1数据压缩试验
多媒体无损压缩试验。实验内容为目前常用的二种无损压损编码：霍夫曼编码和算术编码。霍夫曼编码是Huff-man于1952年提出的一种编码方法，该方法完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短的码字，一般用来压缩文本和程序文件，常用的JPEG图像压缩中也出现霍夫曼编码。其以二叉树建立字典表，将出现概率最大的字符用最少的编码表示，反之出现最少的字符用最长的编码表示。实验要求用MATLAB程序实现霍夫曼编码，程序要求提供简单的输入界面，给出关于输入要求（个数、输入范围等）的提示，程序能对输入的数据进行检查，发现不符合要求的数据（比如出现负数）能给出报错信息。对输入数据进行霍夫曼编码，给出最终编码结果，并计算压缩率，给出完整实验报告。这个实验融合了已经学习过的matlab知识和本课程学习的无损压缩知识。作为第一个实验，难度相对比较低，起引发学习兴趣的作用。第二个关于无损压缩的实验是用matlab实现LZW编码，LZW是AbrahamLempel、JacobZiv与TerryWelch提出的一种无损数据压缩算法，以三个发明人的姓的第一个字母组合得名，将要压缩的文本中，自动地建立一个先前见过字串的字典，每一次一个字串在字典中并被见过，那么文字中，附加在单一字符后，接着该字串的一个较长文字，就会被储存到字典中，输出字典的整数索引。该压缩方法目前广泛应用于TIFF/GIF格式图像压缩中，以及Linux、Unix操作系统中文件的压缩，和实际生活应用贴近，故容易激发同学的兴趣。同学们用自己编制的压缩程序对文本文件进行压缩，然后要求用winrar程序正常解压，实验难度逐步提高，增加挑战性。
2数字声音编码实验
该部分有两部分内容。实验内容1为比较不同采样率下PCM音频编码的效果，用cooledit软件，分别用单声道、双声道、4.8K采样率、8K采样率和16K采样率获得PCM数字信号，然后播放，体会声音质量是否有变化。此部分内容相对简单，为书上内容的实验。实验内容2则在此基础上更近一步，目前实际应用中直接以PCM编码呈现的语音相对资源较少，更多接触的是比如：AAC（数字电视、网络电视）、AC-3（数字电视、DVD声音）ALAC（苹果公司）、ALS、AMR、ATRAC（索尼公司），FLAC，G722、Codec2（网络电话），MP3、OGG（音乐）、SVOPC（skype语音）等声音编码。这些语音编码在开源代码ffmpeg中都有支持。因此实验2要求同学们了解熟悉ffmpeg开源程序，自行到ffmpeg网站下载ffmpeg程序，依据个人情况，能力强的同学下载源码自行编译，其他同学可以下载可执行代码，然后分别在电脑CD中播放一首CD效果的歌曲，采取内录音方式、采用相同采样率，用ffmpeg编码为以上这些音频格式，然后比较各种编码格式解码后的数据，多人轮流听并评判音质质量，同时比较各压缩文件的大小。实验最后为各位同学介绍2012年底最新推出的一种音频压缩格式OPUS，用OPUS官网给出的代码压缩前述音频数据。通过介绍最新知识，提高同学们的学习兴趣。
3JPEG图像压缩与编码
JPEG图像大家较为熟悉，要求大家首先用Matlab自己编写JPEG编码程序，复习以往其他课程学习的DCT变换、量化等知识。本章实验重点放在JPEG2000编码上。JPEG2000是基于小波变换的图像压缩标准，被认为是未来取代JPEG的下一代图像压缩标准。JPEG2000的压缩比更高，而且不会产生原先的基于离散余弦变换的JPEG标准产生的块状模糊瑕疵。JPEG2000同时支持有损数据压缩和无损数据压缩。另外，JPEG2000也支持更复杂的渐进式显示和下载。该部分又分两个实验内容，从JPEG2000官网下载编解码套件：KaKadu。实验内容1：比较JPEG与JPEG2000压缩效率。将一幅细节丰富的图像首先压缩成JPEG，并查看JPEG文件大小，按照JPEG的压缩率运行KaKadu编码程序：Kdu_compress.exe，指定为失真压缩，压缩层次选择设定为一层，然后用Kdu_show.exe查看压缩得到的JPEG2000图像，可以看到在压缩率高的情况下，JPEG2000得到的图像质量明显优于JPEG压缩。