數(shù)字圖像處理7 圖象編碼與壓縮-new

第六章圖象編碼與壓縮主要內(nèi)容：一、圖象編碼的必要性

二、圖象編碼的分類

三、圖象編碼中的保真度準(zhǔn)則 四、編碼的性能參數(shù) 五、統(tǒng)計編碼

六、預(yù)測編碼 七、變換編碼 八、圖象編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)2023/1/311第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮Ⅰ、圖像編碼技術(shù)的研究背景：1.信息傳輸方式發(fā)生了很大的改變通信方式的改變

文字+語音圖像+文字+語音通信對象的改變

人與人人與機(jī)器，機(jī)器與機(jī)器概述2023/1/312第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮

2.圖像傳輸與存儲需要的信息量空間：1）彩色視頻信息

對于電視畫面的分辨率640*480的彩色圖像，每秒30幀，則一秒鐘的數(shù)據(jù)量為：640*480*24*30=221.12M

所以播放時，需要221Mbps的通信回路。參考數(shù)據(jù)：寬帶網(wǎng)為512K,電話線為56K。

存儲時，1張CD可存640M，則僅可以存放2.89秒的數(shù)據(jù)。2023/1/313第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮

2）傳真數(shù)據(jù)如果只傳送2值圖像，以200dpi的分辨率傳輸，一張A4稿紙的內(nèi)容的數(shù)據(jù)量為：1654*2337*1=3888768bit

按目前14.4K的電話線傳輸速率，需要傳送的時間是：270秒（4.5分）

2023/1/314第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮

由于通信方式和通信對象的改變帶來的最大問題是：

傳輸帶寬、速度、存儲器容量的限制。給我們帶來的一個難題，也給了我們一個機(jī)會：

如何用軟件的手段來解決硬件上的物理極限。2023/1/315第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮圖像信息源圖像預(yù)處理圖像信源

編碼信道編碼調(diào)制信道傳輸解調(diào)信道解碼圖像信源

解碼顯示圖像

圖像通信系統(tǒng)模型2023/1/316第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮Ⅱ、圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念

你的朋友，阿杰，將于明天晚上6點零5分在武漢的天河機(jī)場接你。

(25*2+5=55個半角字符)

阿杰將于明天晚上6點零5分在天河機(jī)場接你。

(18*2+3=39個半角字符）

阿杰明晚6點在天河接你。

(10*2+1=27個半角字符）結(jié)論：只要接收端不會產(chǎn)生誤解，就可以減少承載信息的數(shù)據(jù)量。2023/1/317第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮描述語言

1）“這是一幅2*2的圖像，圖像的第一個像素是紅的，第二個像素是紅的，第三個像素是紅的，第四個像素是紅的”。

2）“這是一幅2*2的圖像，整幅圖都是紅色的”。

由此我們知道，整理圖像的描述方法可以達(dá)到壓縮的目的。2023/1/318第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮圖像冗余無損壓縮的原理RGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGB16RGB從原來的16*3*8=284bits壓縮為：(1+3)*8=32bits2023/1/319第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮圖像冗余有損壓縮的原理363534343434343234343337303434343434343434353434313434343434343434343434343434343434343434343434343425342023/1/3110第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮視覺心理冗余：

一些信息在一般視覺處理中比其它信息的相對重要程度要小，這種信息就被稱為視覺心理冗余。2023/1/3111第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮圖象的視覺冗余（彩色）

R

G

B2488822*2*2=242=16,777,216(248,27,4)(251,32,15)(248,27,4)(248,27,4)2023/1/3112第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮Ⅲ、圖像冗余信息分析結(jié)論

