視頻壓縮技術(shù)解析

             假設(shè)信源由4個(gè)符號(hào)S1、 S2、 S3和S4組成， 其概率模型如表6-1所示。 把各符號(hào)出現(xiàn)的概率表示在如圖6-3所示的單位概率區(qū)間之中， 區(qū)間的寬度代表概率值的大小， 各符號(hào)所對(duì)應(yīng)的子區(qū)間的邊界值， 實(shí)際上是從左到右各符號(hào)的累積概率。 在算術(shù)編碼中通常采用二進(jìn)制的小數(shù)來表示概率， 每個(gè)符號(hào)所對(duì)應(yīng)的概率區(qū)間都是半開區(qū)間， 如S1對(duì)應(yīng)［0， 0.001)， S2對(duì)應(yīng)［0.001， 0.011)。 算術(shù)編碼所產(chǎn)生的碼字實(shí)際上是一個(gè)二進(jìn)制小數(shù)值的指針， 該指針指向所編的符號(hào)所對(duì)應(yīng)的概率區(qū)間。

表6-1  信源概率模型和算術(shù)編碼過程

圖 6-3 算術(shù)編碼過程示意圖

            若將符號(hào)序列S3S3S2S4進(jìn)行算術(shù)編碼， 序列的第一個(gè)符號(hào)為S3， 我們用指向圖6-3中第3個(gè)子區(qū)間的指針來代表這個(gè)符號(hào)， 由此得到碼字0.011。 后續(xù)的編碼將在前面編碼指向的子區(qū)間內(nèi)進(jìn)行。 將［0.011， 0.111)區(qū)間再按符號(hào)的概率值劃分成4份， 對(duì)第二個(gè)符號(hào)S3， 指針指向0.1001,碼 字串變?yōu)?.1001。 然后S3所對(duì)應(yīng)的子區(qū)間又被劃分為4份， 開始對(duì)第3個(gè)符號(hào)進(jìn)行編碼……。

           算術(shù)編碼的基本法則如下：
           (1) 初始狀態(tài)： 編碼點(diǎn)(指針?biāo)柑?C0=0， 區(qū)間寬度A0=1。
           (2) 新編碼點(diǎn)： Ci= Ci-1 + Ai-1×Pi。
           式中, Ci-1是原編碼點(diǎn)；　Ai-1是原區(qū)間寬度；　
    Pi所編符號(hào)對(duì)應(yīng)的累積概率。
           新區(qū)間寬度Ai= Ai-1×pi
    式中， pi為所編符號(hào)對(duì)應(yīng)的概率。

           根據(jù)上述法則， 對(duì)序列S3S3S2S4進(jìn)行算術(shù)編碼的過程如下：
           第一個(gè)符號(hào)S3：               
            C1=C0+A0×P1=0+1×0.011=0.011
            A1=A0×p1=1×0.1=0.1
           ［0.011,0.111］

  第二個(gè)符號(hào)S3：    C2=C1+A1×P2                 
                              =0.011+0.1×0.011=0.1001
                         A2=A1×p2=0.1×0.1=0.01
            ［0.1001,0.1101］
   第三個(gè)符號(hào)S2：          
      C3=C2+A2×P3=0.1001+0.01×0.001=0.10011
      A3=A2×p3=0.01×0.01=0.0001
    ［0.10011,0.10101］
    第四個(gè)符號(hào)S4：     C4=C3+A3×P4=0.10011+0.0001×0.111=0.1010011
    A4=A3×p4=0.0001×0.001=0.0000001
  ［0.1010011,0.10101)

            3. 游程編碼
            游程編碼(RLC， Run Length Coding)是一種十分簡(jiǎn)單的壓縮方法， 它將數(shù)據(jù)流中連續(xù)出現(xiàn)的字符用單一的記號(hào)來表示。 例如， 字符串5310000000000110000000012000000000000可以壓縮為5310-10110-08120-12， 其中， “-”后面兩個(gè)數(shù)字是“-”前面數(shù)字的連續(xù)個(gè)數(shù)。 游程編碼的壓縮率不高， 但編碼、 解碼的速度快， 仍被得到廣泛的應(yīng)用， 特別是在變換編碼后再進(jìn)行游程編碼， 有很好的效果。

    6.1.5 預(yù)測(cè)編碼和變換編碼
            1. DPCM原理
            基于圖像的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的基本方法就是預(yù)測(cè)編碼。 它是利用圖像信號(hào)的空間或時(shí)間相關(guān)性， 用已傳輸?shù)南袼貙?duì)當(dāng)前的像素進(jìn)行預(yù)測(cè)， 然后對(duì)預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的差——預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行編碼處理和傳輸。 目前用得較多的是線性預(yù)測(cè)方法， 全稱為差值脈沖編碼調(diào)制(DPCM， Differential Pulse Code Modulation)， 簡(jiǎn)稱為DPCM。

           利用幀內(nèi)相關(guān)性(像素間、 行間的相關(guān))的DPCM稱為幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼。 如果對(duì)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)分別進(jìn)行DPCM編碼， 對(duì)亮度信號(hào)采用較高的取樣率和較多位數(shù)編碼， 對(duì)色差信號(hào)用較低的取樣率和較少位數(shù)編碼， 構(gòu)成時(shí)分復(fù)合信號(hào)后再進(jìn)行DPCM編碼， 這樣做使總碼率更低。

           利用幀間相關(guān)性(鄰近幀的時(shí)間相關(guān)性)的DPCM被稱為幀間預(yù)測(cè)編碼， 因幀間相關(guān)性大于幀內(nèi)相關(guān)性， 其編碼效率更高。 若把這兩種DPCM組合起來， 再配上變字長(zhǎng)編碼技術(shù)， 能取得較好的壓縮效果。 DPCM是圖像編碼技術(shù)中研究得最早， 且應(yīng)用最廣的一種方法， 它的一個(gè)重要的特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單， 易于硬件實(shí)現(xiàn)。 圖6-4（a）是它的示意圖， 編碼單元主要包括線性預(yù)測(cè)器和量化器兩部分。
    編碼器的輸出不是圖像像素的樣值f(m， n)， 而是該樣值與預(yù)測(cè)值g(m， n)之間的差值， 即預(yù)測(cè)誤差e(m， n)的量化值E(m， n)。 根據(jù)圖像信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性的分析， 給出一組恰當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)系數(shù)， 使預(yù)測(cè)誤差主要分布在“0”附近， 經(jīng)非均勻量化， 采用較少的量化分層， 圖像數(shù)據(jù)得到壓縮。 而量化噪聲又不易被人眼所覺察， 圖像的主觀質(zhì)量并不明顯下降。 圖6-4（b）是DPCM解碼器， 其原理和編碼器剛好相反。

             圖 6-4 DPCM原理
(a) DPCM編碼器； (b) DPCM解碼器

             DPCM編碼性能主要取決于預(yù)測(cè)器的設(shè)計(jì)， 預(yù)測(cè)器設(shè)計(jì)要確定預(yù)測(cè)器的階數(shù)N以及各預(yù)測(cè)系數(shù)。 圖6-5是一個(gè)4階預(yù)測(cè)器的示意圖， 圖6-5(a)表示預(yù)測(cè)器所用的輸入像素和被預(yù)測(cè)像素之間的位置關(guān)系， 圖6-5(b)表示預(yù)測(cè)器的結(jié)構(gòu)。