數(shù)字電視技術-第4章-圖像壓縮編碼0課件

第四章圖像壓縮編碼

數(shù)字電視技術第四章圖像壓縮編碼數(shù)字電視技術通信工程系22023/9/124.1圖像壓縮編碼概述圖像壓縮編碼技術是學習數(shù)字電視的重點內(nèi)容為什么要進行圖像壓縮？（圖像壓縮的目的）一路彩色DVD電視未經(jīng)壓縮時的數(shù)據(jù)量為：Y13.5MHz×8bit=108Mb/sU6.75MHz×8bit=54Mb/sV6.75MHz×8bit=54Mb/s合計=216Mb/s圖像信號是有必要也有可能被壓縮。通信工程系22023/8/64.1圖像壓縮編碼概述通信工程系32023/9/124.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理1.圖像數(shù)據(jù)壓縮基理主要來自兩個方面：1)圖像信號中存在大量冗余度可供壓縮，且這種冗余度在解碼后還可無失真地恢復；2)利用人的視覺特性，在不被主觀視覺察覺的容限內(nèi)，通過減少表示信號的精度，以一定的客觀失真換取數(shù)據(jù)壓縮。通信工程系32023/8/64.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理1.通信工程系42023/9/124.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理2.圖像信號的冗余度圖像信號的冗余度存在于結構和統(tǒng)計兩方面。圖像信號的結構冗余度圖像信號結構上的冗余度表現(xiàn)為很強的空間(幀內(nèi)的)和時間(幀間的)相關性幀內(nèi)相鄰點的相關性幀間相鄰點的相關性通信工程系42023/8/64.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理2.通信工程系52023/9/124.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理圖像信號幀內(nèi)相關性×8倍通信工程系52023/8/64.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理圖像通信工程系62023/9/124.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理信號統(tǒng)計上的冗余度來源于被編碼信號概率密度分布的不均勻預測編碼：不直接傳送圖像信號，而傳送圖象信號之間的差值。這種差值呈拉普拉斯分布。通信工程系62023/8/64.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理信號通信工程系72023/9/124.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理預測編碼時，出現(xiàn)概率高的預測誤差信號(0及小誤差)－短碼，出現(xiàn)概率低的大預測誤差－長碼，使總的平均碼長要比用固定碼長編碼短很多。通信工程系72023/8/64.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理預測通信工程系82023/9/124.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理3.利用人眼的視覺特性進行壓縮人眼對圖像的細節(jié)分辨率、運動分辨率和對比度分辨率都有一定的限度通信工程系82023/8/64.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理3.通信工程系92023/9/124.1.2圖像編碼過程圖像編碼過程分三步完成:映射：即變換一下描寫信號的方式。 目的：去除相關性，降低圖像的結構冗余度。量化：在滿足對圖像質(zhì)量一定要求的前提下，減小表示信號的精度 目的：利用人眼主觀視覺特性壓縮圖像統(tǒng)計編碼 目的：消除圖像的統(tǒng)計冗余度。通信工程系92023/8/64.1.2圖像編碼過程圖像編碼通信工程系102023/9/124.1.2圖像編碼過程

信號映射和統(tǒng)計編碼是可逆的過程，而量化是不可逆的。當不加入量化時，通過解碼端的反映射和統(tǒng)計解碼可無失真地恢復原始信號；加入量化后，整個編解碼過程造成的失真完全由量化引起。通信工程系102023/8/64.1.2圖像編碼過程通信工程系112023/9/124.1.3圖像編碼算法的分類1.傳統(tǒng)的圖像編碼技術空間和時間子抽樣編碼預測編碼變換編碼熵編碼矢量量化子帶編碼混合編碼方案（MPEG-1，MPEG-2）空間和時間子抽樣統(tǒng)計編碼基于運動估計和補償?shù)腄PCM游程長度編碼二維DCT通信工程系112023/8/64.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系122023/9/124.1.3圖像編碼算法的分類2.新一代編碼壓縮算法模型基編碼分形編碼小波變換編碼神經(jīng)網(wǎng)絡編碼通信工程系122023/8/64.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系132023/9/124.1.3圖像編碼算法的分類3.總結（1）－－無損壓縮方法僅僅刪除圖像數(shù)據(jù)中的冗余信息，回放壓縮文件時，能夠準確無誤地恢復原始數(shù)據(jù)。它可分為兩大類:

