圖像編碼與壓縮

圖像編碼與壓縮第一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二知識(shí)要點(diǎn)●信息論中的有關(guān)概念：信息，信息量，信息熵，冗余度●統(tǒng)計(jì)編碼●預(yù)測(cè)編碼●變換編碼●混合編碼●靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)：JPEG、JBIG、JPEG2000等第二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.1

概述數(shù)據(jù)編碼的目的各異信息保密信息的壓縮存儲(chǔ)與傳輸?shù)葦?shù)碼相機(jī)圖像編碼與壓縮技術(shù)成功的范例。本章主要介紹靜態(tài)圖像壓縮編碼的原理、應(yīng)用及有關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。第三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.1.1數(shù)據(jù)壓縮的基本概念數(shù)據(jù)壓縮以較少的數(shù)據(jù)量表示信源以原始形式所代表的信息目的在于節(jié)省存儲(chǔ)空間、傳輸時(shí)間、信號(hào)頻帶或發(fā)送能量等。第四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)組成圖

第五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二熵（Entropy）代表信源所含的平均信息量若信源編碼的熵大于信源的實(shí)際熵，則信源中的數(shù)據(jù)一定存在冗余度冗余數(shù)據(jù)的去除不會(huì)減少信息量。信息量與數(shù)據(jù)量的關(guān)系可由下式表示

IDdu（5.1）第六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.1.2圖像編碼壓縮的必要性圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)量可表示為

V

w·h·d/8

（5.2）V、w、h、d分別表示圖像數(shù)據(jù)量（字節(jié)，byte，B）、圖像寬度（像素?cái)?shù)，pel）、圖像高度（像素?cái)?shù)，pel）、圖像深度（位，bit）。圖像的尺寸為w·h。第七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二典型圖像的數(shù)據(jù)量

圖像種類圖像參數(shù)數(shù)據(jù)量二值傳真圖像A4（210297mm）大小、172823762色分辨率501KB灰度圖像512512，8bit灰度等級(jí)256KBVGA圖像640480256色300KBCIF視頻圖像352288256色，亮度取樣率為3MHz，亮度和兩色差按4∶1∶1取樣，亮色量化位數(shù)共12bit，幀頻29.97，按1s計(jì)算4.3MBHDTV亮度信號(hào)1280720，量化位數(shù)為8bit，幀頻30Hz，按1s計(jì)算52.7MB第八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.1.3圖像編碼壓縮的可能性一般圖像中存在著以下數(shù)據(jù)冗余因素:

編碼冗余像素間的相關(guān)性形成的冗余視覺特性和顯示設(shè)備引起的冗余第九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.1.4圖像編碼壓縮的技術(shù)指標(biāo)常用的圖像壓縮技術(shù)指標(biāo):

圖像熵與平均碼長(zhǎng)圖像冗余度與編碼效率壓縮比客觀評(píng)價(jià)SNR

主觀評(píng)價(jià)第十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)等級(jí)

評(píng)分評(píng)價(jià)說明5優(yōu)秀圖像質(zhì)量非常好4良好圖像質(zhì)量高,有很小的干擾但不影響觀看3中等圖像質(zhì)量可接受,但有一些干擾,對(duì)觀看稍有妨礙2差圖像質(zhì)量差,對(duì)觀看有妨礙1很差,劣圖像質(zhì)量很差,無法觀看第十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二圖像編碼主、客觀評(píng)價(jià)的內(nèi)在關(guān)系

