數(shù)字圖象處理圖像編碼PPT學(xué)習(xí)教案

1、數(shù)字圖象處理圖像編碼數(shù)字圖象處理圖像編碼5. 1 5. 1 信源編碼信源編碼l 圖像編碼屬于信源編碼范疇。圖像編碼屬于信源編碼范疇。l 其特點(diǎn)是利用圖像信號的統(tǒng)計特性及人眼睛的生理和心理特性其特點(diǎn)是利用圖像信號的統(tǒng)計特性及人眼睛的生理和心理特性對對 圖像進(jìn)行高效編碼。圖像進(jìn)行高效編碼。第1頁/共73頁信源信道編碼調(diào)制傳輸信道噪聲解調(diào)信道解碼信源解碼信宿圖圖5 51 1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型第2頁/共73頁第3頁/共73頁第4頁/共73頁第5頁/共73頁第6頁/共73頁表表51 圖圖 象象 高高 效效 編編 碼碼 法法 PCM 預(yù)測法預(yù)測法 正交變換法正交變換法 統(tǒng)計編碼統(tǒng)計編碼 其

2、他方法其他方法 常規(guī)編碼法常規(guī)編碼法亞奈氏取樣編碼法亞奈氏取樣編碼法標(biāo)準(zhǔn)法標(biāo)準(zhǔn)法自適應(yīng)法自適應(yīng)法標(biāo)準(zhǔn)法標(biāo)準(zhǔn)法自適應(yīng)法自適應(yīng)法標(biāo)準(zhǔn)法標(biāo)準(zhǔn)法自適應(yīng)法自適應(yīng)法行程編碼行程編碼輪廓編碼輪廓編碼第7頁/共73頁 5. 2 圖像編碼中的保真度準(zhǔn)圖像編碼中的保真度準(zhǔn)則則l客觀保真度準(zhǔn)則客觀保真度準(zhǔn)則l主觀保真度準(zhǔn)則主觀保真度準(zhǔn)則第8頁/共73頁 5.35.3.1 .1 PCM PCM 編碼的基本原理編碼的基本原理l脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（Pulse coding ModulationPulse coding ModulationPCM PCM ）是將模擬圖像）是將模擬圖像信號變?yōu)閿?shù)字信號的基本手段信號變

3、為數(shù)字信號的基本手段5. 3 編碼編碼第9頁/共73頁圖像取樣保持編碼傳輸信道解碼低通濾波解碼圖像量化圖圖53 PCM編、譯碼原理方框圖編、譯碼原理方框圖 限制頻帶,防止折疊誤差時間離散化幅度離散化多值變多比特多比特變多值內(nèi)插及平滑第10頁/共73頁 5.35.3.2 .2 PCM PCM 編碼的量化噪聲編碼的量化噪聲 l 量化是對時間離散的模擬信號進(jìn)行幅度離散化的過程，這個過程是量化是對時間離散的模擬信號進(jìn)行幅度離散化的過程，這個過程是去零取整的過程。去零取整的過程。圖圖54 量化噪聲與過載噪聲的形成量化噪聲與過載噪聲的形成第11頁/共73頁 5.45.4.3 .3 編碼器、譯碼器編碼器、譯

4、碼器 第12頁/共73頁 (a) (b)第13頁/共73頁 (c) (d)第14頁/共73頁 (e) (f) 圖圖 54 編碼位數(shù)對畫面質(zhì)量的影響編碼位數(shù)對畫面質(zhì)量的影響第15頁/共73頁第16頁/共73頁vuyout1 7/85/84/83/82/82/8 128164132116181 41 211vuxin（1） （2） （3)（4） （5） （6） （7） （8） 圖圖510 13折線壓擴(kuò)特性折線壓擴(kuò)特性(信號為正時的八段信號為正時的八段)6/8第17頁/共73頁5. 4 5. 4 統(tǒng)計編碼統(tǒng)計編碼高效編碼的主要方法是盡可能去除信源中的冗余成份，從而以最少的高效編碼的主要方法是盡可能去

