第12章視頻壓縮技術(shù)

1、第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社應(yīng)用電視技術(shù)應(yīng)用電視技術(shù) 趙堅(jiān)勇趙堅(jiān)勇第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 第第12章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 12.1 視頻壓縮的基本原理視頻壓縮的基本原理 12.2 靜止圖像壓縮靜止圖像壓縮 12.3 活動(dòng)圖像編碼活動(dòng)圖像編碼 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 12.1 視頻壓縮的基本原理視頻壓縮的基本原理 12.1.1 視頻信號(hào)的數(shù)字化和壓縮 模擬電視信號(hào)(包括視頻和音頻)通過(guò)取樣、量化后編碼為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為模數(shù)變換(AD變換)或脈沖編碼調(diào)制PCM(Pulse Codin

2、g Modulation)，所得到的信號(hào)也稱(chēng)為PCM信號(hào)，其過(guò)程可用圖121(a)表示。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 若取樣頻率等于fs、用n比特量化，則PCM信號(hào)的碼率為nfs(bs)。PCM編碼既可以對(duì)彩色全電視信號(hào)直接進(jìn)行，也可以對(duì)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)分別進(jìn)行，前者稱(chēng)為全電視信號(hào)編碼，后者稱(chēng)為分量編碼。 PCM信號(hào)經(jīng)解碼和插入濾波恢復(fù)為模擬信號(hào)，如圖121(b)所示，解碼是編碼的逆過(guò)程，插入濾波是把解碼后的信號(hào)插補(bǔ)為平滑、連續(xù)的模擬信號(hào)。這兩個(gè)步驟合稱(chēng)為數(shù)模變換（DA變換）或PCM解碼。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 圖121 電視信號(hào)的數(shù)字化和復(fù)原 (a

3、)A/D變換；(b)D/A變換(a)取樣量化編碼取樣脈沖PCM信號(hào)模擬電視信號(hào)(b)解碼插入濾波模擬電視信號(hào)PCM信號(hào)第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 1.奈奎斯特取樣定理 理想取樣時(shí)，只要取樣頻率大于或等于模擬信號(hào)中最高頻率的兩倍，就可以不失真地恢復(fù)模擬信號(hào)，這稱(chēng)為奈奎斯特取樣定理。模擬信號(hào)中最高頻率的兩倍稱(chēng)為折疊頻率。 2.亞奈奎斯特取樣 按取樣定理，若取樣頻率fs小于模擬信號(hào)最高頻率fmax的2倍會(huì)產(chǎn)生混疊失真，但若巧妙地選擇取樣頻率，令取樣頻譜中的混疊分量落在色度分量和亮度分量之間，就可用梳狀濾波器去除混疊成分。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 3.均勻量化和非均

4、勻量化 在輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，量化間隔幅度處處都相等的量化稱(chēng)均勻量化或線性量化。對(duì)于量化間距固定的均勻量化，信噪比隨輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)幅度的增加而增加。在強(qiáng)信號(hào)時(shí)固然可把噪波淹沒(méi)掉；在弱信號(hào)時(shí)，噪波的干擾就十分顯著。 為改善弱信號(hào)時(shí)的信噪比，量化間距應(yīng)隨輸入信號(hào)幅度而變化，大信號(hào)時(shí)進(jìn)行粗量化，小信號(hào)時(shí)進(jìn)行細(xì)量化，也就是采用非均勻量化(或稱(chēng)非線性量化)。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 非均勻量化有兩種方法。一是把非線性處理放在編碼器前和解碼器后的模擬部分，編解碼仍采用均勻量化，在均勻量化編碼器之前，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行壓縮，這樣等效于對(duì)大信號(hào)進(jìn)行粗量化，小信號(hào)進(jìn)行細(xì)量化。在均勻量化解碼器之

5、后，再進(jìn)行擴(kuò)張，以恢復(fù)原信號(hào)。另一種方法是直接采用非均勻量化器，輸入信號(hào)大時(shí)進(jìn)行粗量化(量化間距大)，輸入信號(hào)小時(shí)細(xì)量化(量化間距小)。也有采用若干個(gè)量化間距不等的均勻量化器，當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)某一電平時(shí)進(jìn)入粗間距均勻量化器，低于某一電平時(shí)進(jìn)入細(xì)間距量化器，稱(chēng)為準(zhǔn)瞬時(shí)壓擴(kuò)方式。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 通常用Q表示量化，用IQ或Q-1表示反量化。量化過(guò)程相當(dāng)于由輸入值找到它所在的區(qū)間號(hào)，反量化過(guò)程相當(dāng)于由量化區(qū)間號(hào)得到對(duì)應(yīng)的量化電平值。量化區(qū)間總數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于原量值的總數(shù)，所以量化能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。很明顯，反量化后并不能保證得到原來(lái)的值，因此量化過(guò)程是一個(gè)不可逆過(guò)程，用量化的方法來(lái)進(jìn)

6、行壓縮編碼是一種非信息保持型編碼。通常這兩個(gè)過(guò)程均可用查表方法實(shí)現(xiàn)，量化過(guò)程在編碼端完成，而反量化過(guò)程則在解碼端完成。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 12.1.2 ITURBT.601分量數(shù)字系統(tǒng) 數(shù)字視頻信號(hào)是將模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)取樣、量化和編碼形成的，模擬電視有PAL、NTSC等制式，必然會(huì)形成不同制式的數(shù)字視頻信號(hào)，不便于國(guó)際數(shù)字視頻信號(hào)的互通。1982年10月，國(guó)際無(wú)線電咨詢(xún)委員會(huì)CCIR(Consultative Committee for International Radio)通過(guò)了第一個(gè)關(guān)于演播室彩色電視信號(hào)數(shù)字編碼的建議，1993年變更為國(guó)際電聯(lián)無(wú)線電通信部門(mén)IT

7、UR(International Telecommunications UnionRadio communications Sector)BT601分量數(shù)字系統(tǒng)建議。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) BT.601建議采用了對(duì)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)分別編碼的分量編碼方式，對(duì)不同制式的信號(hào)采用相同的取樣頻率13.5MHz，與任何制式的彩色副載波頻率無(wú)關(guān)。對(duì)亮度信號(hào)Y的取樣頻率為13.5MHz。由于色度信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)比亮度信號(hào)的帶寬窄，對(duì)色度信號(hào)U和V的取樣頻率為6.75MHz。每個(gè)數(shù)字有效行分別有720個(gè)亮度取樣點(diǎn)和3602個(gè)色差信號(hào)取樣點(diǎn)。對(duì)每個(gè)分量的取樣點(diǎn)都是均勻量化，對(duì)每個(gè)取樣進(jìn)行

8、8比特精度的PCM編碼。這幾個(gè)參數(shù)對(duì)525行、60場(chǎng)秒和625行50場(chǎng)秒的制式都是相同的。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 有效取樣點(diǎn)是指只有掃描正程的樣點(diǎn)有效，逆程的樣點(diǎn)不在PCM編碼的范圍內(nèi)。因?yàn)樵跀?shù)字化的視頻信號(hào)中，不再需要行、場(chǎng)同步信號(hào)和消隱信號(hào)，只要有行、場(chǎng)(幀)的起始位置即可。例如，對(duì)于PAL制，傳輸所有的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，大約需要200Mbs的傳輸速率，傳輸有效樣點(diǎn)只需要160Mbs左右的速率。 色度信號(hào)的取樣率是亮度信號(hào)的取樣率的一半，常稱(chēng)作4 2 2格式，可以理解為每一行里的Y、U、V的樣點(diǎn)數(shù)之比為4 2 2。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 12.1.3 熵