由于一幅圖像存在數(shù)據(jù)冗余和主觀視覺冗余，我們的壓縮方式就是從這兩方面著手來開展的。1）因為有數(shù)據(jù)冗余，當(dāng)我們將圖像信息的描述方式改變之后，可以壓縮掉這些冗余。2）因為有主觀視覺冗余，當(dāng)我們忽略一些視覺不太明顯的微小差異，可以進(jìn)行所謂的“有損”壓縮。2023/1/3113第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮一、圖象編碼的必要性圖象編碼與壓縮圖象編碼與壓縮，本質(zhì)上來說，就是對圖象源數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則進(jìn)行變換和組合，從而達(dá)到以盡可能少的代碼來表示盡可能多的數(shù)據(jù)信息。壓縮通過編碼來實現(xiàn)，或者說編碼帶來壓縮的效果，所以，一般把此項處理稱之為壓縮編碼。編碼的必要性一幅模擬圖象必須經(jīng)過脈碼調(diào)制（PCM—PulseCodeModulation)才能變成數(shù)字圖象。（PCM有時也指對信號進(jìn)行采樣、量化并以適當(dāng)碼字將其編碼的各個過程的總稱）2023/1/3114第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮模擬圖象空間采樣PCM的過程：中間體幅值量化中間體數(shù)字圖象編碼例：設(shè)一幅活動圖象的空間分辨率為N,灰度分辨率為b,時間分辨率為fB,則在實時傳輸過程中，該圖象在傳輸通道里的傳輸率至少應(yīng)該為ρ=NbfB若N=512512,b=8,fB=25,則ρ=52.4Mbps2023/1/3115第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮例：地球資源衛(wèi)星(LANDSAT)一幀圖象(4幅)的數(shù)據(jù)量為：2340234074=153,316,800153Mb衛(wèi)星每天要獲取很多幅圖象，這些數(shù)據(jù)都先暫時存儲在衛(wèi)星體內(nèi)的磁性存儲器中，當(dāng)衛(wèi)星飛過地面接收站的有效接收區(qū)域時，迅速將這些數(shù)據(jù)全部送到地面。2023/1/3116第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮圖象編碼的目的：節(jié)省存儲空間；減少傳輸時間；利于處理，降低處理成本。圖象數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼壓縮、傳輸、解碼以及重建圖象數(shù)據(jù)的流程如下圖所示：原始圖象數(shù)據(jù)編碼器被壓縮的圖象數(shù)據(jù)重建圖象數(shù)據(jù)解碼器被壓縮的圖象數(shù)據(jù)通道2023/1/3117第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮二、圖象編碼壓縮分類a)從應(yīng)用角度分類靜止圖象編碼，活動圖象編碼，二值圖象編碼b)從信息保持程度角度分類有損壓縮（保真度編碼，特征抽取編碼）無損壓縮（信息保持壓縮，熵保持壓縮）c)從具體的編碼技術(shù)角度分類空域法，變換域法預(yù)測編碼，變換編碼，統(tǒng)計編碼，等2023/1/3118第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮三、圖象編碼中的保真度準(zhǔn)則圖象品質(zhì)的核心問題是逼真度問題。經(jīng)過處理的圖象（包括經(jīng)過壓縮編碼后的圖象）與一個標(biāo)準(zhǔn)圖象之間的偏差可以作為圖象逼真度（保真度）的度量。這一偏差，包括亮度，色度，分辨率以及某些心理物理學(xué)參數(shù)。（偏差應(yīng)該在允許的范圍之內(nèi)）a)客觀保真度準(zhǔn)則設(shè)f(x,y)是輸入圖象，f’(x,y)是輸出圖象,定義偏差e(x,y)=f(x,y)-f’(x,y),則以下的參數(shù)可作為保真度準(zhǔn)則：2023/1/3119第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮b)主觀保真度準(zhǔn)則1234567很差較差稍差相同稍好較好很好挑選一定數(shù)量的觀察者進(jìn)行評價。2023/1/3120第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮四、編碼的性能參數(shù)圖象信息熵H(d)與平均碼長R(d)令：是圖象象素灰度級集合其對應(yīng)的頻率為：定義：（單位：比特/象素）令：是對應(yīng)象素灰度級的編碼長度定義：（單位：比特/象素）問題：如何度量編碼方法的優(yōu)劣？（速度，效率，保真度）2023/1/3121第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮稱H(d)為該圖象的平均信息熵，R(d)為平均編碼長度。編碼效率冗余度冗余大致分為三類1）編碼冗余符號序列碼字（碼字長度）2023/1/3122第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮2）象素間相關(guān)性冗余幀間象素信息冗余，幀內(nèi)象素信息冗余。3）視覺冗余人眼對所有視覺信息并不是都具有相同的敏感度；人眼的空間分辨率，時間分辨率。消除冗余能達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的效果。2023/1/3123第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮第一代壓縮編碼

