圖像壓縮章節(jié)ppt

1、第第10章章 圖像壓縮圖像壓縮劉劉 星星 本章的知識和技術(shù)熱點(diǎn)本章的知識和技術(shù)熱點(diǎn) 圖像壓縮理論圖像壓縮理論 DCTDCT變換和量化變換和量化 預(yù)測編碼預(yù)測編碼 霍夫曼編解碼霍夫曼編解碼 算術(shù)編碼算術(shù)編碼 游程編碼游程編碼 JPEGJPEG和和JPEG2000JPEG2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)壓縮標(biāo)準(zhǔn) 一一.圖像壓縮理論圖像壓縮理論 為什么要進(jìn)行圖像壓縮為什么要進(jìn)行圖像壓縮 圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性 圖像冗余圖像冗余 圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的重要指標(biāo)圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的重要指標(biāo) 圖像數(shù)據(jù)壓縮的應(yīng)用領(lǐng)域圖像數(shù)據(jù)壓縮的應(yīng)用領(lǐng)域 圖像編碼中的保真度準(zhǔn)則圖像編碼中的保真度準(zhǔn)則 圖像壓縮模型圖像壓縮模型1

2、.1.為什么要進(jìn)行圖像壓縮？為什么要進(jìn)行圖像壓縮？ 數(shù)字圖像通常要求很大的比特?cái)?shù)，這給圖像的數(shù)字圖像通常要求很大的比特?cái)?shù)，這給圖像的傳輸和存儲帶來相當(dāng)大的困難。要占用很多的資源，傳輸和存儲帶來相當(dāng)大的困難。要占用很多的資源，花很高的費(fèi)用?；ê芨叩馁M(fèi)用。 如一幅如一幅512*512的灰度圖象的比特?cái)?shù)為的灰度圖象的比特?cái)?shù)為 512*512*8= 再如一部再如一部9090分鐘的彩色電影，每秒放映分鐘的彩色電影，每秒放映2424幀。幀。把它數(shù)字化，每幀把它數(shù)字化，每幀512*512象素，每象素的象素，每象素的 、 、三分量分別占三分量分別占8 bit8 bit，總比特?cái)?shù)為，總比特?cái)?shù)為 90*60*24

3、*3*512*512*8bit=。 如一張如一張CDCD光盤可存光盤可存600600兆字節(jié)數(shù)據(jù)，這部電兆字節(jié)數(shù)據(jù)，這部電影光圖像（還有聲音）就需要影光圖像（還有聲音）就需要張張CDCD光盤用來光盤用來存儲。存儲。 對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮顯得非常必要。對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮顯得非常必要。 2.2.圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性 一般原始圖像中存在很大的冗余度。一般原始圖像中存在很大的冗余度。 用戶通常允許圖像失真。用戶通常允許圖像失真。 當(dāng)信道的分辨率不及原始圖像的分辨率時(shí)，降當(dāng)信道的分辨率不及原始圖像的分辨率時(shí)，降低輸入的原始圖像的分辨率對輸出圖像分辨率影低輸入的原始圖像的分辨率對輸出圖像分

4、辨率影響不大。響不大。 用戶對原始圖像的信號不全都感興趣，可用特用戶對原始圖像的信號不全都感興趣，可用特征提取和圖像識別的方法，丟掉大量無用的信息征提取和圖像識別的方法，丟掉大量無用的信息。提取有用的信息，使必須傳輸和存儲的圖像數(shù)。提取有用的信息，使必須傳輸和存儲的圖像數(shù)據(jù)大大減少。據(jù)大大減少。 設(shè)：設(shè)：n1和和n2是在兩個(gè)表達(dá)相同信息的數(shù)據(jù)集中，所是在兩個(gè)表達(dá)相同信息的數(shù)據(jù)集中，所攜帶的單位信息量。攜帶的單位信息量。 壓縮率壓縮率：描述壓縮算法性能描述壓縮算法性能CR = n1 / n2其中，其中，n1是壓縮前的數(shù)據(jù)量，是壓縮前的數(shù)據(jù)量，n2是壓縮后的數(shù)據(jù)量是壓縮后的數(shù)據(jù)量 相對數(shù)據(jù)冗余相對

