矢量量化 vector quantization

发布网友发布时间：2022-04-22 12:59

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热心网友时间：2023-10-14 17:49

矢量量化（VQ —Vector Quantization）是70年代后期发展起来的一种数据压缩技术基本思想：将若干个标量数据组构成一个矢量，然后在矢量空间给以整体量化，从而压缩了数据而不损失多少信息。矢量量化编码也是在图像、语音信号编码技术中研究得较多的新型量化编码方法，它的出现并不仅仅是作为量化器设计而提出的，更多的是将它作为压缩编码方法来研究的。在传统的预测和变换编码中，首先将信号经某种映射变换变成一个数的序列，然后对其一个一个地进行标量量化编码。而在矢量量化编码中，则是把输入数据几个一组地分成许多组，成组地量化编码，即将这些数看成一个k维矢量，然后以矢量为单位逐个矢量进行量化。矢量量化是一种限失真编码，其原理仍可用信息论中的率失真函数理论来分析。而率失真理论指出，即使对无记忆信源，矢量量化编码也总是优于标量量化。

　　在矢量量化编码中，关键是码本的建立和码字搜索算法。

　　码本的生成算法有两种类型，一种是已知信源分布特性的设计算法；另一种是未知信源分布，但已知信源的一列具有代表性且足够长的样点集合（即训练序列）的设计算法。可以证明，当信源是矢量平衡且遍历时，若训练序列充分长则两种算法是等价的。

　　码字搜索是矢量量化中的一个最基本问题，矢量量化过程本身实际上就是一个搜索过程，即搜索出与输入最为匹配的码矢。矢量量化中最常用的搜索方法是全搜索算法和树搜索算法。全搜索算法与码本生成算法是基本相同的，在给定速率下其复杂度随矢量维数K以指数形式增长，全搜索矢量量化器性能好但设备较复杂。树搜索算法又有二叉树和多叉树之分，它们的原理是相同的，但后者的计算量和存储量都比前者大，性能比前者好。树搜索的过程是逐步求近似的过程，中间的码字是起指引路线的作用，其复杂度比全搜索算法显著减少，搜索速度较快。由于树搜索并不是从整个码本中寻找最小失真的码字，因此它的量化器并不是最佳的，其量化信噪比低于全搜索。

矢量量化的使用：

n如果一个2x2像素的小块，每像素有8位表示，则所有的像素块的可能取值有：232=4G种，可以选择一个远远小于这个数的数n，作为码书中码的个数，然后对图像中的每个块（矢量），用一个码书中的码来近似，这样只需用这个码的编号来编码这个图像矢量即可，因此每一个小块，最后都只需用log2n个位来表示，由此达到压缩的目的。

图像块与码书中码的匹配：

n设图像块B=(b1, b2, …, bn)

码矢量：C=(c1, c2, …, cn)

n图像块与码矢量的匹配程度，由它们之间的“距离”来度量，一般d(B, C)可取如下之一：

nΣ|bi - ci|

nΣ(bi – ci)2

nMax|bi - ci|

nd(B, C) 可以看成失真程度的一种度量(B用C表示时)

LBG算法：

nLBG算法是由Linde, Buzo 和 Gray三位学者提出的方法。其主要的思想是：从一组码矢量出发，将所有的图像矢量进行划分，然后再重新计算码矢量，直到码矢量的变化收敛时，即完成了码书的选择。

主要步骤：

1.随意选取n个图像块作为码矢量

2.由这n个码矢量对所有的图像块进行划分，即分成n个集合，使每个集合中的图像块，都是与各码矢量距离中，与对应的码矢量的距离最小的

3.由这n个集合的重心，得到n个新的码矢量

4.如果这些个码矢量与原来的码矢量变化不大（收敛），就完成码书的训练，否则重新进行2、3步

例子：

n假设每像素8位，分成两个像素的小块。

n图像共有24个像素，12个小块：

B1=(32,32), B2=(60,32), B3=(32,50), B4=(60,50), B5=(60,150), B6=(70,140), B7=(200,210), B8=(200,32), B9=(200,40), B10=(200,50), B11=(215,50), B12=(215,35)

n初始码书：C1=(70,40), C2=(60,120), C3=(210,200), C4=(225, 50)

热心网友时间：2023-10-14 17:50

Since vector quantization is a natural application for k-means, information theory terminology is often used.
矢量量化是k-means的自然应用
refe: https://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/cluster.vq.html