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1、信息的存储与压缩第1页，本讲稿共21页信信息息技技术术的的核核心心在在于于信信息息的的处处理理与与存存储储。多多媒媒体体信信息息包包括括文文本本、图图形形、图图像像、声声音音等等，由由于于这这些些媒媒体体的的信信息息量量相相当当大大，数数字字化化后后要要占占用用大大量量的的存存储储空空间间，使使得得存存储储与与处处理理都都十十分分困困难难。尤尤其其在在图图像像信信息息的的存存储储和和压压缩缩方方面面，其重要性作用表现得尤为明显。其重要性作用表现得尤为明显。第2页，本讲稿共21页本章小结本章小结在信息技术的几个环节（获取、传输、存储、显示、在信息技术的几个环节（获取、传输、存储、显示、处理）中，
2、信息存储是重要的环节之一。为减少数字处理）中，信息存储是重要的环节之一。为减少数字化信息在存储和传输时所占用的空间和时间，数据压化信息在存储和传输时所占用的空间和时间，数据压缩技术就成为信息处理中的关键技术之一。信息存储缩技术就成为信息处理中的关键技术之一。信息存储涉及到材料科学、电子学、光电子学、光子学以及计涉及到材料科学、电子学、光电子学、光子学以及计算机科学等，是一个综合性的技术。通过本章的学习，算机科学等，是一个综合性的技术。通过本章的学习，读者应了解磁存储技术与光存储技术的主要特点，理读者应了解磁存储技术与光存储技术的主要特点，理解图像压缩的基本概念，以及预测编码、变换编码和解图像压
3、缩的基本概念，以及预测编码、变换编码和统计编码的主要思想，并对统计编码的主要思想，并对JPEGJPEG和和MPEGMPEG的图像压缩的图像压缩标准及实现方法有一定的了解。标准及实现方法有一定的了解。第3页，本讲稿共21页4.14.1 信息存储技术的三次信息存储技术的三次革命革命 历史学家通常把文字的出现当做文明史的开端。文字历史学家通常把文字的出现当做文明史的开端。文字记载是人在大脑之外寻找记忆载体的方式。通过记载，记载是人在大脑之外寻找记忆载体的方式。通过记载，人的思想和关于历史事件传说得到保存、复制和流传。人的思想和关于历史事件传说得到保存、复制和流传。人们由此而有了历史。文字的出现是人类
4、历史上第一人们由此而有了历史。文字的出现是人类历史上第一次划时代的信息载体革命，这场革命的实质就是实现次划时代的信息载体革命，这场革命的实质就是实现了脑外信息贮存方式。随着印刷术的应运而生，它是了脑外信息贮存方式。随着印刷术的应运而生，它是人类历史上规模空前的信息复制革命，可以说是继文人类历史上规模空前的信息复制革命，可以说是继文字出现之后的第二次信息载体革命。科学史家通常把字出现之后的第二次信息载体革命。科学史家通常把电讯业的出现当做人类历史上第三次信息电讯业的出现当做人类历史上第三次信息(载体载体)革命。革命。不过今天也有人把这一佳冠授予计算机和互联网。不过今天也有人把这一佳冠授予计算机和
5、互联网。第4页，本讲稿共21页4.24.2 计算机存储系统计算机存储系统 4.2.14.2.1 信息存储技术的金字塔结构信息存储技术的金字塔结构 计计算算机机的的存存储储设设备备从从体体系系结结构构上上看看可可分分为为内内存存储储器器和和外外存存储储器器。内内存存储储器器直直接接与与计计算算机机的的CPUCPU相相连连，处处于于金金字字塔塔的的最最上上层层。它它的的存存取取速速度度要要求求能能与与CPUCPU相相匹匹配配，通通常常由由半半导导体体存存储储器器芯芯片片组组成成，由由于于成成本本高高，容容量量通通常常不不太太大大。再再下下一一层层是是邻邻机机存存储储器器，它它由由存存取取速速度度比
