第5章-圖像編碼6h

圖像編碼技術(shù)中國計量學(xué)院

倪軍第五章第五章圖像編碼5.1圖像編碼的基本概念5.2RLE編碼5.3Huffman編碼5.4DCT變換編碼5.5混合編碼5.6國際標(biāo)準(zhǔn)簡介5.1

圖像編碼的基本概念5.1.1研究背景5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮5.1.3保真度標(biāo)準(zhǔn)5.1.4圖像壓縮模型5.1.1圖像編碼研究背景一、信息傳輸方式發(fā)生了很大的改變通信方式的改變

圖像，視頻成為通訊的重要方式通信對象的改變

人與人人與機器，機器與機器5.1.1圖像編碼研究背景

二、圖像傳輸與存儲需要的數(shù)據(jù)空間圖像的傳輸與存儲中，問題最多的，也是最常用的是數(shù)字視頻信號。5.1.1圖像編碼研究背景彩色視頻信息對于電視畫面的分辨率640*480的彩色圖像，每秒30幀，則一秒鐘的數(shù)據(jù)量為：640*480*24*30=221.12M所以播放時，需要221Mbps的通信速度。

5.1.1圖像編碼研究背景實時傳輸：在寬帶網(wǎng)上（10M）實時傳輸?shù)脑挘枰獕嚎s到原來數(shù)據(jù)量的0.045。存儲：1張CD可存640M如果不進行壓縮，1張CD則僅可以存放2.89秒的數(shù)據(jù)。存2小時的信息則需要壓縮到原來數(shù)據(jù)量的0.00045.1.1圖像編碼研究背景由于通信方式和通信對象的改變帶來的最大問題是：

傳輸帶寬、速度、存儲器容量的限制。編碼研究內(nèi)容：

如何用軟件的手段來解決硬件上的物理極限。5.1.1圖像編碼研究背景圖像信息源圖像預(yù)處理圖像信源

編碼信道編碼調(diào)制信道傳輸解調(diào)信道解碼圖像信源

解碼顯示圖像圖像通信系統(tǒng)模型5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)是信息的載體，對給定的信息可用不同的數(shù)據(jù)表示信息：一般指數(shù)據(jù)、消息中所包含的意義設(shè)法減少表達同樣信息的數(shù)據(jù)量，叫數(shù)據(jù)壓縮5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮圖像壓縮的基本概念設(shè)：n1和n2是在兩個表達相同信息的數(shù)據(jù)集中，信息載體單位的個數(shù)。壓縮率（壓縮比）：

CR=n1/n2

其中，n1是壓縮前的數(shù)據(jù)量，n2是壓縮后的數(shù)據(jù)量5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮數(shù)據(jù)冗余例子你的哥哥張三，將于明天晚上6點30分在杭州的蕭山國際機場接你。你的哥哥將于明天晚上6點30分在蕭山機場接你哥明晚6點半在機場接你哥明晚接你

結(jié)論：只要接收端不會產(chǎn)生誤解，就可以減少承載信息的數(shù)據(jù)量。5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮

2）“這是一幅2*2的圖像，整幅圖都是紅色的”。由此我們知道，整理圖像的描述方法可以達到壓縮的目的。1）“這是一幅2*2的圖像，圖像的第一個像素是紅的，第二個像素是紅的，第三個像素是紅的，第四個像素是紅的”。數(shù)據(jù)冗余例子5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮三種數(shù)據(jù)冗余：像素冗余編碼冗余心理視覺冗余5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮像素冗余：由于任何給定的像素值，原則上可以通過它的鄰像素預(yù)測到，單個像素攜帶的信息相對是小的。 對于一個圖像，很多單個像素對視覺的貢獻是冗余的。這是建立在對鄰居值預(yù)測的基礎(chǔ)上。例：原圖像數(shù)據(jù)：234223231238235 壓縮后數(shù)據(jù)：234-1187-35.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮圖像縮放4：1利用相鄰像素相關(guān)性進行圖像縮放5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮序列圖像連續(xù)幀間像素冗余前幀后幀5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮圖像編碼：為表達圖像數(shù)據(jù)需要使用一系列符號，用這些符號根據(jù)一定的規(guī)則來表達圖像就是圖像編碼。編碼冗余的產(chǎn)生平均比特數(shù)概念自然碼和變長碼5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮編碼冗余：如果一個圖像的灰度級編碼，使用了多于實際需要的編碼符號，就稱該圖像包含了編碼冗余。例：如果用8位表示該圖像的像素，我們就說該圖像存在著編碼冗余，因為該圖像的像素只有兩個灰度，用一位即可表示。5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮視覺心理冗余：

一些信息在一般視覺處理中比其它信息的相對重要程度要小，這種信息就被稱為視覺心理冗余。5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮視覺心理冗余隔行掃描幀頻色彩冗余5.1.3保真度標(biāo)準(zhǔn)保真度標(biāo)準(zhǔn)——評價壓縮算法的標(biāo)準(zhǔn)客觀保真度標(biāo)準(zhǔn)主觀保真度標(biāo)準(zhǔn)5.1.3保真度標(biāo)準(zhǔn)客觀保真度標(biāo)準(zhǔn)如果信息丟失的級別,可以表示為原始或輸入圖像與壓縮后又解壓縮輸出的圖像的函數(shù)，這個函數(shù)就被稱為客觀保真度標(biāo)準(zhǔn)。一般表示為：

e(x,y)=f(x,y)-f(x,y)

f(x,y)是輸入圖像，f(x,y)是壓縮后解壓縮的圖像，e(x,y)是誤差函數(shù)5.1.3保真度標(biāo)準(zhǔn) 兩個圖像之間的總誤差：

M-1N-1

[f(x,y)-f(x,y)] x=0y=0均方根誤差（rms）

M-1N-1

erms=[1/MN

[f(x,y)-f(x,y)]2]1/2

x=0y=0優(yōu)缺點：5.1.3保真度標(biāo)準(zhǔn)5.1.3保真度標(biāo)準(zhǔn)主觀保真度標(biāo)準(zhǔn)通過視覺比較兩個圖像，給出一個定性的評價，如優(yōu)秀、良好、可用、剛可看、差、不能用，這種評價被稱為主觀保真度標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)缺點：5.1.4圖像壓縮模型源數(shù)據(jù)編碼：完成原數(shù)據(jù)的壓縮。通道編碼：為了抗干擾，增加一些容錯、校驗 位，實際上是增加冗余。通道：如Internet、廣播、通訊、可移動介質(zhì)源數(shù)據(jù)編碼通道編碼通道通道解碼源數(shù)據(jù)解碼5.1.4圖像壓縮模型源數(shù)據(jù)編碼與解碼的模型源數(shù)據(jù)編碼的模型源數(shù)據(jù)解碼的模型符號解碼器反向映射器映射器量化器符號編碼器5.1.4圖像壓縮模型源數(shù)據(jù)編碼與解碼的模型映射器：減少像素冗余，進行圖像變換。量化器：減少視覺心理冗余，僅用于有損壓縮。符號編碼器：減少編碼冗余，如使用哈夫曼編碼5.1.4圖像壓縮模型壓縮編碼第一代壓縮編碼

八十年代以前，主要是根據(jù)傳統(tǒng)的信源編碼方法。第二代壓縮編碼

八十年代以后，突破信源編碼理論，結(jié)合分形、模型基、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等數(shù)學(xué)工具，充分利用視覺系統(tǒng)生理心理特性和圖像信源的各種特性。5.2行程編碼(RLE編碼)行程編碼是一種最簡單的，在某些場合是非常有效的一種無損壓縮編碼方法。雖然這種編碼方式的應(yīng)用范圍非常有限，但是因為這種方法中所體現(xiàn)出的編碼設(shè)計思想非常明確，所以在圖像編碼方法中都會將其作為一種典型的方法來介紹。

5.2.1行程編碼的基本原理通過改變圖像的描述方式，來實現(xiàn)圖像的壓縮。將一行中灰度值相同的相鄰像素，用一個計數(shù)值和該灰度值來代替。5.2.1行程編碼的基本原理RLE編碼——RunLengthEncoding概念：行程：具有相同灰度值的像素序列。編碼思想：去除像素冗余。用行程的灰度和行程的長度代替行程本身。例：設(shè)重復(fù)次數(shù)為iC,重復(fù)像素值為iP

編碼為：iCiPiCiPiCiP編碼前：aaaaaaabbbbbbcccccccc編碼后：7a6b8c5.2.2行程編碼方法舉例說明：

aaaa

bbb

cc

d

eeeee

fffffff

(共22*8=176bits)

4a3b2c1d5e7f

(共12*8=96bits)壓縮率為：96/176=54.5%5.2.2行程編碼方法傳真件中一般都是白色比較多，而黑色相對比較少。所以可能常常會出現(xiàn)如下的情況：

600W3b570w12b4w3b3000w

上面的行程編碼所需用的字節(jié)數(shù)為：因為：2048<3000<4096所以：計數(shù)值必須用12bit來表示

5.2.2行程編碼方法對于：

600W3b570w12b4w3b3000w

需要的數(shù)據(jù)量為：12*7=84bit因為只有白或黑，而且排版中一定要留出頁邊距，頁邊一般是白色的。所以可以只傳輸計數(shù)值即可。

5.2.3行程編碼方法改進現(xiàn)在我們就希望對其進行改善

既然已經(jīng)可以預(yù)知白色多黑色少，可以對白色和黑色的計數(shù)值采用不同的位數(shù)。以這個例子，可以定義：白色：12bit，黑色：4bit所需字節(jié)數(shù)為4*12+3*4=60bit5.2.4行程編碼方法適用范圍RLE編碼分析：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，會加倍圖像行程編碼要獲得好的壓縮率的前提是有比較長的相鄰像素的值是相同的。為了達到大的壓縮率，提出了一種方法就是將在圖像中出現(xiàn)頻度大的像素值,給一個比較短的編碼，將出現(xiàn)頻度小的像數(shù)值,給一個比較長的編碼。5.3Huffman編碼5.3.1Huffman編碼思想例：

aaaa

bbb

cc

d

eeeee

fffffff

432157如果不進行特殊的編碼，按照圖像像素的描述，需要的數(shù)據(jù)量為：

22*8=176bits

5.3.1Huffman編碼思想

aaaa

bbb

cc

d

eeeee

fffffff432157異字頭碼進行編碼：f=0e=10a=110b=1111c=11100d=111015.3.1Huffman編碼思想由：f=0e=10a=110b=1111c=11100d=11101aaaabbbccdeeeeefffffff

11011011011011111111111111100111001110110101010100000000數(shù)據(jù)量：7*1+5*2+4*3+3*4+2*5+1*5=56bit壓縮量為：56/176=31.8%5.3.2Huffman編碼過程首先求出圖像中灰度分布的灰度直方圖；根據(jù)該直方圖，對其按照分布概率從小到大的順序進行排列；每一次從中選擇出兩個概率為最小的節(jié)點相加，形成一個新的節(jié)點，構(gòu)造一個稱為“Huffman樹”的二叉樹；對這個二叉樹進行編碼，就獲得了Huffman編碼碼字。5.3.2Huffman編碼過程例如：aaaa

bbb

cc

d

eeeee

fffffff分布為：a:4/22b:3/22c:2/22d:1/22e:5/22f:7/22排序為：dcbaef1/222/223/224/225/227/225.3.2Huffman編碼過程cbafe7/225/224/222/2210f=11e=01a=00b=101c=1001d=1000d1/223/226/2222/2213/229/223/22101010105.3.2Huffman編碼過程對這個例子，計算出經(jīng)過Huffman編碼后的數(shù)據(jù)為：1010101010001001001000100010000111111111101010101010101共7*2+5*2+4*2+3*3+2*4+1*4=53bit比前面我們給出的編碼得到的56bit的數(shù)據(jù)量還小，壓縮為原來的30.1%。5.3.2Huffman編碼過程5.3.2Huffman編碼過程5.3.2Hu