5、除信源中的冗余成份，從而以最少的數(shù)碼率傳遞最大的信息量。冗余度存在于像素間的相關(guān)性及像素值出數(shù)碼率傳遞最大的信息量。冗余度存在于像素間的相關(guān)性及像素值出現(xiàn)概率的不均等性之中。對于有記憶性信源來說首先要去除像素間的現(xiàn)概率的不均等性之中。對于有記憶性信源來說首先要去除像素間的相關(guān)性，從而達(dá)到壓縮數(shù)碼率的目的。相關(guān)性，從而達(dá)到壓縮數(shù)碼率的目的。l根據(jù)像素灰度值出現(xiàn)概率的分布特性而進(jìn)行的壓縮編碼根據(jù)像素灰度值出現(xiàn)概率的分布特性而進(jìn)行的壓縮編碼叫統(tǒng)計編碼。叫統(tǒng)計編碼。第18頁/共73頁衡量編碼方法優(yōu)劣的準(zhǔn)則：衡量編碼方法優(yōu)劣的準(zhǔn)則：l編碼效率編碼效率l冗余度冗余度第19頁/共73頁設(shè)某個無記憶信源共有設(shè)

6、某個無記憶信源共有個消息，記作個消息，記作 。其中消息其中消息 u ui i(i=1,2,3M)(i=1,2,3M) 各自出現(xiàn)的概率分別各自出現(xiàn)的概率分別為為 ?？砂堰@個信源用下式表示?？砂堰@個信源用下式表示ppppM123, XuuuuppppMM123123, (522)uuuuM123, 根據(jù)該信源的消息集合，在字母集根據(jù)該信源的消息集合，在字母集 中選中選取符號進(jìn)行編碼。一般情況下取二元字母集取符號進(jìn)行編碼。一般情況下取二元字母集A A1, 01, 0。通常，這一離。通常，這一離散信源中的各個消息出現(xiàn)的概率并不相等。根據(jù)信息論中熵的定義，散信源中的各個消息出現(xiàn)的概率并不相等。根據(jù)信息論

7、中熵的定義，可計算出該信源的熵如下式可計算出該信源的熵如下式：Aaaaan ,123 第20頁/共73頁iaiMiPPXHlog1)( (523)式中式中H(X)代表熵，代表熵，Pi 代表第代表第i個消息出現(xiàn)的概率。個消息出現(xiàn)的概率。 第21頁/共73頁 例如，設(shè)一離散信源如下例如，設(shè)一離散信源如下 Xuuuu123412 14 18 18 由式由式(5(523)23)可算出該信源的熵可算出該信源的熵 H Xppiii()log 142 1212141418181818742222loglogloglog比特/消息第22頁/共73頁設(shè)對應(yīng)于每個消息的碼字由設(shè)對應(yīng)于每個消息的碼字由 Ni 個符號

8、組成。也就是說每個消息所對應(yīng)的個符號組成。也就是說每個消息所對應(yīng)的碼字長度各為碼字長度各為 Ni 。那么，每個消息的平均碼長可用下式表示。那么，每個消息的平均碼長可用下式表示iiMiNPN1(524) 式中式中 代表平均碼長，代表平均碼長，為信源中包含的消息的個數(shù)，為信源中包含的消息的個數(shù)，Pi 為為第第i i個消息出現(xiàn)的概率，個消息出現(xiàn)的概率，Ni 為第為第i個消息對應(yīng)的碼長。就平均而個消息對應(yīng)的碼長。就平均而言，每個符號所含有的熵為言，每個符號所含有的熵為: :SHXN() (525)N第23頁/共73頁HXNna()lo g式中式中 代表編碼效率，代表編碼效率，H H( (X X) )為

9、信源的熵，為信源的熵， 為平均碼長，為平均碼長，n為字為字母集合中的字母數(shù)。母集合中的字母數(shù)。 N (526) 顯然，如果顯然，如果 ，就說明還有冗余度。因此，就說明還有冗余度。因此，冗余度如下式表示冗余度如下式表示: :%100nNXHnNRd22log)(log1 (527)第24頁/共73頁例例: 一個信源一個信源X和一個字母集合和一個字母集合A如下如下 3 2, 1, A 81 81 41 u u u uX,0214321N 1121418181平均碼長平均碼長47)(XHbit/消息第25頁/共73頁所以所以bit)(818711874log1472dR顯然，編碼后還有顯然，編碼后還