5、數(shù)據(jù)冗余：RD = 1 1/CR例：例：CR=20; RD = 19/20描述信源的數(shù)據(jù)是信息量（信源熵）和信息冗余量之和。描述信源的數(shù)據(jù)是信息量（信源熵）和信息冗余量之和。3. 3. 圖像冗余圖像冗余1 1）數(shù)據(jù)冗余的基本概念）數(shù)據(jù)冗余的基本概念 A. A. 統(tǒng)計(jì)冗余：統(tǒng)計(jì)冗余： 2 2）常見的數(shù)據(jù)冗余）常見的數(shù)據(jù)冗余在數(shù)字圖像壓縮中，常有在數(shù)字圖像壓縮中，常有3種基本的數(shù)據(jù)冗余：編碼冗種基本的數(shù)據(jù)冗余：編碼冗余、像素間的冗余以及心理視覺冗余余、像素間的冗余以及心理視覺冗余為表達(dá)圖像數(shù)據(jù)需要用一系列符號，用這些符號根據(jù)為表達(dá)圖像數(shù)據(jù)需要用一系列符號，用這些符號根據(jù)一定的規(guī)則來表達(dá)圖像就是對一

6、定的規(guī)則來表達(dá)圖像就是對圖像編碼圖像編碼。對每個(gè)信息或事件所賦的符號序列稱為對每個(gè)信息或事件所賦的符號序列稱為碼字碼字，而每個(gè)，而每個(gè)碼字里的符號個(gè)數(shù)稱為碼字里的符號個(gè)數(shù)稱為碼字的長度碼字的長度。等長碼：對于一個(gè)消息集合中的不同消息，用相同長等長碼：對于一個(gè)消息集合中的不同消息，用相同長度的不同碼字表示，度的不同碼字表示，編解碼簡單，編碼效率不高編解碼簡單，編碼效率不高。變長碼：與等長碼相對應(yīng)，對于一個(gè)消息集合中的變長碼：與等長碼相對應(yīng)，對于一個(gè)消息集合中的不同消息，也可以用不同長度的碼字表示，不同消息，也可以用不同長度的碼字表示，編碼效編碼效率高，編碼解碼復(fù)雜。率高，編碼解碼復(fù)雜。例：如果用

7、例：如果用8 8位表示該圖像的像素，我們就說該位表示該圖像的像素，我們就說該圖像存在著編碼冗余，因?yàn)樵搱D像的像素只有兩圖像存在著編碼冗余，因?yàn)樵搱D像的像素只有兩個(gè)灰度，用一位即可表示。個(gè)灰度，用一位即可表示。如果一個(gè)圖像的灰度級編碼，使用了多于實(shí)際如果一個(gè)圖像的灰度級編碼，使用了多于實(shí)際需要的編碼符號，就稱該圖像包含了編碼冗余。需要的編碼符號，就稱該圖像包含了編碼冗余。 B.B.像素冗余：像素冗余： 由于任何給定的像素值，原理上都可以通過它由于任何給定的像素值，原理上都可以通過它的鄰居預(yù)測到，單個(gè)像素?cái)y帶的信息相對是小的。的鄰居預(yù)測到，單個(gè)像素?cái)y帶的信息相對是小的。 對于一個(gè)圖像，很多單個(gè)像素

8、對視覺的貢獻(xiàn)是對于一個(gè)圖像，很多單個(gè)像素對視覺的貢獻(xiàn)是冗余的。這是建立在對鄰居值預(yù)測的基礎(chǔ)上。冗余的。這是建立在對鄰居值預(yù)測的基礎(chǔ)上。 原始圖像越有規(guī)則，各像素之間的相關(guān)性越強(qiáng)，原始圖像越有規(guī)則，各像素之間的相關(guān)性越強(qiáng)，它可能壓縮的數(shù)據(jù)就越多。它可能壓縮的數(shù)據(jù)就越多。例：原圖像數(shù)據(jù)：例：原圖像數(shù)據(jù)：234 223 231 238 235 壓縮后數(shù)據(jù)：壓縮后數(shù)據(jù)：234 11 -8 -7 3類似還有：類似還有：圖像彩色光譜空間的冗余；圖像彩色光譜空間的冗余；視頻圖像信號在時(shí)間上的冗余；視頻圖像信號在時(shí)間上的冗余；在視頻中，一般每秒需要播放24張以上的圖像，人眼才能形成連續(xù)的視覺。而1/24s之內(nèi)

9、的變化一般都比較微小，因而表現(xiàn)為時(shí)間上的相關(guān)性。以上所述即為像素冗余，一般在編碼中以上所述即為像素冗余，一般在編碼中采用預(yù)測的方式消除空間域和時(shí)間域上采用預(yù)測的方式消除空間域和時(shí)間域上的像素冗余。的像素冗余。 一些信息在一般視覺處理中比其它信息的相對重要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。程度要小，這種信息就被稱為視覺心理冗余。 (3)(3)視覺心理冗余：視覺心理冗余：33K15K圖像壓縮的目的圖像壓縮的目的 圖像數(shù)據(jù)壓縮的目的是在滿足一定圖像質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)壓縮的目的是在滿足一定圖像質(zhì)量條件下，用盡可能少的比特?cái)?shù)來表示原始圖像，條件下，用盡可能少的