基于統(tǒng)計概率的方法和基于字典方法。通信工程系132023/8/64.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系142023/9/12基于統(tǒng)計概率的方法基于統(tǒng)計概率的方法是依據(jù)信息論中的變長編碼定理和信息熵的有關知識，用較短代碼代表出現(xiàn)概率大的符號，用較長代碼代表出現(xiàn)概率小的符號，而實現(xiàn)的數(shù)據(jù)壓縮。統(tǒng)計概率編碼方法中最有代表性的是霍夫曼(Huffman)編碼方法，它根據(jù)概率分布大小進行一一對應地編碼。在H.264標準中，采用了基于上下文自適應變字長編碼，壓縮效率得到了進一步提高。另外，算術編碼也是一種利用概率分布特性的編碼方法。算術編碼是利用字符序列而不是單個字符進行編碼，其效率比Huffman編碼方法高。通信工程系142023/8/6基于統(tǒng)計概率的方法基于統(tǒng)通信工程系152023/9/12基于字典的方法基于字典的方法的數(shù)據(jù)壓縮有兩種：一種是游程編碼(RuningLengthCoding，RLC)，在MPEG標準中使用;另一種是LZW(Lampel、Ziv、Welch，三個人名)編碼。采用LZW編碼時，可將數(shù)據(jù)文件生成特定字符序列的表以及它們對應的代碼。LZW編碼對二值圖像可以得到非常顯著的壓縮效果，但對灰度圖像壓縮效果不顯著，其壓縮比一般在1∶1.5~1∶3以內(nèi)。通信工程系152023/8/6基于字典的方法基于字典的方通信工程系162023/9/124.1.3圖像編碼算法的分類3.總結（2）－－有損壓縮算法靠丟掉大量冗余信息來降低數(shù)字圖像所占的空間，回放時也不能完整地恢復原始圖像，而將有選擇地損失一些細節(jié)，損失多少信息由需要多高的壓縮率決定。通信工程系162023/8/64.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系172023/9/12有損壓縮最常用的方法是空間和時間亞抽樣編碼。在某些(如VCD和電視電話等)應用中，高分辨率不是必需的。這時，我們可以使用空間和時間亞抽樣來降低數(shù)據(jù)速率。在編碼器中，從每幾個像素中選擇一個像素，從一幀的兩場中取一場，或從每幾幀中選擇一幀，然后加以傳輸。在譯碼器中，可根據(jù)接收的像素和幀內(nèi)插丟失的像素、場和幀，再生出分辨率較低的原始視頻序列。如果像素是由色度和亮度分量表示的，那么可以以較高的比率(如2∶1或4∶1)對色度分量進行亞抽樣，量化更粗略一些，這是因為人眼對色度分量的高頻分量敏感性較低。

通信工程系172023/8/6有損壓縮最常用的方法是空間通信工程系182023/9/124.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系182023/8/64.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系192023/9/124.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系192023/8/64.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系202023/9/124.1.4圖像編碼壓縮比

由于壓縮技術層出不窮，圖像編碼的壓縮比不斷提高，它遵循Musmann定律。Musmann定律是以德國著名圖像專家Musmann教授命名的。通信工程系202023/8/64.1.4圖像編碼壓縮比

通信工程系212023/9/122006年4月，Musmann教授在北京主持了“圖像編碼的過去與未來”專題討論會，并首先發(fā)言，對圖像編碼壓縮技術的過去幾十年工作作了總結，他認為廣播質(zhì)量的視頻編碼的壓縮比大約每5年翻一番，被公認為Musmann定律。通信工程系212023/8/62006年4通信工程系222023/9/124.2熵編碼熵編碼的基本原理：給出現(xiàn)概率較大的符號一個短碼字，而給出現(xiàn)概率較小的符號一個長碼字熵編碼的目的：使得最終的平均碼長最短常用的熵編碼方法：游程編碼RLE(run-lengthcoding)Huffman編碼算術編碼通信工程系222023/8/64.2熵編碼熵編碼的基本原理通信工程系232023/9/12

游程編碼主要用于量化后出現(xiàn)大量零系數(shù)的情形，利用游程來表示連零碼，以降低為表示零碼所用的數(shù)據(jù)量。

算術編碼是20世紀80年代發(fā)展起來的一種熵編碼方法，它已漸漸受到人們的注意。它的基本原理是，任何一個數(shù)據(jù)序列均可表示成0和1之間的一個間隔，該間隔的位置與輸入數(shù)據(jù)的概率分布有關。有關的實驗數(shù)據(jù)表明，在未知信源概率分布的大部分情形下，算術編碼要優(yōu)于Huffman編碼。通信工程系232023/8/6算術編碼是20世紀80年代通信工程系242023/9/124.2.1前綴碼

設有一個由K個信源符號(以下簡稱符號)組成的離散、無記憶符號集:

其中每一符號通過一個二進制碼字(代碼)表示，但字長不等。各符號出現(xiàn)的概率分別為:

若符號以個碼元(位)編碼，則在變字長編碼時編碼每個符號的平均碼長為

通信工程系242023/8/64.2.1前綴碼 設有一個由通信工程系252023/9/124.2.1前綴碼編碼要求：編碼必須是單譯和可逆的編碼的平均碼長最短

碼III是前綴碼: 0111100可以唯一地解碼為a1a4a2a1通信工程系252023/8/64.2.1前綴碼編碼要求：通信工程系262023/9/124.2.1前綴碼前綴碼的定義:

