數(shù)字圖像處理10圖像編碼2

1、110 圖像編碼圖像編碼 10.1 圖像編碼概述 10.2 編碼方法 10.3 JPEG編碼10.4 圖像編碼新技術(shù) 2復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1.圖像壓縮的必要性圖像壓縮的必要性l數(shù)據(jù)量龐大2.圖像壓縮的可能性圖像壓縮的可能性l圖像中存在很大的冗余度。l用戶通常允許圖像失真。3.圖像壓縮的技術(shù)指標(biāo)圖像壓縮的技術(shù)指標(biāo)l圖像熵l平均碼長(zhǎng)l編碼效率NiiiNiiixpxpxpxpH1212)(log1)()(log)()(xiNiiLxpxR1)()(%100RH34.根據(jù)編碼原理，圖像編碼可以分為根據(jù)編碼原理，圖像編碼可以分為：l熵編碼：霍夫曼編碼、費(fèi)諾編碼、香農(nóng)編碼、算術(shù)編碼霍夫曼編碼、費(fèi)諾編碼、香農(nóng)編碼、算

2、術(shù)編碼等l預(yù)測(cè)編碼：脈沖編碼調(diào)制PCM，差分脈沖編碼調(diào)制DPCM等l變換編碼l混合編碼：JPEG編碼編碼、MPEG編碼n圖像壓縮可以是有損數(shù)據(jù)壓縮也可以是無(wú)損數(shù)圖像壓縮可以是有損數(shù)據(jù)壓縮也可以是無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮據(jù)壓縮n無(wú)損圖像壓縮方法有：行程長(zhǎng)度編碼，熵編碼無(wú)損圖像壓縮方法有：行程長(zhǎng)度編碼，熵編碼法。法。n有損壓縮方法有：變換編碼，分形壓縮。有損壓縮方法有：變換編碼，分形壓縮。4510 圖像編碼圖像編碼 10.1 圖像編碼概述 10.2 編碼方法 10.3 JPEG編碼編碼10.4 圖像編碼新技術(shù) 6JPEG和和BMPnBMP:無(wú)壓縮圖像nJPEG：壓縮圖像7JPEG圖像壓縮與編碼內(nèi)容目錄圖像壓縮

3、與編碼內(nèi)容目錄 1 JPEG算法概要1.1 JPEG是什么1.2 JPEG算法概要2 JPEG算法的主要計(jì)算步驟2.1 離散余弦變換2.2 量化2.3 Z字形編排2.4 熵編碼3 JPEG壓縮和編碼舉例4 JPEG文件格式4.1 顏色空間4.2 文件結(jié)構(gòu)5 JPEG 2000簡(jiǎn)介5.1 JPEG 2000是什么5.2 JPEG 2000的基本結(jié)構(gòu)5.3 JPEG 2000的主要功能81 JPEG算法概要算法概要 1.1 JPEG是什么lJoint Photographic Experts Group的縮寫(xiě)，聯(lián)合圖像專(zhuān)家組。lJPEG標(biāo)準(zhǔn) JPEG是面向靜態(tài)圖像編碼靜態(tài)圖像編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 在相

4、同圖像質(zhì)量條件相同圖像質(zhì)量條件下，JPEG文件擁有比其他圖像文件格式更高的壓縮比更高的壓縮比。 JPEG是一種有損壓縮有損壓縮。即在壓縮過(guò)程中會(huì)丟失數(shù)據(jù)，每次編輯JPEG圖像后，圖像就會(huì)被重復(fù)壓縮一次， 損失就會(huì)有所增加。9n圖像冗余無(wú)損壓縮的原理RGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGB16RGB從原來(lái)的16*3*8=284bits壓縮為：(1+3)*8=32bits無(wú)損壓縮和有損壓縮無(wú)損壓縮和有損壓縮10n圖像冗余有損壓縮的原理3635343434343432343433373034343434343434343534343134343

