CH10 圖像編碼基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)

第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

ImageCodingTechniquesandStandard張淑軍青島科技大學(xué)信息學(xué)院第10章

圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)本章教學(xué)目標(biāo)（1）掌握預(yù)測編碼和變換編碼原理（2）掌握無損/有損預(yù)測編碼系統(tǒng)模型（3）掌握基于DCT的變換編碼系統(tǒng)組成，并理解各操作模塊（4）掌握J(rèn)PEG國際標(biāo)準(zhǔn)，了解其他圖像國際標(biāo)準(zhǔn)第2頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第3頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第10章

圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1預(yù)測編碼10.2變換編碼

10.3靜止圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)

10.4運(yùn)動圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)10.1預(yù)測編碼如果能夠根據(jù)前面n個像素的灰度值，預(yù)測后面像素的灰度值，則可以進(jìn)行壓縮如果整幅圖像灰度值之間都存在一些確定的、可預(yù)測的關(guān)系，則可根據(jù)這些灰度值之間的差異進(jìn)行壓縮，而不必存儲每一個像素點(diǎn)的灰度值這就是預(yù)測編碼的思路。特點(diǎn)空域方法，消除像素間的冗余第4頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第5頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1預(yù)測編碼基本思想通過僅對每個像素中提取的新信息（像素實(shí)際灰度值與預(yù)測值的差）進(jìn)行編碼來消除像素間的冗余像素間的相關(guān)性使得預(yù)測成為可能包括：（1）無損預(yù)測編碼 （2）有損預(yù)測編碼第6頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.1無損預(yù)測編碼（1）無損預(yù)測編碼系統(tǒng)（LosslessPredictiveCoding）系統(tǒng)組成：

編碼器+解碼器（有相同的預(yù)測器）

10.1.1無損預(yù)測編碼編解碼過程第7頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第8頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.1無損預(yù)測編碼無損預(yù)測編碼過程：

輸入序列：輸入圖像的像素序列fn

(n=1,2,…)

預(yù)測輸出：（舍入成整數(shù)）預(yù)測誤差：

誤差編碼：在符號編碼器中用變長碼對誤差進(jìn)行編碼解壓序列：

哪里取得了壓縮？（消除了像素間冗余）

當(dāng)圖像存在像素間冗余時，像素之間常常有較強(qiáng)的規(guī)律性，因此預(yù)測誤差常常在很小的范圍內(nèi)，對這些誤差進(jìn)行編碼當(dāng)然比對源圖像的每個像素值進(jìn)行編碼簡單的多，達(dá)到了壓縮的目的第9頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.1無損預(yù)測編碼不同的預(yù)測器：

m階線性預(yù)測：當(dāng)前值需要前面的m個值來進(jìn)行預(yù)測

1-D線性預(yù)測：只用同一行/列的前面像素值來預(yù)測

一階1-D線性預(yù)測（也稱前值預(yù)測器，差分編碼）第10頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.1無損預(yù)測編碼例：一維線性預(yù)測器

左圖為a=1時的預(yù)測誤差圖像原圖像和預(yù)測圖像的直方圖預(yù)測誤差的變化比原圖像灰度變化要小得多10.1.2有損預(yù)測編碼有損編碼：犧牲圖像復(fù)原的準(zhǔn)確度以換取壓縮能力的增加。如果產(chǎn)生的失真可以容忍，則壓縮能力的增加是有效的。有損壓縮方法的壓縮比：

在圖像壓縮比大于30:1時，仍然能夠重構(gòu)圖像。

在圖像壓縮比為10:1到20:1時，重構(gòu)圖像與原圖幾乎沒有差別。

無損壓縮的壓縮比很少有能超過3:1的。有損壓縮和無損壓縮的根本差別在于有沒有量化器有損預(yù)測編碼和變換編碼都是有損壓縮。第11頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.2有損預(yù)測編碼有損預(yù)測編碼的基本思想對預(yù)測誤差進(jìn)行量化，通過消除心理視覺冗余，達(dá)到對圖像進(jìn)一步壓縮的目的。算法演變無損預(yù)測壓縮的基礎(chǔ)是：原圖像值fn與預(yù)測值之間的誤差，有公式：