在碼表中沒有碼字與任何一個比它長的碼字的前綴(碼頭)相同，即不存在能在短碼字后面續(xù)加若干碼元構成的長碼字，所以前綴碼又稱非續(xù)長碼。

前綴碼的碼樹:通信工程系262023/8/64.2.1前綴碼前綴碼的定義通信工程系272023/9/12碼樹的每一個節(jié)點有兩個分枝，分別以二進制的兩個碼元符號“0”和“1”表示；一個前綴碼的碼樹應遵守這樣的規(guī)定：1）信源符號只能以端點表示，不能以節(jié)點表示；2）分配給每個符號的碼字可以由碼樹得到，它們由沿著從碼樹的根出發(fā)到該符號對應端點的路徑連續(xù)遇到的碼元順序排列而成。通信工程系272023/8/6碼樹的每一個節(jié)點有兩個分枝，分通信工程系282023/9/12

碼Ⅳ也是單譯可逆的，但它不是前綴碼。這種碼每一個碼字都以“0”開頭，不滿足前綴碼的要求。比較碼Ⅲ和碼Ⅳ可以看到碼Ⅳ的平均碼長比碼Ⅲ長。

作為對比，碼Ⅴ給出定長碼。為了編碼a1、a2、a3、a44個符號，定長碼的碼長是2bit，而采用碼Ⅲ的平均碼長，是1.75bit，要比定長碼節(jié)省0.25bit/符號。通信工程系282023/8/6作為對比，碼Ⅴ給出定長通信工程系292023/9/124.2.2離散無記憶信源的信息量離散無記憶信源離散：信源產(chǎn)生信號是不連續(xù)的，某一時刻只產(chǎn)生一個符號無記憶：某符號在某時刻出現(xiàn)的概率與在此之前信源的狀態(tài)無關符號ak的信息量I(ak)

單位為bit

p(ak)為ak出現(xiàn)的概率通信工程系292023/8/64.2.2離散無記憶信源的信通信工程系302023/9/124.2.2離散無記憶信源的信息量一個離散、無記憶信源產(chǎn)生的一個符號的平均信息量

H(U)被稱做信源的熵（統(tǒng)計均值）通信工程系302023/8/64.2.2離散無記憶信源的信通信工程系312023/9/124.2.3無失真信源編碼定理無失真信源編碼定理： 設單符號、離散、無記憶信源的熵為H(U)，若用二進制碼對其作變字長、非續(xù)長編碼，一定可以找到一種編碼方式，其平均碼長滿足：

H(U)≤≤H(U)+1即：如果符號ak用等于其信息量的碼長編碼 則可以使平均碼長達到其下限--熵

通信工程系312023/8/64.2.3無失真信源編碼定理通信工程系322023/9/124.2.4Huffman碼Huffman碼是冗余度最小(平均碼長最小)的編碼a1a2a3a4a5a60.250.250.200.150.100.050.250.250.200.150.150.300.250.250.200.450.300.250.550.451100100111110111000000011111用線將符號連接起來，從而得到一個前綴碼的碼樹。樹的K個端點對應K個信源符號通信工程系322023/8/64.2.4Huffman碼H通信工程系332023/9/124.2.4Hufman碼對于圖4.2.2中所給的例子，計算平均碼長=2.45bit/符號熵H(U)=2.42bit/符號經(jīng)Huffman編碼后，剩余的冗余度

=0.03bit/符號通信工程系332023/8/64.2.4Hufman碼對于通信工程系342023/9/12Huffman碼的特點算法是確定的，但編出的碼并非是唯一的。編碼依據(jù)是信源符號的概率分布，故其編碼效率取決于信源的統(tǒng)計特性。沒有錯誤保護功能?？勺冮L度碼，碼字字長參差不齊，因此硬件實現(xiàn)起來不大方便。對信源進行編碼后，形成了一個Huffman編碼表，解碼時，必須參照這表才能正確解碼。通信工程系342023/8/6Huffman碼的特點通信工程系352023/9/124.2.5游程編碼

游程編碼（RLE），也稱行程編碼或游程（行程）長度編碼。其基本思想：將具有相同數(shù)值（例如，像素的灰度值）的、連續(xù)出現(xiàn)的信源符號構成的符號序列用其數(shù)值及串的長度表示。其基礎是數(shù)據(jù)的相關性。以圖像編碼為例，灰度值相同的相鄰像素的延續(xù)長度（像素數(shù)目）稱為延續(xù)的游程，又稱游程長度，簡稱游程。通信工程系352023/8/64.2.5游程編碼通信工程系362023/9/12圖像的水平方向有一串L個像素具有相同的灰度值GJPEG標準：一幅圖像經(jīng)二維DCT變換之后又經(jīng)“之”字形掃描，得到DC和AC系數(shù)數(shù)列。只需傳送（G，L）即可符號1符號2

（游程長度，位長）（振幅）

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