6、比硬硬盘盘更更慢慢的的光光盘盘机机、光光盘盘库库等等设设备备组组成成。磁磁盘盘（包包括括软软盘盘和和硬硬盘盘）与与光光盘盘均均提提供供联联机机服服务务。最最底底层层是是脱脱机机存存储储器器（或称离线存储器），由磁带机和磁带库组成。（或称离线存储器），由磁带机和磁带库组成。第5页，本讲稿共21页4.24.2 计算机存储系统计算机存储系统 4.2.24.2.2 磁存储技术磁存储技术 磁磁存存储储技技术术就就是是利利用用磁磁介介质质的的这这一一特特性性来来存存储储信信息息的的。数数据据（声声像像）以以电电信信号号的的形形式式通通过过录录制制磁磁头头转转换换成成磁磁信信号号储储存存在在磁磁性性介介质质
7、上上。重重放放时时，只只要要通通过过磁磁头头将将磁磁性性介介质质上上的的磁磁信信号号还还原原成成电电信信号号，就就可可以以在在计计算算机机屏屏幕幕上显示出信息。上显示出信息。软磁盘存储软磁盘存储 硬盘硬盘 磁盘阵列磁盘阵列 磁带存储磁带存储第6页，本讲稿共21页4.24.2 计算机存储系统计算机存储系统 4.2.34.2.3 光存储技术光存储技术光光存存储储介介质质与与磁磁存存储储介介质质之之间间的的本本质质区区别别在在于于前前者者使使用用光光技技术术，而而后后者者使使用用磁磁技技术术。光光存存储储技技术术通通过过光光学学的的方方法法读读出出和和写写入入数数据据，由由于于使使用用的的光光源源基
8、基本本上上是是激激光光(也也可可以以使使用用其其他他光光源源)，所所以以又又称称为为激激光光存存储储。光光盘盘具具有有一一切切存存储储介介质质的的优优点点，如如大大容容量量、耐耐用用、易易保保存存、标标准准化化等等。由由于于它它非非常常适适合合于于大大量量生生产产，作作为为计计算算机机软软件件、多多媒媒体体出出版版物物、计计算算机机游游戏戏等等发发行行量量大大的的电电子子出出版物是非常合适的。版物是非常合适的。第7页，本讲稿共21页4.34.3 图像数据压缩与编码图像数据压缩与编码技术技术 4.3.14.3.1 熵与信息压缩熵与信息压缩 从从信信息息论论的的角角度度来来看看，压压缩缩就就是是去
9、去掉掉信信息息中中的的冗冗余余，即即保保留留不不确确定定的的信信息息，去去除除确确定定的的信信息息(可可推推知知的的)，也也就就是是用用一一种种更更接接近近信信息息本本质质的的描描述述来来代代替替原原有有冗冗余余的的描描述述。所所以以，将将香香农农的的信信息息论论观观点点运运用用到到图图像像信信息息的的压压缩缩，所所要要解解决决的的问问题题就就是是如如何何将将图图像像信信息息压压缩缩到到最最小小，但但仍仍携携有有足足够够信信息息以以保保证证能能复复制制出出与与原图近似的图像。原图近似的图像。第8页，本讲稿共21页4.34.3 图像数据压缩与编码图像数据压缩与编码技术技术 4.3.24.3.2
10、图像数据压缩的可能性图像数据压缩的可能性 多多媒媒体体视视频频信信号号的的冗冗余余度度存存在在于于结结构构和和统统计计两两方方面面。在在结结构构上上的的冗冗余余度度表表现现为为很很强强的的空空间（帧内）、和时间（帧间）相关性。间（帧内）、和时间（帧间）相关性。空间冗余空间冗余 时间冗余时间冗余 视觉冗余视觉冗余 第9页，本讲稿共21页4.34.3 图像数据压缩与编码图像数据压缩与编码技术技术 4.3.34.3.3 压缩编码方法的分类与评价压缩编码方法的分类与评价 压压缩缩编编码码的的分分类类方方法法有有许许多多种种，如如果果从从信信息息论论的的角角度度来来认认识识可可分分为为两两大大类：类：第
11、10页，本讲稿共21页4.34.3 图像数据压缩与编码图像数据压缩与编码技术技术 无损压缩是指数据在压缩或解压缩过程无损压缩是指数据在压缩或解压缩过程中不会改变或损失原有的信息，解压缩产生中不会改变或损失原有的信息，解压缩产生的数据是对原始对象的完整复制，没有失真。的数据是对原始对象的完整复制，没有失真。无损压缩从数学上讲是一种可逆运算。无损压缩从数学上讲是一种可逆运算。有损压缩算法靠丢掉大量冗余信息来降低有损压缩算法靠丢掉大量冗余信息来降低数字图像所占的空间，回放时也不能完整地数字图像所占的空间，回放时也不能完整地恢复原始图像，而将有选择地损失一些细节，恢复原始图像，而将有选择地损失一些细节
