（28）既不是图像编码也不是视频编码的国际标准。

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第28题

知识点：编码的国际标准多媒体数据压缩的基本编码方法图像和视频信号的数字化编码国际标准视频

关键词：国际标准视频图像编码编码图像章/节：计算机应用基础知识

A. JPEG

B. MPEG

C. H.261

D. ADPCM

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第22题 2009年下半年

46%

位图与矢量图相比，位图（22）。

第11题 2011年上半年

19%

多媒体计算机图像文件格式分为静态图像文件格式和动态图像文件格式。（11）属于静态图像文件格式。

第21题 2009年下半年

30%

RGB8:8:8表示一帧彩色图像的颜色数为（21）种。


知识点讲解
· 编码的国际标准 · 多媒体数据压缩的基本编码方法 · 图像和视频信号的数字化 · 编码 · 国际标准 · 视频

编码的国际标准

国际标准化组织对静态、动态视频信号以及声音信号的压缩和编码技术制定了一系列国际标准，这对于推动多媒体系统的应用起到了至关重要的作用。

目前，被国际社会广泛认可和应用的通用压缩编码标准大致有如下四种。

（1） JPEG，全称是Joint Photograph Coding Experts Group（联合照片专家组），是一种基于DCT的静止图像压缩和解压缩算法，它由ISO（国际标准化组织）和CCITT（国际电报电话咨询委员会）共同制定，并在1992年后被广泛采纳后成为国际标准。它是把冗长的图像信号和其他类型的静止图像去掉，甚至可以减小到原图像的百分之一，但此时图像的质量并不好。一般来说，当压缩比大于20:1时，图像质量就开始变坏。

（2） MPEG，全称是Moving Pictures Experts Group（动态图像专家组），它是指一组由ITU和ISO制定发布的视频、音频、数据的压缩标准。它采用一种减少图像冗余信息的压缩算法，提供的压缩比可高达200:1，并且图像和音响的质量也非常高。现在通常有三个版本：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4，各适用于不同带宽和数字影像质量的要求。它有三个显著的优点：兼容性好、压缩比高、数据失真小。

（3） H.261,它是一个用于音频视频服务的视频编码解码器（也称P×64标准），由CCITT（国际电报电话咨询委员会）通过。它采用了帧内和帧间两种编码方式。H.261标准与JPEG及MPEG标准之间有明显的相似性，但关键的区别在于它是为动态使用设计的，并提供完全包含的组织和高水平的交互控制。H.261在实时编码时比MPEG所占用的CPU运算量少得多，此算法为了优化带宽占用量，引进了在图像质量与运动幅度之间的平衡折中机制，也就是说，剧烈运动的图像比相对静止的图像质量要差。

（4） DVI，其视频图像的压缩算法的性能与MPEG-1相当，即图像质量可达到VHS的水平，压缩后的图像数据率约为1.5Mb/s。

多媒体数据压缩的基本编码方法

多媒体压缩编码分类

数据压缩方法种类繁多，可以分为无损压缩法（冗余压缩法）和有损压缩法（熵压缩法）两大类。

无损压缩利用数据的统计冗余进行压缩，可完全恢复原始数据而且不失真，但压缩率受到数据统计冗余度的限制，一般为2:1到5:1。常用的无损压缩方法有哈夫曼编码、算术编码、行程编码等，使用统计的方法或字典查找等方法进行压缩。这类方法广泛用于文本数据、程序和特殊应用场合的图像数据（例如指纹图像、医学图像等）的压缩。由于压缩比的限制，仅使用无损压缩方法不可能解决图像和数字视频的存储和传输问题。

有损压缩方法允许压缩过程中损失一定的信息，从而得到大得多的压缩比。常用的有损压缩方法有预测编码、变换编码、子带编码、矢量量化编码、混合编码、小波编码等方法。这类方法虽然不能完全恢复原始数据，但由于人类视觉对图像中的某些频率成分不敏感，所以损失的部分对理解原始图像的影响较小。有损压缩广泛应用于语音、图像和视频数据的压缩。

统计编码

（1）哈夫曼（Huffman）编码。

哈夫曼编码是对统计独立信源达到最小平均码长的编码方法，具有唯一可译性。基本原理是：按信源符号出现的概率大小进行排序，出现概率大的分配短码，出现概率小的则分配长码。编码的过程为：

①将信源符号按概率递减顺序排列。

②把两个最小的概率加起来，作为新符号的概率。

③重复步骤（1）和（2），直到概率和达到1为止。

④在每次合并消息时，将被合并的消息赋予1和0或0和1。

⑤寻找从每一信源符号到概率为1的路径，记录下路径上的1和0。

⑥对每一符号写出从码树的根到终结点1、0序列。

（2）算术编码。

算术编码是一种二元码的编码方法，在不考虑信源统计的情况下，只要监视在很短的一段时间内码出现的频率，不管统计是平稳的或是非平稳的，编码的码率总能趋近于信源熵值，每次迭代时的编码算法只处理一个数据符号，并且只有算术运算。