圖像類型高分辨率廣播電視普通數(shù)字廣播電視數(shù)據(jù)庫(kù)圖像會(huì)議電視傳輸數(shù)碼率客觀評(píng)價(jià)SNR主觀評(píng)價(jià)７４Mb/s≧48dB≧4.5分34Mb/s≧43dB≧4.0分識(shí)別圖像≧３６dB≧３.0分６４kb/s≧３0dB≧2.5分壓縮后圖像第十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.1.5數(shù)據(jù)壓縮方法的分類1.無損壓縮（LosslessCompression）:Huffman編碼Shannon編碼游程編碼算術(shù)編碼輪廓編碼第十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二有損壓縮（LossyCompression）預(yù)測(cè)編碼變換編碼混合編碼現(xiàn)代壓縮編碼方法：分形編碼模型基（Model-based）編碼第十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.2統(tǒng)計(jì)編碼統(tǒng)計(jì)編碼根據(jù)信源的概率分布特性，分配具有惟一可譯性的可變長(zhǎng)碼字，降低平均碼字長(zhǎng)度，以提高信息的傳輸速度，節(jié)省存儲(chǔ)空間?；驹碓谛盘?hào)概率分布情況已知的基礎(chǔ)上，概率大的信號(hào)對(duì)應(yīng)的碼字短，概率小的信號(hào)對(duì)應(yīng)的碼字長(zhǎng)，這樣就降低了平均碼字長(zhǎng)度。第十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.2.1Huffman編碼1．前綴碼（PrefixCode）4層樹形結(jié)構(gòu)的編碼情況第十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二2．Huffman編碼算法：①將圖像的灰度等級(jí)按概率大小進(jìn)行升序排序。②在灰度級(jí)集合中取兩個(gè)最小概率相加，合成一個(gè)概率。③新合成的概率與其他的概率成員組成新的概率集合。④在新的概率集合中，仍然按照步驟②～③的規(guī)則，直至新的概率集合中只有一個(gè)概率為1的成員。這樣的歸并過程可以用二叉樹描述。⑤從根節(jié)點(diǎn)按前綴碼的編碼規(guī)則進(jìn)行二進(jìn)制編碼。第十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二Huffman編碼示意圖左圖所示為建立碼的過程右圖所示為從根開始，經(jīng)各中間節(jié)點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn)的路徑采用二進(jìn)制編碼的情況第十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二編碼過程舉例第1行和第2行列舉了一個(gè)信源的統(tǒng)計(jì)特性結(jié)果如第三行所示符號(hào)集{xi}x1

x2

x3

x4

x5

x6

概率分布{pi}0.400.200.120.110.090.08Huffman編碼101000000101100111第十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二3．Huffman編碼的性能優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)Huffman編碼的基礎(chǔ)是統(tǒng)計(jì)源數(shù)據(jù)集中各信號(hào)的概率分布。Huffman編碼在無失真的編碼方法中效率優(yōu)于其他編碼方法，是一種最佳變長(zhǎng)碼，其平均碼長(zhǎng)接近于熵值。缺點(diǎn)：當(dāng)信源數(shù)據(jù)成分復(fù)雜時(shí)，龐大的信源集致使Huffman碼表較大，碼表生成的計(jì)算量增加，編譯碼速度相應(yīng)變慢不等長(zhǎng)編碼致使硬件譯碼電路實(shí)現(xiàn)困難。上述原因致使Huffman編碼的實(shí)際應(yīng)用受到限制。第二十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二4．圖像的Huffman編譯碼系統(tǒng)第二十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.2.2Shannon編碼與Pano編碼1.Shannon提出了將信源符號(hào)依其概率降序排列，用符號(hào)序列累積概率的二進(jìn)制表示作為對(duì)信源的唯一可譯編碼。其應(yīng)用于圖像編碼的步驟如下：（1）將N個(gè)灰度級(jí)xi按其概率遞減進(jìn)行排列。（2）求概率分布pi的第i個(gè)灰度級(jí)的二進(jìn)制位數(shù)ni。