5、4343434343434343434343434343434343434343434342534無(wú)損壓縮和有損壓縮無(wú)損壓縮和有損壓縮111 JPEG算法概要算法概要1.2 JPEG算法概要l原理：原理： 利用視覺(jué)系統(tǒng)特性，使用變換變換、量化量化和熵編碼熵編碼相結(jié)合的方法，以去掉或減少去掉或減少視覺(jué)的冗余冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息lJPEG算法與顏色空間無(wú)關(guān)算法與顏色空間無(wú)關(guān) RGB和YUV之間的變換不包含在JPEG算法中 JPEG算法處理單獨(dú)的單獨(dú)的圖像彩色分量，因此可壓縮來(lái)自不同顏色空間的數(shù)據(jù)，如RGB, YCbCr, CMYK121將彩色圖像將彩色圖像RGB模型變?yōu)槟Ｐ妥優(yōu)閅UV模型模

6、型nYUV是現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)通常采用的色彩模型，它的亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)U、V是分離的。n如果只有只有Y信號(hào)分量而沒(méi)有U、V分量，那么這樣表示的圖像就是黑白灰度黑白灰度圖像。n彩色電視采用YUV正是為了用亮度信號(hào)亮度信號(hào)Y解決彩色電視機(jī)與黑白電視機(jī)的兼容問(wèn)題，使黑白電視機(jī)也能接收彩色電視信號(hào)。補(bǔ)充：補(bǔ)充：RGB和和YUV13nYUV與RGB相互轉(zhuǎn)換的公式如下（RGB取值范圍均為0-255）： Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = -0.147R - 0.289G + 0.436B V = 0.615R - 0.515G - 0.100B R = Y + 1.14V

7、G = Y - 0.39U - 0.58V B = Y + 2.03U14nJPEG采用采用YUV格式格式是因?yàn)閅分量（亮度）比U、V分量（色度）更重要，所以可以只取只取UV的一部分的一部分，以增加增加壓縮比壓縮比。n目前支持JPEG格式的軟件通常提供兩種取樣方式Y(jié)UV411和和YUV422，其含義是YUV三個(gè)分量的數(shù)據(jù)取樣比例。n舉例來(lái)說(shuō)，如果Y取四個(gè)數(shù)據(jù)單元，即水平取樣因子Hy乘以垂直取樣因子Vy的值為4，而U和V各取一個(gè)數(shù)據(jù)單元，即HuVu=1,HvVv=1。那么這種部分取樣就稱(chēng)為YUV411。n易知YUV411有50%的壓縮比(原來(lái)有12個(gè)數(shù)據(jù)單元，現(xiàn)在有6個(gè)數(shù)據(jù)單元)，YUV422有

8、33%的壓縮比(原來(lái)有12個(gè)數(shù)據(jù)單元，現(xiàn)在有8個(gè)數(shù)據(jù)單元)。 151 JPEG算法概要算法概要1.2 JPEG算法概要l原理：原理： 利用視覺(jué)系統(tǒng)特性，使用變換變換、量化量化和熵編碼熵編碼相結(jié)合的方法，以去掉或減少視覺(jué)的冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息lJPEG算法與顏色空間無(wú)關(guān)算法與顏色空間無(wú)關(guān) RGB和YUV之間的變換不包含在JPEG算法中 JPEG算法處理單獨(dú)的圖像彩色分量，因此可壓縮來(lái)自不同顏色空間的數(shù)據(jù)，如RGB, YCbCr, CMYK161.3. JPEG標(biāo)準(zhǔn)文檔 標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：l ISO/IEC IS 10918-1l ITU-T Recommendation T.81 標(biāo)準(zhǔn)名：l In