10、比特?cái)?shù)來表示原始圖像，以提高圖像傳輸?shù)男屎蜏p少圖像存儲的容量。以提高圖像傳輸?shù)男屎蜏p少圖像存儲的容量。在信息論中稱為信源編碼。在信息論中稱為信源編碼。 圖像從結(jié)構(gòu)上大體上可分為兩大類，一類是具圖像從結(jié)構(gòu)上大體上可分為兩大類，一類是具有一定圖形特征的結(jié)構(gòu)，另一類是具有一定概率有一定圖形特征的結(jié)構(gòu)，另一類是具有一定概率統(tǒng)計(jì)特性的結(jié)構(gòu)。統(tǒng)計(jì)特性的結(jié)構(gòu)。 基于不同的圖像結(jié)構(gòu)特性，應(yīng)采用不同的壓縮基于不同的圖像結(jié)構(gòu)特性，應(yīng)采用不同的壓縮編碼方法。編碼方法。4.4.圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的重要指標(biāo)圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的重要指標(biāo)（1 1）壓縮比壓縮比：圖像壓縮前后所需的信息存儲量之比，：圖像壓縮前后所需的信息存儲

11、量之比，壓縮比越大越好。壓縮比越大越好。（2 2）壓縮算法壓縮算法：利用不同的編碼方式，實(shí)現(xiàn)對圖：利用不同的編碼方式，實(shí)現(xiàn)對圖像的數(shù)據(jù)壓縮。像的數(shù)據(jù)壓縮。（3 3）失真性失真性：壓縮前后圖像存在的誤差大小。：壓縮前后圖像存在的誤差大小。 全面評價(jià)一種編碼方法的優(yōu)劣，除了看它全面評價(jià)一種編碼方法的優(yōu)劣，除了看它的的編碼效率編碼效率、實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性和和失真度失真度以外，還要看它以外，還要看它的的設(shè)備復(fù)雜程度設(shè)備復(fù)雜程度，是否，是否經(jīng)濟(jì)與實(shí)用經(jīng)濟(jì)與實(shí)用。 常采用混合編碼的方案，以求在性能和經(jīng)常采用混合編碼的方案，以求在性能和經(jīng)濟(jì)上取得折衷。濟(jì)上取得折衷。 隨著計(jì)算方法的發(fā)展，使許多高效而又比隨著計(jì)算方

12、法的發(fā)展，使許多高效而又比較復(fù)雜的編碼方法在工程上有實(shí)現(xiàn)的可能。較復(fù)雜的編碼方法在工程上有實(shí)現(xiàn)的可能。1）辦公自動(dòng)化；）辦公自動(dòng)化；2）醫(yī)學(xué)圖像處理；）醫(yī)學(xué)圖像處理；3）衛(wèi)星遙感遙測系統(tǒng)；）衛(wèi)星遙感遙測系統(tǒng)；4）高清晰度電視）高清晰度電視HDTV；5）可視電話、會議電視；）可視電話、會議電視；6）移動(dòng)多媒體圖像及視頻傳輸：）移動(dòng)多媒體圖像及視頻傳輸： 彩信業(yè)務(wù)，手機(jī)視頻；彩信業(yè)務(wù)，手機(jī)視頻；凡是涉及到圖像數(shù)據(jù)的傳輸、交換與存儲的領(lǐng)域均凡是涉及到圖像數(shù)據(jù)的傳輸、交換與存儲的領(lǐng)域均要求進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的壓縮。要求進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的壓縮。5.5.圖像數(shù)據(jù)壓縮的應(yīng)用領(lǐng)域圖像數(shù)據(jù)壓縮的應(yīng)用領(lǐng)域6.6.圖像編碼中

13、的保真度準(zhǔn)則圖像編碼中的保真度準(zhǔn)則 圖像信號在編碼和傳輸過程中會產(chǎn)生誤差，圖像信號在編碼和傳輸過程中會產(chǎn)生誤差，尤其是在有損壓縮編碼中，產(chǎn)生的誤差應(yīng)在尤其是在有損壓縮編碼中，產(chǎn)生的誤差應(yīng)在允許的范圍之內(nèi)。在這種情況下，保真度準(zhǔn)允許的范圍之內(nèi)。在這種情況下，保真度準(zhǔn)則可以用來衡量編碼方法或系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣。則可以用來衡量編碼方法或系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣。通常，這種衡量的尺度可分為通常，這種衡量的尺度可分為客觀保真度準(zhǔn)客觀保真度準(zhǔn)則則和和主觀保真度準(zhǔn)則主觀保真度準(zhǔn)則。 通常使用的客觀保真度準(zhǔn)則有輸入圖像和輸出通常使用的客觀保真度準(zhǔn)則有輸入圖像和輸出圖像的圖像的均方根誤差均方根誤差；輸入圖像和輸出圖像的；輸入

