計算機圖形圖像及其壓縮

1、v常用的圖形圖像格式v圖形圖像的數(shù)據(jù)類型v圖形圖像的顏色模型v圖形圖像壓縮的基礎(chǔ)v圖形圖像的壓縮算法v圖形圖像的編輯工具v相同的內(nèi)容，不同的格式，其效果和用途往往大不相同，說說你所知道的圖像文件格式。v相同的內(nèi)容，不同的格式，其效果和用途往往大不相同，說說你所知道的圖像文件格式。BMP圖像文件格式尺寸：450*335容量：442KBJPEG圖像文件格式尺寸：450*335容量：31.1KBv常用圖形圖像文件格式文件格式文件格式說明說明文件格式文件格式說明說明BMPWMFGIF？JPGPNGPSDTGATIFFvJPEGJPEG是國際標準化組織（ISO）和國際電報電話咨詢委員會（CCITT）關(guān)于

2、靜止圖像編碼的聯(lián)合專家組（Joint Photographic Experts Group）推出的標準。該標準規(guī)定了順序和漸進兩種工作方式，基本系統(tǒng)、擴展系統(tǒng)和無失真系統(tǒng)三種編碼算法。JPEG標準綜合了很多圖像壓縮編碼的研究成果，以DCT為核心，集成了DPCM、自適應(yīng)量化、行程編碼等多種技術(shù)。vJPEGvJPEGJPEG2000將JPEG的以離散余弦為核心轉(zhuǎn)化為以離散小波變換為核心。JPEG2000比JPEG有更高的質(zhì)量、更高的壓縮率、更快的傳輸速度。JPEG2000可以方便地實現(xiàn)無損壓縮和漸進傳輸，方便網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和圖像顯示高質(zhì)量的要求。JPEG2000可以對圖像不同的區(qū)域采取不同的壓縮率。vJ

3、PEGv圖像的三個屬性分辨率，又分顯示分辨率和圖像分辨率兩種；顯示分辨率：指顯示屏上能夠顯示出的像素數(shù)目，如顯示分辨率為1024*768，表示顯示屏分成768行，每行顯示1024個像素，整個屏幕有786432個顯像點；圖像分辨率：指組成一幅圖像的像素密度，在相同尺寸時，構(gòu)成圖像的像素越多，圖像分辨率就越大。v圖像的三個屬性像素深度：指圖像中每個像素存儲時所用的位數(shù)，它決定了圖像的每個像素可以顯示的顏色數(shù)目；如每個像素用RGB三個分量表示，每個分量用8位（1個字節(jié)），則每個像素可以表示224種顏色；如RGB各用5位表示，則加上一個屬性位后，圖像的詳述深度就成了16位，屬性為可用于控制是否透明；如

4、RGB用8位，再加上8位alpha通道，則可以構(gòu)成32位像素深度。v圖像的三個屬性真/偽彩色：真彩色指圖像中的每個像素都分成RGB三基色分量，每個基色分量直接決定其基色的強度，這樣產(chǎn)生的色彩稱為真彩色；偽彩色：偽彩色圖像每個像素的顏色不是由每個基色分量的數(shù)值直接決定，每個像素值實際上是一個索引值或代碼，該代碼值作為色彩查找表(Color Look-Up Table,CLUT)中某一項的入口地址，根據(jù)該地址查找到包含實際RGB的值。v1位圖像1位圖像僅僅由“開”位和“關(guān)”位組成，即圖像的每個像素作為一個位存儲（0或者1），也稱為二值圖像（binary image）或單色圖像。一幅分辨率為640*

5、480的一位圖像需要38.4KB（640*480/8）存儲空間。v8位灰度圖像每個像素有一個在0-255之間的灰度值（gray value），用一個字節(jié)表示。整幅圖像可以看做由像素值組成的二維數(shù)組，稱之為一幅位圖（bitmap）。一幅640*480的灰度圖需要300KB存儲空間。v24位彩色圖像每個像素用三個字節(jié)表示RGB，支持1千6百多萬種顏色。1幅640*480的24位彩色圖像，如果不經(jīng)壓縮，需要921.6KB存儲空間。v8位彩色圖像這種圖像文件采用查找表（lookup table）來存儲顏色信息。圖像中存儲的不是顏色而是字節(jié)的集合，每個字節(jié)是指向一個表的索引。有點像小孩按序號畫圖的繪畫冊

