圖像通信綜述new

1、圖像通信綜述根據(jù)統(tǒng)計(jì)人類接受外界信息的比例：視覺占全部的60%，聽覺占20%，其余是觸覺15%，味覺3%，嗅覺2%。人們常說：“眼見為實(shí)，耳聽為虛”，“百聞不如一見”，“一目了然”。這些都表明，視覺信息也即圖像信息，在人類認(rèn)識(shí)外部事物的過程中是如此重要。當(dāng)前社會(huì)人類已進(jìn)入了信息時(shí)代，圖像通信在電視、電影、傳真、電視會(huì)議、作戰(zhàn)指揮、監(jiān)控、醫(yī)療、教育等各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，面對(duì)越來越龐大的信息量，如何在實(shí)際應(yīng)用中的不同領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的圖像通信，已成為研究的重點(diǎn)。一、圖像通信的特點(diǎn)圖像通信是傳送和接收?qǐng)D像信息的通信。與廣泛使用的聲音通信方式不同，傳送的不僅是聲音，而且還有看得見的圖像、文字

2、、圖表等信息，這些可視信息在發(fā)送端通過圖像通信設(shè)備變換為電信號(hào)進(jìn)行傳送，在接收端再把它們真實(shí)地再現(xiàn)出來。圖像通信的一大難點(diǎn)是圖像的信息量巨大，特別是彩色活動(dòng)圖像。例如數(shù)字化后的標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視（720×576/4:2:2），需要的帶寬為165.9Mbps，如對(duì)比64kbps的數(shù)字話路，相當(dāng)于2592個(gè)有效數(shù)字話路。這么大的數(shù)據(jù)量，對(duì)于存儲(chǔ)、處理以及在通信線路上傳輸都會(huì)造成了巨大的負(fù)擔(dān)。正因?yàn)槿绱?，先進(jìn)的數(shù)字圖像壓縮技術(shù)以及先進(jìn)的數(shù)字傳輸技術(shù)成為了圖像通信的關(guān)鍵技術(shù)。二、人類的視覺特性在進(jìn)行圖像處理時(shí)如果能夠充分考慮人眼的視覺特性，在滿足主觀質(zhì)量的前提下進(jìn)行有效壓縮，將能夠很好地解決圖像

3、信息在各種通信網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行交換和傳輸時(shí)所帶來的占用帶寬和占用存儲(chǔ)空間大的問題。1）人眼視覺范圍：10°以內(nèi)是視覺的敏銳區(qū)，對(duì)彩色及細(xì)節(jié)的分辨力最強(qiáng)；10°20°能正確識(shí)別圖形等信息；20°30°分辨能力下降，但對(duì)活動(dòng)信息敏感；30°以上分辨能力會(huì)大大下降，但有臨場感。利用該特點(diǎn)，在圖像處理時(shí)可實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不同的壓縮比率。2）視覺惰性：人眼在觀察景物時(shí)，光信號(hào)傳入大腦神經(jīng)，需經(jīng)過一段短暫的時(shí)間，光的作用結(jié)束后，視覺形象并不立即消失，這種殘留的視覺稱“后像”，視覺的這一現(xiàn)象即視覺惰性。具體應(yīng)用中電影采用24幀/秒，電視根據(jù)電源頻率的不同采用

4、50或60場/秒，當(dāng)達(dá)到該幀頻時(shí)，人眼可產(chǎn)生連續(xù)感覺。利用該特點(diǎn)，發(fā)送端傳輸?shù)膱D像幀數(shù)只需達(dá)到一定數(shù)量，接收端即可實(shí)現(xiàn)還原。3）圖像信息流大小由視覺的細(xì)節(jié)分辨率、灰度分辨率和活動(dòng)分辨率三個(gè)因素決定：活動(dòng)分辨率高（快速運(yùn)動(dòng)）時(shí)細(xì)節(jié)分辨率會(huì)下降，反之會(huì)上升；細(xì)節(jié)分辨率高（細(xì)節(jié)豐富）時(shí)灰度分辨率會(huì)下降，反之會(huì)上升；活動(dòng)分辨率高（快速運(yùn)動(dòng)）時(shí)灰度分辨率會(huì)下降，反之會(huì)上升。利用該特點(diǎn)，根據(jù)人眼對(duì)不同類型的圖像的感知不同，可對(duì)其不敏感的因素進(jìn)行壓縮。三、圖像壓縮編碼的原理對(duì)于信息量龐大的圖像，在存儲(chǔ)、傳輸、處理時(shí)都非常困難，因此有必要對(duì)其進(jìn)行壓縮。而圖像之所以能被壓縮，就是因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)中存在著冗余。主要表現(xiàn)