14、圖像和輸出圖像的均方根均方根信噪比信噪比兩種。兩種。 均方根誤差均方根誤差: : 設(shè)輸入圖像是由設(shè)輸入圖像是由N NN N個(gè)像素組成，個(gè)像素組成，令其為令其為f (x ,y)f (x ,y)，其中，其中x ,y=0,1,2,N-1x ,y=0,1,2,N-1。這樣。這樣一幅圖像經(jīng)過壓縮編碼處理后，送至受信端，再經(jīng)一幅圖像經(jīng)過壓縮編碼處理后，送至受信端，再經(jīng)譯碼處理，重建原來圖像，這里令重建圖像為譯碼處理，重建原來圖像，這里令重建圖像為g g (x ,y)(x ,y)。它同樣包含。它同樣包含N NN N個(gè)像素，并且個(gè)像素，并且x ,y=0,1,2,N-1x ,y=0,1,2,N-1。(1) (1

15、) 客觀保真度準(zhǔn)則客觀保真度準(zhǔn)則在在0,1,2,N-10,1,2,N-1范圍內(nèi)范圍內(nèi)x,yx,y的任意值，輸入像素和對應(yīng)的輸?shù)娜我庵担斎胂袼睾蛯?yīng)的輸出圖像之間的誤差可用下式表示：出圖像之間的誤差可用下式表示：而包含而包含N NN N像素的圖像之均方誤差為像素的圖像之均方誤差為: :1010222),(1NxNyyxeNe101022),(),(1NNNNyxfyxgN由式可得到均方根誤差為由式可得到均方根誤差為2/12eerms( , )( , )( , )e x yg x yf x y 如果把輸入、輸出圖像間的誤差看作是噪聲，那么，如果把輸入、輸出圖像間的誤差看作是噪聲，那么，重建圖像重

16、建圖像g(x,y)g(x,y)可由下式表示：可由下式表示：),(),(),(yxeyxfyxg 在這種情況下，另一個(gè)客觀保真度準(zhǔn)則在這種情況下，另一個(gè)客觀保真度準(zhǔn)則重建圖重建圖像的均方信噪比如下式表示：像的均方信噪比如下式表示：10102101021010210102),(),(),( ),(),()(NxNyNxNyNxNyNxNymsyxfyxgyxgyxeyxgNS 圖像處理的結(jié)果圖像處理的結(jié)果, ,大多是給人觀看，由研究人員大多是給人觀看，由研究人員來解釋的，因此，圖像質(zhì)量的好壞，既與圖像本身來解釋的，因此，圖像質(zhì)量的好壞，既與圖像本身的客觀質(zhì)量有關(guān)，也與視覺系統(tǒng)的特性有關(guān)。的客觀質(zhì)量

17、有關(guān)，也與視覺系統(tǒng)的特性有關(guān)。 有時(shí)候，客觀保真度完全一樣的兩幅圖像可能有時(shí)候，客觀保真度完全一樣的兩幅圖像可能會有完全不相同的視覺質(zhì)量，所以又規(guī)定了主觀保會有完全不相同的視覺質(zhì)量，所以又規(guī)定了主觀保真度準(zhǔn)則，這種方法是把圖像顯示給觀察者，然后真度準(zhǔn)則，這種方法是把圖像顯示給觀察者，然后把評價(jià)結(jié)果加以平均，以此來評價(jià)一幅圖像的主觀把評價(jià)結(jié)果加以平均，以此來評價(jià)一幅圖像的主觀質(zhì)量。質(zhì)量。 (2) (2) 主觀保真度準(zhǔn)則主觀保真度準(zhǔn)則評分評分評價(jià)評價(jià)說明說明1優(yōu)秀的優(yōu)秀的優(yōu)秀的具有極高質(zhì)量的圖像優(yōu)秀的具有極高質(zhì)量的圖像2好的好的 是可供觀賞的高質(zhì)量的圖像，干擾并不令人討厭是可供觀賞的高質(zhì)量的圖像，

