第3章圖像壓縮編碼原理

1、數(shù)字電視技術(shù)數(shù)字電視技術(shù)圖像壓縮編碼原理為什么要進行圖像壓縮編碼？在數(shù)字分量編碼中，按照4：2：2格式對電視信號進行取樣、量化、編碼后，數(shù)據(jù)率達27MW/S在數(shù)字高清晰度電視格式中，取樣、量化、編碼后的數(shù)據(jù)率會更大電視信號經(jīng)過數(shù)字編碼后，數(shù)據(jù)量極大，給數(shù)字電視信號的存儲和傳輸帶來了巨大挑戰(zhàn)雖然CCIR601建議早在1980年已經(jīng)制定，但直到九十年代一系列有效的圖像數(shù)碼壓縮技術(shù)及相應(yīng)的國際標準出現(xiàn)以后，數(shù)字電視才得到了迅速的發(fā)展 圖像信號壓縮效果圖像壓縮方法的應(yīng)用幾乎所有涉及數(shù)字圖像存儲和傳輸?shù)膽?yīng)用中，都需要進行數(shù)據(jù)壓縮。圖像的壓縮方法可以分為兩類： 無損壓縮，在圖像無任何失真的前提下使數(shù)據(jù)率達

2、到最小，這種方式是可逆的 有損壓縮，在給定的失真度下使數(shù)據(jù)率達到最小，這種方式是不可逆的在數(shù)字電視的信源壓縮編碼中，由于要求的壓縮率較高，普遍采用有損壓縮的方法圖像信號壓縮的機理利用圖像中存在的大量冗余度可供壓縮利用人眼的視覺特性圖像信號的空間冗余度空間冗余度，一幅視頻圖像相鄰各點的取值往往相近或相同，具有空間相關(guān)性，這就是空間冗余度圖像的空間相關(guān)性表示相鄰象素點取值變化緩慢。從頻域看，意味著圖像信號的能量主要集中在低頻附近，高頻信號的能量隨頻率的增加而迅速衰減。視頻圖像中經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)的象素點具有相同值的情況，典型的如彩條，彩場信號等。只傳送起始象素點的值及隨后取相同值的象素點的個數(shù)，也能有效

3、地壓縮碼率。圖像信號的時間冗余度時間冗余度表現(xiàn)在電視畫面中相繼各幀對應(yīng)象素點的值往往相近或相同，具有時間相關(guān)性。在知道了一個象素點的值后，利用此象素點的值及其與后一象素點的值的差值就可求出后一象素點的值。因此，不傳送象素點本身的值而傳送其與前一幀對應(yīng)象素點的差值，也能有效地壓縮碼率，這就是差分編碼。由差分編碼進一步發(fā)展起來的預(yù)測編碼，是根據(jù)一定的規(guī)則先預(yù)測出下一個象素點或圖像子塊的值，然后將此預(yù)測值與實際值的差值傳送給接收端。目前圖像壓縮中的預(yù)測編碼主要用于幀間壓縮編碼。圖像信號的結(jié)構(gòu)冗余和知識冗余度圖像從大面積看常常存在紋理結(jié)構(gòu)，我們稱之為結(jié)構(gòu)冗余。人們對于許多圖像的理解是根據(jù)某些已知知識，

4、例如人臉的圖像有固定結(jié)構(gòu)，這些規(guī)律性的結(jié)構(gòu)可由先驗知識和背景知識得到，稱之為知識冗余。圖像信號的視覺冗余度視覺冗余度是相對于人眼的視覺特性而言的。人眼對于圖像的視覺特性包括：對亮度信號比對色度信號敏感，對低頻信號比對高頻信號敏感，對靜止圖像比對運動圖像敏感，以及對圖像水平線條和垂直線條比對斜線敏感等。因此，包含在色度信號，圖像高頻信號和運動圖像中的一些數(shù)據(jù)并不能對增加圖像相對于人眼的清晰度作出貢獻，而被認為是多余的，這就是視覺冗余度。壓縮視覺冗余度的核心思想是去掉那些相對人眼而言是看不到的或可有可無的圖像數(shù)據(jù)。對視覺冗余度的壓縮通常已反映在各種具體的壓縮編碼過程中。人眼的視覺特征亮度辨別閾值：

