量化和熵编码3

多媒体技术第二讲多媒体数据压缩技术（第1—2节）课堂笔记及练习题主题：第二讲多媒体数据压缩技术（第1—2节）学习时间： 4月4日--4月10日内容：第二讲多媒体数据压缩技术第一节多媒体数据和信息转换一、多媒体间的信息转换为了便于交流信息，需要对不同的媒体信息进行转换。

下表是部分媒体之间说明：＊易＊＊较困难＊＊＊很困难二、多媒体数据文件格式多媒体文件的格式很多，下表介绍常用文件格式的特点和应用场合。

三、多媒体数据的信息冗余多媒体计算机系统主要采用数字化方式，对声音、文字、图形、图像、视频等媒体进行处理。

数字化处理的主要问题是巨大的数据量。

一般来说，多媒体数据中存在以下种类的数据冗余：1）空间冗余：一些相关性的成像结构在数字化图像中就表现为空间冗余。

2）时间冗余：两幅相邻的图像之间有较大的相关性，这反映为时间冗余。

3）信息熵冗余（编码冗余）：信息熵是指一组数据所携带的信息量。

如果图像中平均每个像素使用的比特数大于该图像的信息熵，则图像中存在冗余，这种冗余称为信息熵冗余。

4）结构冗余：有些图像从大域上看存在着非常强的纹理结构，例如布纹图像和草席图像，我们说它们在结构上存在冗余。

5）知识冗余：有许多图像的理解与某些基础知识有较大的相关性。

这类规律性的结构可由先验知识和背景知识得到，我们称此类冗余为知识冗余。

6）视觉冗余：人类视觉系统对于图像场的任何变化，并不是都能感知的。

这类冗余我们称为视觉冗余。

7）其他冗余：例如由图像的空间非定常特性所带来的冗余。

以上所讲的是多媒体数据的信息冗余。

设法去掉信号数据中的冗余，就是数据压缩。

第二节常用的数据压缩技术一、数据压缩编码方法1）根据解码后数据与原始数据是否完全一致来进行分类：① 可逆编码(无失真编码)，如Huffman编码、算术编码、行程长度编码等。

② 不可逆编码(有失真编码)，常用的有变换编码和预测编码。

2）根据压缩的原理进行划分：① 预测编码：它是利用空间中相邻数据的相关性，利用过去和现在出现过的点的数据情况来预测未来点的数据。

基于小波变换的视频图像压缩算法研究作者：刘苹妮刘晓红王志虎来源：《现代电子技术》2008年第12期摘要：提出一种时域加强并结合时间轴稳定性码率控制的三维小波变换的视频图像编码方法。

该算法根据人类视觉系统(HVS的特性对视频图像不同频率的数据进行粗细不同的量化，可以很好地解决当图像运动变化较大时所产生的大数据量的问题；该算法无运动估计和补偿环节，降低了复杂度；采用提升型变换可以节省内存空间并提高运算速度；进行了码率控制，得到了良好的时间轴稳定性，提高了视频图像的清晰度和流畅度。

关键词：小波变换；视频压缩；提升型算法；视觉阈值量化；时间轴码率控制Abstract：This thesis presents a video image compression method of 3D wavelet transformation with temporal enhancement and the rate control of temporal stability.This algorithm based on the Human Visual System (HVS performs different ranges quantification to different frequency data of video image,to solve the problem that the large number of data is created when motion isacute.Experiment shows this algorithm will become more simple,save memory space,improve operation speed,get good temporal stability and improve the articulation and fluency of videoeywords：wavelet transform;video compression;lifting scheme;HVS threshold1 引言随着网络和多媒体技术的迅速发展，特别是3G技术的逐渐普及，多媒体信息特别是视频图像信息将越来越丰富。

jpeg 压缩原理JPEG（Joint Photographic Experts Group）是一种常见的图像压缩格式，广泛应用于数字摄影、网页设计、图像传输等领域。