5、為：單幀圖像中相鄰像素間具有相關(guān)性（空間冗余）；活動(dòng)圖像多幀之間存在相關(guān)性（時(shí)間冗余）；圖像數(shù)據(jù)不同符號(hào)出現(xiàn)的概率不同（符號(hào)冗余），可用不同碼長表示；人眼視覺掩蓋效應(yīng)（視覺冗余），如顏色分辨率低于亮度分辨率、靜止部分空間分辨率高于運(yùn)動(dòng)部分、平坦區(qū)失真較邊緣紋理區(qū)敏感、屏幕中心區(qū)失真敏感等，可實(shí)現(xiàn)有損壓縮；利用先驗(yàn)知識(shí)建立模型（知識(shí)冗余），對(duì)模型參數(shù)編碼，以實(shí)現(xiàn)高壓縮比。圖像編碼一般框圖：1）映射變換：改變圖像數(shù)據(jù)的特性，消除冗余度，使之有利于壓縮。包括預(yù)測編碼、變換編碼、模型編碼等。預(yù)測編碼：利用圖像局部區(qū)域的像素高度的相關(guān)性，根據(jù)先前的像素來推斷當(dāng)前的像素情況。如果預(yù)測比較準(zhǔn)確，誤差就會(huì)很小

6、。只要把預(yù)測值與實(shí)際像素值之間的差值經(jīng)過熵編碼后發(fā)送到接收端，接收端通過預(yù)測值加差值來重建原像素。在同等精度要求的條件下，就可以用比較少的比特進(jìn)行編碼，達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的。預(yù)測編碼中典型的壓縮方法有脈沖編碼調(diào)制（PCM）、差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）等。變換編碼：將圖像的光強(qiáng)矩陣（時(shí)域信號(hào)）變換到系數(shù)空間（頻域信號(hào)）上進(jìn)行處理。在空間上具有強(qiáng)相關(guān)性的信號(hào)，反映在頻域上時(shí)某些特定區(qū)域內(nèi)的能量常常被集中在一起或系數(shù)矩陣的分布具有某些規(guī)律。利用這些規(guī)律在頻域上減少量化比特?cái)?shù)，達(dá)到壓縮的目的。變換編碼是一種間接編碼方法，其中關(guān)鍵問題是圖像數(shù)據(jù)之間相關(guān)性大，空間冗余

7、度大，經(jīng)過變換在頻域中描述，數(shù)據(jù)相關(guān)性大大減少，數(shù)據(jù)冗余量減少，參數(shù)獨(dú)立，數(shù)據(jù)量少，這樣再進(jìn)行量化，編碼就能得到較大的壓縮比。常用的正交變換有：傅立葉 (Fourier)變換、沃爾什(Walsh)變換、哈爾(Haar)變換、斜(Slant)變換、余弦變換、正弦變換、K-L(Karhunen-Loeve)變換等。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：是減小幀間時(shí)間冗余度的一個(gè)有力的工具，以對(duì)圖像視頻幀間運(yùn)動(dòng)的估算為基礎(chǔ)，即若視頻鏡頭中所有物體均在空間上有一定位移，那么用有限的運(yùn)動(dòng)參數(shù)即可對(duì)幀間的運(yùn)動(dòng)加以描述。由于一些運(yùn)動(dòng)矢量之間的空間相關(guān)性通常較高，圖像一般劃分成一些不連接的像素塊（如16×16），對(duì)于每一個(gè)這樣