6、，如1代表橙色，2代表綠色等。v顏色：一種是發(fā)光體所呈現(xiàn)的顏色，另一種是物體反射或透射的顏色；v亮度：指作用于物體表面的光反射系數(shù)；v色調(diào)：物體反射光的波長，光譜成分、周圍光強；紅色加上另一種顏色的光，則色調(diào)發(fā)生變化；v飽和度：顏色滲入白光的程度，即顏色的深淺度；如紅色加上白光，呈粉紅色，飽和度下降；v人眼視覺暫留：在觀察過物體之后，物體的映像將在人眼的視網(wǎng)膜上保留一短暫的時間，1/20-1/10秒，25-30幀；v人眼對亮度比對顏色更敏感；v人眼的視野：左右180，上下60。v連續(xù)色調(diào)：指一幅圖像上，由淡到濃（深到淺）的色調(diào)變化，濃淡或深淺由單位面積成像物質(zhì)顆粒密度構(gòu)成。v半色調(diào)：指經(jīng)過特殊

7、加工后形成的由淺到深（濃到淡）的變化，由印刷網(wǎng)點面積大小構(gòu)成來表現(xiàn)的。一個22點陣的區(qū)域可以表現(xiàn)出5種顏色等級。（參見教材中的“抖動”）256色原始圖像16色半色調(diào)圖像16色非半色調(diào)圖像vRGB顏色模型：通過將R紅色、G綠色、B藍色三種顏色分量進行混合，產(chǎn)生自然界中所有顏色的效果，是一種相加混色模型，用于計算機顯示器、電視機等自發(fā)光設(shè)備中；在計算機應(yīng)用中，紅色、綠色、藍色分別用一個字節(jié)（8位）表示，產(chǎn)生224種顏色。vRGB顏色模型：vHSB顏色模型：主要考慮人在觀察、設(shè)置或調(diào)整顏色時的心理感受，從日常生活中畫家調(diào)整顏色的方法中產(chǎn)生的顏色模型。H（hue）色澤、S（Saturation）飽和度

8、、B（Brightness）亮度。vCMYK顏色模型：生活中看到物體的顏色是物體被太陽光照射后反射光的顏色，即吸收太陽光（白色）中特定波長的光，對其他波長的光進行反射，如繪畫中顏料的顏色，因此CMY顏色模型與畫畫時用的顏料三基色相同，即用青、洋紅、黃來混合產(chǎn)生顏色，黑色K可以在打印或印刷過程中方便產(chǎn)生黑色。v增色模型和減色模型：vYUV顏色模型：這種顏色模型早期主要用于PAL模擬電視系統(tǒng)，現(xiàn)在也用于數(shù)字電視；Y表示亮度，U和V表示色度。利用人眼對亮度敏感而對色彩細節(jié)相對不敏感的特點，將原本需要用RGB三基色表示的圖像用YUV分量來表示，降低色彩分量的精度，減少傳輸帶寬或存儲容量。Y = 0.2

9、99R + 0.587G + 0.114B U = B - Y V = R - Y vYUV顏色模型：5.5 MHz帶寬分配給Y, U 、 V分別為 1.8 MHz ； YUVvYIQ顏色模型：由YUV顏色模型衍生出來的模型，主要用于NTSC電視系統(tǒng)，IQ指色調(diào)，YIQ顏色模型經(jīng)常用于計算機圖像處理。vYCbCr顏色模型：國際電聯(lián)ITU制定的數(shù)字視頻標準，解決兩種不同電視制式的兼容。主要用于JPEG和MPEG，和YUV顏色模型關(guān)系密切；Y為亮度分量，Cb為藍色色度分量，Cr為紅色色度分量；Cb = (B - Y) / 1.772 + 0.5 Cr = (R - Y) / 1.402 + 0.5

