Malab數(shù)字圖像處理

第10章圖像壓縮編碼圖像壓縮編碼是專門研究圖像數(shù)據(jù)壓縮的技術(shù)，就是盡量減少表示數(shù)據(jù)圖像所需要的數(shù)據(jù)量。隨著當(dāng)今信息社會(huì)的飛速發(fā)展，圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸技術(shù)越來越扮演著日益重要的角色。特別是網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的發(fā)展使得圖像的存儲(chǔ)、處理和傳輸問題更加突出，從而促進(jìn)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)成為數(shù)字圖像處理中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本章主要介紹圖像壓縮編碼的基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)講解常用的圖像壓縮編碼方法，如霍夫曼編碼、香農(nóng)編碼、算術(shù)編碼、行程編碼和預(yù)測(cè)編碼及編碼方法的MATLAB實(shí)現(xiàn)，最后介紹了靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG標(biāo)準(zhǔn)。10.1圖像壓縮編碼基礎(chǔ)數(shù)字圖像通常需要很大的比特?cái)?shù)，這給圖像的傳輸和存儲(chǔ)帶來相當(dāng)大的困難。例如用8bit存儲(chǔ)一幅512512的灰度圖像的比特?cái)?shù)為256K。而一部60分鐘的彩色電影，如果每秒放映24幀，數(shù)字化后每幀包含512512像素，每像素的R、G、B分量分別占8bit，則這樣一部電影的總比特?cái)?shù)為64800M，若用一張600M的CD存儲(chǔ)則需要100多張CD光盤來存儲(chǔ)。由此可見對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮顯得非常必要。減少存儲(chǔ)空間、縮短傳輸時(shí)間這成為促進(jìn)圖像壓縮編碼技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)因素。圖像壓縮是通過編碼來實(shí)現(xiàn)的，所以通常將壓縮與編碼統(tǒng)稱為圖像的壓縮編碼。圖像壓縮編碼從本質(zhì)上來說就是對(duì)要處理的圖像數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進(jìn)行變換和組合，從而達(dá)到以盡可能少的數(shù)據(jù)來表示盡可能多的數(shù)據(jù)信息。10.2霍夫曼編碼及其MATLAB實(shí)現(xiàn)霍夫曼在1952年提出了一種構(gòu)造最佳碼的方法，稱之為霍夫曼編碼（Huffman）?；舴蚵幋a是一種無損的統(tǒng)計(jì)編碼方法，利用信息符號(hào)概率分布特性的改變字長(zhǎng)進(jìn)行編碼?；舴蚵幋a適用于多遠(yuǎn)獨(dú)立信源，對(duì)于多元獨(dú)立信源來說它是最佳碼。本小節(jié)主要介紹霍夫曼編碼的基本原理及其MATLAB實(shí)現(xiàn)方法。10.2.1基本原理霍夫曼編碼是一種利用信息符號(hào)概率分布特性的變字長(zhǎng)的編碼方法，即對(duì)于出現(xiàn)概率大的信息符號(hào)編以短字長(zhǎng)的碼，對(duì)于出現(xiàn)概率小的信息符號(hào)編以長(zhǎng)字長(zhǎng)的碼。如果碼字長(zhǎng)度嚴(yán)格按照所對(duì)應(yīng)符號(hào)出現(xiàn)概率大小逆序排列，則編碼結(jié)果的平均碼字長(zhǎng)度一定小于任何其他排列形式。霍夫曼編碼則是嚴(yán)格按照信源符號(hào)出現(xiàn)的概率大小來構(gòu)造碼字，因此這種編碼方式形成的平均碼字長(zhǎng)度最短。10.2.2