JPEG 压缩原理是一种有损压缩方法，通过舍弃图像中的一些细节信息，以减少图像文件的大小，从而实现压缩的目的。

JPEG压缩原理主要包括离散余弦变换（DCT）、量化和熵编码三个步骤。

JPEG使用离散余弦变换（DCT）将图像从空域转换到频域。

DCT 将图像分解成一系列频率分量，这些频率分量代表了图像中不同频率的变化。

高频分量通常代表了图像中的细节信息，而低频分量则代表了图像的整体结构。

通过DCT变换，JPEG将图像转换为一系列频率分量的系数，从而为后续的压缩操作提供了基础。

接下来，JPEG使用量化操作对DCT系数进行处理。

量化是一种将连续数值转换为离散数值的过程，它通过将频率分量系数除以一个固定的量化矩阵中的对应元素，得到一个整数值。

量化过程中，高频分量的系数经过除以较大的量化值，从而减小了它们的数值，而低频分量的系数经过除以较小的量化值，保留了更多的信息。

这就导致了高频分量的细节信息丢失，从而实现了图像压缩。

JPEG使用熵编码对量化后的系数进行编码。

熵编码是一种根据数据出现的概率进行编码的方法，它将出现概率较高的数据用较短的编码表示，而将出现概率较低的数据用较长的编码表示。

JPEG使用基于哈夫曼编码的熵编码方法，根据不同系数的出现概率分配不同的编码，从而进一步减小了图像文件的大小。

总结起来，JPEG压缩原理通过离散余弦变换将图像转换到频域，然后通过量化和熵编码来减小图像文件的大小。

这种有损压缩方法能够在保持图像质量的前提下，显著减小图像文件的大小，从而实现更高效的图像传输和存储。

然而，需要注意的是，JPEG压缩是一种有损压缩方法，会引入一定的失真。

压缩比越高，图像质量损失越大。

因此，在实际应用中，需要根据具体要求和场景来选择合适的压缩比，以平衡图像质量和文件大小的关系。

软考多媒体应用设计师考前习题及答案习题1一、填空题1.图像的压缩有两类基本方法即( 无损压缩 )和( 有损压缩 )。

2.多媒体中的媒体是指( 信息的载体 )如数字、文字等。

3.模拟图像数字化经过( 采样 )、( 量化 )、( 编码 )三个过程。

4.模拟信号在时间上是( 连续 )的。

而数字信号在时间上是( 离散 )的。

为了使计算机能够处理声音信息，需要把( 模拟 )信号转化成( 数字 )信号。

5.二维计算机动画制作过程，一般都要经过( 整体设计 )，( 动画创意 )，( 脚本制作 )，( 收集素材 )，( 绘制画面 ) 、动画生成和动画导出等步骤。

6.图象处理软件PHOTOSHOP中,图象的默认保存文件的扩展名是( PSD )。

7.根据图形图像的生成方式来分.计算机动画分为两种:一种叫( 实时动画 ),另一种叫( 逐帧动画 )。

8.计算机屏幕上显示的画面和文字，通常有两种描述方式，一种式由线条和眼色块组成的，通过数学计算得到得，我们称为( 矢量图 )，一种是由象素组成的称为图像，PHOTOSHOP中处理的是( 位图 )。

二、单项选择题1.请根据多媒体的特性判断以下( D )属于多媒体的范畴。

(1)交互式视频游戏(2)有声图书(3)彩色画报(4)彩色电视(A)仅(1) (B)(1)(2)(C)(1)(2)(3) (D)全部2.多媒体技术的主要特性有( D )。

(1)多样性 (2)集成性 (3)交互性 (4)可扩充性(A)(1) (B)(1)、(2) (C)(1)、(2)、(3) (D)全部3.以下说法不属于多媒体计算机常用的图像输入设备是( B )(A)扫描仪 (B)绘图仪 (C)数码摄像机 (D)数码照相机4.图像序列中的两幅相邻图像，后一幅图像与前一幅图像之间有较大的相关，这是(B )。

(A)空间冗余 (B)时间冗余 (C)信息熵冗余 (D)视觉冗余5.以下不属于多媒体静态图像文件格式的是( B )。

一单项选择题1、我国使用的彩色电视制式是（ A ）A．PAL B.NTSC C. SECAM2、请根据多媒体的特性判断以下属于多媒体范畴的是( B )。

A. 交互式视频游戏、彩色电视B. 交互式视频游戏、有声图书C. 彩色电视、彩色画报D. 有声图书、彩色画报3、在数字音频信息获取与处理过程中，下列顺序正确的是( C )。

A. A/D变换，采样，压缩，存储，解压缩，D/A变换B. 采样，压缩，A/D变换，存储，解压缩，D/A变换C. 采样，A/D变换，压缩，存储，解压缩，D/A变换D. 采样，D/A变换，存储，压缩，解压缩，A/D变换4、传送视听数据、控制实时视听数据使用的协议分别是（ A ）A. RTP和RTCPB. RTCP和RTSPC. RSVP和SIPD. SDP和SAP5、彩色可用( C )来描述。