10、 v數(shù)據(jù)冗余對于多媒體數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量遠遠大于其所攜帶的信息量；如180個漢字，文本數(shù)據(jù)量為360B。而廣播員朗讀使用1分鐘，采樣數(shù)據(jù)量為800060480KB，其數(shù)據(jù)有1300倍冗余；數(shù)學(xué)描述：IDdu其中I為信息量，D為數(shù)據(jù)量，du為冗余量。v統(tǒng)計冗余：圖像數(shù)據(jù)存在大量的統(tǒng)計特征的重復(fù)，這種重復(fù)包括靜態(tài)單幀圖像數(shù)據(jù)在空間上的冗余和音頻、視頻數(shù)據(jù)在時間上的冗余。如靜態(tài)圖像中規(guī)則物體和規(guī)則背景，動態(tài)圖像中前后兩幀圖像之間存在較大的相關(guān)性。v信息熵冗余數(shù)據(jù)攜帶的信息量少于數(shù)據(jù)本身；信息熵定義為一組數(shù)據(jù)所表示的信息量：其中，E為信息熵，N為數(shù)據(jù)種類的個數(shù)，pi為第i個數(shù)據(jù)的出現(xiàn)概率。一組數(shù)據(jù)的實際數(shù)據(jù)

11、量為各個數(shù)據(jù)的二進制位數(shù)與該數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率之積的和：其中，D為數(shù)據(jù)量，bi為第i個數(shù)據(jù)的二進制位數(shù)。102logNiiippE10NiiibpDv信息熵冗余如果希望不出現(xiàn)冗余，則冗余量d=D-E=0，則：即bi根據(jù)不同數(shù)據(jù)元素出現(xiàn)概率的不同而變化，可操作性很差。如英文26個字母在文章中的出現(xiàn)概率，已有研究發(fā)現(xiàn)差異很大，如果不希望出現(xiàn)冗余，則每個字母在計算機中表示的二進制長度不同，但現(xiàn)實是統(tǒng)一用ASCII碼（7位）。iipb2logv結(jié)構(gòu)冗余有些圖像從大面積上或整體上看存在重復(fù)出現(xiàn)的相同或相近的紋理結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)構(gòu)冗余。v知識冗余有許多圖像的理解和圖像所表現(xiàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)知識有相當大的相關(guān)性，從這種知

12、識出發(fā)可以歸納出圖像的某種規(guī)律性變化。如人像的理解，鼻子上有眼，嘴上有鼻子。v視覺冗余人類的視覺系統(tǒng)實際上只在一定程度上對圖像的變化存在敏感，圖像中有很多細節(jié)人的視覺系統(tǒng)無法感覺或分辨。同時人類的視覺系統(tǒng)由于生理或環(huán)境等因素會出現(xiàn)偏差或不敏感。種類原因主要方法統(tǒng)計冗余空間冗余像素間相關(guān)性變換編碼、預(yù)測編碼時間冗余時間方向上的相關(guān)性幀間預(yù)測、運動補償信息熵冗余編碼造成的冗余統(tǒng)計編碼結(jié)構(gòu)冗余圖像本身的構(gòu)造包含的冗余輪廓編碼、區(qū)域分割知識冗余收發(fā)兩端對事物的共同認識導(dǎo)致的冗余基于知識的編碼視覺冗余人的視覺特性導(dǎo)致的冗余非線性量化、比特分配其它其他因素形成的冗余v三代壓縮技術(shù)v第一代壓縮技術(shù)：以去除信

13、源信號的冗余為出發(fā)點，產(chǎn)生了預(yù)測編碼、變換編碼和統(tǒng)計編碼為主的經(jīng)典編碼方法。v第二代壓縮方法：突破了信息論的框架，充分利用了人類的視覺和聽覺的感知機理和信源信號的各種特征，由波形編碼逐漸向模型編碼方向發(fā)展。v第三代編碼技術(shù)：更側(cè)重媒體數(shù)據(jù)的檢索和利用效率，將內(nèi)容描述等方面也加入到編碼體系之中。v評價壓縮算法的指標：壓縮比：壓縮倍數(shù)；如1024768圖像，每像素8bit，將其分辨率降為512384，再使每像素用0.5bit，則其壓縮倍數(shù)為64倍，壓縮比為1:64。算法的復(fù)雜性和運算速度失真度v壓縮算法數(shù)據(jù)編碼的分類：無損壓縮有損壓縮v圖像保真度（圖像重建質(zhì)量）：客觀評價：均方根誤差、均方根信噪比

