI(0xFFD8) APP0(0xFFE0) [APPn(0xFFEn)]可选DQT(0xFFDB) SOF0(0xFFC0) DHT(0xFFC4) SOS(0xFFDA) 压缩数据EOI(0xFFD9) 2）字的高低位问题JPEG文件格式中，一个字（16位）的存储使用的是Motorola 格式, 而不是Intel 格式。也就是说, 一个字的高字节（高8位）在数据流的前面, 低字节（低8位）在数据流的后面，与平时习惯的Intel格式不一样。. 3）读出哈夫曼表数据a）理论说明在标记段DHT内，包含了一个或者多个的哈夫曼表。对于单一个哈夫曼表，应该包括了三部分：1哈夫曼表ID和表类型这个字节的值为一般只有四个0x00、0x01、0x10、0x11。0x00表示DC直流0号表；0x01表示DC直流1号表；0x10表示AC交流0号表；0x11表示AC交流1号表。2不同位数的码字数量，JPEG文件的哈夫曼编码只能是1~16位。这个字段的16个字节分别表示1~16位的编码码字在哈夫曼树中的个数。3编码内容这个字段记录了哈夫曼树中各个叶子结点