A. 亮度、饱和度、颜色B. 亮度、对比度、颜色C. 亮度、色调、颜色D. 亮度、饱和度、色调6、下列说法不正确的是( A )。

A. 预测编码是一种只能针对空间冗余进行压缩的方法B. 预测编码是根据某一模型进行的C. 预测编码需将预测的误差进行存储或传输D. 预测编码中典型的压缩方法有DPCM、ADPCM7、下列说法正确的是( C )。

A．信息量等于数据量与冗余量之和B．信息量等于信息恼与数据量之差C．信息量等于数据量与冗余量之差D．信息量等于信息墒与冗余量之和8、下列不是MPC对图形、图像处理能力的基本要求的是（ B ）。

A．可产生丰富、形象逼真的图形B．可以逼真、生动地显示彩色静止图像C．实现三维动画D．实现一定程度的二维动画9、在超文本和超媒体中不同信息块之间的连接是通过( C )连接的。

A．结点 B.字节 C.链 D.媒体信息10、基于内容检索要解决的关键技术是( B )。

A．动态设计 B.多媒体特征提取和匹配C.多媒体数据管理技术D.多媒体数据查询技术11、音频数字化过程中采样和量化所用到的主要硬件是( C )。

图像编码是一门关于将图像数据进行压缩和编码的技术。

熵编码是图像编码中常用的一种方法，其通过统计图像数据中的统计特性，将出现频率较高的像素值编码为较短的二进制码，而出现频率较低的像素值编码为较长的二进制码，从而达到压缩图像数据的目的。

本文将详细介绍熵编码的原理和常见的熵编码方法。

一、熵编码的原理熵编码的原理基于信息论中的熵概念，熵是度量信息量的一个指标，表示一个随机变量平均需要多少信息来表示。

在图像编码中，熵即为图像数据中的不确定性或不规律性，熵越高，图像数据的复杂度越大。

熵编码的目标是利用统计特性将出现频率较高的像素编码为较短的码字，而出现频率较低的像素编码为较长的码字。

这样一来，出现频率较高的像素值编码后的二进制码的长度较短，从而达到压缩图像数据的目的。

二、哈夫曼编码哈夫曼编码是最常见的一种熵编码方法，它通过构建一颗哈夫曼树来实现编码。

首先，统计图像中每个像素值的出现频率，然后构建一颗哈夫曼树。

在哈夫曼树中，出现频率较高的像素值编码为较短的码字，而出现频率较低的像素值编码为较长的码字。

最后，根据构建好的哈夫曼树，对图像数据进行编码。

三、算术编码算术编码也是一种常用的熵编码方法，它将整个图像看作一个整体，通过将图像中的每个像素值产生的条件概率进行累乘，得到整个图像的条件概率。

然后，根据条件概率对图像数据进行编码，编码时通过二分搜索来确定编码的区间。

四、自适应编码自适应编码是一种逐行或逐列扫描整个图像进行编码的方法。

在自适应编码中，每次编码一个像素值，然后根据编码结果来更新编码表，使得出现频率较高的像素值编码为较短的二进制码。

自适应编码的优点是适应性强，可以根据图像的统计特性动态地调整编码结果。

五、总结熵编码是图像编码中的一种重要方法，通过统计图像数据的统计特性，将出现频率较高的像素值编码为较短的码字，从而达到压缩图像数据的目的。

常见的熵编码方法包括哈夫曼编码、算术编码和自适应编码等。

不同的熵编码方法适用于不同的图像数据特性和编码需求，选择合适的编码方法可以提高图像的压缩率。

量化(Quantisation)的硬件实现图一帧内编码框图帧内预测的目的是生成对当前宏块的预测值，一个宏块由一个16x16的luma 分量和两个8x8的chroma分量构成。

luma块有Intra_16x16和Intra_4x4这两类帧内预测方式，而两个chroma分量则采用相同的预测方式。

Intra_16x16 是对整个16x16大小的luma进行预测，一般用于图像比较平坦的区域。

共有 4 种预测方式，而Intra_4x4 方式是将16x16 大小的luma 划分为16 个4x4 大小的亮度块，然后对每个4x4 大小的块进行预测，共有9种预测方式。

对于chroma 分量Cr 和Cb 预测是对整个8x8 块进行的，共4种预测方式。

将图像的当前值与帧内预测生成的预测值相减，形成预测残差。

残差中仍然含有空间冗余，为了消除这种冗余，通常采用变换编码，即变换-量化-熵编码三步。

变换并不压缩数据，它只是消除数据中的相关性，或者说将数据中的冗余或相关性以一种便于随后进行熵编码的方式表现出来。

压缩是在熵编码步骤中完成的。

此外，为了进一步减少数据量，编码器还对变换后的系数进行量化，它的实质是减少数据的取值范围以减少每一个符号的熵，它会造成信息的损失，是有损编码的一个重要步骤它也是控制图像率失真R-D特性的一个主要手段。