12、，损失多少信息由需要多高的压缩率决定。损失多少信息由需要多高的压缩率决定。第11页，本讲稿共21页4.3.4 4.3.4 数据压缩编码技术的发展数据压缩编码技术的发展 第一代编码技术第一代编码技术经典编码方法经典编码方法 19591959年年，ShannonShannon进进一一步步确确立立了了码码率率失失真真理理论论，以以上上工工作作奠奠定定了了信信息息编编码码的的理理论论基基础础。主主要要编编码码方方法法有有预预测测编编码码、变变换换编编码码和和统统计计编编码码，也也称称为为三三大大经经典典编编码码方方法法。经经典典编编码码技技术术又又可可以以称称为为“第第一一代代”编码技术。编码技术。“
13、第二代第二代”编码方法编码方法 “第第二二代代”编编码码方方法法主主要要有有：基基于于分分形形的的编编码码、基基于于模模型型的的编编码码、基基于于区区域域分割的编码和基于神经网络的编码等。分割的编码和基于神经网络的编码等。第12页，本讲稿共21页4.3.54.3.5 图像压缩编码方法图像压缩编码方法 数数据据的的压压缩缩都都可可以以看看成成是是一一种种变变换换，解解压压缩缩(恢恢复复数数据据)就就是是一一种种反反变变换换，变变换换的的实实现现方方法法即即编编码码技技术术，每每一一种种编编码码方方法法都都是是实实现现数数据据压压缩缩的的具具体体操操作作，对对于于不不同同的的多多媒媒体体数数据据，
14、可可以以有有选选择择地采取某种编码方法。地采取某种编码方法。预测编码预测编码 变换编码变换编码 统计编码统计编码 混合编码混合编码 图像与视频压缩标准图像与视频压缩标准 第13页，本讲稿共21页4.44.4 静态图像压缩标准静态图像压缩标准JPEGJPEG JPEG(JPEG(念作念作“jay-pegjay-peg”)是是“The Joint The Joint Photographic Expert GroupPhotographic Expert Group”的缩写，它是由国的缩写，它是由国际电报咨询委员会际电报咨询委员会(CCITT)(CCITT)和国际标准化组织和国际标准化组织(ISO
15、)(ISO)联合组成的专家组，共同制定的静态数字联合组成的专家组，共同制定的静态数字图像压缩标准。图像压缩标准。JPEGJPEG的算法的基础是离散余弦的算法的基础是离散余弦变换变换(DCT)(DCT)和哈夫曼和哈夫曼(Huffman)(Huffman)变换，其压缩过变换，其压缩过程可分成程可分成DCTDCT变换、量化和编码三个阶段。变换、量化和编码三个阶段。第14页，本讲稿共21页4.44.4 静态图像压缩标准静态图像压缩标准JPEGJPEG 4.4.14.4.1 离散余弦变换离散余弦变换 离散余弦变换离散余弦变换(Discrete cosine(Discrete cosine Transfo
16、rm)Transform)，简称，简称DCTDCT。它是变换编码。它是变换编码中的一个非常重要的成员。中的一个非常重要的成员。DCTDCT的优点很多，主要表现为：的优点很多，主要表现为：1.1.已证明已证明DCTDCT是许多图像的最佳变换是许多图像的最佳变换;2.DCT2.DCT可可以以将将图图像像的的空空间间域域转转换换为为频频率率域域，只只需要少量的数据点表示图像；需要少量的数据点表示图像；第15页，本讲稿共21页4.44.4 静态图像压缩标准静态图像压缩标准JPEGJPEG 3.DCT3.DCT产产生生的的系系数数很很容容易易被被量量化化，以以获获得得好的块压缩；好的块压缩；4.DCT4