实验内容2：体会JPEG2000的特性如分层压缩、支持无损压缩、感兴趣区域编码等。首先用kdu_compress.exe压缩图像，选定为有损压缩，选定层次为10层，分别指定每层的压缩率，将得到的压缩图像用kdu_show.exe显示，显示时允许分层显示，逐步显示各个压缩率下的图像，可以看到随之显示层次的增加，图像质量逐渐好转。介绍JPEG2000支持的无损压缩，让同学们用医学图像（例如CT扫描图像），首先用JPEG压缩，选择高质量、低压缩率压缩，然后用JPEG2000的kdu_compress压缩，压缩参数为无损，然后比较两种压缩得到图像的质量。最后对JPEG2000特有的感兴趣区域编码进行研究，JPEG2000标准中支持两种感兴趣区域编码，UP-shifted和Max-shifted，JPEG2000压缩时分别采用这两种编码参数，对感兴趣区域上移12个位比特平面，选择高压缩率，然后将压缩得到的图像和无感兴趣区域编码相比较。通过这个实验，使同学们了解了未来图像压缩的标准，对小波编码也产生了兴趣。
4颜色空间变换
单纯讲色彩空间对同学们来说吸引力不大，为了提高大家的学习兴趣，可以把色彩空间的应用实例搬到实验中去，让同学们自己体会不同色彩空间的妙用。实验为色彩空间在人脸识别中的应用。在彩色图像中识别人脸的第一步就是肤色提取，在常规的RGB色彩空间由于RGB三色是相关的，故肤色聚类效果不好，无法提取。而图像变换到HSV、HSL空间后，人的肤色聚类效果明显提升，能够初步提取出人脸。实验首先给出一系列不同人种、肤色的图片，同学们将这些肤色的RGB三位信息在MATLAB三维图表中画出来，可以看出这些三维点分布较为分散。然后根据RGB-HSV、RGB-HSL的转换公式，计算出各肤色的HSV、HSL值，同样用三维图表表示出来，可以看到各点分布相比RGB集中，记录下HSV、HSL分布范围后，老师发给大家一张人脸图像，大家根据刚才得到的HSV、HSL空间分布范围，将该未知图像的肤色部分提取出来，然后根据聚类区间对老师提供的10张包含人脸的图片做根据肤色（初步）识别人脸。同学们能看到自己的程序能将图片中的人脸初步提取出来，既能提高实验兴趣，又激发了未来从事图像处理研究的愿望。
5小波与小波变换
小波的内容在数字图像处理课程中有所介绍，因此本课程关于小波的内容必须做到更加深入。本实验分两部分，
实验内容1为小波在频域和时域的定位，与傅立叶变换做比较。利用matlab，给出一个信号注意频率参数可以变化，分别对该信号进行傅立叶变换、短时傅立叶变换和小波变换，傅立叶变换的频谱图显示可以确定频率组成部分，但不能确定什么时候的时域信号会产生对应的频率。而短时傅立叶变换只能大致确定信号频率和脉冲发生时间，时间窗口小则频率窗口大，导致脉冲时间定位准确而频率定位不准，反之亦然。而小波变换的时间窗口有尺度变化的特性，因此无论对脉冲的时间定位还是对频率定位都准确。通过这个实验使得同学们体会到小波在信号分析中的特点。
实验内容2为利用小波工具箱完成小波去噪的研究，在命令行输入命令wavemenu，选择SWTDenoising1-D，然后选择load命令载入信号，在右侧选择db3小波进行5次小波分解，选择“soft”模式去噪，使用默认的参数进行去噪处理，以滑动条控制各级系数的阈值大小，也可以直接在系数图中直接拖动来调整阈值的大小，点击denoise进行除噪处理，并计算残差部分。以上去噪完成后，将去噪后的数据、残差分别导出并保存。选择hard阈值模式代替方才的soft模式，再次对原始信号进行除噪，将去噪结果和残差分别导出并保存。比较二次去噪的效果并自行搜集资料说明为什么会产生如此差异。以上小波实验避免了与数字图像处理课程中小波实验内容的撞车，同学们能从中发现小波新的应用。
6小结
在电子信息工程专业的多媒体课程实验设计环节，要考虑到专业特点，在原有理论知识的基础上增加对现有应用领域的介绍，避免和其他专业课程实验内容的简单重复，才能起到提高学生的学习兴趣的目的。一般电信专业多媒体课程为32~40学时，本文实验1和实验3分别为4个学时，其余各2个学时，这样5个实验共14学时，授课与实验课时分配合理，目前取得较好的效果。
作者：侯俊 陈文 单位：上海理工大学光电信息与计算机工程学院 上海应用技术学院