5、只有當亮度在背景基礎(chǔ)上變化達到一定程度時，人眼才能感覺到，人眼剛剛能察覺到的亮度變化值稱為亮度辨別閾值。視覺閾值：干擾或失真剛好可以被察覺的門限值，低于它就察覺不出來?？臻g分辨力：對一幅圖像相鄰像素的灰度和細節(jié)的分辨力。對于靜止或緩慢變化的圖像，視覺具有較高的空間分辨力；對于活動圖像，空間分辨力降低。掩蓋效應(yīng)：人眼對圖像中量化誤差的敏感程度，與圖像信號變化的劇烈程度有關(guān)。變化越劇烈，量化誤差越容易被掩蓋。圖像壓縮編碼的發(fā)展第一代，著重于圖像信息冗余度的壓縮方法，如預(yù)測編碼、變換編碼、矢量量化編碼、小波編碼等第二代，著重于圖像視覺冗余信息的壓縮方法，如基于方向濾波的圖像編碼、基于圖像輪廓紋理的編

6、碼法等第三代基于模型的圖像壓縮方法，如分形編碼法、基于模型的編碼方法等 有關(guān)圖像壓縮編碼的國際標準 JPEG標準，Joint Picture Expert GroupMPEG-1標準，用于多媒體和廣播電視，數(shù)據(jù)率要求1.5Mbps。MPEG_2/H.262標準，DVD的壓縮標準，數(shù)據(jù)率要求4-10Mbps。MPEG-4標準，1999年完成第三版，是一個新的視頻和音頻編碼的國際標準。最大特點是支持固定和可變速率視頻編碼H.261，全彩色實時視頻圖像壓縮標準H.263，低碼率通信視頻圖像編碼標準 常見的幾種靜止圖像存儲格式PCX是歷史最悠久的圖像文件格式。采用RLE（行程長度編碼）壓縮原理。BMP

7、WINDOWS的基本圖像文件格式。圖像數(shù)據(jù)處理方式有壓縮和不壓縮兩種，壓縮方式采用的也是RLE壓縮原理。GIF采用LZW壓縮原理為基礎(chǔ)壓縮圖像數(shù)據(jù)，能夠有效的壓縮文件容量。TIFF排版和圖像掃描儀常用的圖像文件格式。其文件內(nèi)部運用指針功能，建立了一個開放式的架構(gòu)，可以包含多種不同的識別信息和壓縮方式。JPEG就是其中的一種。JPEGJPEG是1992年CCITT正式通過的連續(xù)色調(diào)靜止圖象壓縮標準。JPEG可以進行無損壓縮，也可以進行有損壓縮。最常見的就是有損壓縮的方法，其壓縮過程可分為顏色模式轉(zhuǎn)換及采樣、DCT變換、量化、編碼幾部分。 活動圖像文件格式之GIF文件-.GIF GIF是圖形交換格

8、式(Graphics Interchange Format)的英文縮寫，是由CompuServe公司于80年代推出的一種高壓縮比的彩色圖像文件格式GIF圖像格式采用無損數(shù)據(jù)壓縮方法中壓縮效率較高的LZW算法，主要用于圖像文件的網(wǎng)絡(luò)傳輸?？紤]到網(wǎng)絡(luò)傳輸中的實際情況，GIF圖像格式還增加了漸顯方式，即在圖像傳輸過程中，用戶先看到圖像的大致輪廓，然后隨著傳輸過程的繼續(xù)而逐漸看清圖像的細節(jié)部分，從而適應(yīng)了用戶的觀賞心理，這種方式以后也被其他圖像格式所采用最初，GIF只是用來存儲單幅靜止圖像，后來，又進一步發(fā)展成為可以同時存儲若干幅靜止圖像并進而形成連續(xù)的動畫，目前Internet上大量采用的彩色動畫文

9、件多為這種格式的GIF文件。GIF通常用來表示由計算機生成的動畫序列，其圖像相對而言比較簡單，因此可以得到比較高的無損壓縮率，文件尺寸也不大。然而，對于來自外部世界的真實而復(fù)雜的影像信息而言，無損壓縮便顯得無能為力活動圖像文件格式之 AVI文件-.AVI AVI是音頻視頻交錯(Audio Video Interleaved)的英文縮寫，它是Microsoft公司開發(fā)的一種數(shù)字音頻與視頻文件格式AVI格式允許視頻和音頻交錯在一起同步播放，支持256色和RLE壓縮，但AVI文件并未限定壓縮標準，因此，AVI文件格式只是作為控制界面上的標準，不具有兼容性，用不同壓縮算法生成的AVI文件，必須使用相應(yīng)