17、.DCT算算法法的的性性能能很很好好，可可以以进进行行高高效效的的运运算算，因因此此使使它它在在硬硬件件和和软软件件中中都都容容易易实现；实现；5.DCT5.DCT算算法法是是对对称称的的，逆逆DCTDCT算算法法可可用用来来解解压缩图像。压缩图像。第16页，本讲稿共21页4.44.4 静态图像压缩标准静态图像压缩标准JPEGJPEG 4.4.2 4.4.2 量化量化 所所谓谓量量化化，即即根根据据不不同同的的要要求求，设设置置不不同同的的量量化化等等级级，以以降降低低数数据据率率。量量化化的的作作用用是是在在保保证证主主观观图图像像质质量量的的前前提提下下，丢丢掉掉那那些些对对视视觉觉效效果
18、果影影响响不不大大的的信信息息。量量化化是是造造成成DCTDCT编编码码信信息损失的根源。息损失的根源。4.4.34.4.3 编码编码 相邻块的相邻块的DCDC系数进行差分编码系数进行差分编码 Z Z型路径的游程编码型路径的游程编码 熵编码熵编码 第17页，本讲稿共21页4.4.4 4.4.4 新一代静态图像压缩标准新一代静态图像压缩标准JPEG2000 JPEG2000 JPEG2000 JPEG2000 主要有以下特点：主要有以下特点：高压缩率高压缩率 同时支持有损和无损压缩同时支持有损和无损压缩 实现了渐进传输实现了渐进传输 支持支持“感兴趣区域感兴趣区域”第18页，本讲稿共21页4.5
19、4.5 视频图像压缩标准视频图像压缩标准MPEGMPEG 4.5.14.5.1 什么是视频什么是视频视视频频就就其其本本质质而而言言，实实际际上上就就是是一一系系列列连连续续播播放放的的静静态态图图像像而而已已。数数字字视视频频占占用用大大量量的的存存储储空空间间，因因为为它它要要存存储储每每一一帧帧的的像像素素（全全速速运运动动图图像像为为3030帧帧/秒秒）和和与与之之同同步步的的伴伴音音。视视频频压压缩缩的的目目的的是是致致力力于于使使数数字字视视频频既既少少占占空空间间，又又要要保保证证好好的的视视觉觉效效果果。电电视视信信号号是是视视频频的的重重要信息源。要信息源。第19页，本讲稿共
20、21页4.54.5 视频图像压缩标准视频图像压缩标准MPEGMPEG 4.5.24.5.2 MPEG MPEG家族家族 MPEGMPEG在在三三方方面面优优于于其其他他压压缩缩/解解压压缩缩方方案案。首首先先，由由于于在在一一开开始始它它就就是是做做为为一一个个国国际际化化的的标标准准来来研研究究制制定定，所所以以，MPEGMPEG具具有有很很好好的的兼兼容容性性。其其次次，MPEGMPEG能能够够比比其其他他算算法法提提供供更更好好的的压压缩缩比比，最最高高可可达达200:1200:1。更更重重要要的的是是，MPEGMPEG在在提提供供高高压压缩缩比比的的同同时时，对对数数据据的损失很小。的
21、损失很小。MPEG-1 MPEG-1 MPEG-2 MPEG-2 MPEG-4 MPEG-4 MPEG-7 MPEG-7 第20页，本讲稿共21页4.54.5 视频图像压缩标准视频图像压缩标准MPEGMPEG 4.5.34.5.3 MPEG MPEG压缩过程压缩过程 MPEGMPEG标准的视频压缩主要以两个基本技标准的视频压缩主要以两个基本技术为基础，一是采用术为基础，一是采用DCTDCT的帧内压缩，其目的是的帧内压缩，其目的是为了减少空间冗余度。二是采用基于运动补偿的帧为了减少空间冗余度。二是采用基于运动补偿的帧间压缩技术，用以减少时间（运动）冗余度度。间压缩技术，用以减少时间（运动）冗余度度。MPEGMPEG压缩法将导致图像细节信息的丢失而产压缩法将导致图像细节信息的丢失而产生压缩失真，使压缩图像的质量有所下降。生压缩失真，使压缩图像的质量有所下降。MPEGMPEG压缩算法有时会产生负面影响，使压缩后压缩算法有时会产生负面影响，使压缩后的画面出现马赛克（小方块）现象，的画面出现马赛克（小方块）现象，MPEGMPEG压缩压缩算法对那些低比度、光线柔和、边缘变化缓慢的视算法对那些低比度、光线柔和、边缘变化缓慢的视频图像具有较佳的压缩效果。频图像具有较佳的压缩效果。第21页，本讲稿共21页