第六章 圖像壓縮編碼

第6章圖像壓縮與編碼江蘇大學計算機學院2023/10/141為什么要壓縮？一張640×480真彩(24位)圖像的大?。海緽GR圖像640×480×24＝7372800(bit)=900KB(1Byte=8bit)相當于約46萬漢字2023/10/142第5章圖像壓縮與編碼

以這樣的圖像構成視頻，以每秒30幀進行播放，所需傳輸率為：目前:局域網(wǎng)速率：10Mbps硬盤傳輸速率：80Mbps~800Mbps40×光驅傳輸率：48Mbps一張650MB(5200Mb)的光盤只能存儲約23.5秒的視頻節(jié)目很難滿足計算機處理要求！視頻7372800×30＝221184000(b/s)≈221Mbps2023/10/143第5章圖像壓縮與編碼壓縮編碼基礎

圖像數(shù)據(jù)的壓縮機理來自兩個方面：一是利用圖像中存在大量冗余度可供壓縮；二是利用人眼的視覺特性。

1．圖像數(shù)據(jù)的冗余度

(1)空間冗余 在一幅圖像中規(guī)則的物體和規(guī)則的背景具有很強的相關性。2023/10/144第5章圖像壓縮與編碼(2)時間冗余

電視圖像序列中相鄰兩幅圖像之間有較大的相關性。(3)結構冗余和知識冗余

圖像從大面積上看常存在有紋理結構，稱之為結構冗余。(4)視覺冗余

人眼的視覺系統(tǒng)對于圖像的感知是非均勻和非線性的，對圖像的變化并不都能察覺出來。2023/10/145第5章圖像壓縮與編碼2．人眼的視覺特性(1)亮度辨別閾值

當景物的亮度在背景亮度基礎上增加很少時，人眼是辨別不出的，只有當亮度增加到某一數(shù)值時，人眼才能感覺其亮度有變化。人眼剛剛能察覺的亮度變化值稱為亮度辨別閾值。(2)視覺閾值

視覺閾值是指干擾或失真剛好可以被察覺的門限值，低于它就察覺不出來，高于它才看得出來，這是一個統(tǒng)計值。2023/10/146第5章圖像壓縮與編碼(3)空間分辨力

空間分辨力是指對一幅圖像相鄰像素的灰度和細節(jié)的分辨力，視覺對于不同圖像內(nèi)容的分辨力不同。(4)掩蓋效應

“掩蓋效應”是指人眼對圖像中量化誤差的敏感程度，與圖像信號變化的劇烈程度有關。2023/10/147第5章圖像壓縮與編碼圖像壓縮的分類圖像壓縮有損壓縮無損壓縮行程編碼LZW編碼哈夫曼編碼算術編碼無損預測編碼位平面編碼有損預測編碼分形編碼模型編碼子帶編碼神經(jīng)網(wǎng)絡編碼變換編碼K-L變換Haar變換Walsh.Hadamard變換離散余弦變換離散傅立葉變換斜變換小波變換2023/10/148第5章圖像壓縮與編碼行程編碼（RLE）行程：具有相同灰度值的像素序列編碼思想：將一行中顏色值相同的相鄰象素（行程）用一個計數(shù)值（行程的長度）和該顏色值（行程的灰度）來代替，從而去除像素冗余。例：設重復次數(shù)為iC,重復像素值為iP編碼為：iCiPiCiPiCiP編碼前：aaaaaaabbbbbbcccccccc

