通信工程師設(shè)備環(huán)境考試限失真壓縮編碼

  1.限失真壓縮編碼
  由信息論基礎(chǔ)知識(shí)可知，信源冗余來自信源本身的相關(guān)性和信源概率分布的不均勻性。因此，通過去除信源的相關(guān)及改變信源概率分布模型，則可達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)量的目的。限失真壓縮編碼即是在允許解碼后信號(hào)有一定失真的情況下，通過去除信源的自相關(guān)來達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的。在允許失真不超過某一限度時(shí)，壓縮編碼的比特率是受限的，存在著一個(gè)下限，這個(gè)下限由率失真函數(shù)來定義。
  率失真理論雖然沒有給出怎樣達(dá)到比特率下限的具體方法，但從理論上指明了方向。即在給定信號(hào)允許失真度的條件下，為了減少信號(hào)傳輸?shù)谋忍芈?，?yīng)盡量減小傳輸信號(hào)的方差。目前，在視音頻編碼中普遍采用的預(yù)測(cè)編碼和變換編碼，正是根據(jù)這一理論對(duì)原始視音頻信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理，使處理后信號(hào)的方差減小，最終達(dá)到壓縮編碼的目的。
  2.無失真壓縮編碼
  預(yù)測(cè)編碼和變換編碼都是基于去除樣值間的相關(guān)性而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的(3的。如果信源巳經(jīng)是無記憶的，即各樣值間已沒有相關(guān)性或相關(guān)性很小。這時(shí)只要各亊件出現(xiàn)的概率不相等，該信源就仍然有冗余度存在，就還有進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的可能性。無失真壓縮編碼的基本原理則是去除信源的概率分布不均勻性，使編碼后的數(shù)據(jù)接近其信息熵而不產(chǎn)生失真，因此，這種編碼方法又叫熵編碼。另外，由于這種編碼完全基于信源的統(tǒng)計(jì)特性，因而也可稱其為統(tǒng)計(jì)編碼。無失真壓縮編碼的方法主要有：基于信號(hào)樣值概率分布特性的Huffman編碼、算術(shù)編碼和基于信號(hào)樣值相關(guān)性的游程編碼。
  (1)Huffman編碼
  變字長(zhǎng)編碼的最佳編碼定理為：在變字長(zhǎng)編碼中，對(duì)于出現(xiàn)概率大的信息符號(hào)編以短宇長(zhǎng)的碼，對(duì)于概率小的符號(hào)編以長(zhǎng)字長(zhǎng)的碼。如果碼字長(zhǎng)度嚴(yán)格按所對(duì)應(yīng)符號(hào)出現(xiàn)概率大小逆順序排列，則平均碼字長(zhǎng)度一定小于其他任何符號(hào)順序排列方式。
  Huffman編碼是根據(jù)可變長(zhǎng)度最佳編碼定理，應(yīng)用Huffman算法而得到的一種編碼方法?？梢宰C明，在給定符號(hào)集和概率模型時(shí)，沒有任何其他整數(shù)碼比Huffman碼有更短的平均碼長(zhǎng)，即它是一種最優(yōu)碼。
  雖然Huffman碼是變長(zhǎng)的，碼流中又沒有分隔碼字的標(biāo)識(shí)符，但由于它的無歧義性,完全能夠正確地恢復(fù)原信源所輸出的符號(hào)序列。
  需要注意的是，由于Huffman構(gòu)碼過程的最基本依據(jù)是信源的離散概率，如果信源的實(shí)際概率模型與構(gòu)碼時(shí)所假設(shè)的概率模型有差異，實(shí)際的碼長(zhǎng)將大于預(yù)期值，編碼效率將下降。
  (2)算術(shù)編碼
  算術(shù)編碼是另一種利用信源概率分布特性、能夠趨近熵極限的編碼方法。盡管它也是對(duì)出現(xiàn)概率大的符號(hào)采用短碼，對(duì)出現(xiàn)概率小的符號(hào)采用長(zhǎng)碼，但其編碼原理與Huffman一碼卻不相同。而且在信源概率分布比較均勻的情況下，其編碼效率高于Huffman編碼。它和Huffman編碼的最大區(qū)別在于它不是使用整數(shù)碼。算術(shù)編碼的特點(diǎn)如下。
  ①在Huffman編碼中，后續(xù)符號(hào)的碼字只是簡(jiǎn)單地附加到巳編好的碼字串之后，并不改變已有的碼字串；而在算術(shù)編碼中，后續(xù)符號(hào)的編碼有可能因?yàn)檫M(jìn)位而引起已編好的碼字串的改變。
  ②Huffman編碼中，最短的碼字長(zhǎng)度為1bit,所以即使對(duì)最常出現(xiàn)的符號(hào)進(jìn)行編碼也需在已編好的碼字串的基礎(chǔ)上增加1bit;而在算術(shù)編碼中，對(duì)累計(jì)概率為0的符號(hào)編碼時(shí)不增加已編好的碼字串的長(zhǎng)度，因此算術(shù)編碼時(shí)只要將出現(xiàn)概率最大的符號(hào)置f累計(jì)概率為0的位置，便可大大降低碼字串長(zhǎng)度。
  ③在算術(shù)編碼中，隨著概率子空間的不斷劃分，區(qū)間長(zhǎng)度L越來越小，用來表示它的數(shù)字位數(shù)越來越長(zhǎng)，增加了實(shí)現(xiàn)該算法的難度；另外，完成算術(shù)編碼和解碼需進(jìn)行乘法和除法運(yùn)箅，同樣增加了實(shí)現(xiàn)該算法的復(fù)雜度，進(jìn)而提高了成本。
  (3)游程編碼
  由于視音頻信號(hào)中各樣值間一般都存在相關(guān)性，特別是由計(jì)算機(jī)生成的圖像和大部分二值圖像，它們往往在某些區(qū)域具有相同的像素值。游程編碼的主要方法就是在某個(gè)特定方向上將樣本值相同的若干像素或聲音樣本用一個(gè)游程長(zhǎng)度和一個(gè)樣本值來表示。如沿水平掃描線上的一串m個(gè)樣值具有相同的數(shù)值n，則只要傳輸（n，m）即可。游程編碼對(duì)誤碼較為敏感，為防止誤碼擴(kuò)散應(yīng)采用行、列同步的方法將差錯(cuò)控制在一行、一列之內(nèi)。

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