10、有 bitbit的冗余度，沒有達(dá)到的冗余度，沒有達(dá)到 的最低限。的最低限。81N第26頁/共73頁An , ,0 12 uuuu13240 01 00 11 1 N 2121418182此時此時第27頁/共73頁742278178182l ogRd的冗余度的冗余度。18第28頁/共73頁例例：111:110:10:0:4321uuuu可計算出平均碼長可計算出平均碼長N11221431831874第29頁/共73頁7474212l o g冗余度冗余度 Rd 0第30頁/共73頁 5.5.25.5.2 幾種常用的統(tǒng)計編碼法幾種常用的統(tǒng)計編碼法l變長編碼是統(tǒng)計編碼中最為主要的一種方法。變長編碼的目標(biāo)

11、就是使平均變長編碼是統(tǒng)計編碼中最為主要的一種方法。變長編碼的目標(biāo)就是使平均碼長達(dá)到低限，也就是使碼長達(dá)到低限，也就是使 最優(yōu)，但是，這種最優(yōu)必須在一定的限制下最優(yōu)，但是，這種最優(yōu)必須在一定的限制下進(jìn)行。進(jìn)行。編碼的基本限制就是碼字要有單義性和非續(xù)長性。編碼的基本限制就是碼字要有單義性和非續(xù)長性。N第31頁/共73頁 表表54 四種代碼表四種代碼表 u112u241u381u481信 源概 率碼 碼 碼 碼 0000011 00 110 01 1 00 1 11 01 11 1 10 1 1 1第32頁/共73頁第33頁/共73頁5.5.3 5.5.3 霍夫曼碼霍夫曼碼霍夫曼碼變長編碼法能得到一

12、組最優(yōu)的變長碼。設(shè)原始信源有霍夫曼碼變長編碼法能得到一組最優(yōu)的變長碼。設(shè)原始信源有個消息，個消息，即：即：MMppppuuuuX321321 (528) 霍夫曼碼編碼步驟：霍夫曼碼編碼步驟： 第一步，把信源中的消息按出現(xiàn)的概率從大到小的順序排列，即：第一步，把信源中的消息按出現(xiàn)的概率從大到小的順序排列，即：Mpppp321第34頁/共73頁 第二步，把最后兩個出現(xiàn)概率最小的消息合并成一個消息，從第二步，把最后兩個出現(xiàn)概率最小的消息合并成一個消息，從而使信源的消息數(shù)減少一個，并同時再次將信源中的消息的概率而使信源的消息數(shù)減少一個，并同時再次將信源中的消息的概率從大到小排列一次，得：從大到小排列一

13、次，得：132113211MMppppuuuuX (529)第35頁/共73頁020102010p pu uXX0X0 (530) 第四步，將被合并的消息分別賦以第四步，將被合并的消息分別賦以1 1和和0 0或或0 0和和1 1。對最后。對最后 X0 中中的的 和和 對應(yīng)地賦以對應(yīng)地賦以1 1和和0 0或或0 0和和1 1。 u1002u第36頁/共73頁例：求下述信源的霍夫曼碼例：求下述信源的霍夫曼碼Xuuuuuu 0.25 0.20 0.15 0.10 0.051234560 25.由上述步驟，合并最小的兩項做一個新的信源由上述步驟，合并最小的兩項做一個新的信源0.15 0.15 0.20

14、 0.25 u u u u u X25.054321第37頁/共73頁u56u)(655uuu 0.30 0.20 0.25 u u u u X 325. 04 2 1第38頁/共73頁重排得重排得0.20 0.25 0.25 30.0 4321uuuuX將將 賦賦0， 賦賦1。將。將 和和 合并構(gòu)成新的信源合并構(gòu)成新的信源4u5uu3u430.0 321 uuuX第39頁/共73頁Xuuu. 0.30 0.251230 45將將u3賦賦0，u4賦賦1。最后則。最后則45.002 010uuX第40頁/共73頁Xuu010200 55 0.45. 賦賦1 1。u2賦賦0，u3賦賦1。最后。最后