18、干擾并不令人討厭 3可通過的可通過的 圖像質(zhì)量可以接受，干擾不討厭圖像質(zhì)量可以接受，干擾不討厭4邊緣的邊緣的圖像質(zhì)量較低，希望能加以改善，干擾有些討厭圖像質(zhì)量較低，希望能加以改善，干擾有些討厭5劣等的圖像質(zhì)量很差，尚能觀看，干擾顯著地令人討厭6不能用不能用圖像質(zhì)量非常之差，無法觀看圖像質(zhì)量非常之差，無法觀看另外一種方法是規(guī)定一種絕對尺度，如：另外一種方法是規(guī)定一種絕對尺度，如：表表6.1 6.1 電視圖像質(zhì)量評價(jià)尺度電視圖像質(zhì)量評價(jià)尺度圖像信息源圖像信息源圖像預(yù)處理圖像預(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7.7.圖像的壓縮模型圖像的壓縮模型二.DCT變換與量化

19、常見頻域變換K-L變換小波變換離散傅里葉變換沃爾什-哈達(dá)瑪變換離散余弦變換（DCT） DCT變換后系數(shù)均為實(shí)數(shù)，且低頻系數(shù)集中在矩陣的左上角，高頻系數(shù)分布在右下角，廣泛應(yīng)用于圖像壓縮。 DCTDCT變換原理：將圖像分解為變換原理：將圖像分解為8 8* *8 8的子塊或的子塊或1616* *1616的子塊，的子塊，并對每一個(gè)子塊進(jìn)行單獨(dú)的并對每一個(gè)子塊進(jìn)行單獨(dú)的DCTDCT變換，然后對變換結(jié)果進(jìn)變換，然后對變換結(jié)果進(jìn)行量化、編碼。行量化、編碼。 隨著子塊尺寸的增加，算法的復(fù)雜度急劇上升，因此，隨著子塊尺寸的增加，算法的復(fù)雜度急劇上升，因此，實(shí)用中通常采用實(shí)用中通常采用8 8* *8 8的子塊進(jìn)行

20、變換，但采用較大的子塊的子塊進(jìn)行變換，但采用較大的子塊可以明顯的減少圖像分塊效應(yīng)。可以明顯的減少圖像分塊效應(yīng)。 測試圖像及其DCT變換DCT變換原理 DCTDCT變換是可逆的，經(jīng)過反變換，理論上可精確還原原變換是可逆的，經(jīng)過反變換，理論上可精確還原原有像素矩陣。但由于浮點(diǎn)精度問題，可能產(chǎn)生舍入誤差。有像素矩陣。但由于浮點(diǎn)精度問題，可能產(chǎn)生舍入誤差。因此，在很多場合采用經(jīng)過改進(jìn)的因此，在很多場合采用經(jīng)過改進(jìn)的DCTDCT整數(shù)變換，這樣有整數(shù)變換，這樣有以下兩個(gè)好處。以下兩個(gè)好處。1.1.采用整數(shù)運(yùn)算，不會有舍入誤差的問題；采用整數(shù)運(yùn)算，不會有舍入誤差的問題；2.2.整數(shù)運(yùn)算的代價(jià)比乘法要小得多，

21、可以通過整數(shù)加減整數(shù)運(yùn)算的代價(jià)比乘法要小得多，可以通過整數(shù)加減和移位操作完成變換，有利于提高計(jì)算效率。和移位操作完成變換，有利于提高計(jì)算效率。DCTDCT整數(shù)變換與原整數(shù)變換與原DCTDCT變換的結(jié)果有微小差異，但由此引變換的結(jié)果有微小差異，但由此引入的壓縮效率下降的微乎其微，計(jì)算速度卻得以大幅度入的壓縮效率下降的微乎其微，計(jì)算速度卻得以大幅度提高。提高。 N N* *N N的像素塊經(jīng)過的像素塊經(jīng)過DCTDCT變換后依然為變換后依然為N N* *N N的塊，變換本身的塊，變換本身沒有明顯的壓縮作用。沒有明顯的壓縮作用。DCTDCT變換必須與量化配合使用才能變換必須與量化配合使用才能得到較好的壓