9、編碼 熵編碼(Entropy Coding)是一類(lèi)無(wú)損編碼，因編碼后的平均碼長(zhǎng)接近信源的熵而得名。熵編碼多用可變字長(zhǎng)編碼(VLC，Variable Length Coding)實(shí)現(xiàn)。其基本原理是對(duì)信源中出現(xiàn)概率大的符號(hào)賦以短碼，對(duì)出現(xiàn)概率小的符號(hào)賦以長(zhǎng)碼，從而在統(tǒng)計(jì)上獲得較短的平均碼長(zhǎng)。所編的碼應(yīng)是即時(shí)可譯碼，某一個(gè)碼不會(huì)是另一個(gè)碼的前綴，各個(gè)碼之間無(wú)需附加信息便可自然分開(kāi)。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 1.Huffman編碼 霍夫曼（Huffman）編碼是一種可變長(zhǎng)編碼,編碼方法如圖122所示。其編碼過(guò)程如下： (1)將輸入信號(hào)符號(hào)以出現(xiàn)概率由大至小為序排成一列。 (2)將兩

10、處最小概率的符號(hào)相加合成為一個(gè)新概率，再按出現(xiàn)概率大小排序。 (3)重復(fù)步驟(2)，直至最終只剩兩個(gè)概率。 (4)編碼從最后一步出發(fā)逐步向前進(jìn)行，概率大的符號(hào)賦予“0”碼，另一個(gè)概率賦予“1”碼，直至到達(dá)最初的概率排列為止。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 圖122 Huffman編碼 輸入電平L1L2L3L4L5L6概率0.40.30.10.10.060.040.40.30.10.10.1“ 0 ”“1 ”“ 0 ”“1 ”0.40.30.20.1“ 0 ”“1 ”0.40.30.3“ 0 ”“1 ”0.60.4“ 0 ”“ 1”編碼10001101000101001011第第1

11、212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 2.算術(shù)編碼 Huffman編碼的每個(gè)代碼都要使用一個(gè)整數(shù)位，如果一個(gè)符號(hào)只需要用2.5位就能表示，但在Huffman編碼中卻必須用3個(gè)符號(hào)表示，因此它的編碼效率就較低。與其相比，算術(shù)編碼并不是為每個(gè)符號(hào)產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的代碼，而是使整條信息共用一個(gè)代碼，增加到信息上的每個(gè)新符號(hào)都遞增地修改輸出代碼。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 假設(shè)信源由4個(gè)符號(hào)s1、s2、s3和s4組成，其概率模型如表121所示。把各符號(hào)出現(xiàn)的概率表示在如圖123所示的單位概率區(qū)間之中，區(qū)間的寬度代表概率值的大小，各符號(hào)所對(duì)應(yīng)的子區(qū)間的邊界值，實(shí)際上是從左到右各符號(hào)的累積概

12、率。在算術(shù)編碼中，通常采用二進(jìn)制的小數(shù)來(lái)表示概率，每個(gè)符號(hào)所對(duì)應(yīng)的概率區(qū)間都是半開(kāi)區(qū)間，如s1對(duì)應(yīng)0，0.001)，s2對(duì)應(yīng)0.001，0.011)。算術(shù)編碼所產(chǎn)生的碼字實(shí)際上是一個(gè)二進(jìn)制小數(shù)值的指針，該指針指向所編的符號(hào)對(duì)應(yīng)的概率區(qū)間。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 表121 信源概率模型和算術(shù)編碼過(guò)程 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 圖123 算術(shù)編碼過(guò)程示意圖 s1s2s3s4s1s2s3s401/83/87/810.0010.0110.1110.01110.10010.1101s1s2s4s3第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 若將符號(hào)序列s3s3s2

13、s4進(jìn)行算術(shù)編碼，序列的第一個(gè)符號(hào)為s3，我們用指向圖123中第3個(gè)子區(qū)間的指針來(lái)代表這個(gè)符號(hào)。由此得到碼字0.011。后續(xù)的編碼將在前面編碼指向的子區(qū)間內(nèi)進(jìn)行。將0.011，0.111)區(qū)間再按符號(hào)的概率值劃分成4份，對(duì)第二個(gè)符號(hào)s3，指針指向0.1001,碼字串變?yōu)?.1001。然后s3所對(duì)應(yīng)的子區(qū)間又被劃分為4份，開(kāi)始對(duì)第3個(gè)符號(hào)進(jìn)行編碼 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 算術(shù)編碼的基本法則如下： (1)初始狀態(tài)：編碼點(diǎn)(指針?biāo)柑?C0=0，區(qū)間寬度A0=1。 (2)新編碼點(diǎn)： Ci=Ci-1+Ai-1Pi式中：Ci-1是原編碼點(diǎn)；Ai-1是原區(qū)間寬度；Pi為所編符號(hào)對(duì)應(yīng)的累

14、積概率。 新區(qū)間寬度 Ai=Ai-1pi式中，pi為所編符號(hào)對(duì)應(yīng)的概率。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 根據(jù)上述法則，對(duì)序列s3s3s2s4進(jìn)行算術(shù)編碼的過(guò)程如下： 第一個(gè)符號(hào)s3： C1=C0+A0P1=0+10.011=0.011 A1=A0p1=10.1=0.1 0.011,0.111) 第二個(gè)符號(hào)s3：C2=C1+A1P2=0.011+0.10.011=0.1001 A2=A1p2=0.10.1=0.01 0.1001,0.1101) 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 第三個(gè)符號(hào)s2：C3=C2+A2P3=0.1001+0.010.001 =0.10011 A3

15、=A2p3=0.010.01=0.0001 0.10011,0.10101) 第四個(gè)符號(hào)s4： C4=C3+A3P4=0.10011+0.00010.111 =0.1010011 A4=A3p4=0.00010.001=0.0000001 0.1010011,0.10101) 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 3.游程編碼 游程編碼RLC(Run Length Coding)是一種十分簡(jiǎn)單的壓縮方法，它將數(shù)據(jù)流中連續(xù)出現(xiàn)的字符用單一的記號(hào)來(lái)表示。例如，字符串 5310000000000110000000012000000000000 可以壓縮為5310101100812012，其中，

16、“”后面2個(gè)數(shù)字是“”前面數(shù)字的連續(xù)個(gè)數(shù)。游程編碼的壓縮率不高，但編碼、解碼的速度快，仍然得到廣泛的應(yīng)用，特別是在變換編碼后再進(jìn)行游程編碼，有很好的效果。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 12.1.4 預(yù)測(cè)編碼和變換編碼 1.DPCM原理 基于圖像的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的基本方法就是預(yù)測(cè)編碼。它是利用圖像信號(hào)的空間或時(shí)間相關(guān)性，用已傳輸?shù)南袼貙?duì)當(dāng)前的像素進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后對(duì)預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的差預(yù)測(cè)誤差，進(jìn)行編碼處理和傳輸。目前用得較多的是線性預(yù)測(cè)方法，全稱(chēng)為差值脈沖編碼調(diào)制DPCM(Differential Pulse Code Modulation)。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視

