数据压缩和编码精品文稿.ppt

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1、数据压缩和编码第1页，本讲稿共19页 2.2.2.2.数字视频压缩的可能数字视频压缩的可能数字视频压缩的可能数字视频压缩的可能 数字视频存在很大的相关性既冗余度。数字视频存在很大的相关性既冗余度。数字视频存在很大的相关性既冗余度。数字视频存在很大的相关性既冗余度。常见的视频冗余：常见的视频冗余：常见的视频冗余：常见的视频冗余：1)1)1)1)空间冗余空间冗余空间冗余空间冗余 图像帧上采样点与邻域点的颜色可能相同或相似。图像帧上采样点与邻域点的颜色可能相同或相似。图像帧上采样点与邻域点的颜色可能相同或相似。图像帧上采样点与邻域点的颜色可能相同或相似。2)2)2)2)时间冗余时间冗余时间冗余时间冗

2、余 相邻的图像帧之间存在大量不变的部分。相邻的图像帧之间存在大量不变的部分。相邻的图像帧之间存在大量不变的部分。相邻的图像帧之间存在大量不变的部分。3)3)3)3)结构冗余结构冗余结构冗余结构冗余 图像帧某小块图像呈现结构性的相同或相似分布，或者图像中相当部分是分图像帧某小块图像呈现结构性的相同或相似分布，或者图像中相当部分是分形图像。形图像。4)4)4)4)知识冗余知识冗余知识冗余知识冗余 图像中存在大量的已知图像及构造。如人脸构造。图像中存在大量的已知图像及构造。如人脸构造。第2页，本讲稿共19页 5.5.5.5.视学冗余视学冗余视学冗余视学冗余 人对图像中颜色的敏感性是非均匀的。人对图像

3、中颜色的敏感性是非均匀的。6.6.区域冗余区域冗余 图像帧和图像帧之间存在大量相同区域。图像帧和图像帧之间存在大量相同区域。图像帧和图像帧之间存在大量相同区域。图像帧和图像帧之间存在大量相同区域。7.7.7.7.纹理统计冗余纹理统计冗余纹理统计冗余纹理统计冗余 图像像素串具有可统计性。图像像素串具有可统计性。图像像素串具有可统计性。图像像素串具有可统计性。二二.编码模型编码模型 设图像函数设图像函数f(x,y)f(x,y)；x x、y y为坐标，为坐标，f f为像素值。为像素值。f(x,y)f(x,y)信源编信源编信源编信源编码码码码信道编信道编信道编信道编码码码码信源解信源解信源解信源解码码

4、码码信源解信源解信源解信源解码码码码信道信道信道信道 f f(x,y)(x,y)第3页，本讲稿共19页 信道：传输线路。信道：传输线路。信源编码：对图像的采样数据量化和压缩编码。信源编码：对图像的采样数据量化和压缩编码。信源编码：对图像的采样数据量化和压缩编码。信源编码：对图像的采样数据量化和压缩编码。目的是减少数据量目的是减少数据量目的是减少数据量目的是减少数据量(冗余冗余冗余冗余)。信道编码：在信道传输前为保证信道传输的正确信道编码：在信道传输前为保证信道传输的正确信道编码：在信道传输前为保证信道传输的正确信道编码：在信道传输前为保证信道传输的正确 性而进行的编码。目的是为抗信道干扰性而进

5、行的编码。目的是为抗信道干扰性而进行的编码。目的是为抗信道干扰性而进行的编码。目的是为抗信道干扰 而设置冗余，一般增加数据量。而设置冗余，一般增加数据量。而设置冗余，一般增加数据量。而设置冗余，一般增加数据量。信道解码：信道编码的逆过程。信道解码：信道编码的逆过程。信源解码：信道编码的逆过程。信源解码：信道编码的逆过程。第4页，本讲稿共19页 1.1.1.1.信源编码器和信道解码器信源编码器和信道解码器信源编码器和信道解码器信源编码器和信道解码器 一个信源编码器模型：一个信源编码器模型：信源解码器模型：信源解码器模型：信源解码器模型：信源解码器模型：转换器转换器转换器转换器量化器量化器量化器量