編碼后：7a6b8c2023/10/149第5章圖像壓縮與編碼行程編碼（RLE）對于有大面積色塊的圖像，壓縮效果很好對于紛雜的圖像，壓縮效果不好，最壞情況下（圖像中每兩個相鄰點的顏色都不同），會使數(shù)據(jù)量加倍，所以現(xiàn)在單純采用行程編碼的壓縮算法用得并不多，PCX文件算是其中之一2023/10/1410第5章圖像壓縮與編碼二維行程編碼二維行程編碼要解決的核心問題是：將二維排列的像素，采用某種方式轉化成一維排列的方式。之后按照一維行程編碼方式進行編碼兩種典型的二維行程編碼的排列方式2023/10/1411第5章圖像壓縮與編碼哈夫曼編碼哈夫曼(Huffman)編碼是一種常用的壓縮編碼方法，是Huffman于1952年為壓縮文本文件建立的?；舅枷胪ㄟ^減少編碼冗余來達到壓縮的目的。統(tǒng)計符號的出現(xiàn)概率，建立一個概率統(tǒng)計表將最常出現(xiàn)(概率大的)的符號用最短的編碼，最少出現(xiàn)的符號用最長的編碼。2023/10/1412第5章圖像壓縮與編碼哈夫曼編碼例子：建立概率統(tǒng)計表和編碼樹符號概率1 2 3 4a2 0.40.40.4 0.4 0.6a6 0.30.30.3 0.3 0.4a1 0.10.10.2 0.3a4 0.10.10.1a3 0.060.1a5 0.04 2023/10/1413第5章圖像壓縮與編碼哈夫曼編碼例子的編碼過程：解碼過程符號概率編碼 1 234a2 0.41 0.410.410.410.60a6 0.3010.3010.3010.3

01

0.41a1 0.10010.10010.2

0010.3

00a4 0.100010.1

0001

0.1

000

a3 0.06

000010.1

0000

a5 0.04

00000000010011101a3a1a2a2a60.60.4a20.3a60.30.1a10.20.1a40.04a50.06a30.1

01

01

01

01

012023/10/1414第5章圖像壓縮與編碼哈夫曼編碼常用的且有效的方法是將圖像分割成若干的小塊，對每塊進行獨立的Huffman編碼8*8分塊的編碼效率為47.27%16*16分塊的編碼效率約為61%全圖的編碼效率為91.47%2023/10/1415第5章圖像壓縮與編碼JPEG圖像壓縮與編碼方法

JPEG圖像壓縮與編碼

JPEG算法概要JPEG是什么JPEG算法概要

JPEG算法的主要計算步驟5.2.1離散余弦變換5.2.2量化5.2.3Z字形編排5.2.4熵編碼

JPEG壓縮和編碼舉例

JPEG文件格式顏色空間文件結構

JPEG2000簡介

JPEG2000是什么

JPEG2000的基本結構

JPEG2000的主要功能2023/10/1416第5章圖像壓縮與編碼JPEG算法概要

JPEG是什么JointPhotographicExpertsGroup的縮寫，聯(lián)合圖像專家組由ISO和IEC兩個組織機構聯(lián)合組成的專家組，負責制定靜態(tài)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼標準JPEG標準靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)壓縮標準，用于壓縮灰度圖像和彩色圖像。兩種基本壓縮算法：有損壓縮算法：以離散余弦變換(DCT)為基礎，在壓縮比為25∶1的情況下，壓縮后還原得到的圖像與原始圖像相比，非圖像專家難于找出它們之間的區(qū)別采用以預測技術為基礎的無損壓縮算法JPEG格式存放使用JPEG壓縮的圖像文件交換格式大多數(shù)瀏覽器都支持這種格式的文件。以這種格式存放的圖像文件的后綴是.JPG或.JFF。也稱JFIF2023/10/1417第5章圖像壓縮與編碼JPEG算法概要(續(xù)1)

JPEG算法概要利用視覺系統(tǒng)特性，使用變換、量化和熵編碼相結合的方法，以去掉或減少視覺的冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息JPEG算法框圖如圖1所示圖(a)：壓縮算法框圖圖(b)：解壓縮算法框圖JPEG標準的壓縮算法大致分成三個步驟：使用正向離散余弦變換(FDCT)把空間域表示的圖變換成頻率域表示的圖使用加權函數(shù)對DCT系數(shù)進行量化，加權函數(shù)對人的視覺系統(tǒng)是最佳的使用霍夫曼編碼器對量化系數(shù)進行編碼2023/10/1418第5章圖像壓縮與編碼JPEG算法概要(續(xù)2)

