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第3章多媒体数据压缩

1．如何衡量一种数据压缩方法的好坏？多媒体数据存在哪些类型的

冗余？

评价一种数据压缩技术的性能好坏主要有3个关键的指标：压缩比、

图像质量、压缩和解压的速度。希望压缩比要大，即压缩前后所需的

信息存储量之比要大；恢复效果要好，尽可能地恢复原始数据；实现

压缩的算法要简单，压缩、解压速度快，尽可能地做到实时压缩解压。

除此之外还要考虑压缩算法所需要的软件和硬件。

一般而言，多媒体数据中存在的数据冗余类型主要有以下几种。

（1）空间冗余

在同一幅图像中，规则物体和规则背景的表面物理特性具有相关性，

这些相关性的光成像结果在数字化图像中就表现为数据冗余。

（2）时间冗余

时间冗余反映在图像序列中就是相邻帧图像之间有较大的相关性，一

帧图像中的某物体或场景可以由其他帧图像中的物体或场景重构出

来。音频的前后样值之间也同样有时间冗余。

（3）信息熵冗余

信源编码时，当分配给第i个码元类的比特数b(yi)=.lgpi时，才能使

编码后单位数据量等于其信源熵，即达到其压缩极限。但实际中各码

元类的先验概率很难预知，比特分配不能达到最佳。实际单位数据量

dH(S)，即存在信息冗余熵。

（4）视觉冗余

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人眼对于图像场的注意是非均匀的，人眼并不能察觉图像场的所有变

化。事实上人类视觉的一般分辨能力为26灰度等级，而一般图像的

量化采用的是28灰度等级，即存在着视觉冗余。

（5）听觉冗余

人耳对不同频率的声音的敏感性是不同的，并不能察觉所有频率的变

化，对某些频率不必特别关注，因此存在听觉冗余。

（6）其他冗余

包括结构冗余、知识冗余等。

2．数据压缩技术可分为几大类？每类有何主要特点？

根据解码后数据与原始数据是否完全一致进行分类，压缩方法可被分

为有失真编码和无失真编码两大类。

有失真压缩法压缩了熵，会减少信息量，而损失的信息是不能再恢复

的，因此这种压缩法是不可逆的。无失真压缩法去掉或减少了数据中

的冗余，但这些冗余值是可以重新插入到数据中的，因此冗余压缩是

可逆的过程。有失真压缩法的冗余压缩取决于初始信号的类型、前后

的相关性、信号的语义内容等。由于允许一定程度的失真，可用于对

图像、声音、动态视频等数据的压缩。如采用混合编码的JPEG标准，

它对自然景物的灰度图像，一般可压缩几倍到十几倍，而对于自然景

物的彩色图像，压缩比将达到几十倍甚至上百倍。采用ADPCM编码

的声音数据，压缩比通常也能做到4∶1～8∶1。压缩比最为可观的

是动态视频数据，采用混合编码的DVI多媒体系统，压缩比通常可

达50∶1～100∶1。

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无失真压缩法不会产生失真，从信息语义角度讲，无失真编码是泛指

那种不考虑被压缩信息的性质的编码和压缩技术，它是基于平均信息

量的技术，并把所有的数据当作比特序列，而不是根据压缩信息的类

型来优化压缩。也就是说，平均信息量编码忽略被压缩信

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息语义内容。在多媒体技术中一般用于文本、数据的压缩，它能保证

百分之百地恢复原始数据。但这种方法压缩比较低，如LZW编码、

行程编码和霍夫曼（Huffman）编码的压缩比一般为2∶1～5∶1。

3．DPCM、ADPCM编码的基本原理是什么？DCT变换编码是如何

压缩数据的？

DPCM和ADPCM是两种典型的预测编码。预测编码是根据原始的离

散信号之间存在着一定关联性的特点，利用前面的一个或多个信号对

下一个信号进行预测，然后对实际值和预测值的差（预测误差）进行

编码。如果预测比较准确，那么误差信号就会很小（通常采用均方误

差最小）。这样一来，在同等精度要求的条件下，就可以用比较少的

数码进行编码，达到压缩数据的目的。

DCT变换编码压缩数据有3个步骤：变换、变换域采样和量化。把

信号映射到另一个域，使信号在变换域里容易进行压缩，变换后的样

值更独立和有序。在变换编码系统中，用于量化一组变换样值的比特

总数是固定的，它总是小于对所有变换样值用固定长度均匀量化进行

编码所需的总数，所以量化使数据得到压缩，是变换编码中不可缺少

的一步。为了取得满意的结果，某些重要系数的编码位数比其他的要

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多，某些系数