15、賦賦0，u10u20第41頁/共73頁0.450.300.55碼字 消息 概率 0 11 01 10 0 00 0 1 00 0 1 11u2u3u4u5u6u0.250.250.200.150.100.050 1010.250.250.200 10.300.250101圖圖517 信源信源X的的霍夫曼編碼圖霍夫曼編碼圖0.150.45第42頁/共73頁 仙農(nóng)費(fèi)諾碼的編碼程序可由下述幾個步驟來完成：仙農(nóng)費(fèi)諾碼的編碼程序可由下述幾個步驟來完成： 5.5.45.5.4 仙農(nóng)費(fèi)諾碼仙農(nóng)費(fèi)諾碼第一步：設(shè)信源第一步：設(shè)信源有非遞增的概率分布有非遞增的概率分布XuuuuppppMM123123 (531)

16、其中其中Mpppp321。把把X X分成兩個子集合，得分成兩個子集合，得 Xuuuuppppkk1123123 (532)第43頁/共73頁 (534)成立或差不多成立。成立或差不多成立。 iMkiikipp11并且保證并且保證XuuuuppppkkkMkkkM2123123 (533)第44頁/共73頁 第二步第二步：給兩個子集中的消息賦值，：給兩個子集中的消息賦值，X1賦賦1 1，X2賦賦0 0，或給，或給X1賦賦0 0，X2賦賦1 1。 第三步第三步：重復(fù)第一步驟，將兩個子集：重復(fù)第一步驟，將兩個子集 ， 再細(xì)分為再細(xì)分為2 2個子集，并且個子集，并且也同樣使兩個小子集里消息的概率之和相

17、等或近似相等。也同樣使兩個小子集里消息的概率之和相等或近似相等。X1X2 第四步第四步 ：重復(fù)第二步驟賦值。以這樣的步驟重復(fù)下去，直到每個：重復(fù)第二步驟賦值。以這樣的步驟重復(fù)下去，直到每個子集內(nèi)只包含一個消息為止。對每個消息所賦過的值依次排列子集內(nèi)只包含一個消息為止。對每個消息所賦過的值依次排列出來就可以構(gòu)成仙農(nóng)費(fèi)諾碼出來就可以構(gòu)成仙農(nóng)費(fèi)諾碼第45頁/共73頁例：設(shè)有信源例：設(shè)有信源Xuuuuuuuu 1234567814141818116116116116其編碼流程圖如圖其編碼流程圖如圖5 51818所示。編碼表如表所示。編碼表如表5 57 7所示。如果對各子集賦以另所示。如果對各子集賦以另

18、外一種值，即外一種值，即1 1，0 0，那么，同樣會得到另一種編碼結(jié)果，其編碼表如表，那么，同樣會得到另一種編碼結(jié)果，其編碼表如表5 58 8所示。所示。第46頁/共73頁 碼字 消息 概率000110010111001101111011111u2u3u4u5u6u7u8u圖圖518 仙農(nóng)仙農(nóng)-費(fèi)諾碼編碼流程圖費(fèi)諾碼編碼流程圖1/81/81/161/161/161/16010101010 10 10 1第47頁/共73頁第48頁/共73頁4321,aaaa5 5.6 .6 算術(shù)編碼（算術(shù)編碼（Arithmetic codingArithmetic coding）第49頁/共73頁1a2a3a4

19、a符號符號概率（十概率（十進(jìn)制）進(jìn)制）1/81/81/41/41/21/21/81/8概率（二概率（二進(jìn)制）進(jìn)制）0 00010010 001010 01 10 0001001累積概率累積概率0 00 00010010 00110110 0111111第50頁/共73頁概率區(qū)間表示概率大小累積概率第51頁/共73頁第52頁/共73頁 預(yù)測編碼方法主要有二種。預(yù)測編碼方法主要有二種。l一種是一種是( (Delta modulation)Delta modulation) DMDM編碼法編碼法l另一種是另一種是DPCM (Differential Pulse Code Modulation)DPC