6、化器符号编码器符号编码器符号编码器符号编码器f(x,y)f(x,y)h(u,v)h(u,v)h(u,v)h(u,v)f(n)f(n)逆转换逆转换逆转换逆转换符号编码器符号编码器符号编码器符号编码器 h(u,v)h(u,v)f(n)f(n)f(x,y)f(x,y)转换器：转换器：将信源将信源(图像数据图像数据)转换为方便处理的形式，如时间域转换为频域。转换为方便处理的形式，如时间域转换为频域。量化器：量化器：在一定的保真度准则下把转换结果量化。如频域数据的量化。会造成误差。在一定的保真度准则下把转换结果量化。如频域数据的量化。会造成误差。在一定的保真度准则下把转换结果量化。如频域数据的量化。会造

7、成误差。在一定的保真度准则下把转换结果量化。如频域数据的量化。会造成误差。第5页，本讲稿共19页 符号编码器：符号编码器：符号编码器：符号编码器：对转换结果量化数据改变符号表对转换结果量化数据改变符号表对转换结果量化数据改变符号表对转换结果量化数据改变符号表 示，如统计编码。示，如统计编码。示，如统计编码。示，如统计编码。在信源解码器中没有量化器的逆过程。量化器的不可逆性是造成有损压缩的原因。在信源解码器中没有量化器的逆过程。量化器的不可逆性是造成有损压缩的原因。在信源解码器中没有量化器的逆过程。量化器的不可逆性是造成有损压缩的原因。在信源解码器中没有量化器的逆过程。量化器的不可逆性是造成有损

8、压缩的原因。2.2.2.2.信道编码器和解码器信道编码器和解码器信道编码器和解码器信道编码器和解码器 在信道传输过程中，由于线路躁声的干扰会引入某传输二进制数位串中某位的改变，既在信道传输过程中，由于线路躁声的干扰会引入某传输二进制数位串中某位的改变，既在信道传输过程中，由于线路躁声的干扰会引入某传输二进制数位串中某位的改变，既在信道传输过程中，由于线路躁声的干扰会引入某传输二进制数位串中某位的改变，既0 0 0 0变变变变1,11,11,11,1变变变变0 0 0 0。为了在信道接受端发现这种错误，必须在信道发送段对传输的二进制数位串。为了在信道接受端发现这种错误，必须在信道发送段对传输的二

9、进制数位串。为了在信道接受端发现这种错误，必须在信道发送段对传输的二进制数位串。为了在信道接受端发现这种错误，必须在信道发送段对传输的二进制数位串增加校验位既冗余位。信道接受段对接受的数串校验，如有错误既改正错误并抽出信息位。增加校验位既冗余位。信道接受段对接受的数串校验，如有错误既改正错误并抽出信息位。增加校验位既冗余位。信道接受段对接受的数串校验，如有错误既改正错误并抽出信息位。增加校验位既冗余位。信道接受段对接受的数串校验，如有错误既改正错误并抽出信息位。第6页，本讲稿共19页 例如例如例如例如7 7 7 7位位位位HammingHammingHammingHamming码编码方式：码编

10、码方式：码编码方式：码编码方式：把二进制信息数串按把二进制信息数串按把二进制信息数串按把二进制信息数串按4 4 4 4位分组，每组增加三个二进制校验位，形成一个位分组，每组增加三个二进制校验位，形成一个位分组，每组增加三个二进制校验位，形成一个位分组，每组增加三个二进制校验位，形成一个7 7 7 7位编码。位编码。位编码。位编码。设设设设:信息位信息位信息位信息位b3b2b1b0b3b2b1b0b3b2b1b0b3b2b1b0，7 7 7 7位编码为位编码为位编码为位编码为h1h2h6h7h1h2h6h7h1h2h6h7h1h2h6h7 信息位与信息位与7 7位位hamminghamming编