10、的解壓縮算法才能播放出來AVI文件目前主要應(yīng)用在多媒體光盤上，用來保存電影、電視等各種影像信息，有時也出現(xiàn)在Internet上，供用戶下載、欣賞新影片的精彩片斷 活動圖像文件格式之 QuickTime文件-.MOV/.QT QuickTime是Apple計算機公司開發(fā)的一種音頻、視頻文件格式，用于保存音頻和視頻信息，具有先進的視頻和音頻功能QuickTime文件格式支持25位彩色，支持RLE、JPEG等領(lǐng)先的集成壓縮技術(shù)，提供150多種視頻效果，并配有提供了200多種MIDI兼容音響和設(shè)備的聲音裝置。QuickTime還采用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，用戶通過鼠標或鍵盤的交互式控制，可以觀察某一地點周圍3

11、60度的景像，或者從空間任何角度觀察某一物體。QuickTime以其領(lǐng)先的多媒體技術(shù)和跨平臺特性、較小的存儲空間要求、技術(shù)細節(jié)的獨立性以及系統(tǒng)的高度開放性，得到業(yè)界的廣泛認可，目前已成為數(shù)字媒體軟件技術(shù)領(lǐng)域的事實上的工業(yè)標準。國際標準化組織(ISO)最近選擇QuickTime文件格式作為開發(fā)MPEG4規(guī)范的統(tǒng)一數(shù)字媒體存儲格式 活動圖像文件格式之 MPEG文件-.MPEG/.MPG/.DAT MPEG文件格式是運動圖像壓縮算法的國際標準，它采用有損壓縮方法減少運動圖像中的冗余信息，同時保證每秒30幀的圖像動態(tài)刷新率MPEG標準包括MPEG視頻、MPEG音頻和MPEG系統(tǒng)(視頻、音頻同步)三個部

12、分MP3音頻文件就是MPEG音頻的一個典型應(yīng)用，而VCD、Super VCD 、DVD 則是全面采用MPEG技術(shù)所產(chǎn)生出來的消費類電子產(chǎn)品MPEG壓縮標準是針對運動圖像而設(shè)計的，其基本方法是：在單位時間內(nèi)采集并保存第一幀信息，然后只存儲其余幀相對第一幀發(fā)生變化的部分，從而達到壓縮的目的，它主要采用兩個基本壓縮技術(shù)：運動補償技術(shù)(預(yù)測編碼和插補碼)實現(xiàn)時間上的壓縮，變換域(DCT)壓縮技術(shù)實現(xiàn)空間上的壓縮，壓縮效率非常高。同時圖像和音響的質(zhì)量也非常好，并且在微機上有統(tǒng)一的標準格式，兼容性相當好?；顒訄D像文件格式之 RealVideo文件-.RM RealVideo文件是RealNetworks公

13、司開發(fā)的一種新型流式視頻文件格式，它包含在RealNetworks公司所制定的音頻視頻壓縮規(guī)范RealMedia中，主要用來在低速率的廣域網(wǎng)上實時傳輸活動視頻影像，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率的不同而采用不同的壓縮比率，從而實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的實時傳送和實時播放。RealVideo除了可以以普通的視頻文件形式播放之外，還可以與RealServer服務(wù)器相配合，在數(shù)據(jù)傳輸過程中邊下載邊播放視頻影像，而不必像大多數(shù)視頻文件那樣，必須先下載然后才能播放。目前，Internet上已有不少網(wǎng)站利用RealVideo技術(shù)進行重大事件的實況轉(zhuǎn)播。行程長度編碼(RLE)行程長度編碼（run-length encodin

14、g）是壓縮一個文件最簡單的方法之一。它的做法就是把一系列的重復(fù)值（例如圖象像素的灰度值）用一個單獨的值再加上一個計數(shù)值來取代。比如有這樣一個字母序列aabbbccccccccdddddd它的行程長度編碼就是2a3b8c6d。這種方法實現(xiàn)起來很容易，而且對于具有長重復(fù)值的串的壓縮編碼很有效。例如對于有大面積的連續(xù)陰影或者顏色相同的圖象，使用這種方法壓縮效果很好。RLE編碼簡單直觀，編碼/解碼速度快，因此許多圖形和視頻文件，如BMP、TIFF及AVI等格式文件的壓縮均采用此方法 20 行程編碼行程編碼(RLE編碼編碼)n行程編碼是一種最簡單的，在某些場合是非常行程編碼是一種最簡單的，在某些場合是非