算术编码方法将被编码的符号串（数值串）表示成实数0到1之间的一个区间（区间长度为该符号出现的概率）。初始先设为整个区间，当出现一个新的待编码符号时，把完整的0到1区间映射到上一次形成的区间，然后新区间取为0到1上的新符号对应区间所映成的像。解码时则根据区间的覆盖性来逐一解出原符号串。

预测编码

预测编码方法是一种较为实用并且被广泛使用的一种压缩编码方法，它的理论基础是现代统计学和控制论，主要是通过减少数据的相关性来实现数据的压缩。

对图像数据来说，空间的冗余反映在同一帧的图像内，相邻像素点或相邻线之间的相关性较强，因此任何一个像素点均可由与其相邻的并且已经被编码的点来进行预测估计；时间的冗余反映在动态视频信号的连续帧中，帧之间也有相关性，后来的帧中保留了许多前面的帧中的内容，也可以通过预测来估计。预测编码方法就是找到一个数学模型，根据以前的内容来预测未来的内容，只传送未来与当前所不同的内容，从而实现数据的压缩。

也就是说，预测编码根据某一数学模型利用以往的样本值对新样本值进行预测，然后将样本实际值与预测值的差值进行编码。如果模型足够好，且样本序列的时间相关性较强，那么误差信号的幅度将远小于原始信号，可以用较少的值对其差值量化，得到较好的压缩效果。预测编码常用的是差分脉冲编码调制法（DPCM）和自适应的差分脉冲编码调制法（ADPCM）。

变换编码

变换编码是将通常在空间域描写的图像信号进行某种函数变换，变换到另外一些正交矢量空间（即变换域）中进行描写，而且通过选择合适的变换关系使变换域中描写的各信号分量之间相关性很小或者互不相关，从而达到数据压缩的目的。将这种变换反向进行即可恢复原来的数据。

变换编码的种类很多，例如傅立叶变换、离散余弦变换、离散正弦变换等。采用不同的变换方式，压缩的数据量和压缩速度都不相同。

图像和视频信号的数字化

多媒体计算机系统在处理图像和视频信号时，首先要把连续的图像函数转化为离散的数据，即将模拟图像转化为用一系列离散数值表示的数字图像。一般来说，图像的数字化过程包括采样（又称抽样）和量化两个步骤。

常见的数字图像类型有四种：①二值图像，例如文字、图形、指纹等；②黑白灰度图像，例如黑白相片；③彩色图像，例如彩色图片；④活动图像，例如动画。

（1）几个相关概念。

下面介绍几个与数字图像有关的概念：

.像素，指的是组成屏幕图像的基本点，也就是显示画面的最小元素。像素间的距离越小，分辨率越高。

.屏幕分辨率，指的是在某一种显示方式下，计算机屏幕上最大的显示区域，用水平的和竖直的像素数来表示。

.图像分辨率，指的是数字化图像的大小，用水平的和竖直的像素数来表示。

.像素分辨率，指的是一个像素宽与长的比例。

.色彩数和图形灰度，色彩数和图形灰度用位（bit）表示，一般写成2的n次方，n代表位数。当图像达到24位时，可表现1677万种颜色（即真彩）。灰度的表示法与此类似。

（2）数字图像中彩色的表示方法。

目前，在多媒体技术中，对彩色图像的处理已经达到很高的水平。

彩色可以用亮度、色调和饱和度来描述（通常把色调和饱和度通称为色度），人眼中看到的任何彩色光都是这三个特征的综合效果。亮度是用来表示某彩色光的明亮程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度。

在彩色图像的数字化过程中要表示离散化的彩色信息，必须选择合适的彩色表示空间，因为，彩色也是一个物理量，也可以进行计算和度量，选用不同的坐标，可以得到不同的表示的颜色值。常用的几种彩色表示空间是：①RGB彩色空间：用R（红）、G（绿）、B（蓝）三基色的分量来表示数字图像像素的颜色值；②HIS彩色空间：用H（色调）、S（饱和度）、I（光的强度）三个参数描述颜色特性；③CMYK彩色空间：基于印刷处理的颜色模式，通过C（青）、M（紫红）、Y（黄）、K（黑）四种颜色来组合出彩色图像；④YUV彩色空间：彩色电视视频信号在PAL彩色电视制式中采用的彩色空间。

（3）数字图像的类型和文件格式。

一般来说，目前的图像格式大致可以分为两大类：一类为位图；另一类称为矢量图形。前者是以点阵形式描述图像的，后者是以数学方法描述的一种由几何元素组成的图像。一般来说，后者对图像的表达细致、真实，缩放后图像的分辨率不变，在专业级的图像处理中运用较多。