20、M (Differential Pulse Code Modulation)編碼法編碼法 5.5 預(yù)測編碼預(yù)測編碼 第53頁/共73頁5.7.1 預(yù)測編碼的基本原理預(yù)測編碼的基本原理 xxxxxinn112233(538)exxiii 預(yù)測編碼就是要對誤差預(yù)測編碼就是要對誤差 進(jìn)行編碼，而不是對樣值直接編碼。進(jìn)行編碼，而不是對樣值直接編碼。ei第54頁/共73頁ixie編碼 )(ns)(ns 譯碼 ieixixix23nn3211x2x3xnxnx3x2x1x（a） (b)圖圖521 預(yù)測編碼原理預(yù)測編碼原理1第55頁/共73頁5.5.2 5.5.2 （DMDM）編碼）編碼 1 .編碼的基本原

21、理編碼的基本原理 M M編碼基本原理框圖如圖編碼基本原理框圖如圖527527所示，所示，(a)(a)為編碼原理框圖，為編碼原理框圖，(b)(b)為譯碼原理框圖。為譯碼原理框圖。M M編碼器包括比較器、本地譯碼器和脈沖形成器三個部分。編碼器包括比較器、本地譯碼器和脈沖形成器三個部分。第56頁/共73頁)(tf)(tf)(te)(tfCP )(ns)(ns圖圖527 編碼、譯碼原理方框圖編碼、譯碼原理方框圖定時判決本地譯碼低通濾波譯碼第57頁/共73頁e t ( ) M編碼器實(shí)際上就是編碼器實(shí)際上就是1bit1bit編碼的預(yù)測編碼器。它用一位碼字來表示編碼的預(yù)測編碼器。它用一位碼字來表示e tf

22、tf t( )( )( ) (553)式中式中f(t)(t)為輸入視頻信號，為輸入視頻信號， 是是 f(t) (t) 的預(yù)測值。的預(yù)測值。當(dāng)差值當(dāng)差值e(t)e(t)為一個正的增量時用為一個正的增量時用“1”1”碼來表示，碼來表示，當(dāng)差值當(dāng)差值e(t)e(t)為一個負(fù)的增量時用為一個負(fù)的增量時用“0”0”碼來表示。碼來表示。( )f t第58頁/共73頁 2. 2. M M編碼的基本特性編碼的基本特性 lM M編碼性能主要由斜率過載特性、量化噪聲以及量化信噪比等編碼性能主要由斜率過載特性、量化噪聲以及量化信噪比等性能來衡量性能來衡量 第59頁/共73頁 5.5.5.3 DPCM5.3 DPCM

23、編碼編碼 預(yù)測編碼的另一種有用的形式是預(yù)測編碼的另一種有用的形式是DPCM編碼編碼(Differential Pulse Code Modulation)。這實(shí)際上是。這實(shí)際上是M和和PCM兩種技術(shù)相結(jié)合的編碼方法。兩種技術(shù)相結(jié)合的編碼方法。 1. DPCM編碼的基本原理編碼的基本原理利用積分器根據(jù)利用積分器根據(jù)一行上前樣本值一行上前樣本值預(yù)測現(xiàn)樣本值，并且把現(xiàn)樣本值與其預(yù)測現(xiàn)樣本值，并且把現(xiàn)樣本值與其估計值的差值進(jìn)行量化和編碼。這就是估計值的差值進(jìn)行量化和編碼。這就是DPCMDPCM的基本設(shè)計思想。的基本設(shè)計思想。第60頁/共73頁)(tf)(te)(nS)(tf)(nS)(te)(tf)(tf圖圖537 DPCM編、譯碼原理框圖編、譯碼原理框圖編碼器預(yù)測器解碼器預(yù)測器第61頁/共73頁5. 6 變換編碼變換編碼變換編碼的通用模型如下圖所示變換編碼的通用模型如下圖所示 圖圖542 圖像變換編碼模型圖像變換編碼模型映射變換量化器編碼器)(tf)(nS第62頁/共73頁圖像變換編碼基本可分為兩大類：圖像變換編碼基本可分為兩大類：l 某些特殊的映射變換編碼法某些特殊的映射變換編碼法l 函數(shù)變換編碼法函數(shù)變換編碼法 5.6.1 幾種特殊的映射變換編碼法幾種特殊的映射變換編碼法 1）、一維行程編碼一維行程編碼 一維行程編碼的概念如圖一維行程編碼的概念如圖5 54242所示。所示。第