(5.10)（3）計(jì)算與pi相對(duì)應(yīng)的累積概率Pi,把與Pi相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)碼和接下去與pk（k>i）相應(yīng)的碼相比較，前面的ni位至少有一位以上的數(shù)字是不同的。第二十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二【例5.2】由表5.3計(jì)算該信源的Shannon編碼平均碼字長(zhǎng)度為2.92，較Huffman編碼為長(zhǎng)。第二十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二2.Fano編碼步驟（1）將圖像灰度級(jí)xi其概率大小按遞減順序進(jìn)行排序。（2）將xi分成兩組，使每組的概率和盡量接近。給第一組灰度級(jí)分配代碼“0”，第二組分配代碼“1”。（3）若每組還是由兩個(gè)或以上的灰度級(jí)組成，重復(fù)上述步驟，直至每組只有一個(gè)灰度級(jí)為止。第二十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二【例5.3】圖5.6以表5.3的信源為例說明Fano編碼。第二十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.2.3算術(shù)編碼在信源各符號(hào)概率接近的條件下，算術(shù)編碼是一種優(yōu)于Huffman編碼的方法?！纠?-1】根據(jù)信源的概率分布進(jìn)行算術(shù)編碼。已知信源的概率分布為求二進(jìn)制序列01011的編碼。第二十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二舉例解：步驟如下：（1）二進(jìn)制信源只有x1=0和x2=1兩種符號(hào)，相應(yīng)的概率為pc=2/5,pe=1-pc=3/5（2）設(shè)s為區(qū)域左端起始位置，e為區(qū)域右端終止位置，l為子區(qū)的長(zhǎng)度，則符號(hào)“0”的子區(qū)為[0，2/5），子區(qū)長(zhǎng)度為2/5;符號(hào)“1”的子區(qū)為[2/5，1]，子區(qū)長(zhǎng)度為3/5。第二十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二（3）隨著序列符號(hào)的出現(xiàn)，子區(qū)按下列公式減少長(zhǎng)度:新子區(qū)左端=前子區(qū)左端+當(dāng)前子區(qū)左端×前子區(qū)長(zhǎng)度新子區(qū)長(zhǎng)度=前子區(qū)長(zhǎng)度×當(dāng)前子區(qū)長(zhǎng)度設(shè)初始子區(qū)為[0，1]，步序?yàn)閟tep，則編碼過程參見實(shí)例?？梢?，最后子區(qū)左端起始位置第二十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二最后子區(qū)長(zhǎng)度最后子區(qū)右端終止位置編碼結(jié)果為子區(qū)起始位置與終止位置之中點(diǎn)=0.0011。所以，二進(jìn)序列的算術(shù)編碼為0011。第二十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二算術(shù)編碼算法的計(jì)算步驟實(shí)例stepx

s

l

1002/5210+（2/5）×（2/5）=4/25（2/5）×（3/5）=6/25302/5+0×6/25=4/25（6/25）×（2/5）=12/125414/25+（2/5）×（12/125）=124/625（12/125）×（3/5）=36/62551124/625+（2/5）×（36/625）=692/3125（36/625）×（3/5）=108/625第三十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.3預(yù)測(cè)編碼預(yù)測(cè)編碼的基本思想：在某種模型的指導(dǎo)下，根據(jù)過去的樣本序列推測(cè)當(dāng)前的信號(hào)樣本值，然后用實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間的誤差值進(jìn)行編碼。如果模型與實(shí)際情況符合得比較好且信號(hào)序列的相關(guān)性較強(qiáng)，則誤差信號(hào)的幅度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樣本信號(hào)。第三十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二圖像差值幅度的概率分布第三十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.3.1預(yù)測(cè)編碼基本原理對(duì)實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間的誤差值進(jìn)行編碼差分脈沖編碼調(diào)制DifferentialPulseCodeModulationDPCM第三十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二DPCM系統(tǒng)的組成

第三十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.3.2線性自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼假設(shè)經(jīng)掃描后的圖像信號(hào)x（t）是一個(gè)均值為零、方差為的平穩(wěn)隨機(jī)過程。線性預(yù)測(cè)就是選擇ai（i

1，2，…，N

1）使預(yù)測(cè)值

并且使差值en的均方值為最小。預(yù)測(cè)信號(hào)的均方誤差（MSE）定義為

E{en}=E{(xn

-x′n)2} 第三十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二設(shè)計(jì)最佳預(yù)測(cè)的系數(shù)ai，采用MMSE最小均方誤差準(zhǔn)則?？梢粤疃xxi和xj的自相關(guān)函數(shù)