1948-1988年40年研究的以去除冗余為基礎(chǔ)的編碼方法為第一代編碼方法，主要是根據(jù)傳統(tǒng)的信源編碼方法。（PCM,DPCM,經(jīng)典變換編碼，統(tǒng)計編碼等）第二代壓縮編碼

八十年代以后，突破信源編碼理論，結(jié)合分形、模型基、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等數(shù)學(xué)工具，充分利用視覺系統(tǒng)生理心理特性和圖像信源的各種特性。從實用方案角度來分，可分為三大類：預(yù)測編碼，統(tǒng)計編碼，變換編碼。2023/1/3124第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮像素編碼變換編碼預(yù)測編碼位平面編碼增量調(diào)制熵編碼算術(shù)編碼DCT變換DPCM調(diào)制第一代壓縮編碼其它編碼行程編碼2023/1/3125第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮子帶編碼模型編碼分層編碼分型編碼第二代壓縮編碼2023/1/3126第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮熵與平均碼字長度1）H(d)<R(d)時，一定可以設(shè)計出某種平均碼字長更短的無失真編碼方法。2）平均碼字長小于H(d)的無失真編碼方法不存在。熵編碼使編碼后的圖象的平均碼字長度盡可能接近圖象的熵H?；舅悸肥牵焊怕蚀蟮幕叶燃売枚檀a字，概率小的，用長碼字。五、統(tǒng)計編碼根據(jù)圖象像素灰度值出現(xiàn)的概率的分布特性而進(jìn)行的壓縮編碼叫統(tǒng)計編碼。2023/1/3127第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮行程編碼(RLE編碼)基本原理：通過改變圖像的描述方式，來實現(xiàn)壓縮。將一行中顏色值相同的相鄰像素用一個計數(shù)值和該顏色值來代替。舉例說明：

aaaa

bbb

cc

d

eeeee

fffffff

(共22*8=176bits)

4a3b2c1d5e7f(共12*8=96bits)2023/1/3128第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮

Huffman編碼（熵編碼）基本原理：為了達(dá)到更大的壓縮率，提出了一種方法，就是將在圖像中出現(xiàn)頻度大的像素值給一個比較短的編碼，將出現(xiàn)頻度小的像數(shù)值給一個比較長的編碼。2023/1/3129第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮Huffman編碼原圖象輸入概率統(tǒng)計構(gòu)造H樹生成H樹編碼壓縮存儲傳輸解碼復(fù)原基本霍夫曼編碼系統(tǒng)框圖2023/1/3130第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮算法1）將灰度級按概率大小進(jìn)行排序（降序），每個灰度級作為一個葉子結(jié)點，形成一棵樹；2）將兩個根節(jié)點概率最小的樹，合并（規(guī)則：這兩個結(jié)點構(gòu)造一個雙親結(jié)點，雙親結(jié)點的概率大小是兩者之和）；重復(fù)1)2),直到只有一個樹為止；3）設(shè)所有左后代為0，右后代為1特點優(yōu)點：即時碼；最優(yōu)碼缺點：當(dāng)需要對大量符號進(jìn)行編碼時，構(gòu)造最優(yōu)霍夫曼碼的計算量會很大。2023/1/3131第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮x1x2x3x4x5x6x7x80.400.180.100.100.070.060.050.04x8:0.040.09x6:0.06x5:0.070.13x4:0.10x3:0.100.190.23x2:0.180.370.60x1:0.401.000000001111111110x1:1x2:001x3:011x4:0000x5:0100x6:0101x7:00010x8:00011x7:0.05例02023/1/3132第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮平均碼長：信息熵：編碼效率：2023/1/3133第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮Shannon-Fano編碼算法1）將灰度級概率按非遞增排序；2）按概率之和相近或相等原則將灰度級集一分為二；3）將以上分割準(zhǔn)則遞歸地應(yīng)用到灰度級子集，直至最終子集只有一個灰度級為止；4）在分割過程中，分別給所分得的兩個子集賦予0和1。2023/1/3134第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮101010101010100.040.050.060.070.100.100.180.40x8x7x6x5x4x3x2x1例：x1:00x2:01x3:100x4:101x5:1100x6:1101x7:1110x8:11112023/1/3135第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮平均碼長：信息熵：編碼效率：2023/1/3136第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮六、預(yù)測編碼*預(yù)測編碼（PredictiveCoding)，就是根據(jù)“過去”的時刻的像素值，運(yùn)用一種模型，預(yù)測當(dāng)前的像素值，預(yù)測編碼通常不直接對信號編碼，而是對預(yù)測誤差進(jìn)行編碼。當(dāng)預(yù)測比較準(zhǔn)確，誤差較小時，即可達(dá)到編碼壓縮的目的。原理：對圖象的一個像素的離散幅度的真實值，利用其相鄰象素的相關(guān)性，預(yù)測它的下一個象素的可能值，再求兩者差，對這種具有預(yù)測性質(zhì)的差值，量化，編碼，就可以達(dá)到壓縮的目的。2023/1/3137第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮輸入圖象預(yù)測器n量化器編碼器‘n解碼器傳輸‘n輸出圖象預(yù)測器預(yù)測編碼示意圖2023/1/3138第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮預(yù)測器：是根據(jù)前面幾個像素的亮度值預(yù)測而得量化器：對n進(jìn)行舍入，整量化編碼器：可采用成熟的編碼技術(shù)，如Huffman編碼等解碼器：編碼器的逆線性預(yù)測器：2023/1/3139第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮例：2 4 6 8 8 4 2 102