22、縮效果。得到較好的壓縮效果?？梢哉f，圖像壓縮的有損壓縮的部分主要來自于量化，可以說，圖像壓縮的有損壓縮的部分主要來自于量化，量過程就是將每一個(gè)量過程就是將每一個(gè)DCTDCT系數(shù)除以一個(gè)固定常數(shù)，再四舍系數(shù)除以一個(gè)固定常數(shù)，再四舍五入取最接近的整數(shù)。由于五入取最接近的整數(shù)。由于DCTDCT變換已經(jīng)將能量集中在塊變換已經(jīng)將能量集中在塊的左上角，很多高頻系數(shù)非常小，經(jīng)過量化后變?yōu)榱悖淖笊辖?，很多高頻系數(shù)非常小，經(jīng)過量化后變?yōu)榱?，而剩下的系?shù)也很大程度上縮小了動(dòng)態(tài)范圍，減小了編而剩下的系數(shù)也很大程度上縮小了動(dòng)態(tài)范圍，減小了編碼所需的比特?cái)?shù)。碼所需的比特?cái)?shù)。量化的特點(diǎn)：量化的特點(diǎn)：1.1.對低頻分量采

23、用細(xì)量化，高頻分量采用粗量化；對低頻分量采用細(xì)量化，高頻分量采用粗量化；2.2.對灰度采用細(xì)量化，色度采用粗量化。對灰度采用細(xì)量化，色度采用粗量化。量 化預(yù)測編碼圖像編碼無損壓縮編碼有損壓縮編碼霍夫曼編碼游程編碼算術(shù)編碼 頻率域方法 其他編碼方法三.常用的圖像壓縮編碼方法 無損壓縮算法中刪除的僅僅是圖像數(shù)據(jù)中冗余的無損壓縮算法中刪除的僅僅是圖像數(shù)據(jù)中冗余的信息，因此在解壓縮時(shí)能精確恢復(fù)原圖像，無損壓縮的信息，因此在解壓縮時(shí)能精確恢復(fù)原圖像，無損壓縮的壓縮比很少有能超過壓縮比很少有能超過3 3：1 1的的, ,常用于要求高的場合。常用于要求高的場合。1.無損壓縮編碼有損壓縮是通過犧牲圖像的準(zhǔn)確率

24、以實(shí)現(xiàn)較大的壓縮有損壓縮是通過犧牲圖像的準(zhǔn)確率以實(shí)現(xiàn)較大的壓縮率，如果容許解壓圖像有一定的誤差，則壓縮率可顯率，如果容許解壓圖像有一定的誤差，則壓縮率可顯著提高。有損壓縮在壓縮比大于著提高。有損壓縮在壓縮比大于3030：1 1時(shí)仍然可重構(gòu)時(shí)仍然可重構(gòu)圖像，而如果壓縮比為圖像，而如果壓縮比為10:110:1到到20:120:1，則重構(gòu)的圖像與，則重構(gòu)的圖像與原圖幾乎沒有差別原圖幾乎沒有差別2.有損壓縮編碼霍夫曼編碼霍夫曼編碼等長碼：對于一個(gè)消息集合中的不同消息，用相同長等長碼：對于一個(gè)消息集合中的不同消息，用相同長度的不同碼字表示，度的不同碼字表示，編解碼簡單，編碼效率不高編解碼簡單，編碼效率不

25、高。變長碼：與等長碼相對應(yīng)，對于一個(gè)消息集合中的變長碼：與等長碼相對應(yīng)，對于一個(gè)消息集合中的不同消息，也可以用不同長度的碼字表示，不同消息，也可以用不同長度的碼字表示，編碼效編碼效率高，編碼解碼復(fù)雜。率高，編碼解碼復(fù)雜。 霍夫曼編碼是一種利用信息符號概率分布特性的變字長的編碼方法。對于出現(xiàn)概率大的信息符號編以短字長的碼，對于出現(xiàn)概率小的信息符號編以長字長的碼。 I.I. 將信源符號按出現(xiàn)概率從大到小排成一列，然后將信源符號按出現(xiàn)概率從大到小排成一列，然后把最末兩個(gè)符號的概率相加，合成一個(gè)概率。把最末兩個(gè)符號的概率相加，合成一個(gè)概率。II.II.把這個(gè)符號的概率與其余符號的概率按從大到小把這個(gè)符

26、號的概率與其余符號的概率按從大到小排列，然后再把最末兩個(gè)符號的概率加起來，合排列，然后再把最末兩個(gè)符號的概率加起來，合成一個(gè)概率。成一個(gè)概率。 III.III.重復(fù)上述做法，直到最后剩下兩個(gè)概率為止。重復(fù)上述做法，直到最后剩下兩個(gè)概率為止。IV.IV.從最后一步剩下的兩個(gè)概率開始逐步向前進(jìn)行編從最后一步剩下的兩個(gè)概率開始逐步向前進(jìn)行編碼。每步只需對兩個(gè)分支各賦予一個(gè)二進(jìn)制碼，碼。每步只需對兩個(gè)分支各賦予一個(gè)二進(jìn)制碼，如對概率大的賦予碼如對概率大的賦予碼0 0，對概率小的賦予碼，對概率小的賦予碼1 1。 哈夫曼編碼效率哈夫曼編碼效率信源熵為：信源熵為：H=-Pilog2Pi=-(0.19log2

