HEVC之信息论基础

信息论基础

每获得一部分信息就消除一部分不确定性,从这个意义上来说,信息是对不确定性的消除。概率论中概率就可以描述随机事件的不确定性,因此,信息一定是一个概率的函数。

信息的定义

香农给出的信息的定义:事物运动状态或存在方式不确定性的描述。

使用概率来度量不确定性的大小,则不确定性大小 f(p(x))f(p(x))f(p(x))p(x)p(x)p(x) 表示事件发生的概率)应该满足以下 3 个条件:

  1. f(1)=0f(1) = 0f(1)=0。必然事件的不确定性为 0。
  2. f(p(x))f(p(x))f(p(x)) 是单调递减函数。概率越大,不确定性越小。
  3. 独立可加性。f(p(x)p(y))=f(p(x))+f(p(y))f(p(x)p(y)) = f(p(x)) + f(p(y))f(p(x)p(y))=f(p(x))+f(p(y))

概率的倒数取对数即可满足以上条件,这就是香农的自信息量的定义:

I(xi)=log1p(xi) I(x_i) = log{\frac{1}{p(x_i)}} I(xi)=logp(xi)1

p(xi){p(x_i)}p(xi) 表示信源选择符号 xix_ixi 作为发送消息的概率。以 2 为底时,单位为 bit。以 eee 为底时,单位为 nat。以 10 为底时,单位为 Hart

那么针对一个系统而言,取各随机事件自信息的统计平均来代表其总体信息量。离散随机变量 XXX 的信息熵 H(X)H(X)H(X) 定义为:
H(X)=−∑x∈Xp(x)log⁡p(x) H(X) = -\sum_{x \in X}{p(x) \log p(x)} H(X)=xXp(x)logp(x)
将其推广到多个随机变量,则一对离散随机变量 (X,Y)(X,Y)(X,Y) 的联合熵定义为:
H(X,Y)=−∑x∈X∑y∈Yp(x,y)log⁡p(x,y) H(X,Y) = - \sum_{x \in X}\sum_{y \in Y}{p(x,y)\log{p(x,y)}} H(X,Y)=xXyYp(x,y)logp(x,y)
并且 H(X,Y)≤H(X)+H(Y)H(X,Y) \le H(X) + H(Y)H(X,Y)H(X)+H(Y),当 XXXYYY 独立时等号成立。当 XXXYYY 相关时,观察 XXX 就可以消除 YYY 的一部分不确定性。

离散随机变量 XXXYYY互信息 I(X;Y)I(X;Y)I(X;Y) 定义为:
I(X;Y)=H(X)−H(X∣Y) I(X;Y) = H(X) - H(X|Y) I(X;Y)=H(X)H(XY)
可以理解为:已知 YYY,对于 XXX 的不确定性减少程度。也可以扩展成:
I(X;Y)=H(X)+H(Y)−H(X,Y)=∑x∈X∑y∈Yp(x,y)log⁡p(x,y)p(x)p(y) I(X;Y) = H(X) + H(Y) - H(X,Y) \\ = \sum_{x \in X}\sum_{y \in Y}{p(x,y)\log{\frac{p(x,y)}{p(x)p(y)}}} I(X;Y)=H(X)+H(Y)H(X,Y)=xXyYp(x,y)logp(x)p(y)p(x,y)
XXXYYY 独立时,I(X;Y)=0I(X;Y) = 0I(X;Y)=0;当 XXXYYY 一一映射时,I(X;Y)=H(X)=H(Y)I(X;Y) = H(X) = H(Y)I(X;Y)=H(X)=H(Y)

互信息的基本性质:

  1. 对称性:I(X;Y)=I(Y;X)I(X;Y) = I(Y;X)I(X;Y)=I(Y;X)
  2. 非负性:I(X;Y)≥0I(X;Y) \ge 0I(X;Y)0
  3. 极值性:I(X;Y)≤min(H(X),H(Y))I(X;Y) \le min(H(X),H(Y))I(X;Y)min(H(X),H(Y))
  4. 可加性:I(X1,X2⋯Xn;Y)=∑i=1nI(Ii;Y)I(X_1,X_2 \cdots X_n;Y) = \sum_{i=1}^{n}I(I_i;Y)I(X1,X2Xn;Y)=i=1nI(Ii;Y)

率失真理论的基本概念

失真函数在输入输出联合空间中取统计平均:
D=∑xi,x^jp(xi)q(x^j∣xi)d(xi,x^j) D = \sum_{x_i,\hat{x}_j}p(x_i)q(\hat{x}_j|x_i)d(x_i,\hat{x}_j) D=xi,x^jp(xi)q(x^jxi)d(xi,x^j)
表示给定信源分布和转移概率分布时,信道传输失真总体的平均度量。

