免费智能真题库 > 历年试卷 > 多媒体应用设计师 > 2018年上半年 多媒体应用设计师 上午试卷 综合知识
  第50题      
  知识点:   3.多媒体数据压缩编码的分类   脉冲编码调制   算术编码   编码   编码技术
  关键词:   多媒体   脉冲编码调制   图像编码   编码   调制   脉冲编码   媒体   图像        章/节:   多媒体数据压缩技术理论基础及压缩编码方法分类       

 
多媒体图像编码技术中, 差分脉冲编码调制和运动补偿法属于(49)。算术编码 属于(50)
 
 
  A.  变换编码
 
  B.  熵编码
 
  C.  预测编码
 
  D.  混合编码
 
 
 

 
  第9题    2018年上半年  
   17%
如果图像中存在明显的分布模式,例如地板砖图案等,在压缩过程中应考虑其(9)。
  第26题    2019年下半年  
   18%
多媒体技术研究的核心内容是(26)。
  第49题    2018年上半年  
   24%
多媒体图像编码技术中, 差分脉冲编码调制和运动补偿法属于(49)。算术编码 属于(50)
   知识点讲解    
   · 3.多媒体数据压缩编码的分类    · 脉冲编码调制    · 算术编码    · 编码    · 编码技术
 
       3.多媒体数据压缩编码的分类
        多媒体数据压缩的方法根据不同的依据可产生不同的分类。常用的压缩编码方法可根据质量是否有损失分为无损压缩(Lossless Compression Coding)和有损压缩(Loss Compression Coding)。
        无损压缩只是去掉了数据中的冗余值,这些冗余值是可以重新插入数据中的,因此无损压缩是可逆的。有损压缩压缩了熵,会减少信息量,因为熵定义为平均信息量,而损失的信息是不能再恢复的,因此这种压缩是不可逆的。
        由于无损压缩不会产生失真,因此在多媒体技术中一般用于文本数据压缩,它能保证百分之百地恢复数据。但这种方法的压缩比较低,如LZ编码、游程编码、Huffman编码等,其压缩比一般为2:1~5:1。有损压缩由于允许一定程度上的失真,可用于对图像、声音、动态视频等进行数据压缩,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几十倍,而对于彩色图像,压缩比将达到几十倍到上百倍。采用ADPCM编码的声音数据,压缩比通常也能达到4:1~8:1。压缩比最高的是动态视频数据,采用混合编码的DVI多媒体系统的压缩比通常可达100:1~200:1。
        另外,压缩编码按照其作用域在空间域或频率域上分为空间方法、变换方法和混合方法;根据是否自适应分为自适应性编码和非自适应性编码;根据编码后产生的码词长度是否相等,又可分为定长码和变长码。总的压缩编码分类和常用的数据编码算法如下图所示。
        
        多媒体数据编码算法图
 
       脉冲编码调制
        PCM脉冲编码调制是对连续语音信号进行空间采样、幅度值量化及用适当码字将其编码的总称,即它把连续输入的模拟信号变换为在时域和振幅上都离散的量,然后将其转化为代码形式传输或存储,其原理框图如下图所示。在下图中,输入是模拟声音信号,输出是PCM样本。下图中的防失真滤波器是一个低通滤波器,用来滤除声音频带以外的信号;波形编码器可暂时理解为采样器;量化器可理解为量化阶大小(step-size)生成器或者量化间隔生成器。
        
        PCM脉冲编码调制原理
        PCM方法可以按量化方式的不同分为均匀量化、非均匀量化和自适应量化等。
        ①均匀量化。
        采用相等的量化间隔对采样得到的信号进行量化称为均匀量化,也称线性量化。均匀量化将输入的声音信号的振幅范围分成2B个等份(B为量化的二进制位数),所有落入同一等份数的采样值都被编码成相同的B位二进制码。只要采样频率足够大,量化位数也适当,便能获得较高的声音信号数字化效果。为了满足听觉效果,均匀量化必须使用较多的量化位数,这样所记录和产生的音乐才可以达到最接近原声的效果。当然,提高采样率及分辨率将造成存储数据空间的增大。
        为了适应幅度大的输入信号,同时又要满足精度要求,就需要增加样本的位数。但是,对话音信号来说,大信号出现的机会并不多,增加的样本位数没有被充分利用。为了克服这个不足,出现了非均匀量化的方法,这种方法也称非线性量化。
        ②非均匀量化。
        对输入信号进行量化时,大的输入信号采用大的量化间隔,小的输入信号采用小的量化间隔,这样就可以在满足精度要求的情况下用较少的位数表示。声音数据还原时则采用相同的规则。
        ③自适应量化。
        自适应量化是一种根据输入信号幅度改变量化阶距的一种波形编码技术。这种自适应可以是瞬时自适应(即量化阶距每隔几个样本就改变),也可以是音节自适应(即量化阶距在较长的时间周期内发生变化)。
 
       算术编码
        算术编码适用于信源符号概率比较接近的情况。在JPEG的扩展系统中,就是用算术编码代替了霍夫曼编码。
        算术编码是将被编码的信息表示成实数0和1之间的一个间隔。信息越长,编码表示的间隙就越小,表示这一间隙所需要的二进制位就越多,大概率符号出现的概率越大,对应的区间越宽,可用长度较短的码字表示;小概率符号出现概率越小,区间越窄,需要较长码字表示。
        信息源中连续的符号根据某一模式生成概率的大小减少间隔。可能出现的符号要比不太可能出现的符号减少的范围小,因此只增加了较少的比特位。
        算术编码步骤如下。
        ①编码器在开始时将“当前间隔”[LH)设置为[0,1)。
        ②对每一事件,编码器按以下步骤进行处理。
        . 编码器将“当前间隔”分为子间隔,每一个事件分为一个。
        . 一个子间隔的大小与下一个将出现的事件的概率呈比例,编码器选择子间隔与下一个确切发生的事件相对应,并使它成为新的“当前间隔”。
        ③输出的“当前间隔”的下边界就是该给定事件序列的算术编码。
        算术编码的特点如下。
        ①不需要码表。
        ②当信源概率比较接近时,建议使用算术编码。
        ③JPEG成员对多幅图像进行算术编码的效率可以提高5%。JPEG扩展系统用算术编码代替Huffman编码。
 
       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
 
       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
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第50题    在手机中做本题