4 3 5 7 8 6 32

4 3 3 1 4 4 72 4 6 8 8 4 2 10^f預(yù)測器2023/1/3140第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮在預(yù)測編碼中，最常用的是差分脈碼調(diào)制（DifferentialPulseCodeModulation,DPCM)，原理圖如下所示：輸入預(yù)測器n量化器編碼器‘n解碼器傳輸‘n預(yù)測器輸出2023/1/3141第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮收端解碼時的預(yù)測過程與發(fā)端相同，所用預(yù)測器也相同，收端輸出的信號是發(fā)端的近似值，兩者的誤差是注意：1）多點預(yù)測；x1x2x3x2023/1/3142第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮3）預(yù)測系數(shù)隨著不同的圖象而不同，但對每幅圖象都計算預(yù)測系數(shù)太麻煩，也不現(xiàn)實，可參考前人得到的數(shù)據(jù)選擇使用。在靜止圖象壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)(JPEG)中，對這種方法的前置點形式以及預(yù)測系數(shù)有一推薦值可供參考。2)每行的最開始的幾個像素?zé)o法預(yù)測，這些像素需要用其他方式編碼，這是采用預(yù)測編碼所需要的額外操作；2023/1/3143第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮七、變換編碼*原理：圖象數(shù)據(jù)經(jīng)過正交變換后，其變換系數(shù)具有一定的相互獨立性，（例如，對于FT來說，頻普系數(shù)大的變換系數(shù)均集中在低頻部分，而高頻部分的幅值均很小，因而可以對低頻的變換系數(shù)量化、編碼和傳輸，對高頻部分不處理，這樣可以達(dá)到圖象壓縮的目的。構(gòu)造子圖象正交變換量化編碼解碼反正交變換合并子圖象變換編碼的一般系統(tǒng)框圖輸入輸出2023/1/3144第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮八、圖象編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)圖象編碼標(biāo)準(zhǔn)：

JBIG，H.26x，JPEG，MPEG國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ID）和國際電報電話咨詢委員會（CCITT）聯(lián)合成立的專家組JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）于1991年3月提出了ISOCDIO918號建議草案:多灰度靜止圖像的數(shù)字壓縮編碼（通常簡稱為JPEG標(biāo)準(zhǔn)）。這是一個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)。它包括基于DPCM（差分脈沖編碼調(diào)制）、DCT（離散余弦變換）和Huffman編碼的有損壓縮算法兩個部分。JPEG2023/1/3145第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮JPEG壓縮編碼算法的主要計算步驟如下：正向離散余弦變換(FDCT)。量化(quantization)。Z字形編碼(zigzagscan)。使用差分脈沖編碼調(diào)制(differentialpulsecodemodulation，DPCM)對直流系數(shù)(DC)進(jìn)行編碼。使用行程長度編碼(run-lengthencoding，RLE)對交流系數(shù)(AC)進(jìn)行編碼。熵編碼(entropycoding)。2023/1/3146第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮2023/1/3147第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮2023/1/3148第五章圖象編碼第六章圖像編碼與壓縮0156141527282471316262942381217253041439111824314044531019233239455254202233384651556021343747505659613536