针对信源 XXX 和失真度量 d(x,x^)d(x,\hat{x})d(x,x^),信息的率失真函数 R(D)R(D)R(D) 定义为:
R(D)=min∑x,x^p(x)q(x^∣x)d(x,x^)≤DI(X;X^) R(D) = \mathop{min}\limits_{\sum_{x,\hat{x}} p(x) q(\hat{x}|x) d(x,\hat{x}) \le D}I(X;\hat{X}) R(D)=x,x^p(x)q(x^x)d(x,x^)DminI(X;X^)
在失真 DDD 的限制下,最小化输入输出的互信息。

高斯信源的率失真函数

在均方失真度量下,高斯信源的率失真函数是:
R(D)={12log⁡σ2D,0≤D≤σ20,            D>σ2 R(D)=\left\{ \begin{aligned} \frac{1}{2} \log{\frac{\sigma^2}{D}} , 0 \le D \le \sigma^2\\ 0 ,\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ D > \sigma^2 \end{aligned} \right. R(D)=21logDσ2,0Dσ20,            D>σ2

以下是证明过程:
假设一个随机变量 XXX 服从高斯分布,则其概率密度函数为:

f(x)=12πσexp⁡(−(x−μ)22σ2) f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} \exp({-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}) f(x)=2πσ1exp(2σ2(xμ)2)

对于一个连续的随机变量,其微分熵为:

h(X)=−∫−∞+∞p(x)log⁡p(x)dx h(X) = -\int_{-\infty}^{+\infin} p(x)\log{p(x)} dx h(X)=+p(x)logp(x)dx

则:XXX 的微分熵为:

h(X)=−∫−∞+∞p(x)log⁡12πσexp⁡(−(x−μ)22σ2)dx=−∫−∞+∞p(x)log⁡12πσdx−∫−∞+∞p(x)log⁡exp⁡(−(x−μ)22σ2)dx=−∫−∞+∞p(x)log⁡12πσdx+log⁡e∫−∞+∞p(x)(x−μ)22σ2dx=−log⁡12πσ2πσ∫−∞+∞2σexp⁡(−((x−μ)2σ)2)d(x−μ2σ)+log⁡e2πσ∫−∞+∞exp⁡(−(x−μ)22σ2)(x−μ)22σ2dx=log⁡(2πσ)+log⁡e2πσ∫−∞+∞−(x−μ)2d(exp⁡(−(x−μ)22σ2))=log⁡(2πσ)−12log⁡eπ∫−∞+∞(x−μ)2σd(exp⁡(−(x−μ)22σ2))=log⁡(2πσ)−log⁡e2π(0−∫−∞+∞exp⁡(−(x−μ)2σ)d(x−μ2σ))=log⁡(2πσ)+log⁡e2=12log⁡(2πeσ2) h(X) = -\int_{-\infty}^{+\infin} p(x)\log{\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}\exp(-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2})} dx \\ = -\int_{-\infty}^{+\infin} p(x)\log{\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}} dx - \int_{-\infty}^{+\infin} p(x)\log{\exp(-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2})} dx \\ = -\int_{-\infty}^{+\infin} p(x)\log{\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}} dx + \log{e}\int_{-\infty}^{+\infin} p(x)\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2} dx \\ = -\frac{\log{\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}}}{\sqrt{2\pi}\sigma} \int_{-\infty}^{+\infin}{\sqrt{2}\sigma\exp(-(\frac{(x-\mu)}{\sqrt{2}\sigma})^2)} d(\frac{x-\mu}{\sqrt{2}\sigma}) + \frac{\log e}{\sqrt{2\pi}\sigma} \int_{-\infty}^{+\infin} \exp(-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2})\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2} dx\\ = \log(\sqrt{2\pi}\sigma) + \frac{\log e}{\sqrt{2\pi}\sigma} \int_{-\infty}^{+\infin} - \frac{(x-\mu)}{2} d(\exp(-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2})) \\ = \log(\sqrt{2\pi}\sigma) - \frac{1}{2} \frac{\log e}{\sqrt{\pi}} \int_{-\infty}^{+\infin} \frac{(x-\mu)}{\sqrt{2}\sigma} d(\exp(-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2})) \\ = \log(\sqrt{2\pi}\sigma) - \frac{\log e}{2\sqrt{\pi}} (0 - \int_{-\infty}^{+\infin} \exp(-\frac{(x-\mu)^2}{\sigma}) d(\frac{x-\mu}{\sqrt{2}\sigma})) \\ = \log(\sqrt{2\pi}\sigma) + \frac{\log e}{2} \\ = \frac{1}{2}\log(2\pi e\sigma^2) h(X)=+p(x)log2πσ1exp(2σ2(xμ)2)dx=+p(x)log2πσ1dx+p(x)logexp(2σ2(xμ)2)dx=+p(x)log2πσ1dx+loge+p(x)2σ2(xμ)2dx=2πσlog2πσ1+2σexp((2σ(xμ))2)d(2σxμ)+2πσloge+exp(2σ2(xμ)2)2σ2(xμ)2dx=log(2πσ)+2πσloge+2(xμ)d(exp(2σ2(xμ)2))=log(2πσ)21πloge+2σ(xμ)d(exp(2σ2(xμ)2))=log(2πσ)2πloge(0+exp(σ(xμ)2)d(2σxμ))=log(2πσ)+2loge=21log(2πeσ2)