MATLAB實(shí)現(xiàn)霍夫曼編碼系統(tǒng)主要分為壓縮對(duì)象輸入、概率統(tǒng)計(jì)、構(gòu)造Huffman樹、生成Huffman樹、壓縮編碼環(huán)節(jié)組成，如圖所示霍夫曼編解碼系統(tǒng)構(gòu)成。編程思路依據(jù)霍夫曼的編程步驟進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮及其壓縮參數(shù)的計(jì)算。10.3香農(nóng)編碼及其MATLAB實(shí)現(xiàn)香農(nóng)編碼也是一種常見的可變字長(zhǎng)編碼，解決了霍夫曼編碼過程中需要多次排序的問題。本小節(jié)主要介紹了香農(nóng)編碼的基本原理及其MATLAB實(shí)現(xiàn)方法。10.3.1基本原理香農(nóng)編碼的理論基礎(chǔ)是符號(hào)的碼字長(zhǎng)度Ni完全由該符號(hào)出現(xiàn)的概率來決定，即：其中D為編碼時(shí)所用的數(shù)值。當(dāng)信源符號(hào)出現(xiàn)的概率為2的負(fù)冪次方時(shí)，采用香農(nóng)編碼同樣能達(dá)到100%的編碼效率。香農(nóng)編碼的具體方法如下：1．將信源符號(hào)按其出現(xiàn)的概率從大到小排序；2．按照上式計(jì)算出各個(gè)概率對(duì)應(yīng)的碼字長(zhǎng)度；3．計(jì)算累加概率，其定義為：4．把各個(gè)累加概率由十進(jìn)制轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制，取該二進(jìn)制數(shù)的前位作為對(duì)應(yīng)信源符號(hào)的碼字。10.4算術(shù)編碼及其MATLAB實(shí)現(xiàn)算術(shù)編碼是20世紀(jì)80年代提出的一種無損數(shù)據(jù)壓縮編碼方法，也是一種熵編碼方法。該方法克服了霍夫曼編碼中對(duì)自信息量所占碼位為小數(shù)的信息壓縮效果不理想的問題，在圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，如JPEG中起到重要作用。本小節(jié)主要介紹了算術(shù)編碼的基本原理及其MATLAB實(shí)現(xiàn)方法。10.4.1基本原理算術(shù)編碼的基本思想是把整個(gè)信息源表示為實(shí)數(shù)線上的0-1之間的一個(gè)區(qū)間，其長(zhǎng)度等于該序列的概率；然后在該區(qū)間內(nèi)選擇一個(gè)代表性的小數(shù)，將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制作為實(shí)際的編碼輸出。消息序列中的每個(gè)元素都要縮短為一個(gè)區(qū)間。消息序列中的元素越多，所得到的區(qū)間就越小。當(dāng)區(qū)間變小時(shí)，就需要更多的數(shù)位來表示這個(gè)區(qū)間，通過算術(shù)運(yùn)算得到最終的編碼，因而稱之為算術(shù)編碼。采用算術(shù)編碼，每個(gè)符號(hào)的平均編碼長(zhǎng)度可以為小數(shù)。10擺.4烈.2艷M瞎AT盒LA災(zāi)B實(shí)現(xiàn)算術(shù)俗編碼召在圖駐象數(shù)震據(jù)壓褲縮標(biāo)局準(zhǔn)(如JP家EG雅)中扮齡演了筋重要示的角鉆色。獅在算性術(shù)編楊碼中歲，消訪息用0到1之間爭(zhēng)的實(shí)遮數(shù)進(jìn)冷行編堵碼，繪算術(shù)佛編碼屋用到該兩個(gè)葬基本減的參吐數(shù)：脖符號(hào)知的概哨率和蕉它的鑄編碼膝間隔設(shè)。圖釘所示灶算術(shù)減編碼堵系統(tǒng)炭構(gòu)成沿。10.5行程平編碼醉及其MA電TL用AB實(shí)現(xiàn)行程異編碼請(qǐng)是一糞種無冶損數(shù)泰據(jù)壓協(xié)縮編益碼方飼法。者該壓兆縮編索碼技樓術(shù)直血觀和同經(jīng)濟(jì)旦，運(yùn)靈算也嗓相當(dāng)芝簡(jiǎn)單梯，因融此解放壓縮寧速度悅很快練。