17、頻壓縮技術(shù) 利用幀內(nèi)相關(guān)性(像素間、行間的相關(guān))的DPCM稱(chēng)幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼。如果對(duì)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)分別進(jìn)行DPCM編碼，對(duì)亮度信號(hào)采用較高的取樣率和較多位數(shù)編碼，對(duì)色差信號(hào)用較低的取樣率和較少位數(shù)編碼，構(gòu)成時(shí)分復(fù)合信號(hào)后再進(jìn)行DPCM編碼，這樣做可使總碼率更低。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 圖124 DPCM原理 (a)DPCM編碼器；(b)DPCM解碼器量化器e(m,n )f(m,n )反量化器預(yù)測(cè)器g(m,n )E(m,n )E(m,n )反量化器預(yù)測(cè)器g(m,n )f (m,n )(a)(b)第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 利用幀間相關(guān)性(鄰近幀的時(shí)間相關(guān)

18、性)的DPCM被稱(chēng)為幀間預(yù)測(cè)編碼，因幀間相關(guān)性大于幀內(nèi)相關(guān)性，其編碼效率更高；若把這兩種DPCM組合起來(lái)，再配上變字長(zhǎng)編碼技術(shù)，能取得較好的壓縮效果。DPCM是圖像編碼技術(shù)中研究得最早、且應(yīng)用最廣的一種方法，它的一個(gè)重要的特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，易于硬件實(shí)現(xiàn)。圖124（a）是它的示意圖，編碼單元主要包括線性預(yù)測(cè)器和量化器兩部分。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 編碼器的輸出不是圖像像素的樣值f(m，n)，而是該樣值與預(yù)測(cè)值g(m，n)之間的差值，即預(yù)測(cè)誤差e(m，n)的量化值E(m，n)。根據(jù)圖像信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性的分析，給出一組恰當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)系數(shù)，使預(yù)測(cè)誤差主要分布在“0”附近，經(jīng)非均勻量化，采用

19、較少的量化分層，圖像數(shù)據(jù)得到了壓縮。而量化噪聲又不易被人眼所覺(jué)察，圖像的主觀質(zhì)量并不明顯下降。圖124（b）是DPCM解碼器，其原理與編碼器剛好相反。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) DPCM編碼性能主要取決于預(yù)測(cè)器的設(shè)計(jì)。預(yù)測(cè)器設(shè)計(jì)要確定預(yù)測(cè)器的階數(shù)N以及各預(yù)測(cè)系數(shù)。圖124是一個(gè)四階預(yù)測(cè)器的示意圖。圖125(a)表示預(yù)測(cè)器所用的輸入像素和被預(yù)測(cè)像素之間的位置關(guān)系，圖125(b)表示預(yù)測(cè)器的結(jié)構(gòu)。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 圖125 四階預(yù)測(cè)器 (a)輸入像素和預(yù)測(cè)像素；(b)預(yù)測(cè)器構(gòu)成X1X2X3X4X0預(yù)測(cè)值X1X0X2X3X4(a)(b)Xa1Xa2Xa3

20、Xa4第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 2. 變換編碼原理 圖像變換編碼是將空間域里描述的圖像，經(jīng)過(guò)某種變換(如傅里葉變換、離散余弦變換和沃爾什變換等)在變換域中進(jìn)行描述，將圖像能量在空間域的分散分布變?yōu)樵谧儞Q域的相對(duì)集中分布，便于用“Z”(Zig Zag)字形掃描、自適應(yīng)量化、變長(zhǎng)編碼等進(jìn)一步處理，完成對(duì)圖像信息的有效壓縮。 先從一個(gè)實(shí)例來(lái)看，一個(gè)域的數(shù)據(jù)變換到另一個(gè)域后，其分布是如何改變的。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 以12像素構(gòu)成的子圖像，即相鄰兩個(gè)像素組成的子圖像為例，每個(gè)像素3比特編碼，取07共8個(gè)灰度級(jí)，兩個(gè)像素有64種可能的灰度組合，由圖126（a）中

21、的64個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)表示。一般圖像相鄰像素之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，絕大多數(shù)的子圖像中相鄰兩像素灰度級(jí)相等或很接近，也就是說(shuō)在x1=x2直線附近出現(xiàn)的概率大，如圖126（a）中的陰影區(qū)所示。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 現(xiàn)在將坐標(biāo)系逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45，如圖126(b)所示。在新的坐標(biāo)系y1、y2中，概率大的子圖像區(qū)位于y1軸附近。表明變量y1、y2之間的聯(lián)系比變量x1、x2之間的聯(lián)系在統(tǒng)計(jì)上更加獨(dú)立，方差也重新分布。在原來(lái)坐標(biāo)系中子圖像的兩個(gè)像素具有較大的相關(guān)性，能量的分布比較分散，兩者具有大致相同的方差，而在變換后的坐標(biāo)系中，子圖像的兩個(gè)像素之間的相關(guān)性大大減弱，能量分布向y1軸集中，y1

22、的方差也遠(yuǎn)大于y2。這種變換后坐標(biāo)軸上方差不均勻分布正是正交變換編碼能夠?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)壓縮的理論根據(jù)。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 若按照人的視覺(jué)特性，只保留方差較大的那些變換系數(shù)分量，就可以獲得更大的數(shù)據(jù)壓縮比，這就是視覺(jué)心理編碼的方法。 把一個(gè)nn像素的子圖像看成為n2維坐標(biāo)系中的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，在n2維坐標(biāo)系中每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于n2個(gè)像素。這個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)各維的數(shù)值是其對(duì)應(yīng)的n2個(gè)像素的灰度組合。圖像在n2維變換域中，相關(guān)性大大下降。因此，用變換后的系數(shù)進(jìn)行編碼，比直接用圖像數(shù)據(jù)編碼可獲得更大的數(shù)據(jù)壓縮。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 圖126 正交變換的物理意義 (a

23、)子圖像在陰影區(qū)的概率較大；(b)旋轉(zhuǎn)變換后765432101 2 3 4 5 6 7x2x1765432101 2 3 4 5 6 7x2x1y2y1(a)(b)第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 正交變換將被處理數(shù)據(jù)按照某種變換規(guī)則映射到另一個(gè)域中去處理，圖像編碼采用二維正交變換的方式。若將整個(gè)圖像作為一個(gè)二維矩陣，正交變換的計(jì)算量太大。所以將一幅圖像分成一個(gè)個(gè)小圖像塊，通常是88或1616小方塊，每個(gè)圖像塊可以看成為一個(gè)二維數(shù)據(jù)矩陣。正交變換以這些小圖像塊為單位進(jìn)行，變換編碼把統(tǒng)計(jì)上密切相關(guān)的像素構(gòu)成的矩陣通過(guò)線性正交變換，變成統(tǒng)計(jì)上較為相互獨(dú)立、甚至完全獨(dú)立的變換系數(shù)所構(gòu)成的矩