9、formation technology Digital compression and coding of continuous-tone still imagesl 信息技術(shù) 連續(xù)色調(diào)靜態(tài)圖像的數(shù)字壓縮和編碼ISO/IECITU-T各部分的功能各部分的功能10918-1(1994)Part 1T.81編碼靜態(tài)圖像的基本標(biāo)準(zhǔn)編碼靜態(tài)圖像的基本標(biāo)準(zhǔn)10918-2(1995)Part 2T.82軟件性能符合軟件性能符合Part 1的測(cè)試的測(cè)試10918-3(1997)Part 3T.83添加包括添加包括SPIFF*格式在內(nèi)的擴(kuò)展格式在內(nèi)的擴(kuò)展10918-4(1999)Part 4T.84定義注冊(cè)

10、擴(kuò)展定義注冊(cè)擴(kuò)展JPEG功能的參數(shù)的方法功能的參數(shù)的方法14495-1(1998)T.87數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮的標(biāo)準(zhǔn)(JPEG-LS)表1 JPEG標(biāo)準(zhǔn)文檔171.4 JPEG允許四種編碼模式：（1）順序式順序式DCT方式方式l從左到右、從上到下左到右、從上到下對(duì)圖像順序順序進(jìn)行基于離散余弦變換（DCT）的編碼。lDCT理論上是可逆的，但在計(jì)算時(shí)存在誤差存在誤差，因而基于DCT的編碼模式是一種有損編碼有損編碼。 （2）漸進(jìn)式漸進(jìn)式DCT方式方式l基于DCT，對(duì)圖像分層次分層次進(jìn)行處理，從模糊到清晰地傳輸圖像（與GIF文件的交錯(cuò)方式類(lèi)似）。l有兩種實(shí)現(xiàn)方法，l一種是頻譜選擇法頻譜選擇法

11、：在頻段頻段上進(jìn)行處理；l一種是逐次逼近法逐次逼近法：每次掃描全部掃描全部DCT量化序數(shù)量化序數(shù)，但每次的表示精度逐漸提高。18（3） 無(wú)失真方式無(wú)失真方式l使用線性預(yù)測(cè)器線性預(yù)測(cè)器，如DPCM， 而不是基于DCT。 （4） 分層方式分層方式l在空間域空間域?qū)⒃磮D像以不同的分辨率不同的分辨率表示。l每個(gè)分辨率對(duì)應(yīng)一次掃描，處理時(shí)可以基于DCT或預(yù)預(yù)測(cè)編碼測(cè)編碼，可以是漸進(jìn)式漸進(jìn)式，也可以是順序式順序式。19圖圖 JPEG壓縮壓縮-解壓縮算法框圖解壓縮算法框圖FDCT量化器熵編碼器壓縮圖像數(shù)據(jù)量化表熵編碼表基于DCT的編碼器88 圖像塊源圖像數(shù)據(jù)(a) JPEG壓縮算法框圖壓縮圖像數(shù)據(jù)熵解碼器逆

12、量化器IDCT88圖像塊重構(gòu)圖像數(shù)據(jù)量化表熵編碼表基于DCT的解碼器(b) JPEG解壓縮算法框圖1.5 JPEG算法框圖JPEG標(biāo)準(zhǔn)的壓縮算法標(biāo)準(zhǔn)的壓縮算法大致分成三個(gè)步驟：大致分成三個(gè)步驟：使用正向離散余弦變換(FDCT)把空間域空間域表示的圖變換成頻率域頻率域表示的圖；使用加權(quán)函數(shù)對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化量化，加權(quán)函數(shù)對(duì)人的視覺(jué)系統(tǒng)是最佳的；1.使用霍夫曼編碼霍夫曼編碼器器對(duì)量化系數(shù)進(jìn)行編碼編碼。202 JPEG算法的主要計(jì)算步驟算法的主要計(jì)算步驟 nJPEG壓縮編碼算法的主要計(jì)算步驟l(1) 正向離散余弦變換(FDCT)l(2) 量化l(3) Z字形編碼 l(4) 使用差分脈沖編碼調(diào)制(D