15、常有效的一種無損壓縮編碼方法。有效的一種無損壓縮編碼方法。n雖然這種編碼方式的應(yīng)用范圍非常有限，但是雖然這種編碼方式的應(yīng)用范圍非常有限，但是因為這種方法中所體現(xiàn)出的編碼設(shè)計思想非常因為這種方法中所體現(xiàn)出的編碼設(shè)計思想非常明確，所以在圖像編碼方法中都會將其作為一明確，所以在圖像編碼方法中都會將其作為一種典型的方法來介紹。種典型的方法來介紹。 21行程編碼行程編碼 基本原理基本原理n通過改變圖像的描述方式，來實現(xiàn)圖像的通過改變圖像的描述方式，來實現(xiàn)圖像的壓縮。壓縮。n將一行中灰度值相同的相鄰像素，用一個將一行中灰度值相同的相鄰像素，用一個計數(shù)值和該灰度值來代替。計數(shù)值和該灰度值來代替。22行程編碼

16、行程編碼 實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法n 舉例說明：舉例說明：a=100,b=1,c=23,d=254 aaaa bbb cc d eeeee fffffff 4 3 2 1 5 7 (共共22*8=176 bits) 4a3b2c1d5e7f (共共12*8=96 bits) 壓縮比為：壓縮比為：176：96=1.83:123行程編碼行程編碼傳真中的應(yīng)用方法傳真中的應(yīng)用方法傳真件中一般都是白色比較多，而黑色相對比較傳真件中一般都是白色比較多，而黑色相對比較少。所以可能常常會出現(xiàn)如下的情況：少。所以可能常常會出現(xiàn)如下的情況： 500w 3b 470w 12b 4w 3b 3000w 上面的行程編碼所需用的

17、比特數(shù)為：上面的行程編碼所需用的比特數(shù)為： 20483000409612bits計數(shù)值需用表示24行程編碼行程編碼傳真中的應(yīng)用方法傳真中的應(yīng)用方法對于：對于： 500w 3b 470w 12b 4w 3b 3000w編碼為：編碼為： 500, 3, 470, 12, 4, 3, 3000 編碼位數(shù)為編碼位數(shù)為: 12, 12, 12, 12, 12, 12, 12需要的數(shù)據(jù)量為：需要的數(shù)據(jù)量為： 12*7=84 bit 因為只有白或黑，而且排版中一定要留出頁邊距，因此，因為只有白或黑，而且排版中一定要留出頁邊距，因此，一般情況下，可以只傳輸計數(shù)值即可。一般情況下，可以只傳輸計數(shù)值即可。25行程

18、編碼行程編碼傳真中的應(yīng)用方法傳真中的應(yīng)用方法現(xiàn)在，根據(jù)傳真件的特點，對其進行改進?，F(xiàn)在，根據(jù)傳真件的特點，對其進行改進。既然已經(jīng)可以預(yù)知白色多黑色少，所以可既然已經(jīng)可以預(yù)知白色多黑色少，所以可對白色和黑色的計數(shù)值采用不同的位數(shù)。對白色和黑色的計數(shù)值采用不同的位數(shù)。以這個例子，可以定義：以這個例子，可以定義： 白色：白色：12 bit，黑色：，黑色：4 bit 26行程編碼行程編碼傳真中的應(yīng)用方法傳真中的應(yīng)用方法編碼為：編碼為： 500,3,570,12,4,3,3000 編碼位數(shù)為編碼位數(shù)為: 12,4,12, 4,12,4,12所需字節(jié)數(shù)為：所需字節(jié)數(shù)為：4*12+3*4=60bit比原來的

19、比原來的RLE方式方式84bit減少了減少了24bit,相當于又提高了壓縮比為相當于又提高了壓縮比為 84/60=1.4:1 。27二維行程編碼二維行程編碼 基本概念基本概念二維行程編碼要解決的核心問題是二維行程編碼要解決的核心問題是: 將二維排列的像素，采用某種方式轉(zhuǎn)化將二維排列的像素，采用某種方式轉(zhuǎn)化成一維排列的方式。之后按照一維行程編成一維排列的方式。之后按照一維行程編碼方式進行編碼。碼方式進行編碼。28二維行程編碼二維行程編碼 數(shù)據(jù)排序數(shù)據(jù)排序如下圖所示，是兩種典型的二維行程編碼的排列方式：如下圖所示，是兩種典型的二維行程編碼的排列方式：(a) (b) 29二維行程編碼二維行程編碼例例

20、例：例：130130130129134133129130130130130129134133130130130130130129132132130130129130130129130130129129127128127129131 129131 130127128127128127128132132125126129129127129133132127125128128126130131131f數(shù)據(jù)量：數(shù)據(jù)量：6464* *8=512(bit)8=512(bit)30二維行程編碼二維行程編碼例例如果按照如果按照行掃描行掃描的順序排列的話，數(shù)據(jù)分布為：的順序排列的話，數(shù)據(jù)分布為：130130，1