24、陣。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 信息論的研究表明，變換前后圖像的信息量并無(wú)損失，可以通過(guò)反變換得到原來(lái)的圖像值。統(tǒng)計(jì)分析表明，正交變換后，數(shù)據(jù)的分布向新坐標(biāo)系中的少數(shù)坐標(biāo)集中，集中于少數(shù)的直流或低頻分量的坐標(biāo)點(diǎn)。正交變換并不壓縮數(shù)據(jù)量，但它去除了大部分相關(guān)性，數(shù)據(jù)分布相對(duì)集中，可以依據(jù)人的視覺(jué)特性，對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行量化，允許引入一定量的誤差，只要它們?cè)谥亟▓D像中造成的圖像失真不明顯，或者能達(dá)到所要求的觀賞質(zhì)量就行。量化可以增加許多不用編碼的0系數(shù)，然后再對(duì)量化后的系數(shù)施行變長(zhǎng)編碼。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 3.離散余弦變換(DCT) 在常用的正交變換中，離散

25、余弦變換DCT(Discrete Cosine Transform)的性能接近最佳，是一種準(zhǔn)最佳變換。DCT變換矩陣與圖像內(nèi)容無(wú)關(guān)，由于它構(gòu)造成對(duì)稱(chēng)的數(shù)據(jù)序列，避免了子圖像輪廓處的跳躍和不連續(xù)現(xiàn)象。DCT變換也有快速算法(FDCT)，在圖像編碼的應(yīng)用中，大都采用二維DCT變換。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 對(duì)于一般圖像，在二維DCT的變換域中，幅值較大的系數(shù)集中在低頻域，圖127是一幅圖像上的兩個(gè)88像素矩陣及其二維DCT系數(shù)矩陣。圖127(a)是背景區(qū)域的一小塊圖像，它的系數(shù)矩陣左上角的50為DCT系數(shù)的直流分量，它標(biāo)志著該像素塊的亮度平均值，其余系數(shù)皆為零，說(shuō)明在變換域中系

26、數(shù)的分布是相當(dāng)集中的。圖127(b)為細(xì)節(jié)較多的區(qū)域里的一小塊圖像，其系數(shù)的分布集中的程度要差一些。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 圖127 圖像塊的DCT變換 (a)背景部分圖像塊的DCT；(b)細(xì)節(jié)部分圖像塊的DCT像素值117120109777364546013912310274756064871091009385706897103971171177874941037916414988879991746814794901028472821029592116119114122137150111112140150157163161157像素值525151515151515150

27、5151515051525150505050515252525050514950525151505150504950495050515150494950505050515048505150505050495050504950DCT變換系數(shù)(a)DCT變換系數(shù)1027156 64 2 1 111 582 500604 32 31000 222 3010000 1 20000103000 3 100 310021000 110000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000(b)第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù)

28、 圖128 Z字形掃描 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 對(duì)自然景物圖像的統(tǒng)計(jì)表明，DCT系數(shù)矩陣的能量集中在反映水平和垂直低頻分量的左上角。量化以后，DCT系數(shù)矩陣變得稀疏，位于矩陣右下角的高頻分量系數(shù)大部分被量化為零。游程編碼的思想是，用適當(dāng)?shù)膾呙璺绞綄⒁蚜炕亩SDCT系數(shù)矩陣變換為一維序列，所用的掃描方式應(yīng)使序列中連零的數(shù)目盡量多，或者說(shuō)使連零的游程盡量長(zhǎng)，對(duì)游程的長(zhǎng)度進(jìn)行游程編碼RLC(Run Length Coding)以替代逐個(gè)地傳送這些零值，就能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。常用的Z(Zig Zag)字形掃描如圖128所示。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 游程編碼

29、的方法是將掃描得到的一維序列轉(zhuǎn)化為一個(gè)由二元數(shù)組(run，1evel)組成的數(shù)組序列。其中,run表示連零的長(zhǎng)度，level表示這串連零之后出現(xiàn)的一個(gè)非零值。當(dāng)剩下的所有系數(shù)都為零時(shí)，用一個(gè)符號(hào)EOB(End of Block)來(lái)代表。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 4.混合編碼 混合編碼是近年來(lái)廣泛采用的方法，這種方法充分利用各種單一壓縮方法的長(zhǎng)處，以期在壓縮比和效率之間取得最佳的平衡。如廣泛流行的JPEG和MPEG壓縮方法都是典型的混合編碼方案。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 12.2 靜止圖像壓縮靜止圖像壓縮 靜止圖像是指內(nèi)容不變的圖像。它可能是不活動(dòng)場(chǎng)景圖像

30、或活動(dòng)場(chǎng)景圖像某一瞬時(shí)的“凍結(jié)”圖像。靜止圖像編碼是指對(duì)單幅圖像的編碼。 靜止圖像用于傳送文件、模型、圖片和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)況監(jiān)視圖像。實(shí)況監(jiān)視每隔一定時(shí)間間隔更換一幅新的圖像，可以不連續(xù)地看到現(xiàn)場(chǎng)的情況，是一種準(zhǔn)實(shí)時(shí)的監(jiān)視。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 靜止圖像編碼有以下要求： (1)清晰度：靜止圖像中的細(xì)節(jié)容易被觀察到，要求有更高的清晰度。 (2)逐漸浮現(xiàn)的顯示方式：在窄帶傳輸時(shí)為了減少等待時(shí)間，要求編碼能提供逐漸浮現(xiàn)的顯示方式，即先傳模糊的整幅圖像，再逐漸變清晰。 (3)抗干擾：一幅圖像的傳輸時(shí)間較長(zhǎng)，各種干擾噪聲顯示時(shí)間較長(zhǎng)，影響觀看，要求編碼與調(diào)制方式都有較強(qiáng)的抗干擾能力。

31、第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 圖129是靜止圖像編碼傳輸系統(tǒng)示意圖。攝像機(jī)攝取的全電視信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡捕獲一幀圖像并數(shù)字化后，送至幀存儲(chǔ)器；也可用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)直接得到數(shù)字圖像。編碼器對(duì)幀存儲(chǔ)器中存放的數(shù)字圖像進(jìn)行壓縮編碼，因時(shí)間充裕可采用較復(fù)雜的算法提高壓縮比，保持較高的清晰度。經(jīng)調(diào)制后送到信道中傳輸。接收的過(guò)程則相反，信號(hào)經(jīng)解調(diào)、解碼后送幀存儲(chǔ)器，然后以一定的方式讀出，經(jīng)DA變換后在顯示屏上顯示，或被拷貝下來(lái)。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 圖129 靜止圖像數(shù)字傳輸系統(tǒng) 攝像A/D幀存儲(chǔ)器編碼調(diào)制解調(diào)解碼幀存儲(chǔ)器D/A顯示信道第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓

32、縮技術(shù) 12.2.1 JPEG標(biāo)準(zhǔn) JPEG是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO（International Organization for Standardization)國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)IEC和ITUT共同組成的聯(lián)合圖像專(zhuān)家小組(Joint Photographic Experts Group)的縮寫(xiě)。1991年3月JPEG建議（ISOIEC10918號(hào)標(biāo)準(zhǔn)）“多灰度靜止圖像的數(shù)字壓縮編碼(通常簡(jiǎn)稱(chēng)為JPEG標(biāo)準(zhǔn))”正式通過(guò)。這是一個(gè)適用于彩色和單色多灰度或連續(xù)色調(diào)靜止數(shù)字圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，包括無(wú)損壓縮和基于離散余弦變換和霍夫曼編碼的有損壓縮兩個(gè)部分。 JPEG基本算法操作可分成六個(gè)步驟，如圖1210