图像与图形文件格式是有区别的。在计算机科学中，图形一般指的是用计算机绘制的画面，如直线、圆、圆弧、任意曲线和图表等；图像则是指由输入设备捕捉的实际场景画面或以数字化形式存储的任意画面。

图形文件中只记录生成图的算法和图上的某些特征点，即矢量图。在计算机还原输出时，相邻的特征点之间用特定的很多段小直线连接就形成曲线，若曲线是一条封闭的图形，则可以用着色算法来填充颜色。它的最大优点是容易进行移动、缩放、旋转和扭曲等变换，主要用于表示线框型的图画、工程制图、美术字等。常用的矢量图形文件有3DS（用于3D造型）、DXF（用于CAD）、WMF（用于桌面出版）等。

图像都是由一些排成行列的像素组成的，一般数据量都较大。它除了可以表达真实的照片，也可以表现复杂绘画的某些细节，并具有灵活和富于创造力等特点。图形文件与图像文件相比，由于图形只保存算法和特征点，所以相对于位图的大数据量来说，它占用的存储空间也较小。但由于每次屏幕显示时都需重新计算，故显示速度没有图像快。在打印输出和放大时，图形的质量较高而点阵图常会发生失真。图像文件格式分两大类：一类是静态图像文件格式，一类是动态图像文件格式。

静态图像文件格式有：GIF，TIF，BMP, PCX, JPG, PCD等。

①BMP，PC机上最常用的位图格式，有压缩和不压缩两种形式，该格式可表现从2位到24位的色彩，分辨率也可从480×320至1024×768。该格式在Windows环境下相当稳定，在文件大小没有限制的场合中运用极为广泛。

②GIF，经过压缩的图形格式，并且在各种平台的各种图形处理软件上均可处理。其缺点是存储色彩最高只能达到256种。

③TIF，文件体积庞大，但存储信息量也很巨大，并且细微层次的信息较多，可以存储高质量的图像。该格式有压缩和非压缩两种形式，支持的色彩数最高可达16M。

④JPG，一种可以大幅度压缩图像文件的图形格式。对于同一幅画面，JPG格式存储的文件是其他类型图像文件的1/10到1/20，并且色彩数最高可达到24位，所以它被广泛地应用于Internet上的homepage或者Internet上的图片库。

动态图像文件格式有AVI，MPG等。

⑤AVI，AVI是将语音和影像同步组合在一起的文件格式。它对视频文件采用一种有损压缩方式，且压缩比高，因此画面质量不是很好，但其应用范围仍然非常广泛。AVI支持256色和RLE压缩。AVI信息主要应用在多媒体光盘上，用来保存电视、电影等各种影像信息。

⑥MPG，MPG文件格式是按MPEG标准进行压缩的全运动的视频文件，它需要专门的播放软件和硬件，目前许多视频处理软件都支持MPG格式的视频文件。MPG的压缩率比AVI高，画面质量却比AVI好。

编码

编码过程

在给定了软件设计规格说明书后，下一步的工作就是编写代码。一般来说，编码工作可以分为四个步骤：

（1）确定源程序的标准格式，制订编程规范。

（2）准备编程环境，包括软硬件平台的选择，包括操作系统、编程语言、集成开发环境等。

（3）编写代码。

（4）进行代码审查，以提高编码质量。为提高审查的效率，在代码审查前需要准备一份检查清单，并设定此次审查须找到的bug数量。在审查时，要检查软件规格说明书与编码内容是否一致；代码对硬件和操作系统资源的访问是否正确；中断控制模块是否正确等。

编码准则

在嵌入式系统中，由于资源有限，且实时性和可靠性要求较高，因此，在开发嵌入式软件时，要注意对执行时间、存储空间和开发／维护时间这三种资源的使用进行优化。也就是说，代码的执行速度要越快越好，系统占用的存储空间要越小越好，软件开发和维护的时间要越少越好。

具体来说，在编写代码时，需要做到以下几点：

.保持函数短小精悍。一个函数应该只实现一个功能，如果函数的代码过于复杂，将多个功能混杂在一起，就很难具备可靠性和可维护性。另外，要限制函数的长度，一般来说，一个函数的长度最好不要超过100行。

.封装代码。将数据以及对其进行操作的代码封装在一个实体中，其他代码不能直接访问这些数据。例如，全局变量必须在使用该变量的函数或模块内定义。对代码进行封装的结果就是消除了代码之间的依赖性，提高了对象的内聚性，使封装后的代码对其他行为的依赖性较小。

.消除冗余代码。例如，将一个变量赋给它自己，初始化或设置一个变量后却从不使用它，等等。研究表明，即使是无害的冗余也往往和程序的缺陷高度关联。

.减少实时代码。实时代码不但容易出错、编写成本较高，而且调试成本可能更高。如果可能，最好将对执行时间要求严格的代码转移到一个单独的任务或者程序段中。

.编写优雅流畅的代码。

.遵守代码编写标准并借助检查工具。用自动检验工具寻找缺陷比人工调试便宜，而且能捕捉到通过传统测试检查不到的各种问题。

编码技术

编程规范

在嵌入式软件开发过程中，遵守编程规范，养成良好的编程习惯，这是非常重要的，将直接影响到所编写代码的质量。

编程规范主要涉及的三方面内容：

.命名规则。从编译器的角度，一个合法的变量名由字母、数字和下画线三种字符组成，且第一个字符必须为字母或下画线。但是从程序员的角度，一个好的名字不仅要合法，还要载有足够的信息，做到“见名知意”，并且在语意清晰、不含歧义的前提下，尽可能地简短。

.编码格式。在程序布局时，要使用缩进规则，例如变量的定义和可执行语句要缩进一级，当函数的参数过长时，也要缩进。另外，括弧的使用要整齐配对，要善于使用空格和空行来美化代码。例如，在二元运算符与其运算对象之间，要留有空格；在变量定义和代码之间要留有空行；在不同功能的代码段之间也要用空行隔开。

.注释的书写。注释的典型内容包括：函数的功能描述；设计过程中的决策，如数据结构和算法的选择；错误的处理方式；复杂代码的设计思想等。在书写注释时要注意，注释的内容应该与相应的代码保持一致，同时要避免不必要的注释，过犹不及。

性能优化

由于嵌入式系统对实时性的要求较高，因此一般要求对代码的性能进行优化，使代码的执行速度越快越好。以算术运算为例，在编写代码时，需要仔细地选择和使用算术运算符。一般来说，整数的算术运算最快，其次是带有硬件支持的浮点运算，而用软件来实现的浮点运算是非常慢的。因此，在编码时要遵守以下准则：

.尽量使用整数（char、short、int和long）的加法和减法。

.如果没有硬件支持，尽量避免使用乘法。

.尽量避免使用除法。

.如果没有硬件支持，尽量避免使用浮点数。

下图是一个例子，其中两段代码的功能完全一样，都是对一个结构体数组的各个元素进行初始化，但采用两种不同的方法来实现。下图（a）采用数组下标的方法，在定位第i个数组元素时，需要将i乘以结构体元素的大小，再加上数组的起始地址。下图（b）采用的是指针访问的方法，先把指针fp初始化为数组的起始地址，然后每访问完一个数组元素，就把fp加1，指向下一个元素。在一个奔腾4的PC上，将这两段代码分别重复10 700次，右边这段代码需要1ms，而左边这段代码需要2.13ms。

算术运算性能优化的例子

国际标准

1946年成立的国际标准化组织负责制定各种国际标准，ISO有89个成员国家，85个其他成员。ISO的任务是促进全球范围内的标准化及其有关活动，以利于国际间产品与服务的交流，以及在知识、科学、技术和经济活动中发展国际间的相互合作。例如，ISO开发了开放式系统互连网络结构模型，模型定义了用于网络结构的7个数据处理层。

其他标准化组织如下：

（1）ANSI：美国国家标准研究所，ISO的美国代表。ANSI设计了ASCII代码组，它是一种广泛使用的数据通信标准代码。

（2）NIST：美国国家标准和技术研究所，美国商业部的标准化机构。

（3）IEEE：电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers）。IEEE设置了电子工业标准，分成一些标准委员会（或工作组），每个工作组负责标准的一个领域，工作组802设置了网络上的设备如何彼此通信的标准，即IEEE 802标准委员会划分成的工作组有：802.1工作组，协调低档与高档OSI模型；802.2工作组，涉及逻辑数据链路标准；802.3工作组，有关CSMA/CD标准在以太网的应用；802.4工作组，令牌总线标准在LAN中的应用；802.5工作组，设置有关令牌环网络的标准。

（4）EIA：电子工业协会（Electronic Industries Association）。最为人熟悉的EIA标准之一是RS-232C接口，这一通信接口允许数据在设备之间交换。

值得注意的是，ITU-T和ISO之间有很好的合作和协调。

视频

视频是动态的画面序列，这些画面以超过每秒24帧的速度播放，便可以使观察者产生平滑、连续的视觉效果。视频类似于我们熟知的电影和电视，有声有色。电影采用了每秒24幅画面的播放速度，电视采用了每秒25幅或30幅画面的播放速度。视频图像可来自于录像带、影碟、电视、摄像机等，这些模拟视频信号可通过视频采集卡转换成数字视频信号，以便计算机进行处理和存储。

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