13、PCM)對(duì)直流系數(shù)(DC)進(jìn)行編碼l(5) 使用行程長(zhǎng)度編碼(RLE)對(duì)交流系數(shù)(AC)進(jìn)行編碼l(6) 熵編碼212.1 離散余弦變換離散余弦變換(DCT)ldiscrete cosine transform的縮寫(xiě)l做法：做法：用余弦函數(shù)的離散值構(gòu)成的變換矩陣余弦函數(shù)的離散值構(gòu)成的變換矩陣對(duì)信號(hào)的一系列樣本值進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)學(xué)變換l結(jié)果結(jié)果：可將能量集中到頻率較低頻率較低的系數(shù)上將分量圖像分成88的圖塊( , )f i j( , )F u vDCT離散余弦變換 2 JPEG算法的主要計(jì)算步驟算法的主要計(jì)算步驟(1)2277001(21)(21)( , )( ) ( )( , )coscos416

14、16ijiujvF u vC u C vf i j77001(21)(21)( , )( ) ( )( , )coscos41616uviujvF i jC u C vf u vlDCT變換使用下式計(jì)算l逆變換使用下式計(jì)算( ), ( ) = 1/ 2C uC v( ), ( ) 1C uC v當(dāng)u,v=0；其他其中，2 JPEG算法的主要計(jì)算步驟算法的主要計(jì)算步驟(2)23l二維DCT的計(jì)算 將二維DCT變成一維DCT，如圖3所示 實(shí)際的快速計(jì)算方法可參看參考文獻(xiàn)C. Loefflerl當(dāng)計(jì)算精度足夠高時(shí)，DCT變換不會(huì)損失圖像質(zhì)量 ( , )f i j( , )F u v( , )G i

15、v垂直方向81 DCT水平方向81 DCT圖3 二維DCT變換方法2 JPEG算法的主要計(jì)算步驟算法的主要計(jì)算步驟(3)242 JPEG算法的主要計(jì)算步驟算法的主要計(jì)算步驟(4)2.2 量化量化l對(duì)FDCT變換后的變換后的(頻率的頻率的)系數(shù)系數(shù)進(jìn)行量化。l目的：目的：降低非“0”系數(shù)的幅度以及增加“0”值系數(shù)的數(shù)目l用圖4所示的均勻量化器量化。l影響：影響：造成圖像質(zhì)量下降的最主要原因l計(jì)算公式：計(jì)算公式：用右式計(jì)算 ( , )( , )()( , )F u vF u vroundQ u vDCT系數(shù)輸入量化DCT系數(shù)輸出圖4 均勻量化器 25l量化步距量化步距 按照系數(shù)（頻率的）系數(shù)（頻率

16、的）所在的位置位置和每種顏色分量的色調(diào)值色調(diào)值來(lái)確定的。2 JPEG算法的主要計(jì)算步驟算法的主要計(jì)算步驟(5) 因?yàn)槿搜蹖?duì)亮度信號(hào)亮度信號(hào)比對(duì)色差信號(hào)色差信號(hào)更敏感。因此使用兩種量化表：如表2所示的亮度量化表和表3所示的色差量化表。 由于人眼對(duì)低頻分量低頻分量的圖像比對(duì)高頻分量的圖像更敏感，因此表中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小262 JPEG算法的主要計(jì)算步驟算法的主要計(jì)算步驟(6)2.3 Z字形編排字形編排l為增加連續(xù)的“0”值系數(shù)的個(gè)數(shù)，即“0”的游程長(zhǎng)度，如圖5所示lDCT系數(shù)的序號(hào)如圖6所示，序號(hào)小的位置表示頻率較低，把一個(gè)8 8的矩陣變成一個(gè)1 64的矢量DC系數(shù)AC系數(shù)

17、開(kāi)始圖5 量化DCT系數(shù)的編排 圖6 DCT系數(shù)序號(hào) 0156141527282471316262942381217253041439111824314044531019233239455254202233384651556021343747505659613536484957586263272.4 使用差分脈沖編碼調(diào)制差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)對(duì)直流系數(shù)(DC)進(jìn)行編碼2.5 使用行程長(zhǎng)度編碼行程長(zhǎng)度編碼(RLE)對(duì)交流系數(shù)(AC)進(jìn)行編碼由于DC系數(shù)和AC系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性不同，因此在熵編碼時(shí)需要對(duì)DC系數(shù)和AC系數(shù)分別處理 2 JPEG算法的主要計(jì)算步驟算法的主要計(jì)算步驟(7)282.6