33、所示。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 圖1210 JPEG算法步驟 彩色坐標(biāo)轉(zhuǎn)換DCT量化DPCM游程編碼RGBYUV熵編碼第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 1.彩色坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 彩色坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是要去除數(shù)據(jù)冗余量，不屬于JPEG算法，JPEG是與彩色坐標(biāo)無(wú)關(guān)的。壓縮可采用不同坐標(biāo)(如RGB、YUV、YIQ等)的圖像數(shù)據(jù)。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 2.離散余弦變換 JPEG采用88子塊的二維離散余弦變換算法。在編碼器的輸入端，把原始圖像(U、V的像素是Y的一半)順序地分割成一系列88的子塊。在88圖像塊中，像素值變化緩慢，具有較低的空間頻率。進(jìn)行二維88離散

34、余弦變換可以將圖像塊的能量集中在極少數(shù)系數(shù)上，DCT的(0，0)元素是塊的平均值，其他元素表明在每個(gè)空間頻率下的譜能為多少。一般地，離原點(diǎn)(0，0)越遠(yuǎn)，元素衰減得越快。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 3. 量化 為了達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的，對(duì)DCT系數(shù)需作量化處理。量化的作用是在保持一定質(zhì)量的前提下，丟棄圖像中對(duì)視覺(jué)效果影響不大的信息。量化是多對(duì)一映射，是造成DCT編碼信息損失的根源。JPEG標(biāo)準(zhǔn)中采用線性均勻量化器，量化過(guò)程為對(duì)64個(gè)DCT系數(shù)除以量化步長(zhǎng)并四舍五入取整，量化步長(zhǎng)由量化表決定。第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 量化表元素因DCT系數(shù)位置和彩色分量的不同而

35、取不同值。量化表為88矩陣，與DCT變換系數(shù)一一對(duì)應(yīng)。量化表一般由用戶(hù)規(guī)定(JPGE標(biāo)準(zhǔn)中給出了參考值)，可根據(jù)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)和壓縮圖像類(lèi)型的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，并作為編碼器的一個(gè)輸入。量化表中元素為1255之間的任意整數(shù)，其值規(guī)定了它所對(duì)應(yīng)DCT系數(shù)的量化步長(zhǎng)。DCT變換系數(shù)除以量化表中對(duì)應(yīng)位置的量化步長(zhǎng)并舍去小數(shù)部分后，多數(shù)變?yōu)榱?，從而達(dá)到了壓縮的目的。表122和表123分別給出了JPEG標(biāo)準(zhǔn)所推薦的亮度量化表和色度量化表。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 表122 JPEG亮度量化步長(zhǎng) 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 表123 JPEG色度量化步長(zhǎng) 第第1212章章 視頻

36、壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 4.差分編碼 64個(gè)變換數(shù)經(jīng)量化后，DCT的(0，0)元素是直流分量(DC系數(shù))，即空間域中64個(gè)圖像采樣值的均值，相鄰88子塊之間的DC系數(shù)一般有很強(qiáng)的相關(guān)性，變化應(yīng)該較緩慢。JPEG標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DC系數(shù)采用DPCM編碼(差分編碼)方法，即對(duì)相鄰像素塊之間的DC系數(shù)的差值進(jìn)行編碼能將它們中的大多數(shù)數(shù)值減小。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 5. 游程編碼 其余63個(gè)交流分量(AC系數(shù))采用游程編碼。如果從左到右、從上到下地掃描塊，零元素不集中，因此采用從左上角開(kāi)始沿對(duì)角線方向Z字形掃描。量化后的AC系數(shù)通常會(huì)有許多零值。 6.熵編碼 為了進(jìn)一步壓縮數(shù)據(jù)，對(duì)DC碼和

37、AC游程編碼的碼字再作具有統(tǒng)計(jì)特性的熵編碼。JPEG標(biāo)準(zhǔn)建議采用霍夫曼編碼和自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 12.2.2 JPEG2000標(biāo)準(zhǔn) JPEG2000是JPEG工作組制定的最新的靜止圖像壓縮編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為ISOIEC15444(ITUTT.800)，于2000年年底陸續(xù)公布。 JPEG2000主要由六個(gè)部分組成： 第一部分為編碼的核心部分，提供優(yōu)秀的壓縮性能和壓縮靈活性，提供隨機(jī)訪問(wèn)碼流的機(jī)制。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 第二部分為編碼擴(kuò)展。 第三部分為MotionJPEG2000(MJP2)。 第四部分為一致性測(cè)試（測(cè)

38、試用不同方法實(shí)現(xiàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的一致性）。 第五部分為參考軟件。 第六部分為復(fù)合圖像文件格式。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 1. JPEG2000采用了小波變換(DWT) JPEG基本算法中的基于子塊的DCT變換被離散小波變換DWT(Discrete Wavelet Transform)所取代。DWT自身具有多分辨率圖像表示性能，它可以在大范圍去除圖像的相關(guān)性，將圖像能量分布更好地集中，使壓縮效率得到提高。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 一個(gè)圖像可以被分成若干大小相等的片(tile)，片的具體尺寸可以由用戶(hù)根據(jù)應(yīng)用需要來(lái)決定，片包括所有的圖像分量。假設(shè)圖像有3個(gè)分量(YU

39、V)且圖像被分成4個(gè)片，實(shí)際上指的是對(duì)應(yīng)的4個(gè)Y片，4個(gè)U片和4個(gè)V片，即每個(gè)片由3個(gè)分量片組成。各個(gè)分量片獨(dú)立編解碼，所以可以從碼流中單獨(dú)提取某個(gè)或某些片，解碼后重建圖像。這種片劃分和片獨(dú)立編碼的機(jī)制有利于從碼流中提取和解碼某個(gè)圖像區(qū)域。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 對(duì)分量片做不同級(jí)別的小波分解(小波變換)，小波變換的作用是對(duì)圖像進(jìn)行多分辨率分解，即把原始圖像分解成不同空間、不同頻率的子圖像。這些子圖像實(shí)際上是由小波變換后產(chǎn)生的系數(shù)構(gòu)成，即系數(shù)圖像。對(duì)一個(gè)原始圖像或分量片進(jìn)行3級(jí)小波分解的例子如圖12-11所示,每一級(jí)分解都把圖像分解成4個(gè)不同空間、不同頻帶的子圖像(也稱(chēng)子帶

40、圖像或子帶分量)。這4個(gè)子帶分量是：低頻分量LL(包含圖像的低頻信息，即圖像的主要特征，低頻分量可再次分解)；水平分量LH(包含較多的水平邊緣信息)，垂直分量HL(包含較多的垂直邊緣信息)和對(duì)角分量HH(包含水平和垂直邊緣信息)。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 從圖1211可以看出，分解級(jí)數(shù)越多，圖像分辨率等級(jí)越多，每一級(jí)分解圖像的分辨率降為前一級(jí)的一半。在解碼端，如果只想得到低于原始圖像分辨率的圖像，就只需對(duì)部分子帶圖像(子帶分量)進(jìn)行解碼。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 小波變換本身并不具有數(shù)據(jù)壓縮能力，變換前，原始圖像的數(shù)據(jù)量(像素值的個(gè)數(shù))與變換后各系數(shù)的數(shù)