JPEG壓縮-解壓縮算法框圖2023/10/1419第5章圖像壓縮與編碼JPEG算法概要(續(xù)3)JPEG算法與顏色空間無關RGB和YUV之間的變換不包含在JPEG算法中JPEG算法處理單獨的圖像彩色分量，因此可壓縮來自不同顏色空間的數(shù)據(jù)，如RGB,YCbCr,CMYKJPEG標準文檔標準號：ISO/IECIS10918-1或ITU-TRecommendationT.81標準名：Informationtechnology—Digitalcompressionandcodingofcontinuous-tonestillimages(信息技術—連續(xù)色調(diào)靜態(tài)圖像的數(shù)字壓縮和編碼)2023/10/1420第5章圖像壓縮與編碼JPEG算法概要(續(xù)4)ISO/IECITU-T各部分的功能10918-1(1994)Part1T.81編碼靜態(tài)圖像的基本標準10918-2(1995)Part2T.82軟件性能符合Part1的測試10918-3(1997)Part3T.83添加包括SPIFF*格式在內(nèi)的擴展10918-4(1999)Part4T.84定義注冊擴展JPEG功能的參數(shù)的方法14495-1(1998)T.87數(shù)據(jù)無損壓縮的標準(JPEG-LS)表1JPEG標準文檔2023/10/1421第5章圖像壓縮與編碼JPEG算法的主要計算步驟JPEG壓縮編碼算法的主要計算步驟(1)正向離散余弦變換(FDCT)(2)量化(quantization)(3)Z字形編碼(zigzagscan)。(4)使用差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)對直流系數(shù)(DC)進行編碼(5)使用行程長度編碼(RLE)對交流系數(shù)(AC)進行編碼(6)熵編碼(entropycoding)2023/10/1422第5章圖像壓縮與編碼JPEG算法的主要計算步驟(續(xù)1)

離散余弦變換(DCT)discretecosinetransform的縮寫用余弦函數(shù)的離散值構成的變換矩陣對信號的一系列樣本值進行運算的數(shù)學變換可將能量集中到頻率較低的系數(shù)上將分量圖像分成8×8的圖塊，如圖2所示圖5-2離散余弦變換2023/10/1423第5章圖像壓縮與編碼JPEG算法的主要計算步驟(續(xù)2)DCT變換使用下式計算逆變換使用下式計算當u,v=0；其他其中，2023/10/1424第5章圖像壓縮與編碼JPEG算法的主要計算步驟(續(xù)3)二維DCT的計算將二維DCT變成一維DCT，如圖3所示實際的快速計算方法可參看參考文獻[C.Loeffler]當計算精度足夠高時，DCT變換不會損失圖像質(zhì)量圖5-3二維DCT變換方法2023/10/1425第5章圖像壓縮與編碼JPEG算法的主要計算步驟(續(xù)4)量化對FDCT變換后的(頻率的)系數(shù)進行量化量化目的是降低非“0”系數(shù)的幅度以及增加“0”值系數(shù)的數(shù)目用圖4所示的均勻量化器量化量化是造成圖像質(zhì)量下降的最主要原因量化用右式計算圖5-4均勻量化器2023/10/1426第5章圖像壓縮與編碼JPEG算法的主要計算步驟(續(xù)5)量化步距按照系數(shù)所在的位置和每種顏色分量的色調(diào)值來確定的因為人眼對亮度信號比對色差信號更敏感，因此使用兩種量化表：如表2所示的亮度量化表和表3所示的色差量化表由于人眼對低頻分量的圖像比對高頻分量的圖像更敏感，因此表中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小表2和表3中的數(shù)值對CCIR601標準電視圖像已經(jīng)是最佳的如果不使用這兩種表，用戶也可以用自己的量化表替換它們2023/10/1427第5章圖像壓縮與編碼JPEG算法的主要計算步驟(續(xù)6)16111016244051611212141926586055141316244057695614172229518780621822375668109103772435556481104113924