11、码的相关性如下：编码的相关性如下：h1=b3h1=b3 b2 b2 b0 h3=b3b0 h3=b3 h2=b3 h2=b3 b1 b1 b0 h5=b2b0 h5=b2 h4=b2 h4=b2 b1 b1 b0 h6=b1b0 h6=b1 h7=b0 h7=b0 h1 h1、h2h2、h4h4为偶校验位，为偶校验位，为偶校验位，为偶校验位，h3h3、h5h5、h6h6、h7h7为为为为信息位。信息位。信息位。信息位。第7页，本讲稿共19页 接受段校验字接受段校验字接受段校验字接受段校验字c3c2c1c3c2c1c3c2c1c3c2c1关系如下：关系如下：关系如下：关系如下：c3=h1 c3=

12、h1 h3h5h7 h3h5h7 h3h5h7 h3h5h7 c2=h2 c2=h2 c2=h2 c2=h2 h3h6h7h3h6h7h3h6h7h3h6h7 c1=h4 c1=h4 c1=h4 c1=h4 h h h h5 5 h h h h6 6 h h h h7 7 (h3h5h6h7=b3b2b1b0)(h3h5h6h7=b3b2b1b0)c3c2c1c3c2c1错误位错误位000000无无001001h4 (h4 (校验位校验位)010010h2(h2(校验位）校验位）011011h6(b1)h6(b1)100100h1(h1(校验位）校验位）101101h5(b2)h5(b2)11

13、0110h3(b3)h3(b3)111111h7(b0)h7(b0)第8页，本讲稿共19页例：例：例：例：11011101 0011001100110011 10101011010101 1000011 1000011 1000011 1000011 1010111101011110101111010111 1000011100001110000111000011 1010101101010110101011010101 1000011100001110000111000011 c3=h1c3=h1 h3 h3 h5h5 h7 c3=1 h7 c3=1 0 0 0 0 1=01=0 c2=h2

14、 c2=h2 h3h3 h6h6 h7 c2=0h7 c2=0 0 0 0101 1=01=0 c1=h4 c1=h4 h5h5 h6h6 h7 c1=0h7 c1=0 0 0 1 1 1=01=0 c3=1 c3=1 1 1 1 1 1=01=0 c2=0 c2=0 1 1 1 1 1=11=1 c1=0 c1=0 1 1 1 1 1=11=1 1010101 10000111000011 11011101 00110011传输信息串传输信息串传输信息串传输信息串HammingHammingHammingHamming码串码串码串码串接受串接受串接受串接受串纠错串纠错串纠错串纠错串h6h6h

15、6h6错误错误错误错误接受信息串接受信息串接受信息串接受信息串第9页，本讲稿共19页 三三.编码压缩方法编码压缩方法压缩编码压缩编码压缩编码压缩编码无损编码无损编码无损编码无损编码有损编码有损编码有损编码有损编码组合编码组合编码组合编码组合编码(变长编码变长编码变长编码变长编码)HuffmanHuffman香农香农香农香农-费诺费诺费诺费诺(同长编码同长编码同长编码同长编码)算术算术算术算术行程行程行程行程词典词典词典词典(预测编码预测编码预测编码预测编码)运动补偿运动补偿运动补偿运动补偿自适应自适应自适应自适应线性线性线性线性非线性非线性非线性非线性 调制调制调制调制 (变换编码变换编码变换

16、编码变换编码)KLTKLTDCTDCTADCTADCTDWT DWT(模型编码模型编码模型编码模型编码)分形分形分形分形轮廓轮廓轮廓轮廓识别合成识别合成识别合成识别合成 (直接影射直接影射直接影射直接影射)矢量量化矢量量化矢量量化矢量量化神经网络神经网络神经网络神经网络 (其它编码其它编码其它编码其它编码)第10页，本讲稿共19页 四四.变换编码变换编码 变换编码不直接对数字图像颜色和亮度数据进行编码，而是把数字图像颜色变换编码不直接对数字图像颜色和亮度数据进行编码，而是把数字图像颜色和亮度数据进行某种正交变换，再把变换后数据进行编码。和亮度数据进行某种正交变换，再把变换后数据进行编码。1.1