解碼與編碼使用相同的預(yù)測器

有損預(yù)測編碼的演變——引入量化第12頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第13頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.2有損預(yù)測編碼（2）有損預(yù)測編碼系統(tǒng)（LossyPredictiveCoding）系統(tǒng)組成：

增加了1個量化器，預(yù)測器放在1個反饋環(huán)中10.1.2有損預(yù)測編碼有損預(yù)測編碼過程量化器插在符號編碼器和預(yù)測誤差產(chǎn)生處之間，把原來無損編碼器中的整數(shù)舍入模塊吸收了進(jìn)來；量化器將預(yù)測誤差映射到輸出中，確定了有損預(yù)測編碼中的壓縮量和失真量；反饋環(huán)的輸入是過去預(yù)測和與其對應(yīng)的量化誤差的函數(shù)：第14頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第15頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.2有損預(yù)測編碼有損預(yù)測編碼系統(tǒng)中的數(shù)據(jù) 輸入序列：fn

(n=1,2,…)

量化輸出： 預(yù)測輸入： 解壓序列： 編碼誤差： 哪里又取得了壓縮？（量化，減少了心理視覺冗余）

將多個誤差值量化為有限級別

第16頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.2有損預(yù)測編碼

例：德爾塔調(diào)制（DM編碼）

預(yù)測器

量化器 預(yù)測系數(shù)a≤

1，常數(shù)c>0

符號編碼器只用1比特碼字（0/1）描述，因此DM方法得到的碼率是1比特/像素。第17頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.2有損預(yù)測編碼誤差問題失真問題是有損預(yù)測編碼面臨的共同問題，失真的嚴(yán)重程度與量化和預(yù)測方法及它們間的相互作用有關(guān)。但預(yù)測器和量化器往往是獨(dú)立設(shè)計。預(yù)測器在設(shè)計中認(rèn)為量化器沒有誤差，而量化器在設(shè)計中只是考慮最小化自身的誤差。（1）最優(yōu)預(yù)測

（2）最優(yōu)量化第18頁第9章圖像編碼10.1.2有損預(yù)測編碼（1）最優(yōu)預(yù)測

4階線性預(yù)測器四個例子：第19頁第9章圖像編碼10.1.2有損預(yù)測編碼例10.1.3采用3種預(yù)測器的DPCM預(yù)測效果比較一階二階三階預(yù)測后的解碼圖預(yù)測誤差圖像：誤差隨預(yù)測器階數(shù)的增加而減小采用德爾塔2級量化器第20頁第9章圖像編碼10.1.2有損預(yù)測編碼（2）最優(yōu)量化量化函數(shù)最優(yōu)量化器的設(shè)計就是要在給定優(yōu)化準(zhǔn)則和輸入概率密度函數(shù)的條件下，選擇最優(yōu)的和。第21頁第9章圖像編碼10.1.2有損預(yù)測編碼（2）最優(yōu)量化

以下量化器稱為L級

Lloyd－Max量化器：q(s)奇函數(shù)第22頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第10章

圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

10.1預(yù)測編碼

10.2變換編碼

10.3靜止圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)

10.4運(yùn)動圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)第23頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.2變換編碼基于圖像變換的編碼方法（頻域）用一個可逆的、線性的變換（如傅立葉變換），把圖像映射到變換系數(shù)集合，然后對該系數(shù)集合進(jìn)行量化和編碼。大多數(shù)圖像變換得到的系數(shù)值都很小，這些系數(shù)可以較粗地量化，或忽略不計，且僅以較小的圖像失真為代價。雖然失真很小，信息仍然不能完全復(fù)原，所以還是有損壓縮。

第24頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.2變換編碼變換編碼的基本思想舉例

原始圖像 相應(yīng)的DCT系數(shù)第25頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.2.1基于DCT的變換編碼典型的變換編碼（TransformCoding）系統(tǒng)編碼部分由4個操作模塊構(gòu)成：構(gòu)造子圖像、正變換、量化和符號編碼。解碼部分由與編碼部分相反排列的一系列逆操作模塊構(gòu)成壓縮不是在變換中，而是在量化變換系數(shù)時及編碼中取得的變換編碼的步驟構(gòu)造子圖像：一幅NN圖像先被分解成尺寸為nn的子圖像，通過變換這些子圖像，得到個nn的子圖像變換數(shù)組。（減小變換的復(fù)雜度）正向變換：解除每個子圖像內(nèi)部像素之間的相關(guān)性，將盡可能多的信息集中到盡可能少的變換系數(shù)上。