27、0.19+0.2log20.2+0.03log20.03+0.22log20.22+0.15log20.15+0.02log20.02+0.06log20.06+0.13log20.13)=2.7016比特比特/符號符號平均碼字長度：平均碼字長度：R=iPiR= iPi =0.193+0.2 2+0.03 5+0.22 3+0.15 3+0.02 5+4 0.06+3 0.13=2.74比特比特/符號符號編碼效率：編碼效率：=H/R(%)=H/R=2.7016/2.74=98.6%霍夫曼解碼霍夫曼解碼例：編碼串例：編碼串001000101101111進(jìn)行霍夫曼解碼。進(jìn)行霍夫曼解碼。 首先按照順

28、序編歷霍夫曼樹，遇到首先按照順序編歷霍夫曼樹，遇到00，對應(yīng)像素，對應(yīng)像素1，故解碼得故解碼得1；接著解碼得編串變?yōu)榻又獯a得編串變?yōu)?000101101111，遇到，遇到10001，對應(yīng)系數(shù)對應(yīng)系數(shù)2，故解碼得，故解碼得2； 因此求得編碼串的解碼結(jié)果為因此求得編碼串的解碼結(jié)果為5個(gè)像素值個(gè)像素值1,2,3,7,04. 算術(shù)編碼算術(shù)編碼 從理論上分析，采用哈夫曼編碼可以獲得最佳信從理論上分析，采用哈夫曼編碼可以獲得最佳信源字符編碼效果源字符編碼效果; ; 實(shí)際應(yīng)用中，由于信源字符出現(xiàn)的概率并非滿足實(shí)際應(yīng)用中，由于信源字符出現(xiàn)的概率并非滿足2 2的負(fù)冪次方，因此往往無法達(dá)到理論上的編碼效的負(fù)冪次

29、方，因此往往無法達(dá)到理論上的編碼效率和信息壓縮比率和信息壓縮比; ;算術(shù)編碼的特點(diǎn)算術(shù)編碼的特點(diǎn) 算術(shù)編碼是信息保持型編碼，它不像哈夫曼編碼，無算術(shù)編碼是信息保持型編碼，它不像哈夫曼編碼，無需為一個(gè)符號設(shè)定一個(gè)碼字需為一個(gè)符號設(shè)定一個(gè)碼字; ; 算術(shù)編碼分為固定方式和自適應(yīng)方式兩種編碼算術(shù)編碼分為固定方式和自適應(yīng)方式兩種編碼; ; 選擇不同的編碼方式，將直接影響到編碼效率選擇不同的編碼方式，將直接影響到編碼效率; ; 自適應(yīng)算術(shù)編碼的方式，無需先定義概率模型，適合自適應(yīng)算術(shù)編碼的方式，無需先定義概率模型，適合于無法知道信源字符概率分布的情況于無法知道信源字符概率分布的情況; ; 當(dāng)信源字符出現(xiàn)

30、的概率比較接近時(shí)，算術(shù)編碼效率高當(dāng)信源字符出現(xiàn)的概率比較接近時(shí)，算術(shù)編碼效率高于哈夫曼編碼的效率，在圖像通信中常用它來取代哈于哈夫曼編碼的效率，在圖像通信中常用它來取代哈夫曼編碼夫曼編碼; ; 實(shí)現(xiàn)算術(shù)編碼算法的硬件比哈夫曼編碼復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)算術(shù)編碼算法的硬件比哈夫曼編碼復(fù)雜。 編碼原理編碼原理 算術(shù)編碼方法是將被編碼的信源消息表示成算術(shù)編碼方法是將被編碼的信源消息表示成0-10-1之間之間的一個(gè)間隔，即小數(shù)區(qū)間，消息越長，編碼表示它的的一個(gè)間隔，即小數(shù)區(qū)間，消息越長，編碼表示它的間隔就越小間隔就越小; ; 以小數(shù)表示間隔，表示的間隔越小所需的二進(jìn)制位數(shù)以小數(shù)表示間隔，表示的間隔越小所需的二進(jìn)制位