R（i，j）=E{xi，xj}寫成矩陣形式為Yule-Walker方程組

若R（i）已知，該方程組可以用遞推算法來求解ai。第三十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二通過分析可以得出以下結(jié)論：圖像的相關(guān)性越強(qiáng)，壓縮效果越好。當(dāng)某個(gè)階數(shù)已使E{eN,eN1}0時(shí)，即使再增加預(yù)測(cè)點(diǎn)數(shù)，壓縮效果也不可能繼續(xù)提高。若{xi}是平穩(wěn)m階Markov過程序列，則m階線性預(yù)測(cè)器就是在MMSE意義下的最佳預(yù)測(cè)器。第三十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二當(dāng)前像素與鄰近像素的位置關(guān)系第三十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二常用預(yù)測(cè)器方案前值預(yù)測(cè)：用x0同一行的最近鄰近像素來預(yù)測(cè)

=x0一維預(yù)測(cè)：如上圖中的x1、x5。二維預(yù)測(cè)：如上圖中的x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7等。三維預(yù)測(cè)第三十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.3.3自適應(yīng)預(yù)測(cè)編碼自適應(yīng)預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)參數(shù)根據(jù)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性來確定，以達(dá)到最佳預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)編碼的優(yōu)點(diǎn)直觀快捷、便于實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)編碼的缺點(diǎn)壓縮比不夠高第四十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.4變換編碼5.4.1變換編碼的基本原理

通過數(shù)學(xué)變換可以改變信號(hào)能量的分布，從而壓縮信息量。以傅里葉變換的概念說明合理的變換可以改變信號(hào)能量分布的基本原理。第四十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二變換可以改變信號(hào)能量的分布（第四十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.4.2變換編碼的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多變樣率變換編碼系統(tǒng)圖像輸入二維變換交換域采樣量化編碼傳輸/儲(chǔ)存解碼補(bǔ)零內(nèi)插反交換輸出

第四十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.4.3變換編碼的實(shí)現(xiàn)在變換編碼中有以下幾個(gè)問題值得注意：圖像變換方法的選取子圖像大小的選取常用的圖像編碼方法區(qū)域編碼閾值編碼混合編碼第四十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二幀內(nèi)混合編碼原理圖變換編碼變換編碼變換編碼預(yù)測(cè)編碼信道傳輸預(yù)測(cè)編碼反變換

f(1,n)F(1,n)e(1,n)e‘(1,n)f(2,n)F(2,n)e(2,n)e‘(2,n)f(M,n)F(M,n)e(M,n)e‘(M,n)f‘(1,n)f‘(2,n)f‘(M,n)…….……..……………………….第四十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.4.4整數(shù)小波變換與圖像壓縮量化器的設(shè)計(jì)是決定圖像保真度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的DCT和經(jīng)典小波變換在圖像變換后會(huì)產(chǎn)生浮點(diǎn)數(shù)，因而必須對(duì)變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，這樣就產(chǎn)生不同程度的失真。新一代的整數(shù)小波變換（又叫第二代小波變換）采用提升方法能夠?qū)崿F(xiàn)整數(shù)變換，因而能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的無損壓縮，顯然它是一種很適合于醫(yī)學(xué)等圖像的壓縮方法。

新的靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000中采用了基于提升方法的整數(shù)小波變換。第四十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二提升方法構(gòu)造小波分為分裂、預(yù)測(cè)和更新3個(gè)步驟。1．分裂（split）將一原始信號(hào)序列sj按偶數(shù)和奇數(shù)序號(hào)分成兩個(gè)較小的、互不相交的小波子集sj-1和dj-1：2.預(yù)測(cè)（predict）由于數(shù)據(jù)間存在相關(guān)性，因而可以定義一個(gè)預(yù)測(cè)算子P，用P(sj-1)來預(yù)測(cè)