量化：有選擇地消除或較粗糙地量化攜帶信息最少的系數(shù)，因?yàn)樗鼈儗χ亟ǖ淖訄D像的質(zhì)量影響最小。

符號編碼：對量化的系數(shù)進(jìn)行編碼（常用變長碼）第26頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.2.1基于DCT的變換編碼第27頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)現(xiàn)變換編碼算法的主要問題子圖像尺寸的選擇變換的選擇比特分配（位分配）10.2.1基于DCT的變換編碼第28頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)1、子圖像尺寸選擇計算量隨子圖像尺寸的增加而增加塊效應(yīng)和誤差隨子圖像尺寸的增加而減小子圖像的長和寬n應(yīng)該是2的整數(shù)次冪，為便于降低計算復(fù)雜度。n一般選為88或1616（已成為國際標(biāo)準(zhǔn)）NNnnnnnnnnnnnn10.2.1基于DCT的變換編碼第29頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

變換編碼重建誤差與子圖像尺寸的關(guān)系10.2.1基于DCT的變換編碼第30頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)例：子圖像尺寸的影響（保留20％的DCT系數(shù)）右圖依次為：重構(gòu)圖；誤差圖；放大原局部圖；2×2的結(jié)果；4×4的結(jié)果；8×8的結(jié)果2×2圖有塊效應(yīng)10.2.1基于DCT的變換編碼第31頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)2、變換的選擇一個能把最多的信息集中到最少的系數(shù)上去的變換所產(chǎn)生的重建均方誤差最小不同變換的信息集中能力不同 正弦類變換（如DFT和DCT）較優(yōu) 非正弦類變換（如WHT:Walsh-Hadamard）實(shí)現(xiàn)簡單 小波變換計算快且有局部性質(zhì)（不需分解）10.2.1基于DCT的變換編碼第32頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)常用的變換：DFT，WHT，DCT

都是正交和可分離變換集中能力：DCT>DFT>WHT

所需計算量：DFT>DCT>WHTDFT的塊效應(yīng)嚴(yán)重。常用的是DCT，已被國際標(biāo)準(zhǔn)采納，作成芯片。其優(yōu)點(diǎn)有：基本沒有塊效應(yīng)。信息封裝能力強(qiáng)，把最多的信息封裝在最少的系數(shù)中。10.2.1基于DCT的變換編碼第33頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)例：變換的選擇比較對512×512的單色圖的3種近似。先分割成8×8的子圖像，變換后截去50％的系數(shù)，再逆變換。括號內(nèi)為逆變換后圖像對應(yīng)的均方誤差。DFT(1.28)WHT(0.86)DCT(0.68)10.2.1基于DCT的變換編碼第34頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)3、比特分配（BitAllocation）比特分配：對變換子圖像的系數(shù)截斷、量化和編碼的全過程稱為比特分配。截斷誤差與兩個因素有關(guān)： ①截除的變換系數(shù)的數(shù)量和相對重要性 ②用來表示所保留系數(shù)的精度（量化）保留系數(shù)的2個準(zhǔn)則 ①最大方差準(zhǔn)則，稱為分區(qū)編碼 ②最大幅度準(zhǔn)則，稱為閾值編碼10.2.1基于DCT的變換編碼第35頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)(1)分區(qū)編碼系數(shù)截斷：保留具有最大方差的系數(shù)（通常集中于接近圖像變換的原點(diǎn)處，左上角為原點(diǎn)）形成分區(qū)模板：最大方差位置的系數(shù)為1，其他為0對所有子圖像使用同一個模板10.2.1基于DCT的變換編碼第36頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)量化和編碼①先設(shè)定分區(qū)模板確定哪些系數(shù)要保留（圖a）②再對保留的系數(shù)進(jìn)行變長編碼（圖b）10.2.1基于DCT的變換編碼第37頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)(2)閾值編碼

根據(jù)子圖像特性自適應(yīng)選擇要保留的變換系數(shù)