41、據(jù)量（系數(shù)個(gè)數(shù)）相等，變換的意義在于使圖像的能量分布（頻域內(nèi)的系數(shù)分布）發(fā)生了改變，圖像的主要能量集中在低頻區(qū)(LL區(qū))，而水平、垂直、對(duì)角線部分的高頻能量較少。通過(guò)量化，把大量幅值較小系數(shù)抑制為零，從而壓縮數(shù)據(jù)量。要進(jìn)一步大幅度壓縮數(shù)據(jù)量，還需進(jìn)行合適的編碼處理(如算術(shù)編碼)，用更少的比特表示那些量化后不為零的小波系數(shù)。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 圖1211 DWT對(duì)靜止圖像進(jìn)行三級(jí)分解 (a)一級(jí)分解示意圖；(b)二級(jí)分解示意圖；(c)三級(jí)分解示意圖LLHLLHHHLLHLLHHHHLLHHHLLHLLHHHHLLHHHHLLHHH(a)(b)(c)第第1212章章 視頻

42、壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 2. JPEG2000同時(shí)支持有損和無(wú)損壓縮 小波變換可以使用可逆的LeGall(5，3)濾波器，也可以使用不可逆的Daubechies(9，7)雙正交濾波器?？赡鏋V波器支持無(wú)損編碼；不可逆濾波器不支持無(wú)損編碼，但能達(dá)到更高的壓縮比。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 3. JPEG2000支持ROI處理 在處理圖像時(shí)，往往對(duì)部分感興趣區(qū)域ROI(Region of Interest)有較高的質(zhì)量要求，希望是無(wú)損壓縮。為了得到較高的壓縮效率，把圖像的其他部分看成是背景，進(jìn)行壓縮比較高的有損壓縮。在傳輸圖像碼流時(shí)，ROI區(qū)域可先于圖像的其他部分被傳輸，如果壓縮碼流

43、被截取，則在一定程度上可保證ROI的質(zhì)量。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) JPEG2000系統(tǒng)為ROI區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)ROI模板，用來(lái)標(biāo)志ROI區(qū)域。選擇適當(dāng)?shù)谋壤蜃觭，將位于ROI模板區(qū)域之外的背景量化系數(shù)的幅值除以2 s，得到的數(shù)值小于ROI模板中最小的量化系數(shù)幅值。這樣處理后，位于ROI模板內(nèi)的量化系數(shù)所處的位平面高于背景系數(shù)所處的位平面，在進(jìn)行位平面算術(shù)編碼的時(shí)候，先對(duì)ROI域中的量化系數(shù)編碼，然后再對(duì)背景系數(shù)編碼。因?yàn)镽OI區(qū)域的位平面高于背景區(qū)域，ROI區(qū)域的壓縮碼流位于整個(gè)碼流的前端，當(dāng)碼流被截?cái)鄷r(shí)ROI區(qū)域中的數(shù)據(jù)在一定程度上受到保護(hù)，保證了ROI的重構(gòu)質(zhì)量。 第第

44、1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 4.可隨機(jī)獲取部分壓縮碼流 JPEG2000系統(tǒng)將碼流分層組織，每一層含有一定的質(zhì)量信息，在前面層的基礎(chǔ)上改善圖像質(zhì)量。在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行圖像瀏覽時(shí)，可先傳送第一層，給用戶(hù)一個(gè)較粗的圖像，然后再傳送第二層，圖像質(zhì)量在第一層的基礎(chǔ)上得到改善，這樣一層一層地傳輸下去，可得到不同質(zhì)量的重構(gòu)圖像。如果傳輸了所有的層，則可獲得完整的圖像壓縮碼流。JPEG2000由于采用了這種思想，使得壓縮生成的碼流同時(shí)具有質(zhì)量可分級(jí)性和分辨率可分級(jí)性。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 5.隨機(jī)存取圖像某個(gè)區(qū)域 有時(shí)只需得到巨幅圖像的部分區(qū)域，JPEC2000標(biāo)準(zhǔn)利用小波變換

45、的局部特性，可識(shí)別部分圖像區(qū)域在子帶上的映射。每個(gè)碼塊是獨(dú)立進(jìn)行編碼的，通過(guò)選取含有此部分圖像區(qū)域信息的碼塊壓縮位流，進(jìn)行解碼，可以重構(gòu)出所要的目標(biāo)區(qū)域。ROI技術(shù)在很大程度上為實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取碼流提供了一種渠道。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 6.抗誤碼性能 在JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中，采取了一些措施來(lái)提高圖像壓縮碼流的抗誤碼性能，將量化后的子帶系數(shù)分成若干個(gè)小的編碼單元碼塊，對(duì)每個(gè)碼塊進(jìn)行獨(dú)立編解碼。這樣，當(dāng)一個(gè)碼塊的位流發(fā)生比特錯(cuò)誤時(shí)，只會(huì)把錯(cuò)誤引起的影響限制在本碼塊中。壓縮碼流數(shù)據(jù)采用了稱(chēng)為包(packet)的結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)包的數(shù)據(jù)前面含有再同步信息，允許發(fā)生錯(cuò)誤后重新恢復(fù)同步

46、。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 7.視覺(jué)頻率加權(quán) 在JPEG2000中，可選擇使用對(duì)不同空間頻率有不同敏感度的視覺(jué)系統(tǒng)模型。這一模型用對(duì)比度敏感函數(shù)CSF（Contrast Sensitivity Function）來(lái)衡量。因?yàn)镃SF函數(shù)是由變換系數(shù)的視覺(jué)頻率來(lái)決定的，所以可給小波變換后的每個(gè)子帶分配一個(gè)CSF權(quán)值。CSF權(quán)值的確定依據(jù)觀察重構(gòu)圖像的視覺(jué)條件而定，有兩種選取辦法：固定的視覺(jué)加權(quán)編碼和視覺(jué)累進(jìn)加權(quán)編碼。固定的視覺(jué)加權(quán)僅由視覺(jué)條件決定。對(duì)分層組織碼流，因?yàn)槲涣骺杀唤財(cái)啵诓煌慕財(cái)嗵?，有不同的質(zhì)量，因而進(jìn)行觀察的視覺(jué)條件是不同的。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻

47、壓縮技術(shù) 比如，對(duì)于低比特率的情況，缺少細(xì)節(jié)，壓縮圖像質(zhì)量差，適合進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀察；隨著比特?cái)?shù)的增加，細(xì)節(jié)越來(lái)越多，壓縮圖像質(zhì)量逐漸變好，適合近距離觀測(cè)。因此，CSF權(quán)值在不同的截?cái)嗵帒?yīng)有不同的值，這便是視覺(jué)累進(jìn)加權(quán)編碼。在進(jìn)行視覺(jué)累進(jìn)加權(quán)編碼時(shí)，不需改變系數(shù)值或者量化步長(zhǎng)，而是根據(jù)視覺(jué)權(quán)值，改變失真矩陣，通過(guò)參考文獻(xiàn)41中提出的PCRD算法，計(jì)算碼塊對(duì)每個(gè)層的貢獻(xiàn)，通過(guò)改變碼塊編碼通道在分層組織位流中的順序來(lái)實(shí)現(xiàn)。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) JPEG2000具有的多種特點(diǎn)使得它具有廣泛的應(yīng)用前景。由于采用小波變換和最新的壓縮算法，能夠獲得較好的壓縮比，且對(duì)壓縮碼流可進(jìn)行靈活處

48、理，如隨機(jī)獲取部分壓縮碼流、累進(jìn)式傳輸、實(shí)現(xiàn)ROI以及壓縮碼流具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性能等，可應(yīng)用于因特網(wǎng)、移動(dòng)通信、打印、掃描、數(shù)字?jǐn)z像、遙感、傳真、醫(yī)療、數(shù)字圖書(shū)館以及電子商務(wù)等方面的圖像壓縮。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 身份確認(rèn)方面，將身份證頭像照片用高清晰度的數(shù)字相機(jī)攝制，經(jīng)JPEG2000壓縮存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在需要進(jìn)行身份驗(yàn)證的場(chǎng)合，驗(yàn)證終端可以根據(jù)證件代號(hào)通過(guò)因特網(wǎng)從數(shù)據(jù)庫(kù)里直接獲取壓縮的圖像數(shù)據(jù)，在本地迅速恢復(fù)出大幅高清晰的頭像照片。 在醫(yī)療方面，JPEG2000編碼器對(duì)醫(yī)生指定的病變部位予以無(wú)損壓縮，而對(duì)圖像中不影響診斷結(jié)果的其他部分采用高達(dá)100倍的壓縮率予以視覺(jué)可

49、接受壓縮。壓縮之后的圖像完全保存了疾病特征，而數(shù)據(jù)量非常小。醫(yī)生可以把它迅速發(fā)送到千里之外的醫(yī)學(xué)專(zhuān)家那里，以最快的速度得到權(quán)威的確診。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 許多著名的圖形圖像公司如Corel，Pegasus等都開(kāi)始在新開(kāi)發(fā)的圖像工具軟件中集成JPEG2000圖像壓縮技術(shù)，Microsoft，Netscape等瀏覽器領(lǐng)域的公司也開(kāi)始將JPEG2000新技術(shù)集成到下一個(gè)版本的瀏覽器中。JPEG2000將在21世紀(jì)圖像壓縮領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 12.2.3 數(shù)字照相機(jī) 數(shù)字照相機(jī)也稱(chēng)數(shù)碼照相機(jī)，它是利用靜止圖像壓縮的典型例子。數(shù)字照相

50、機(jī)是光學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。其基本原理是利用普通照相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)，把被攝圖像投射到圖像傳感器上，傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換、數(shù)字圖像處理和壓縮，最終以數(shù)字形式存儲(chǔ)到磁盤(pán)、可移動(dòng)閃速存儲(chǔ)卡等數(shù)字存儲(chǔ)器中。圖1212是數(shù)字照相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 圖1212 數(shù)字照相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 光學(xué)系統(tǒng)光信號(hào)圖像傳感器電信號(hào)DSP和壓縮EPROM程序被攝景物壓縮的圖像碼流數(shù)字存儲(chǔ)器接口計(jì)算機(jī)接口第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 1.數(shù)碼相機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 1)瞬時(shí)顯示攝影效果 數(shù)碼相機(jī)的液晶顯示屏在拍攝照片后立即顯示拍攝

51、的效果，對(duì)不滿(mǎn)意圖像可以立即刪去重拍。 2) 更寬的曝光控制范圍 數(shù)碼相機(jī)的成像器件光電靈敏度很高，在低照度條件下也能夠較好地曝光。用MOS開(kāi)關(guān)方式控制光電器件的感光時(shí)間，控制最小時(shí)間可達(dá)微秒級(jí)；在環(huán)境照度很高時(shí)，數(shù)碼相機(jī)也可以得到合適曝光的圖像。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 3) 圖像逼真 數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字圖像可直接輸入計(jì)算機(jī)用制造廠提供的處理軟件進(jìn)行特技處理，也可用Photoshop那樣的通用軟件處理。對(duì)于在攝影過(guò)程中出現(xiàn)的諸如色溫、清晰度、像差和曝光量等技術(shù)缺陷，可以通過(guò)后處理得到一定程度的修正，能大大提高所攝圖像的質(zhì)量。特別是對(duì)于光學(xué)像差中的畸變，數(shù)字圖像已經(jīng)有了很好的補(bǔ)

52、償修正手段。也可以對(duì)圖像進(jìn)行任意的修改、編輯、合成、分解和景物置換等處理。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 4)圖像通信便捷 數(shù)碼相機(jī)以數(shù)字信號(hào)的形式記錄影像，以計(jì)算機(jī)圖像文件格式保存圖像，可以利用最先進(jìn)的通信手段快速傳輸?？梢酝ㄟ^(guò)E mail的形式和網(wǎng)頁(yè)的形式在Internet上傳輸，也可以通過(guò)衛(wèi)星地面工作站作超遠(yuǎn)距離的圖像傳輸。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 5)準(zhǔn)確復(fù)制和長(zhǎng)期保存 由數(shù)碼相機(jī)得到的數(shù)字影像在復(fù)制過(guò)程中不存在任何信號(hào)損失。以計(jì)算機(jī)文件形式保存的數(shù)字圖像可以永久保存在硬盤(pán)或光盤(pán)中。 6)設(shè)備簡(jiǎn)單且處理速度快 數(shù)碼成像系統(tǒng)只需要數(shù)碼相機(jī)和通用計(jì)算機(jī)及其

53、輸出設(shè)備，即可完成整個(gè)圖像制作過(guò)程，設(shè)備簡(jiǎn)單，處理速度快。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 2.數(shù)碼相機(jī)技術(shù)指標(biāo) 1) 成像器件的像素?cái)?shù) 成像器件的像素?cái)?shù)對(duì)數(shù)碼相機(jī)的圖像質(zhì)量起決定性的作用。數(shù)碼相機(jī)一般CCD像素?cái)?shù)在100萬(wàn)(12801024)以上。數(shù)碼相機(jī)的成像器件像素?cái)?shù)在很大程度上決定了相機(jī)圖像的最高分辨率。分辨率用于評(píng)價(jià)數(shù)碼圖像的質(zhì)量，數(shù)碼相機(jī)攝取數(shù)碼照片的分辨率是可選擇的。數(shù)碼相機(jī)的像素指標(biāo)只有一個(gè)，而所拍攝的數(shù)字圖像的分辨率指標(biāo)卻可以有許多個(gè)，分辨率越高的照片要求有越大的存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 2) AD轉(zhuǎn)換精度 評(píng)價(jià)數(shù)碼照片的圖