dj-1.。這樣可用相鄰的偶數(shù)序列來預(yù)測(cè)奇數(shù)序列。用dj-1與P(sj-1)的差值代替dj-1，則數(shù)據(jù)量要比原始dj-1要小得多。3．更新（update）上述兩個(gè)過程一般不能保持原圖像中的某些整體性質(zhì)（如亮度）,為此我們要構(gòu)造一個(gè)U算子去更新s,使之保持原有數(shù)據(jù)集的某些特性。第四十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.5二值圖像編碼只有“白”（用“0”表示）和“黑”（用“1”表示）兩個(gè)灰度級(jí)稱之為二值圖像（binaryimage）。二值圖像通常是由人為產(chǎn)生的，如由文字組成的文檔文件、表格、工程圖紙、地圖等。一幅二維圖像按位平面進(jìn)行分解可以得到若干個(gè)二值圖像，因而二值圖像的編碼方法為逐進(jìn)編碼模式奠定了基礎(chǔ)。第四十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.5.1跳躍空白編碼(skipblankcoding)跳躍空白編碼將圖像的每一條掃描線分成若干等長(zhǎng)的段，每段有m個(gè)像素，一般m=8～12。這些掃描線段的組成可能出現(xiàn)二類情況：（1）全是“0”像素。這種線段稱為“空白塊（blank）”，常表示二值圖像的背景成分。編碼時(shí)“空白塊”用碼字“0”表示。“空白塊”（2）全是“1”像素或由“0”、“1”像素混合而成。編碼時(shí)，這種線段用“1”加直接編碼表示。上述方法很容易推廣的在二維情形中。將圖像劃分為若干個(gè)子圖像。當(dāng)子圖像像素全為0時(shí)，編碼為“0”;否則，子圖像的編碼首位為“1”，其余碼位（codeposition）采用像素的直接編碼表示。第四十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.5.2游程長(zhǎng)度編碼RLC(RunLengthCoding)

一種簡(jiǎn)單的無損編碼技術(shù)，它改變連續(xù)出現(xiàn)相同字符的表達(dá)方式，以降低碼長(zhǎng)。傳真的二值圖像中，連“0”或連“1”總是成串出現(xiàn)，稱為“白游程”和“黑游程”。非二值的相同連續(xù)數(shù)據(jù)串，同樣簡(jiǎn)化為兩個(gè)符號(hào)：一個(gè)符號(hào)代表數(shù)據(jù)，第二個(gè)代表串長(zhǎng)。游程長(zhǎng)度編碼一般不直接單獨(dú)使用，通常配合其他編碼方式使用來提高壓縮效果。第五十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.6新型的圖像壓縮編碼方法經(jīng)典的編碼方法利用去除圖像數(shù)據(jù)的相關(guān)性等方法對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，其壓縮效果受到一定的限制。模型編碼利用對(duì)圖像建模的方法對(duì)圖像參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。由于參數(shù)的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于圖像的數(shù)據(jù)量，因而用模型編碼對(duì)壓縮數(shù)據(jù)量極其有效。常見的模型編碼有：分形編碼（fractalcoding）自適應(yīng)網(wǎng)格編碼（self-adaptivemeshcoding）第五十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.6.1分形(fractal)

的基本概念與經(jīng)典的編碼方法相比，分形編碼在思路上有新的突破，其壓縮比高出一般編碼方法2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。壓縮過程時(shí)間長(zhǎng)但解壓縮速度快的特點(diǎn)將使其在大數(shù)據(jù)量、高質(zhì)量的多媒體應(yīng)用、高速網(wǎng)絡(luò)等場(chǎng)合中發(fā)揮重要的角色。分形的基本思想來源于數(shù)學(xué)上對(duì)客觀世界一些現(xiàn)象的自相似性描述。分形是一種由許多與全局相似的局部所構(gòu)成的形體。對(duì)于集合A，如果描述其中的點(diǎn)需要d個(gè)坐標(biāo)，則稱該集合A是d維的，即dim(A)=d