行攪程編窩碼適伶用于款計(jì)算賤機(jī)生透成的反圖形坐圖像甚，對(duì)孟減少洪存儲(chǔ)徹容量單很有跑效果爛。本倒小節(jié)別主要憲介紹刊了行私程編撤碼的陸基本扇原理蘿及其MA鍛TL業(yè)AB實(shí)現(xiàn)勻方法暈。10.5.攝1基本睡原理行程需編碼鋤的基合本原低理是患用一團(tuán)個(gè)符濾號(hào)值肉或串保長(zhǎng)代破替具保有相譽(yù)同值匠的連朋續(xù)符釣號(hào)（蘋連續(xù)去符號(hào)巷構(gòu)成評(píng)了一鋒段連斥續(xù)的撇“行煮程”斥。行煙程編居碼因細(xì)此而棕得名韻），筋使符爛號(hào)長(zhǎng)首度少錘于原笑始數(shù)改據(jù)的跪長(zhǎng)度穴。只套在各歇行或讓者各原列數(shù)備據(jù)的阻代碼池發(fā)生依變化筐時(shí)，俯一次僵記錄藝該代取碼及門相同銹代碼潛重復(fù)疼的個(gè)羞數(shù)，凡從而內(nèi)實(shí)現(xiàn)北數(shù)據(jù)造的壓憂縮。10.5.余2鑰MA聯(lián)TL御AB實(shí)現(xiàn)行程郵編碼藏的方推法與金霍夫衫曼編霞碼、氏算術(shù)象編碼硬等方涌法相共比，聲算法租實(shí)現(xiàn)填相對(duì)席簡(jiǎn)單踏，圖10粉.8所示士行程芽編碼存系統(tǒng)膜。10.6預(yù)測(cè)蓮編碼后及其MA范TL票AB實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)狠編碼麗應(yīng)用傷了現(xiàn)粘代統(tǒng)敞計(jì)學(xué)冒和控播制理惹論的傘時(shí)間咸序列側(cè)分析古概念壘，是款有損袋壓縮濟(jì)中的焦重要白方法骨之一蠅。該脫編碼肥方法宿簡(jiǎn)單種，易貞于硬淹件實(shí)義現(xiàn)。犬本小境節(jié)主就要介育紹預(yù)苗測(cè)編釣碼中終具有茫代表剪性的鞋編碼礎(chǔ)方法塞差分懸脈沖庭編碼禮調(diào)制懷方法錢的基個(gè)本原芬理及穿其MA熟TL差A(yù)B實(shí)現(xiàn)治方法毅。10.6.網(wǎng)1基本連原理預(yù)測(cè)劇編碼是根百據(jù)某猴一種侍模型里，利方用以鉗前的頸（已蚊收到栗）一愚個(gè)或毫幾個(gè)袖樣值初，對(duì)書當(dāng)前俘的（田正在竄接收乞的）括樣本猾值進(jìn)開行預(yù)泳測(cè)，堆將樣雄本實(shí)纖際值鮮和預(yù)頂測(cè)值禁之差雜進(jìn)行搶編碼楊。如愧果模枕型足藝夠好涂，圖串像樣逃本時(shí)壤間上懂相關(guān)癢性很媽強(qiáng)，活一定沃可以艱獲得訪較高紹的壓夕縮比撐。具旨體來怠說，者從相璃鄰像拍素之果間有頃很強(qiáng)得的相早關(guān)性莫特點(diǎn)什考慮老，比沃如當(dāng)慈前像駛素的使灰度資或顏醬色信其號(hào)，狂數(shù)值沿上與帳其相換鄰像屬素總氣是比躍較接般近，鑰除非掃處于利邊界黨狀態(tài)博。那磁么，側(cè)當(dāng)前萌像素秩的灰數(shù)度或抵顏色疫信號(hào)繳的數(shù)絹值，鮮可用它前面舞已出影現(xiàn)的隙像素甚的值陸，進(jìn)匯行預(yù)聚測(cè)（廚估計(jì)層），討得到蓋一個(gè)覺預(yù)測(cè)酸值（澡估計(jì)星值）睬，將敵實(shí)際脫值與鵲預(yù)測(cè)眠值求催差，燃對(duì)這腸個(gè)差戲值信摧號(hào)進(jìn)遠(yuǎn)行編傅碼、星傳送拐，這佩種編奮碼方烈法稱貴為預(yù)吸測(cè)編燭碼方像法。10.6.圓2欣MA呆TL藝AB實(shí)現(xiàn)對(duì)圖森像數(shù)巡壽據(jù)壓謹(jǐn)縮來侄說，晶預(yù)測(cè)袋編碼成方法巷是從鑰相鄰諷象素廢之間撈有很節(jié)強(qiáng)的破相關(guān)卡性特?cái)攸c(diǎn)考栽慮的截。10.7靜止殲圖像驅(qū)壓縮胖編碼逼標(biāo)準(zhǔn)-J啄PE版G隨著警計(jì)算堡機(jī)網(wǎng)港絡(luò)技稀術(shù)的吵發(fā)展芬，圖形像通液信已季越來門越受撥到廣熔泛的滔關(guān)注效，這仔就需絹要對(duì)鑒圖像摟數(shù)據(jù)宅進(jìn)行購標(biāo)準(zhǔn)橋化傳帳輸，火制定頂圖像很壓縮熊編碼箱的標(biāo)宵準(zhǔn)顯誦得尤愛為重快要。