18、熵編碼熵編碼l用霍夫曼編碼器 理由是可用簡(jiǎn)單的查表查表方法進(jìn)行編碼。 霍夫曼編碼器對(duì)出現(xiàn)頻度比較高出現(xiàn)頻度比較高的符號(hào)分配比較短的代碼短的代碼，而對(duì)出現(xiàn)頻度較低出現(xiàn)頻度較低的符號(hào)分配比較長(zhǎng)長(zhǎng)的代碼的代碼。 這種可變長(zhǎng)度的霍夫曼碼表霍夫曼碼表可事先定義。2 JPEG算法的主要計(jì)算步驟算法的主要計(jì)算步驟(8)29DC碼表符號(hào)舉例碼表符號(hào)舉例n若DC的值(Value)為4，符號(hào)SSS用于表達(dá)實(shí)際值所需要的位數(shù)，實(shí)際位數(shù)就等于330JPEG標(biāo)準(zhǔn)提供的標(biāo)準(zhǔn)提供的亮度亮度DC系數(shù)系數(shù)差的差的Huffman編碼表編碼表 31JPEG標(biāo)準(zhǔn)提供的標(biāo)準(zhǔn)提供的色差色差DC系數(shù)系數(shù)差的差的Huffman編碼表編碼表3

19、2JPEG標(biāo)準(zhǔn)提供的標(biāo)準(zhǔn)提供的亮度亮度AC系數(shù)系數(shù)的的Huffman編碼表的開(kāi)始部分編碼表的開(kāi)始部分 33JPEG標(biāo)準(zhǔn)提供的標(biāo)準(zhǔn)提供的色差色差A(yù)C系數(shù)系數(shù)的的Huffman編碼表的開(kāi)始部分編碼表的開(kāi)始部分343 JPEG壓縮和編碼舉例壓縮和編碼舉例 假設(shè)有一個(gè)假設(shè)有一個(gè)88亮度圖像塊，亮度圖像塊，在它之前的一個(gè)在它之前的一個(gè)88圖像塊圖像塊計(jì)算得到的計(jì)算得到的DC系數(shù)值為系數(shù)值為20，整個(gè)編碼過(guò)程如圖整個(gè)編碼過(guò)程如圖8所示。所示。(1) 在這個(gè)例子中，計(jì)算正向離散余弦變換(FDCT)之前對(duì)源圖像中的每個(gè)樣本數(shù)據(jù)減去了128，在逆向離散余弦變換之后對(duì)重構(gòu)圖像中的每個(gè)樣本數(shù)據(jù)加了128。(2) 經(jīng)

20、過(guò)DCT變換和量化之后的系數(shù)如圖8(f)所示(3) 經(jīng)過(guò)Z字形排列后的系數(shù)為15，0，-2，-1，-1，-1，0，0，-1，0，0。(4) DC系數(shù)和AC系數(shù)的中間符號(hào)以及經(jīng)過(guò)編碼后的代碼如下所示 中間符號(hào)：(3,-5)(1/2，-2) (0/1，-1) (0/1，-1) (0/1，-1) (2/1，-1) (0/0)編碼輸出：100 0101101 1 01 00 000 000 011100 01010353 JPEG壓縮和編碼舉例壓縮和編碼舉例圖8 JPEG壓縮編碼舉例 364 JPEG文件格式文件格式 nJPEG格式 存放使用JPEG壓縮的圖像文件的格式。 JPEG目前被廣泛應(yīng)用于多媒