在H.264中，变换与量化两个步骤紧密相连。

图二H264编码器变换与量化过程图像编码中最常用的变换编码方式是DCT（离散余弦变换），在图二中，输入值是预测残差，输出值是为准备进行熵编码的数据。

为了更大程度地利用空间冗余，对于Intra_16x16帧内预测模式，H.264在对16x16的luma 分量的16个4x4 块进行DCT变换后，将每个4x4块的DC系数（还没有经过量化）提取出来，组成一个4x4的luma DC块，对其再进行4x4的哈达玛（Hadamard）变换，同样，对8x8 chroma分量的4个4x4块进行DCT变换后，也将每个4x4块的DC 系数提取出来，组成一个2x2 的chroma DC块，对其进行2x2的Hadamard变换。

VP8和VP9编码原理1. 简介VP8和VP9是一种开源的视频编码标准，由Google开发并发布在BSD许可下。

它们是WebM项目的一部分，并被广泛应用于网络视频、实时通信等领域。

本文将详细解释VP8和VP9的编码原理。

2. 视频编码基础在深入了解VP8和VP9之前，我们首先需要了解一些视频编码的基础知识。

2.1 帧间压缩视频是由一系列连续的图像帧组成的，每个图像帧都可以看作是一个静态图像。

为了提高视频的压缩效率，视频编码采用了帧间压缩技术。

帧间压缩利用相邻帧之间的冗余性来减少数据量，从而实现高效率的压缩。

2.2 预测编码预测编码是帧间压缩的核心思想之一。

它利用前后两个相邻帧之间的相似性来预测当前帧，并只存储预测误差。

这样就能够大大减少需要传输或存储的数据量。

2.3 变换与量化在预测误差的基础上，视频编码还需要进行一系列的变换和量化操作。

变换将图像从时域转换到频域，使得编码器能够更好地处理图像的频域信息。

量化则是为了减少数据量，通过舍弃部分细节信息来实现压缩。

2.4 熵编码熵编码是视频编码中的最后一步，它利用统计学原理对数据进行编码。

熵编码根据不同符号出现的概率分布来分配不同长度的二进制码字，使得出现概率较高的符号使用较短的码字，从而进一步减少数据量。

3. VP8编码原理VP8是Google开发的第一个开源视频编解码器，它采用了基于帧间预测的压缩技术，并借鉴了H.264/AVC标准。

下面将详细介绍VP8的编码原理。

3.1 帧间预测VP8使用帧间预测来利用相邻帧之间的冗余性。

在VP8中，每个帧被划分为一系列16x16像素块（宏块）。

对于每个宏块，VP8通过以下步骤进行预测： - 第一步是选择最佳参考帧，VP8会从之前的几个已编码帧中选择一个与当前帧相似度最高的参考帧。

- 第二步是选择最佳预测模式，VP8定义了几种不同的预测模式，包括水平、垂直、DC和16个方向的运动矢量预测。

- 第三步是计算预测残差，将当前宏块与预测值进行比较，得到预测残差。

熵编码的几种方法
熵编码是一种常见的数据压缩方法，它通过利用信息源的统计特性，将出现概率较高的符号用较短的编码表示，从而实现数据压缩的目的。

下面将介绍几种常见的熵编码方法。

1. 霍夫曼编码：霍夫曼编码是一种最为广泛应用的熵编码方法。

它通过构建霍夫曼树来生成编码表，将频率较高的符号赋予较短的编码，频率较低的符号赋予较长的编码。

由于霍夫曼编码是无前缀编码，因此可以唯一地解码。

2. 遍历编码：遍历编码是一种简单直观的熵编码方法。

它按照符号出现的顺序进行编码，每个符号的编码长度相等。

遍历编码适用于符号出现概率相近的情况，编码效率会有所降低。

3. 均衡编码：均衡编码是一种分布均匀的熵编码方法。

它将总体编码长度分配给出现概率较高的符号，使得编码平均长度较短，同时保持解码的唯一性。

均衡编码适用于符号概率分布相对均匀的情况。

4. 自适应编码：自适应编码是一种根据数据源实时统计信息进行动态调整的熵编码方法。

它根据当前的统计信息动态更新编码表，适应符号概率的变化。

自适应编码可以实时调整编码，适用于动态统计信息的场景。

总而言之，熵编码的几种方法各有优劣。

在实际应用中，根据数据的特性和需求，选择合适的熵编码方法可以有效地实现数据的高效压缩和解压缩。