擦在靜上態(tài)圖熟像編繭碼標(biāo)食準(zhǔn)中壁，常池用的殖有JP隔EG、JB蛙IG等。立本小啞節(jié)主上要介火紹靜伶態(tài)圖回像的JP繼EG標(biāo)準(zhǔn)鋒及其保算法甚實(shí)現(xiàn)孝。10.7.踏1JP杏EG標(biāo)準(zhǔn)JP第EG是由CC鬼IT書T(國(guó)際窄電報(bào)肯電話碰咨詢朽委員今會(huì))和IS紡O(國(guó)際杏標(biāo)準(zhǔn)閥化組計(jì)織)兩個(gè)居組織都聯(lián)合閘組建并的圖拒片專細(xì)家組(J爆oi逼nt膊P勺ho掙to土gr卻ap胞hi熟c白Ex跟pe躬rt舅s摸Gr奪ou皂p薦)。該捉組織壯于19賺91年建恰立并霞通過吃第一偉個(gè)適膚用于旬連續(xù)司色調(diào)算靜止憲數(shù)字客圖像少壓縮遮的國(guó)慌際標(biāo)繭準(zhǔn)(I狂SO榆1任09薯18港-1套)，稱申為國(guó)肝際JP蘭EG標(biāo)準(zhǔn)券建議匪，從樣而統(tǒng)童一了爭(zhēng)用于愛彩色春傳真攔、靜寇止圖說像、狹可視諸會(huì)議匆、電戀子出歐版物謊等圖亂像的棉壓縮賭和傳澡輸格朝式。陽該標(biāo)廈準(zhǔn)廣恰泛應(yīng)槳用于梁計(jì)算暴機(jī)和選通信詞等領(lǐng)嗎域，鮮例如兇電視須圖像漸壓縮縣、多使媒體彩通信必、多肉媒體榮計(jì)算渣機(jī)、謝圖像橋數(shù)據(jù)辣庫等傲。經(jīng)JP愈EG壓縮肆的圖森像，者可在度不太廢影響追圖像伙質(zhì)量制的前烈提下鍛，得坡到很隸高的鑄壓縮墨比。壇該標(biāo)電準(zhǔn)既鞏可以笛用軟猶件實(shí)膛現(xiàn)，障也可果以用斧硬件齒實(shí)現(xiàn)兩。由縫于JP額EG優(yōu)良飽的品踏質(zhì)，到使得稼它在主短短但的幾胡年內(nèi)傳就獲走得極惡大的腐成功善，隨纏著JP芝EG芯片偏價(jià)格刷下降悶，JP恰EG的應(yīng)剝用正凡日益穗普及旋。10.7.吊2亭JP挽EG算法鏟實(shí)現(xiàn)JP背EG壓縮哄是有斗損壓膛縮，隔它利遼用了招人的捷視角困系統(tǒng)凡的特牙性，芝使用愛量化跟和無覽損壓雙縮編介碼相趙結(jié)合稱來去褲掉視齒角的訊冗余神信息腿和數(shù)氧據(jù)本稱身的規(guī)冗余撫信息欠。JP餓EG算法鋒框圖曲如圖太所示熱，壓來縮編漫碼大寒致分預(yù)成三耕個(gè)步錫驟：1．使悅用正位向離嘆散余休弦變靜換(f跡or段wa琴rd子d波is器cr東et昏e圖co縮慧si悟ne網(wǎng)t膝ra右ns摩fo菠rm，F(xiàn)D您CT拒)把空百間域暈表示證的圖造變換補(bǔ)成頻頸率域笑表示隸的圖答。2．使腰用加振權(quán)函伸數(shù)對(duì)DC背T系數(shù)排進(jìn)行反量化洪，這抹個(gè)加歌權(quán)函俘數(shù)對(duì)蛇于人暑的視漢覺系雅統(tǒng)是殲最佳悠的。3．使?jié)没綦[夫曼即可變幸字長(zhǎng)肌編碼土器對(duì)頭量化代系數(shù)悔進(jìn)行通編碼飾。10.8本章賊小結(jié)數(shù)字弓圖像同壓縮租編碼螞技術(shù)館是多打媒體高技術(shù)慨的重扶要組輸成部重分。烏本章禽主要衫介紹煉了數(shù)連字圖案像壓格縮編響碼的扣基礎(chǔ)蘇，包吼括圖敏像壓槽縮編埋碼的賴必要選性、榆圖像駱冗余早信息裙、編悉碼參鋪數(shù)及妙基于象保真吸度準(zhǔn)五則的唯評(píng)價(jià)著；還納介紹春了霍柳夫曼脾編碼礎(chǔ)及其加在MA案TL衣AB中的懲實(shí)現(xiàn)承方法蝴、算功術(shù)編浪碼及杏其在MA敬TL拋AB中的逐實(shí)現(xiàn)被、行絕程編順碼及己其在MA衫TL客AB中的予實(shí)現(xiàn)跨、預(yù)翠測(cè)編睜碼及逗其在MA賓TL財(cái)AB中的處實(shí)現(xiàn)呀和小雞波編晉碼及疑其在MA康TL古AB中的斬實(shí)