54、像質(zhì)量除了分辨率外，還有照片色彩的編碼位數(shù)。編碼位數(shù)決定了在AD轉(zhuǎn)換過(guò)程中的精確程度。一般來(lái)說(shuō)，24（38）位的色彩已經(jīng)相當(dāng)豐富，可適應(yīng)絕大部分的拍攝要求。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 3)光電傳感器 電荷耦合器件(CCD)傳感器和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器是兩類(lèi)主要的圖像傳感器。CCD數(shù)碼相機(jī)經(jīng)歷了較長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)期，目前在成像質(zhì)量、分辨率上優(yōu)于CMOS，而CMOS數(shù)碼相機(jī)在產(chǎn)品價(jià)格、耗電量等方面又有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前高檔專(zhuān)業(yè)型數(shù)碼相機(jī)多為CCD型，廉價(jià)普及型數(shù)碼相機(jī)多為CMOS型。近來(lái)CMOS成像器件發(fā)展很快，已經(jīng)出現(xiàn)了100萬(wàn)像素的CMOS器件。 第第1212章章

55、視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) CMOS器件的最大優(yōu)點(diǎn)是可以將信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字圖像處理等電路集成到一塊芯片上，形成片上成像系統(tǒng)(Camera on Chip)，這對(duì)數(shù)碼相機(jī)的小型化、微型化具有重要的意義。 CMOS成像器件通過(guò)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行像素信號(hào)傳輸，使用者可以控制開(kāi)關(guān)電路有選擇地獲取圖像信息，形成智能像素器件(Active Pixel Sensor)。該器件對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化控制、機(jī)器人視覺(jué)等領(lǐng)域中的成像系統(tǒng)具有重要的價(jià)值。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 4) DSP(數(shù)字圖像處理)能力 DSP能力較強(qiáng)的相機(jī)能夠較高水平地完成諸如黑色補(bǔ)償、光照度補(bǔ)償、缺陷像素修補(bǔ)、濾色器補(bǔ)償插值

56、、校正、白平衡和假彩色抑制等操作，補(bǔ)償了許多由于硬件所造成的圖像缺陷，圖像質(zhì)量達(dá)到較為完善的程度。越是高檔的數(shù)碼相機(jī)，DSP的處理能力越強(qiáng)。一些數(shù)碼相機(jī)還能顯示選單，可以設(shè)定一些DSP圖像處理中的參數(shù)，獲得某些特殊效果。第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) DSP還能從圖像中提取曝光量信息和對(duì)焦信息，控制鏡頭和快門(mén)，使相機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。DSP還將完成圖像壓縮的任務(wù)，好的圖像壓縮算法可以在壓縮圖像存儲(chǔ)量的同時(shí)，很好地保持圖像細(xì)節(jié)的信息，解壓縮后顯示的圖像與原圖像比較看不出任何區(qū)別。高的壓縮比可以節(jié)省數(shù)碼相機(jī)的存儲(chǔ)空間，在有限的空間中存儲(chǔ)更多高質(zhì)量的圖片。快的壓縮速度可以在相機(jī)完成一次曝

57、光以后迅速回到待機(jī)狀態(tài)，提高相機(jī)的連拍速度。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 5) 取景器 數(shù)碼相機(jī)的取景方式有光學(xué)取景和LCD(Liquid Crystal Display,液晶顯示)取景。光學(xué)取景中有平視取景和通過(guò)鏡頭TTL(Throughthe Lens)取景之分。平視取景結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于取景器光軸與鏡頭光軸不重合，眼睛看到的景像與實(shí)際拍攝景像存在位置誤差和尺寸誤差，近距離拍攝時(shí)，誤差更明顯。TTL取景的取景光軸和成像光軸是重合的，取景誤差較小，取景范圍可達(dá)到實(shí)拍畫(huà)面的95%以上。專(zhuān)業(yè)級(jí)的數(shù)碼相機(jī)采用TTL取景方式。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 6)圖像存儲(chǔ)

58、低檔數(shù)碼相機(jī)以?xún)?nèi)裝存儲(chǔ)器為主，當(dāng)存儲(chǔ)器存滿(mǎn)后，必須暫停拍攝，要等到存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)輸出之后才能繼續(xù)拍攝。對(duì)于存儲(chǔ)卡型的照相機(jī)，只要有備用的存儲(chǔ)卡，就可以像換膠卷一樣換存儲(chǔ)卡。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) PC卡是用得最多的可移動(dòng)式存儲(chǔ)器，它有一個(gè)PCMCIA插槽。有的數(shù)碼相機(jī)PC卡是惟一的存儲(chǔ)器，也有的數(shù)碼相機(jī)有內(nèi)部存儲(chǔ)器，仍支持PC卡作為擴(kuò)展存儲(chǔ)器，存在PC卡中的數(shù)字圖像可以通過(guò)PC卡讀取器輸入計(jì)算機(jī)。PC卡的優(yōu)點(diǎn)是可以大量存儲(chǔ)照片?？梢苿?dòng)式存儲(chǔ)卡還有閃爍存儲(chǔ)卡(Flash Card)，也采用PC卡標(biāo)準(zhǔn)，可直接插入便攜式計(jì)算機(jī)的PC卡插口將信息輸入，也可用PC卡讀取器輸入計(jì)算機(jī)

59、。Compact Flash存儲(chǔ)卡采用標(biāo)準(zhǔn)ATAIDE接口，配有專(zhuān)門(mén)的PCMCIA轉(zhuǎn)換卡，筆記本計(jì)算機(jī)的用戶(hù)可直接在PCMCIA插槽上使用。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 3.數(shù)字圖像處理(DSP) DSP是數(shù)碼相機(jī)的主要部件，所有功能都是由DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)的。DSP控制著CCD、AD轉(zhuǎn)換器件、LCD和控制面板。 1) 暗電流補(bǔ)償 補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ窃谄骷耆诠獾臈l件下,先測(cè)出各像素的暗電流值，再?gòu)呐臄z后圖像的像素值中減去相應(yīng)的暗電流值。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 2) 鏡頭光照度補(bǔ)償 由于鏡頭的漸暈效應(yīng)，即使拍攝目標(biāo)是一個(gè)受均勻光照的物面，成像器件受到的照度仍是不均勻

60、的，器件邊緣所受的光照度較小。對(duì)于同一鏡頭，照度差是有固定規(guī)律的，通過(guò)DSP數(shù)字補(bǔ)償，等效于成像器件得到均勻的照度。 第第1212章章 視頻壓縮技術(shù)視頻壓縮技術(shù) 3)缺陷像素修補(bǔ) 成像器件的幾十萬(wàn)個(gè)像素中總有一定數(shù)量的疵點(diǎn)，在完全遮光條件下數(shù)碼相機(jī)讀取像素灰度值時(shí)，一些“亮點(diǎn)”就是疵點(diǎn)位置。通常用插值的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)缺陷像素的修補(bǔ)，用周?chē)袼氐幕叶戎低扑愠鋈毕菹袼氐幕叶戎怠?4)彩色校正 彩色校正就是通過(guò)調(diào)整三基色光的增益，使成像器件的光譜特性與顯示或打印設(shè)備的光譜特性一致，以使顯示或打印圖像的色彩更加完美。通常是通過(guò)一個(gè)變換矩陣來(lái)改變紅、綠、藍(lán)三基色光的增益，同時(shí)保證白平衡。 第第1212章章