8、的像素塊，只對(duì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行估算、編碼和傳送。通常，預(yù)測誤差和運(yùn)動(dòng)矢量均傳送至接收端。2）量化：用于有限失真編碼，以有效提高壓縮比，分為標(biāo)量量化和矢量量化。標(biāo)量量化是一維的量化，一個(gè)幅度值對(duì)應(yīng)一個(gè)量化結(jié)果。而矢量量化是二維甚至多維的量化，由兩個(gè)或兩個(gè)以上的幅度值決定一個(gè)量化結(jié)果。標(biāo)量量化使用固定量化表，矢量量化使用碼書方式成組量化，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。但矢量量化的好處是引入了多個(gè)決定輸出的因素，并且使用了概率的方法，一般會(huì)比標(biāo)量量化效率更高。3）熵編碼：用于消除符號(hào)冗余度，屬于無失真編碼，其編碼下限為量化后數(shù)據(jù)的信息熵。常用的熵編碼是Huffman碼和算術(shù)碼，其原理均是大概率符號(hào)用短碼，故也稱為變

9、長編碼(VLC)。Huffman編碼的基本方法是先對(duì)圖像數(shù)據(jù)掃描一遍，計(jì)算出各種像素出現(xiàn)的概率，按概率的大小指定不同長度的唯一碼字，由此得到一張?jiān)搱D像的Huffman碼表。編碼后的圖像數(shù)據(jù)記錄的是每個(gè)像素的碼字，而碼字與實(shí)際像素值的對(duì)應(yīng)關(guān)系記錄在碼表中。在最新的H.264標(biāo)準(zhǔn)中采用了基于內(nèi)容的自適應(yīng)變長編碼（CAVLC），將零游程與幅值分開考慮，以降低復(fù)雜度，利于碼表優(yōu)化。四、可靠的圖像通信大部分的圖像壓縮編碼使得數(shù)據(jù)通過信道后產(chǎn)生的錯(cuò)誤不能被定位，并且可能在時(shí)間和空間上擴(kuò)展，高效壓縮的追求也使得碼流對(duì)信道傳輸差錯(cuò)愈加敏感。為加強(qiáng)圖像通信系統(tǒng)對(duì)信道誤差的免疫力，從以下三個(gè)角度來考慮錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制

10、：1）前向差錯(cuò)控制技術(shù)：在發(fā)送端進(jìn)行信源或信道編碼時(shí)在比特流中加入冗余信息，來減少誤碼影響。實(shí)際應(yīng)用中可采用分層編碼，即考慮傳輸可分優(yōu)先級(jí)，編碼時(shí)采取基本層編碼加增強(qiáng)層編碼的方法；多重描述編碼，即在傳輸無法分優(yōu)先級(jí)時(shí)，編碼采取產(chǎn)生多個(gè)同等重要的碼流，每個(gè)碼流均可解出圖像，只是質(zhì)量差，但多個(gè)組合可得高質(zhì)量圖像；信源信道聯(lián)合編碼，即使信源編碼適應(yīng)信道的具體誤碼特性；穩(wěn)健的變換編碼，即在碼流中保留冗余信息，以提高穩(wěn)健性，如幀內(nèi)編碼幀也傳運(yùn)動(dòng)矢量等；穩(wěn)健的熵編碼，如采用可反置變長編碼RVLC，適當(dāng)降低編碼效率，使碼字雙向?qū)ΨQ。2）后向誤碼掩蓋技術(shù)：由于誤碼難免，在已經(jīng)出現(xiàn)差錯(cuò)且不可糾正的情況下，在解碼器端考慮使用誤碼掩蓋技術(shù)讓人眼對(duì)誤碼不敏感。該方法對(duì)恢復(fù)圖像的主觀質(zhì)量有很大的提高，而且僅在解碼端進(jìn)行，使它能夠在圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)之外進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如空間預(yù)測：若圖像傳輸過程中運(yùn)動(dòng)矢量丟失，則通過所丟塊的相鄰塊地運(yùn)動(dòng)矢量來預(yù)測當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)矢量；若DCT系數(shù)丟失，則從空間相鄰塊的DCT系數(shù)預(yù)測當(dāng)前塊；時(shí)間預(yù)測：若圖像傳輸過程中當(dāng)前幀或塊錯(cuò)誤或丟失，則從上一幀來預(yù)測當(dāng)前錯(cuò)誤的幀或塊信息。3）雙向差錯(cuò)控制：該技術(shù)需要有從解碼端到編碼端的實(shí)時(shí)反饋信道。解碼端通知編碼端哪部分?jǐn)?shù)據(jù)有誤碼，編碼端將改變操作來抑制誤碼影響。最簡單的方法是再發(fā)送一次丟失的數(shù)據(jù)，但該方法會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，往往行不通。替代