21、30130，130130，129129，134134，133133，129129，130130；130130，130130，130130，129129，134134，133133，130130，130130； 130130，130130，130130，129129，132132，132132，130130，130130；129129，130130，130130，129129，130130，130130，129129，129129；127127，128128，127127，129129，131131，129129，131131，130130；127127，128128，127127，128128

22、，127127，128128，132132，132132；125125，126126，129129，129129，127127，129129，133133，132132；127127，125125，128128，128128，126126，130130，131131，13113131二維行程編碼二維行程編碼例例一維行程編碼后為一維行程編碼后為: :（3 3，130130），（），（1 1，129129），（），（1 1，134134），（），（1 1，133133），（），（1 1，129129），），（4 4，130130），（），（1 1，129129），（），（1 1，134134），（

23、），（1 1，133133），（），（5 5，130130），），（1 1，129129），（），（2 2，132132），（），（2 2，130130），（），（1 1，129129），（），（2 2，130130），），（1 1，129129），（），（2 2，130130），（），（2 2，129129），（），（1 1，127127），（），（1 1，128128），），（1 1，127127），（），（1 1，129129），（），（1 1，131131），（），（1 1，129129），（），（1 1，131131），），（1 1，130130），（），（1 1，127127），（

24、），（1 1，128128），（），（1 1，127127），（），（1 1，128128），），（1 1，127127），（），（1 1，128128），（），（2 2，132132），（），（1 1，125125），（），（1 1，126126），），（2 2，129129），（），（1 1，127127），（），（1 1，129129），（），（1 1，133133），（），（1 1，132132），），（1 1，127127），（），（1 1，125125），（），（2 2，128128），（），（1 1，126126），（），（1 1，130130），），（2 2，131131）數(shù)據(jù)

25、量為數(shù)據(jù)量為:46*(3+8)=506(bit)壓縮比為：壓縮比為：512：506=1.02:132二維行程編碼二維行程編碼例例如果按照如果按照列掃描列掃描的順序排列的話，數(shù)據(jù)分布為：的順序排列的話，數(shù)據(jù)分布為：130130，130130，130130，129129，127127，127127，125125，127127；130130，130130，130130，130130，128128，128128，126126，125125；130130，130130，130130，130130，127127，127127，129129，128128；129129，129129，129129，12912

26、9，129129，128128，129129，128128；134134，134134，132132，130130，131131，127127，127127，126126；133133，133133，132132，130130，129129，128128，129129，130130； 129129，130130，130130，129129，131131，132132，133133，131131；130130，130130，130130，129129，130130，132132，132132，13113133二維行程編碼二維行程編碼 例例一維行程編碼為一維行程編碼為:數(shù)據(jù)量為數(shù)據(jù)量為:42*（3

27、+8）=462(bit) 壓縮比為：壓縮比為：512：462=1.11:1（3 3，130130），（），（1 1，129129），（），（2 2，127127），（），（1 1，125125），（），（1 1，127127），），（4 4， 130130），（），（2 2，128128），（），（1 1，126126），（），（1 1，125125），（），（4 4，130130），），（2 2，127127），（），（1 1，129129），（），（1 1，128128），（），（5 5，129129），（），（1 1，128128），），（1 1，129129），（），（1 1，1281

28、28），（），（2 2， 134134），（），（1 1，132132），（），（1 1，130130），），（1 1，131131），（），（2 2，127127），（），（1 1，126126），（），（2 2，133133），（），（1 1，132132），），（1 1，130130），（），（1 1，129129），（），（1 1，128128），（），（1 1，129129），（），（1 1，130130），）， （1 1，129129），（），（2 2，130130），（），（1 1，129129），（），（1 1，131131），（），（1 1，132132），），（1 1，13

29、3133），（），（1 1，131131），（），（3 3，130130），（），（1 1，129129），（），（1 1，130130），），（2 2，132132），（），（1 1，131131）34二維行程編碼二維行程編碼 例例如果按照方式如果按照方式(a)(a)掃描的順序排列的話，數(shù)據(jù)分布為：掃描的順序排列的話，數(shù)據(jù)分布為：130130，130130，130130，130130，130130，130130，130130，130130，130130；129129，129129，129129，129129，130130，130130，129129；127127，128128，127127，

30、129129，131131，130130，132132，134134，134134；133133，133133，132132，130130，129129，128128，127127，128128，127127，128128，127127，125125，126126，129129，129129；127127，129129，133133，132132，131131，129129，130130，130130；129129，130130，130130，130130，129129，130130，132132，132132；131131，131131，130130，126126，128128，128128，127127，12712735二維行程編碼二維行程編碼 例例一維行程編碼為一維行程編碼為: