《數(shù)字圖像處理教程（OPENCV版）》 課件 Ch08 圖像壓縮

數(shù)字圖像處理教程第8章圖像壓縮2024/5/618.1圖像壓縮基礎(chǔ)2024/5/628.1.1冗余在滿足一定圖像質(zhì)量的前提下，用盡可能少的比特描述圖像編碼冗余像素間冗余心理視覺(jué)冗余2024/5/638.1.1冗余

熵2024/5/648.1.1冗余像素間冗余像素間冗余源自像素之間的相關(guān)性，又稱為圖像的空間冗余。同一目標(biāo)的各像素值像素值相近對(duì)于視頻除了每張圖像自身的空間冗余外還有時(shí)間冗余，相鄰多幀圖像有很多區(qū)域是相似的像素間冗余使得某個(gè)位置的像素值可以由相同區(qū)域內(nèi)其它像素預(yù)測(cè)得到2024/5/658.1.1冗余視覺(jué)冗余視覺(jué)系統(tǒng)并不能對(duì)圖像的任何變化都感知，無(wú)法感知的信息就是冗余的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)亮度變化敏感，而對(duì)色彩的變化相對(duì)不敏感在高亮區(qū)對(duì)亮度變化敏感度下降對(duì)物體邊緣敏感但對(duì)內(nèi)部區(qū)域相對(duì)不敏感對(duì)整體結(jié)構(gòu)敏感，對(duì)內(nèi)部細(xì)節(jié)相對(duì)不敏感2024/5/668.1.1冗余某些圖像還有結(jié)構(gòu)冗余呈現(xiàn)周期性分形2024/5/678.1.2保真度用于評(píng)判編碼質(zhì)量，用于評(píng)價(jià)圖像經(jīng)壓縮再解壓得到的重建圖像相對(duì)原始圖像的偏離程度客觀保真度準(zhǔn)則將圖像編碼失真描述為原始圖像與經(jīng)“壓縮-解碼”重建圖像的函數(shù)均方根誤差、均方信噪比和峰值信噪比計(jì)算簡(jiǎn)單，計(jì)算值與視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像的感受不完全一致主觀保真度準(zhǔn)則成對(duì)比較評(píng)分法平均評(píng)分法2024/5/688.1.2保真度

2024/5/698.1.2保真度

打分評(píng)價(jià)具體描述6優(yōu)秀質(zhì)量很好，如你希望的那樣好5良好質(zhì)量很高，視覺(jué)舒服，有干擾但不影響4合格圖像質(zhì)量可接收，有干擾但不太影響3剛可用圖像質(zhì)量差，有干擾妨礙觀看，你希望能提高質(zhì)量2差圖像質(zhì)量差，但你還能觀看，干擾太大1不可用圖像質(zhì)量太差無(wú)法觀看2024/5/6108.2常用編碼2024/5/6118.2.1霍夫曼編碼熵編碼，依據(jù)信源概率進(jìn)行的編碼將最短編碼賦給出現(xiàn)頻率最高的輸入，對(duì)出現(xiàn)頻率最低的輸入分配最長(zhǎng)編碼編碼包含二個(gè)階段生成路徑按概率由高到低排序?qū)Ω怕首钚〉亩€(gè)求和重復(fù)上述步驟知道二個(gè)概率之和為1分配編碼為每條支路分配比特2024/5/6128.2.1霍夫曼編碼

2024/5/6138.2.2算術(shù)編碼基于概率的變長(zhǎng)編碼，屬于熵編碼編碼的信息流表示為0~1之間的一個(gè)區(qū)間，信息流越長(zhǎng)則區(qū)間越小。符號(hào)出現(xiàn)概率決定了編碼過(guò)程中各符號(hào)對(duì)應(yīng)區(qū)間位置初始化時(shí)將0~1區(qū)間根據(jù)各符號(hào)概率分割，確定第一個(gè)被編碼符號(hào)所屬區(qū)間然后采用迭代方法，在“當(dāng)前區(qū)間”中，進(jìn)一步根據(jù)各符號(hào)出現(xiàn)概率分割區(qū)間，確定下一個(gè)被編碼符號(hào)所屬區(qū)間將“當(dāng)前區(qū)間”更新為該區(qū)間重復(fù)上述過(guò)程直到所有輸入符號(hào)被分配區(qū)間2024/5/6148.2.2算術(shù)編碼

2024/5/6158.2.3游程編碼對(duì)于重復(fù)并且連續(xù)出現(xiàn)的符號(hào)或符號(hào)串，用“符號(hào)或符號(hào)串、連續(xù)且重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)”描述符號(hào)或符號(hào)串連續(xù)重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)稱為游程或行程2024/5/6168.2.3游程編碼

2024/5/6178.2.3游程編碼對(duì)包含大量重復(fù)信息的內(nèi)容壓縮效果好信息流重復(fù)性不高時(shí)壓縮效率低甚至起不到壓縮作用用于特定場(chǎng)景，例如二值圖像編碼、高頻數(shù)據(jù)量化后編碼等傳輸過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤會(huì)造成錯(cuò)誤擴(kuò)散2024/5/6188.2.4LZW編碼詞典編碼不需要知道各符號(hào)出現(xiàn)的概率，僅利用數(shù)據(jù)本身包含大量重復(fù)片段的特點(diǎn)進(jìn)行壓縮LZW編碼屬于詞典編碼，通過(guò)建立詞典，用較短的代碼（詞典索引號(hào)）表示實(shí)際信息流中的符號(hào)串LZW所用詞典無(wú)需事先創(chuàng)建，根據(jù)輸入信息流動(dòng)態(tài)創(chuàng)建LZW解碼時(shí)一邊解碼一邊創(chuàng)建詞典2024/5/6198.2.4LZW編碼

2024/5/6208.2.4LZW編碼

2024/5/6218.2.4LZW編碼LZW編碼示例設(shè)共有x、y、z三種符號(hào)，輸入信息流為“xyyzyyzy”步驟詞條詞條索引編碼器輸出①

x1

y2z3②

x

③xy4y1④

yy5y2⑤

yz6z2⑥

zy7y3⑦

yy

⑧

yyz8z5⑨

zy

⑩

7編碼前建立2024/5/622詞典里有了，不輸出創(chuàng)建新詞，輸出舊詞創(chuàng)建新詞，輸出舊詞詞典里有了，不輸出沒(méi)輸入，把剩的輸出8.2.5矢量量化編碼矢量量化編碼是有損編碼，解碼數(shù)據(jù)與送入編碼器的數(shù)據(jù)相比存在失真用于圖像、視頻、語(yǔ)音壓縮相比無(wú)損編碼，矢量量化編碼壓縮效率更高2024/5/6238.2.5矢量量化編碼

2024/5/6248.2.5矢量量化編碼

2024/5/6258.3位平面編碼2024/5/6268.3位平面編碼位平面編碼對(duì)圖像的每個(gè)位平面單獨(dú)處理以減少像素間冗余分位平面分解、位平面編碼

二個(gè)步驟低位平面圖像比高位平面圖像包含更多細(xì)節(jié)高位平面圖含重要視覺(jué)信息，大量連續(xù)的0或1，便于壓縮2024/5/6278.3位平面編碼

2024/5/6288.4變換編碼2024/5/6298.4變換編碼將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到另一個(gè)域，對(duì)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼大致步驟分割：增加子圖像均勻性，使變換后能量更集中，減少存儲(chǔ)容量的需求變換：消除空間冗余，變換后的數(shù)據(jù)相關(guān)性變小，能量分布更集中量化：降低精度，減少心理視覺(jué)冗余，提高壓縮率編碼：進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)量組織碼流：加入傳輸和解碼時(shí)必要的其它信息2024/5/6308.4.1離散余弦變換

2024/5/6318.4.1離散余弦變換

2024/5/6328.4.1離散余弦變換離散余弦變換使得頻域帶寬更窄、能量更集中，比離散傅里葉變換更適合用于信息壓縮變換后系數(shù)是實(shí)數(shù)，沒(méi)有相位信息，因此不適用其對(duì)信號(hào)性能特征進(jìn)行分析2024/5/6338.4.1離散余弦變換

2024/5/6348.4.1離散余弦變換二維離散余弦變換具有可分離性，可分解為二個(gè)一維變換離散余弦變換尺寸越大，則變換后能量集中度越高，去相關(guān)性越好，但計(jì)算復(fù)雜度會(huì)隨之增大。2024/5/6358.4.2JPEG圖像壓縮

2024/5/6368.4.2JPEG圖像壓縮

2024/5/6378.4.2JPEG圖像壓縮JPEG壓縮流程（續(xù)1）： DCT變換后系數(shù)分布更集中，通常變換后左上方系數(shù)較大，即能量集中在低頻區(qū)域，多數(shù)圖像的高頻分量較小2024/5/6388.4.2JPEG圖像壓縮JPEG壓縮流程（續(xù)2）：量化量化系數(shù)越大量化失真越大。視覺(jué)對(duì)低頻更敏感，量化表右下方量化系數(shù)大些。視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)亮度信息更敏感，亮度量化表比色差量化表更精細(xì)

2024/5/6398.4.2JPEG圖像壓縮JPEG壓縮流程（續(xù)3）：JPEG控制壓縮率主要依靠量化表量化造成不可逆的信息損失2024/5/6408.4.2JPEG圖像壓縮2024/5/641

8.4.2JPEG圖像壓縮JPEG壓縮流程（續(xù)5）：量化的直流、交流分別編碼成中間格式圖像同一目標(biāo)區(qū)域分割成得到各子塊的直流值接近，對(duì)量化的直流（DC）進(jìn)行差分脈沖調(diào)制編碼DPCM，即對(duì)相鄰子塊的直流差值進(jìn)行編碼其它63個(gè)系數(shù)屬于交流(AC)，對(duì)交流采用游程編碼2024/5/6428.4.2JPEG圖像壓縮JPEG壓縮流程（續(xù)6）：對(duì)DC、AC的中間格式分別進(jìn)行熵編碼JPEG標(biāo)準(zhǔn)中提供兩種熵編碼方式：霍夫曼編碼和算術(shù)編碼對(duì)AC、DC采用不同霍夫曼碼表對(duì)亮度分量和色差分量采用不同霍夫曼碼表2024/5/6438.4.2JPEG圖像壓縮

2024/5/6448.4.3基于小波的圖像壓縮圖像進(jìn)行小波變換，對(duì)小波變換系數(shù)進(jìn)行壓縮小波圖像壓縮屬于嵌入式壓縮，從壓縮碼流開始處到碼流任一位置截取的碼流都能重建圖像，隨著截取碼流的增加，重建圖像圖像質(zhì)量逐漸提高2024/5/6458.4.3基于小波的圖像壓縮

2024/5/6468.4.3基于小波的圖像壓縮

2024/5/6478.4.3基于小波的圖像壓縮

2024/5/6488.4.3基于小波的圖像壓縮

2024/5/6498.4.3基于小波的圖像壓縮

2024/5/6508.4.3基于小波的圖像壓縮

2024/5/651根據(jù)前面掃描結(jié)果，這些部分是零樹后代，不用掃描字母表示4種類型，下標(biāo)表示掃描順序8.4.3基于小波的圖像壓縮

2024/5/6528.4.3基于小波的圖像壓縮

2024/5/6538.4.3基于小波的圖像壓縮

2024/5/6548.4.3基于小波的圖像壓縮如何理解嵌入式零樹小波的”嵌入式“第一次迭代結(jié)束，小波系數(shù)62、50編碼為1，系數(shù)-33、46編碼為0。解碼端收到1，譯碼為32~64的上半段（48~64）的中值56，收到0譯碼為32~48的中值40(-33譯碼為-40、46譯碼為40）第二次迭代結(jié)束，系數(shù)62在第1次譯碼時(shí)已知它落在48~64之間，第2次譯碼”1“更知道它在此區(qū)間的后半段56~64之間，故譯碼為56~64中間值60。系數(shù)50第1次譯碼知道其在48~64之間，第2次量化0說(shuō)明它落在48~56之間，故譯碼為52。同理-33在第2次譯碼知道其幅值在32~48的前半部分即32~40之間，因此譯碼為-36隨著碼流增多，譯碼值與實(shí)際值越接近EZW本質(zhì)上屬于位平面編碼2024/5/6558.4.3基于小波的圖像壓縮JPEG2000壓縮JPEG2000采用小波變換將圖像分解為不同分辨率、不同頻率和方向特性的子圖像支持有損壓縮和無(wú)損壓縮比JPEG壓縮率更高，在高壓縮率時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，不會(huì)出現(xiàn)JPEG的塊效應(yīng)適合高品質(zhì)、大尺寸圖像壓縮。2024/5/6568.4.3基于小波的圖像壓縮JPEG2000編碼2024/5/6578.4.3基于小波的圖像壓縮

2024/5/6588.4.3基于小波的圖像壓縮JPEG2000編碼流程（續(xù)1）Tier-1階段：每個(gè)子帶分成若干互不重疊矩形區(qū)，每個(gè)矩形區(qū)稱為碼塊。對(duì)各碼塊分別獨(dú)立進(jìn)行位平面編碼，每個(gè)碼塊一個(gè)獨(dú)立的嵌入式碼流對(duì)各碼塊碼流進(jìn)行截取，找出每個(gè)碼塊碼流的最佳截取點(diǎn)，使得在指定壓縮率下壓縮造成的失真最小。對(duì)截取碼流按照指定格式、壓縮質(zhì)量、指定的質(zhì)量分層、傳輸漸進(jìn)方式等進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，形成壓縮碼流2024/5/659JPEG2000編碼的關(guān)鍵技術(shù)是優(yōu)化截取的嵌入式塊編碼(EBCOT)技術(shù)EBCOT分為Tier-1嵌入式碼塊編碼和Tier-2生成輸出碼流二個(gè)階段。8.4.3基于小波的圖像壓縮JPEG2000編碼EBCOT使得JPEG2000編碼在指定壓縮率下達(dá)到失真最小，相同壓縮率下圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于其它編碼，高壓縮率時(shí)優(yōu)勢(shì)尤為顯著。JPEG2000編碼只需對(duì)圖像按照最大分辨率、最高質(zhì)量壓縮一次，用戶根據(jù)自身需求指定分辨率、壓縮率、色彩或灰度(提取分量中的亮度信息)截取碼流即可。JPEG2000支持多種分級(jí)(scalabe)，既有常規(guī)的質(zhì)量分級(jí)，即隨著碼流增加圖像分辨率保持不變而質(zhì)量逐步提高，也支持分辨率分級(jí)，當(dāng)數(shù)據(jù)量少時(shí)圖像分辨率低，隨著解