21、體和網(wǎng)絡(luò)程序中，是現(xiàn)今萬(wàn)維網(wǎng)中使用最廣泛的兩種圖像文件格式之一。 以這種格式存放的圖像文件的后綴是.JPG或.JFF，也稱(chēng)JFIF 。375 JPEG 2000簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 5.1 JPEG 2000是什么lITU-T SG8和ISO/IEC JTC1 SC29 WG1聯(lián)合開(kāi)發(fā)的靜靜態(tài)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)態(tài)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)(ISO 15444)，標(biāo)準(zhǔn)名為“JPEG 2000: Image Coding System”。l文件擴(kuò)展名為.jp2(用于ISO 15444-1)、.jpx(用于ISO 15444-2)和image/jp2(用于MIME類(lèi)型)l開(kāi)發(fā)工作始于1996年1月，其目標(biāo)是增強(qiáng)對(duì)連續(xù)色調(diào)連

22、續(xù)色調(diào)圖像的壓縮效率、管理和傳輸圖像的壓縮效率、管理和傳輸，而又不使圖像質(zhì)量有明顯的損失l使用小波技術(shù)小波技術(shù)提高壓縮比，用戶可控制圖像的分辨率，用在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)可按照用戶要求下載各種分辨率的圖像。l該標(biāo)準(zhǔn)可提供無(wú)損壓縮的圖像無(wú)損壓縮的圖像，在文檔中可提供更多的顏色信息385 JPEG 2000簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介(1)5.2 JPEG 2000的基本結(jié)構(gòu)lJPEG 2000編碼器的方框圖如圖9(a)所示。首先對(duì)源源圖像數(shù)據(jù)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換變換，再對(duì)變換的系數(shù)變換的系數(shù)進(jìn)行量化量化，然后在形成代碼流或稱(chēng)位流形成代碼流或稱(chēng)位流之前進(jìn)行熵編碼熵編碼。l解碼器與編碼器正好相反，如圖9(b)所示。首先對(duì)碼流進(jìn)行熵

23、解碼，然后進(jìn)行逆量化和逆向變換，最后重構(gòu)圖像。 源圖像數(shù)據(jù)(SourceImage Data)正變換(Forward Transform)量化(Quantisation)熵編碼(Entropy Encoding)壓縮圖像數(shù)據(jù)(Compressed Image Data)存儲(chǔ)或者傳輸(Store or Transmit)壓縮圖像數(shù)據(jù)(Compressed Image Data)熵解碼(Entropy Decoding)逆量化(De-quantisation)逆變換(Inverse Transform)重構(gòu)像數(shù)據(jù)(ReconstructedImage Data)(a) 編碼器(b) 譯碼器圖9 J

24、PEG 2000的基本結(jié)構(gòu)395 JPEG 2000簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介(2)5.3 JPEG 2000的主要功能l與過(guò)去的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)既提高了性能又增加了功能。在相同質(zhì)量的前提下與JPEG標(biāo)準(zhǔn)相比，JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)的壓縮比可提高提高20%以以上lJPEG 2000能實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)傳輸漸進(jìn)傳輸可先傳輸?shù)头直媛实膱D像或圖像的輪廓，然后逐步傳輸其他數(shù)據(jù)，不斷提高圖像質(zhì)量，以滿足用戶的需要l支持興趣區(qū)的編碼可指定感興趣的圖像區(qū)指定感興趣的圖像區(qū)域，在壓縮時(shí)對(duì)這些圖像區(qū)指定特對(duì)這些圖像區(qū)指定特定的壓縮質(zhì)量定的壓縮質(zhì)量，這給用戶帶來(lái)了極大的方便。例如，在有些情況下圖像中只有一小塊區(qū)域?qū)τ脩羰怯杏糜杏玫牡?，?duì)這些區(qū)域采用低壓縮比低壓縮比，而其他區(qū)域采用高壓縮比，在保證不丟失重要信息的同時(shí)能有效地壓縮數(shù)據(jù)量 40JPEG圖像壓縮與編碼參考文獻(xiàn) lISO/IE