31、數(shù)就越多，碼字就越長。反之，間隔越大，編碼所需的就越多，碼字就越長。反之，間隔越大，編碼所需的二進(jìn)制位數(shù)就少，碼字就短。二進(jìn)制位數(shù)就少，碼字就短。 算術(shù)編碼將被編碼的圖像數(shù)據(jù)看作是由多個(gè)符號組成算術(shù)編碼將被編碼的圖像數(shù)據(jù)看作是由多個(gè)符號組成的字符序列，對該序列遞歸地進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算后，成為的字符序列，對該序列遞歸地進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算后，成為一個(gè)二進(jìn)制分?jǐn)?shù)一個(gè)二進(jìn)制分?jǐn)?shù); ; 接收端解碼過程也是算術(shù)運(yùn)算，由二進(jìn)制分?jǐn)?shù)重建圖接收端解碼過程也是算術(shù)運(yùn)算，由二進(jìn)制分?jǐn)?shù)重建圖像符號序列。像符號序列。 編碼舉例（略）編碼舉例（略） 5. 行程編碼行程編碼RLC RLC 編碼編碼Run Length CodingRu

32、n Length Coding原理：原理： 將具有相同數(shù)值的、連續(xù)出現(xiàn)的信號源符將具有相同數(shù)值的、連續(xù)出現(xiàn)的信號源符號用號用“符號符號+ +符號出現(xiàn)的次數(shù)符號出現(xiàn)的次數(shù)”的形式表的形式表示。示。 例：例：zzxxxxyyyyyzzzzzxxxxyyyyyzzz將編碼為：將編碼為：2z4x5y3z2z4x5y3zq 由于一幅圖像中有許多顏色相同的圖塊，用一整數(shù)對存儲一由于一幅圖像中有許多顏色相同的圖塊，用一整數(shù)對存儲一個(gè)像素的顏色值及相同顏色像素的數(shù)目（長度）。例如：個(gè)像素的顏色值及相同顏色像素的數(shù)目（長度）。例如： （G ，L） 長度顏色值編碼時(shí)采用從左到右，從上到下的排列，編碼時(shí)采用從左到右

33、，從上到下的排列，每當(dāng)遇到一串相同數(shù)據(jù)時(shí)就用該數(shù)據(jù)及每當(dāng)遇到一串相同數(shù)據(jù)時(shí)就用該數(shù)據(jù)及重復(fù)次數(shù)代替原來的數(shù)據(jù)串。重復(fù)次數(shù)代替原來的數(shù)據(jù)串。000000003333333333222222222226666666111111111111111111111111555555555555888888888888888888555555555555553333222222222222222222(0,8) (3,10) (2,11) (6,7)(1,18) (1,6) (5,12) (8,18)(5,14) (3,4) (2,18)18*7的像素顏色僅用的像素顏色僅用11對數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)游程長度編碼游程長

34、度編碼RLC（Run Length coding）：）：分析：分析： 對于有大面積色塊的圖像，壓縮效果很好對于有大面積色塊的圖像，壓縮效果很好 直觀，經(jīng)濟(jì)直觀，經(jīng)濟(jì), ,是一種無損壓縮是一種無損壓縮 對于紛雜的圖像，壓縮效果不好，最壞情對于紛雜的圖像，壓縮效果不好，最壞情況下，會加倍圖像況下，會加倍圖像RLC 編碼編碼Run Length Coding 圖像標(biāo)準(zhǔn)的制定：圖像標(biāo)準(zhǔn)的制定： ISOISO和和CCITTCCITT（國際電報(bào)電話咨詢委員會）聯(lián)合制定（國際電報(bào)電話咨詢委員會）聯(lián)合制定 標(biāo)準(zhǔn)的類型：標(biāo)準(zhǔn)的類型： 連續(xù)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)：連續(xù)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)：靜止幀黑白、彩色壓縮：靜止幀黑白、彩色壓縮：(1)(1)面向靜止的單幅圖像面向靜止的單幅圖像JPEGJPEG連續(xù)幀黑白、彩色壓縮：連續(xù)幀黑白、彩色壓縮：(2)(2)面向連續(xù)的視頻影像面向連續(xù)的視頻影像MPEGMPEG 四四.靜止圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG JPEG標(biāo)準(zhǔn)簡述標(biāo)準(zhǔn)簡述 JPEG壓縮流程壓縮流程 JPEG壓縮算法的實(shí)現(xiàn)壓縮算法的實(shí)現(xiàn) JPEG壓縮舉例壓縮舉例o 靜止圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG JPEG JPEG標(biāo)準(zhǔn)簡述標(biāo)準(zhǔn)簡述JPEGJPEG標(biāo)準(zhǔn)在較低的計(jì)算復(fù)雜度下，能提供較高的標(biāo)準(zhǔn)在較低的計(jì)算復(fù)雜度下，