（5.37）在分形幾何學(xué)中，d可以擴(kuò)展為分?jǐn)?shù)，這時(shí)d稱為分維。第五十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.6.2分形壓縮的基本方法分形壓縮將圖像分解成若干子圖像，利用圖像的仿射變換可以尋找出子圖像間的自相似性。仿射變換是指對(duì)子圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、伸縮、位移變換。仿射變換的特性有：（1）仿射變換的逆變換也是仿射變換。（2）仿射變換是線性變換。（3）兩平行線經(jīng)過仿射變換后仍然是平行線，所以平行四邊形經(jīng)仿射變換后變成另外一個(gè)平行四邊形。（4）可以通過變換參數(shù)求解變換后平面圖形的面積與原平面圖形面積的比值。（5）選擇合適的參數(shù)，仿射變換為相似變換。第五十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二通過用數(shù)據(jù)量極小的系數(shù)代替數(shù)據(jù)量較大的實(shí)際像素值而將圖像表示成壓縮形式。目前采用全自動(dòng)的分形壓縮，對(duì)灰度圖像一般可以達(dá)到4:1~100:1，對(duì)彩色圖像壓縮比還可以更高些。壓縮時(shí)間較慢，而解壓縮時(shí)間極快。用戶常常關(guān)心的是解壓縮時(shí)間，因而分形壓縮的這種不對(duì)稱性對(duì)使用數(shù)據(jù)的用戶是很有用的。如果采用這種技術(shù)制作VCD、DVD將使其具有廣泛的市場(chǎng)前景。分形壓縮的另一個(gè)特點(diǎn)是壓縮特性與分辨率無關(guān)利用分形壓縮的圖像可以按不同分辨率實(shí)現(xiàn)無級(jí)縮放而計(jì)算量相同。第五十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.7圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)在靜態(tài)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)中，比較著名的有JPEG、JBIG等標(biāo)準(zhǔn)。視頻可看成是一幅幅不同但相關(guān)的靜態(tài)圖像的時(shí)間序列。靜態(tài)圖像的壓縮技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)可以直接應(yīng)用于視頻的單幀圖像。介紹：適用于靜態(tài)圖像的JPEG標(biāo)準(zhǔn)和JBIG標(biāo)準(zhǔn)新的JPEG2000壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)第五十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.7.1彩色與灰度圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG

1．JPEG算法與系統(tǒng)JPEG基本系統(tǒng)JPEG擴(kuò)展系統(tǒng)信息保持壓縮系統(tǒng)第五十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二2．JPEG基本系統(tǒng)每個(gè)單獨(dú)的彩色圖像分量的編碼算法：①將量化精度為8位的待壓縮圖像分成若干個(gè)88樣值子塊，做基于88子塊的DCT。②根據(jù)最佳視覺特性構(gòu)造量化表，設(shè)計(jì)自適應(yīng)量化器并對(duì)DCT的頻率系數(shù)進(jìn)行量化。③為了增加連續(xù)的0系數(shù)的個(gè)數(shù)，對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行Z字形重排。④用Huffman碼作變字長(zhǎng)熵編碼器對(duì)量化系數(shù)進(jìn)行編碼，進(jìn)一步壓縮數(shù)據(jù)量。第五十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二JPEG編/解碼器算法框圖第五十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二上述算法的幾點(diǎn)說明（1）彩色空間轉(zhuǎn)換問題（2）量化

—最佳的亮度量化表和色度量化表。（3）Z字形重排（4）DCT系數(shù)的編碼（5）JPEG位數(shù)據(jù)流第五十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二亮度量化表

1611101624405161121214192658605514131624405769561417222951878062182237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399第六十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二色度量化表