將系數(shù)排隊，與閾值比較確定去舍

對所有子圖像用一個全局閾值

對各個子圖像分別用不同的閾值

根據(jù)子圖像中各系數(shù)的位置選取閾值10.2.1基于DCT的變換編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼10.2.2基于DWT的變換編碼小波變換（WaveletTransformation）編碼簡介法國工程師J.Morlet在1974年首先提出與Fourier變換相比，小波變換是空間（時間）和頻率的局部變換，因而能有效地從信號中提取信息。通過伸縮和平移等運(yùn)算功能可對函數(shù)或信號進(jìn)行多尺度的細(xì)化分析，解決了Fourier變換不能解決的許多困難問題。小波變換的計算效率很高，且本質(zhì)上具有局部性小波變換被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”，應(yīng)用廣泛第53頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)小波（Wavelet）的含義顧名思義，“小波”就是小區(qū)域、長度有限、均值為0的波形。所謂“小”是指它具有衰減性；而稱之為“波”則是指它的波動性，其振幅正負(fù)相間的震蕩形式。小波變換（WT）與FT的區(qū)別-FT的基函數(shù)是正弦函數(shù)-WT則基于一些小波，具有變化的頻率和有限的持續(xù)時間第54頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.2.2基于DWT的變換編碼小波變換編碼系統(tǒng)：基本思路也是通過變換減小各像素間的相關(guān)性以獲得壓縮數(shù)據(jù)的效果與采用正交變換（如DCT）的編解碼系統(tǒng)不同，小波變換編解碼系統(tǒng)中沒有圖像分解模塊（本身具有局部性）第55頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.2.2基于DWT的變換編碼第56頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第10章

圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

10.1預(yù)測編碼10.2變換編碼

10.3靜止圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)

10.4運(yùn)動圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)10.3靜止圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)圖像的主要數(shù)據(jù)文件壓縮方式1．BMP圖像文件格式：不進(jìn)行任何壓縮2．GIF圖像文件格式：用LZW進(jìn)行編碼3．JPG圖像文件格式：用JPEG壓縮方法4.PCX圖像文件格式：用掃描線游程壓縮編碼5.TIFF圖像文件格式：不固定，大部分使用游程編碼或使用哈夫曼編碼及其變種或不壓縮。第57頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

相關(guān)的國際組織ISO（InternationalStandardizationOrganization,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）IEC（InternationalElectrotechnicalCommission，國際電工委員會）ITU（InternationalTelecommunicationUnion，國際電信聯(lián)盟），前身是CCITT（國際電話電報咨詢委員會）制定的圖像國際標(biāo)準(zhǔn)：覆蓋了從二值到灰度（彩色）值的靜止和運(yùn)動圖像。采用的大部分基本技術(shù)前面已經(jīng)介紹，主要包括預(yù)測和變換編碼技術(shù)第58頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.3靜止圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)圖像國際標(biāo)準(zhǔn)分類圖像國際標(biāo)準(zhǔn)分類1.用于壓縮二值圖像（面向傳真而設(shè)計）

如：G3和G4（游程編碼）2.用于壓縮靜止圖像包括靜止幀灰度和彩色圖像（如：JPEG）3.用于壓縮運(yùn)動圖像

包括連續(xù)幀灰度和彩色圖像（如：H.261,MPEG-1/2/4，H.264/AVC）4.用于處理多媒體（如：MPEG-7/21）第59頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第60頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)JPEG標(biāo)準(zhǔn)JPEG（Jointpictureexpertgroup）（1）ISO和CCITT兩個組織在1991年制成草案，1994年成為標(biāo)準(zhǔn)（2）特點(diǎn)：定義了3種編碼系統(tǒng)（針對不同的應(yīng)用）

基于DCT的有損編碼基本系統(tǒng)基于分層遞增模式的擴(kuò)展/增強(qiáng)編碼基于DPCM（差值脈沖碼調(diào)制法）的無損預(yù)測編碼（3）在相同圖像質(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，一般壓縮10～50倍10.3靜止圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)第61頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)JPEG標(biāo)準(zhǔn)

壓縮的3個主要步驟：（1）DCT計算；（2）量化；（3）用熵編碼器進(jìn)行變長碼賦值

JPEG基本系統(tǒng)編碼器框圖10.3靜止圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)最開始還是分解子圖像第62頁第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)JPEG具體壓縮過程先把圖像分解成一系列8×8的子塊，然后按從左向右從上向下的次序處理；設(shè)

是圖像灰度值的最大級數(shù)，則其中的64個像素都通過減去