17、.1.1.变换编码和解码的过程变换编码和解码的过程变换编码和解码的过程变换编码和解码的过程正交变换正交变换正交变换正交变换量化量化量化量化编码编码编码编码f(x,y)f(x,y)h(u,v)h(u,v)变换编码变换编码变换编码变换编码h1(u,v)h1(u,v)正交变换正交变换正交变换正交变换反量化反量化反量化反量化解码解码解码解码 f(x,y)f(x,y)h(u,v)h(u,v)变换编码变换编码变换编码变换编码h1(u,v)h1(u,v)第11页，本讲稿共19页 正交变换有离散傅里叶变换正交变换有离散傅里叶变换(Descrete Fourier Tramform,DFT)(Descrete

18、Fourier Tramform,DFT)、离散余弦、离散余弦变换变换(Descrete Cosin Tramform,DCT)(Descrete Cosin Tramform,DCT)、离散小波变换、离散小波变换(Descrete Wavelet(Descrete Wavelet Tramform,DWT)Tramform,DWT)及及K-LK-L变换变换(Karhunen and Loeve Tramform,K-LT)(Karhunen and Loeve Tramform,K-LT)等等。等等。变换编码的压缩原理：变换编码的压缩原理：变换编码的压缩原理：变换编码的压缩原理：把空域图像转

19、换到频域或其它坐标域，使能量集中在某些把空域图像转换到频域或其它坐标域，使能量集中在某些频率上或几个坐标上，以达到减少数据量之目的。频率上或几个坐标上，以达到减少数据量之目的。第12页，本讲稿共19页 2.2.2.2.离散余弦变换离散余弦变换离散余弦变换离散余弦变换(DCT)(DCT)(DCT)(DCT)编码编码编码编码 当一个函数为实偶函数时，傅里叶变换既成为了余弦变换。当一个函数为实偶函数时，傅里叶变换既成为了余弦变换。当一个函数为实偶函数时，傅里叶变换既成为了余弦变换。当一个函数为实偶函数时，傅里叶变换既成为了余弦变换。离散余弦反变换：离散余弦反变换：离散余弦反变换：离散余弦反变换：2

20、N-1 N-1 N-1 N-1 2x+1 2y+1 C(u,v)=E(u)E(v)C(u,v)=E(u)E(v)f(x,y)cos(u)cos(v)f(x,y)cos(u)cos(v)N N x=0 y=0 x=0 y=0 2N 2N2N 2N x,y,u,v=0,1,N-1x,y,u,v=0,1,N-1。E(u),E(v)=1/2,E(u),E(v)=1/2,当当当当u=v=0u=v=0时。时。时。时。E(u),E(v)=1 E(u),E(v)=1，当，当，当，当u0,v 0u0,v 0时。时。时。时。2 N-1 N-1 N-1 N-1 2x+1 2y+1 f(x,y)=f(x,y)=E(u

21、)E(v)CE(u)E(v)C(u,v)cos(u)cos(v)(u,v)cos(u)cos(v)N N u=0 v=0u=0 v=0 2N 2N2N 2N x,y,u,v=0,1,N-1x,y,u,v=0,1,N-1。E(u),E(v)=1/2,E(u),E(v)=1/2,当当当当u=v=0u=v=0时。时。时。时。E(u),E(v)=1 E(u),E(v)=1，当，当，当，当u0,v 0u0,v 0时。时。时。时。第13页，本讲稿共19页 DCT DCT编码过程：编码过程：KK KKDCTDCT量量量量化化化化编编编编码码码码f(x,y)f(x,y)h(u,v)h(u,v)输出码流输出码流