17182447999999991821266699999999242656999999999947669999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999第六十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二DCT系數(shù)的Z字形排列第六十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二3．JPEG的視頻應(yīng)用與硬件實(shí)現(xiàn)盡管JPEG標(biāo)準(zhǔn)是基于彩色靜止圖像壓縮而提出的，但對(duì)于壓縮視頻的幀內(nèi)圖像也十分有效。每秒可處理2700萬個(gè)像素的單片JPEG編/解碼器芯片，已能實(shí)時(shí)處理常規(guī)電視圖像。M-JPEG（Motion-JPEG）技術(shù)即運(yùn)動(dòng)靜止圖像壓縮技術(shù)。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于可精確到幀編輯和多層圖像處理的非線性編輯領(lǐng)域。M-JPEG的壓縮和解壓縮是對(duì)稱的，可由相同的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。第六十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.7.2二值圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JBIG1980年CCITTT.4建議文件傳真三類機(jī)(G3)的一維編碼標(biāo)準(zhǔn)MH,作為二維編碼標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)相對(duì)元地址指定編碼(MR)。1994年CCITTT.6建議的作為四類傳真機(jī)(G4)標(biāo)準(zhǔn)編碼方案：二次改進(jìn)Huffman編碼(MMR)。二值圖像通過MH，MR和MMR等典型的編碼方法已在傳真機(jī)等圖像通信中得到廣泛應(yīng)用。將一幅二維圖像按位平面進(jìn)行分解可以得到若干個(gè)二值圖像。一幅灰度為256級(jí)的圖像可以被分解為8幅二值圖像。支持分層圖像傳送的編碼方法的基本思路是：首先傳送過去一幅分辨率較低的概要圖像，然后隨傳送數(shù)據(jù)的不斷到來所得到圖像質(zhì)量逐步提高。第六十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二支持分層圖像傳送的編碼方法的基本思路第六十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二必須滿足的條件和對(duì)之進(jìn)行評(píng)價(jià)的項(xiàng)目（1）無損編碼。（2）即使接受端不具有幀存儲(chǔ)器，系統(tǒng)也能在順序傳送模式下正常工作。（3）編碼和解碼操作是實(shí)時(shí)的。（4）壓縮和恢復(fù)兩個(gè)功能在時(shí)間和復(fù)雜性方面是對(duì)稱的。（5）具有比MMR更高的壓縮能力。（6）利用同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可以同時(shí)支持順序和逐層兩種壓縮傳送模式。（7）不允許使用全幀預(yù)掃描（單路執(zhí)行算法）。（8）在64Kbps傳輸速率下能夠做到解碼。（9）魯棒性。第六十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二5.7.3JPEG2000靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)1．JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)制定的目的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是進(jìn)一步改進(jìn)目前壓縮算法的性能，以適應(yīng)低帶寬、高噪聲的環(huán)境，以及醫(yī)療圖像、電子圖書館、傳真、Internet網(wǎng)上服務(wù)和保安等方面的應(yīng)用。JPEG2000還將彩色靜態(tài)畫面采用的JPEG編碼方式與2值圖像采用的JBIG編碼方式統(tǒng)一起來，成為對(duì)應(yīng)各種圖像的通用編碼方式。由于JPEG2000它的特性及功能顯著，且支持舊版本的標(biāo)準(zhǔn)，因此在需要有較好的圖像質(zhì)量、較低的比特率或者是一些特殊特性的要求（漸進(jìn)傳輸和感興趣區(qū)域編碼等）時(shí)，JPEG2000將是最好的選擇。第六十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二JPEG2000的應(yīng)用領(lǐng)域可大致分成兩個(gè)方面：一方面面向傳統(tǒng)的JPEG市場(chǎng)如打印、掃描、數(shù)字?jǐn)z像、遙感等另一方面面向一些新興的應(yīng)用領(lǐng)域如網(wǎng)路傳輸、彩色傳真、無線通訊，醫(yī)療影像、電子商務(wù)等。第六十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二2．JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)提供的主要特征

JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)提供了一套新特征這些特征對(duì)于一些新產(chǎn)品（如數(shù)碼相機(jī)）和應(yīng)用（如互聯(lián)網(wǎng)）是非常重要的。它把JPEG的順序模式、漸進(jìn)模式、無損模式和分層模式四種模式集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之中。JPEG2000放棄了以DCT為主的區(qū)塊編碼方式采用以小波轉(zhuǎn)換為主的多解析編碼方式。JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中無損壓縮和有損壓縮所采用的小波分別是基于提升方案的（5,3）整數(shù)小波和