注:∫−∞+∞exp⁡(−x2)dx=π\int_{-\infty}^{+\infin} \exp(-x^2) dx = \sqrt{\pi}+exp(x2)dx=π

因此,互信息 I(X;X^)I(X;\hat{X})I(X;X^)
I(X;X^)=h(X)−h(X∣X^)=12log⁡(2πeσ2)−h(X−X^∣X^)(X^已知,所以减去X^不影响h(X∣X^)的值)≥12log⁡(2πeσ2)−h(X−X^)≥12log⁡(2πeσ2)−h(N(0,E(X−X^)2))(h(X−X^)与h(N(0,E(X−X^)2))具有相同方差)≥12log⁡(2πeσ2)−12log⁡(2πeD)((X−X^)2表示平方意义下的失真,必须小于D)=12log⁡σ2D I(X;\hat{X}) = h(X) - h(X|\hat{X}) \\ = \frac{1}{2} \log(2\pi e\sigma^2) - h(X-\hat{X}|\hat{X})(\hat{X}已知,所以减去\hat{X}不影响h(X|\hat{X})的值) \\ \ge \frac{1}{2} \log(2\pi e\sigma^2) - h(X-\hat{X}) \\ \ge \frac{1}{2} \log(2\pi e\sigma^2) - h(N(0,E(X-\hat{X})^2)) (h(X-\hat{X})与h(N(0,E(X-\hat{X})^2))具有相同方差)\\ \ge \frac{1}{2} \log(2\pi e\sigma^2) - \frac{1}{2} \log(2\pi eD) ((X-\hat{X})^2表示平方意义下的失真,必须小于D)\\ =\frac{1}{2}\log{\frac{\sigma^2}{D}} I(X;X^)=h(X)h(XX^)=21log(2πeσ2)h(XX^X^)X^X^h(XX^)21log(2πeσ2)h(XX^)21log(2πeσ2)h(N(0,E(XX^)2))h(XX^)h(N(0,E(XX^)2))21log(2πeσ2)21log(2πeD)(XX^)2D=21logDσ2

CH341A编程器是一款广泛应用的通用编程设备,尤其在电子工程和嵌入式系统开发领域中,它被用来烧录各种类型的微控制器、存储器和其他IC芯片。这款编程器的最新版本为1.3,它的一个显著特点是增加了对25Q256等32M芯片的支持。 25Q256是一种串行EEPROM(电可擦可编程只读存储器)芯片,通常用于存储程序代码、配置数据或其他非易失性信息。32M在这里指的是存储容量,即该芯片可以存储32兆位(Mbit)的数据,换算成字节数就是4MB。这种大容量的存储器在许多嵌入式系统中都有应用,例如汽车电子、工业控制、消费电子设备等。 CH341A编程器的1.3版更新,意味着它可以与更多的芯片型号兼容,特别是针对32M容量的芯片进行了优化,提高了编程效率和稳定性。26系列芯片通常指的是Microchip公司的25系列SPI(串行外围接口)EEPROM产品线,这些芯片广泛应用于各种需要小体积、低功耗和非易失性存储的应用场景。 全功能版的CH341A编程器不仅支持25Q256,还支持其他大容量芯片,这意味着它具有广泛的兼容性,能够满足不同项目的需求。这包括但不限于微控制器、EPROM、EEPROM、闪存、逻辑门电路等多种类型芯片的编程。 使用CH341A编程器进行编程操作时,首先需要将设备通过USB连接到计算机,然后安装相应的驱动程序和编程软件。在本例中,压缩包中的"CH341A_1.30"很可能是编程软件的安装程序。安装后,用户可以通过软件界面选择需要编程的芯片类型,加载待烧录的固件或数据,然后执行编程操作。编程过程中需要注意的是,确保正确设置芯片的电压、时钟频率等参数,以防止损坏芯片。 CH341A编程器1.3版是面向电子爱好者和专业工程师的一款实用工具,其强大的兼容性和易用性使其在众多编程器中脱颖而出。对于需要处理25Q256等32M芯片的项目,或者26系列芯片的编程工作,CH341A编程器是理想的选择。通过持续的软件更新和升级,它保持了与现代电子技术同步,确保用户能方便地对各种芯片进行编程和调试。
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