22、输出码流输出码流h1(u,v)h1(u,v)图像分块图像分块图像分块图像分块（KK KK）fi(x,y)fi(x,y)3.3.小波变换小波变换 离散小波变换是按小波函数分布窗口求出某处相邻点的加权均值和差值。如哈尔小离散小波变换是按小波函数分布窗口求出某处相邻点的加权均值和差值。如哈尔小离散小波变换是按小波函数分布窗口求出某处相邻点的加权均值和差值。如哈尔小离散小波变换是按小波函数分布窗口求出某处相邻点的加权均值和差值。如哈尔小波变换就是对图像每行相邻点对求出均值和第一点与均值的差，把均值按序放在行的前波变换就是对图像每行相邻点对求出均值和第一点与均值的差，把均值按序放在行的前波变换就是对图像

23、每行相邻点对求出均值和第一点与均值的差，把均值按序放在行的前波变换就是对图像每行相邻点对求出均值和第一点与均值的差，把均值按序放在行的前部，差值按序放在行的后半部；按列进行同样的哈尔小波变换；再在变换图像的左上角部，差值按序放在行的后半部；按列进行同样的哈尔小波变换；再在变换图像的左上角部，差值按序放在行的后半部；按列进行同样的哈尔小波变换；再在变换图像的左上角部，差值按序放在行的后半部；按列进行同样的哈尔小波变换；再在变换图像的左上角1/41/41/41/4区域进行哈尔变换，直到只有一个点的均值。区域进行哈尔变换，直到只有一个点的均值。区域进行哈尔变换，直到只有一个点的均值。区域进行哈尔变换

24、，直到只有一个点的均值。第14页，本讲稿共19页第15页，本讲稿共19页第16页，本讲稿共19页五五.其它编码其它编码 1.1.分形编码分形编码 把图像分成多个覆盖图像不交叉区域把图像分成多个覆盖图像不交叉区域D,D,寻找与这些寻找与这些DD区域相似的区域区域相似的区域R R，计算，计算D D到到R R的仿射系数，用仿射系数代替的仿射系数，用仿射系数代替R R。2.2.2.2.矢量量化编码矢量量化编码矢量量化编码矢量量化编码 把帧内或帧间的把帧内或帧间的把帧内或帧间的把帧内或帧间的n n n n个数据组成个数据组成个数据组成个数据组成n n n n维矢量，对维矢量，对维矢量，对维矢量，对n n

25、 n n维矢量进行矢量量化维矢量进行矢量量化维矢量进行矢量量化维矢量进行矢量量化(用一个与该矢用一个与该矢用一个与该矢用一个与该矢量距离最近的矢量代替量距离最近的矢量代替量距离最近的矢量代替量距离最近的矢量代替)，用编号表示矢量。，用编号表示矢量。，用编号表示矢量。，用编号表示矢量。3.3.3.3.子带编码子带编码子带编码子带编码 将图像分解为高频与低频分量，根据人眼对不同将图像分解为高频与低频分量，根据人眼对不同第17页，本讲稿共19页频域段的敏感程度分别进行量化编码。解码时，对高频和低频分量插值后分别经过逆滤波频域段的敏感程度分别进行量化编码。解码时，对高频和低频分量插值后分别经过逆滤波频

26、域段的敏感程度分别进行量化编码。解码时，对高频和低频分量插值后分别经过逆滤波频域段的敏感程度分别进行量化编码。解码时，对高频和低频分量插值后分别经过逆滤波器再合成。器再合成。器再合成。器再合成。第18页，本讲稿共19页 看书看书看书看书p8690p8690p8690p8690、p105108p105108p105108p105108作业：作业：作业：作业：p112p112p112p112一、判断题一、判断题:14:14、6 6二、选择题：二、选择题：二、选择题：二、选择题：13131313、7 7 7 7、8 8 8 8三、填空题：三、填空题：三、填空题：三、填空题：1 1 1 1四、简单题：四、简单题：四、简单题：四、简单题：1 1 1 1、3 3 3 3、4 4 4 4、6 6 6 6第19页，本讲稿共19页