14、。主觀評價：電視圖像質(zhì)量評價尺度。評分評價說明1優(yōu)秀圖像質(zhì)量非常好，是人能想象出的最好質(zhì)量。2良好圖像質(zhì)量高，觀看舒服，有干擾但不影響觀看。3可用圖像質(zhì)量可接受，有干擾但不太影響觀看。4剛可看圖像質(zhì)量差，干擾有些妨礙觀看，觀察者希望改進。5差圖像質(zhì)量很差，妨礙觀看的干擾始終存在，幾乎無法觀看。6不能用圖像質(zhì)量極差，不能使用。電視圖像質(zhì)量評價v無損壓縮：又稱無失真壓縮，在壓縮過程中信息沒有任何損失，只是去掉數(shù)據(jù)中的冗余，解壓縮時，這些去除的冗余可以重新插入到數(shù)據(jù)中，是可逆的；v有損壓縮：利用人類視覺和聽覺器官對圖像或聲音中某些頻率成分不敏感的特性，允許在壓縮過程中損失一定的信息，以換取更大的壓縮

15、比，廣泛用于圖像、語音和視頻數(shù)據(jù)的壓縮編碼過程。v壓縮和解壓縮的速度對稱壓縮：壓縮與解壓的算法基本相同，是相互可逆的；壓縮和解壓縮需要實時進行，如電視會議的圖像傳輸，壓縮和解壓縮速度相同；非對稱壓縮：壓縮與解壓的算法不同，解壓縮實時，壓縮非實時，如CDROM的制作與播放，壓縮比解壓縮速度慢；數(shù)據(jù)的計算量：壓縮和解壓縮都需要大量的計算，通常解壓縮比壓縮的計算量小。v行程長度編碼：行程長度編碼RLE又稱為游程編碼，是壓縮文件最簡單的方法之一。將一系列的重復(fù)值用單個值加上一個計數(shù)值來取代。如aabbbccccccccdddddd的編碼為2a3b8c6d。00000000000000011111110

16、0000000015 0 7 1 9 015 7 9。 應(yīng)用：一些圖像文件格式如TIFF、PCX使用行程長度編碼。101,101,101,011,011,011,011101,011,011,100節(jié)約了9比特v哈夫曼編碼：哈夫曼1952年提出，即在變字長編碼中，對于出現(xiàn)概率大的信息符號編以短字長的碼，對于概率小的符號編以長字長的碼。如果碼字長度嚴格按所對應(yīng)符號出現(xiàn)概率大小逆序排列，則平均碼字長度一定小于其他以任何符號順序排列方式得到的平均碼字長度。出現(xiàn)頻率越高，使用的編碼字長越短。哈夫曼編碼通常要經(jīng)過兩遍操作，首先進行統(tǒng)計，然后進行編碼。0.450.300.150.050.030.010.0

17、11.000.550.250.100.050.02010101010101v哈夫曼編碼：初始化，根據(jù)符號概率的大小按由大到小順序?qū)Ψ栠M行排序。 把概率最小的兩個符號組成一個節(jié)點。 重復(fù)步驟2，形成一棵樹。 從根節(jié)點開始到相應(yīng)于每個符號的“樹葉”，從上到下標上“0”(上枝)或者“1”(下枝)，至于哪個為“1”哪個為“0”則無關(guān)緊要，最后的結(jié)果僅僅是分配的編碼不同，而編碼的平均長度是相同的。 從根節(jié)點開始順著樹枝到每個葉子分別寫出每個符號的編碼。 v哈夫曼編碼：符號出現(xiàn)的次數(shù)log2(1/pi)分配的編碼需要的位數(shù)A15(0.3846)1.38015B7(0.1795)2.4810021C6(0

18、.1538)2.7010118D6(0.1538)2.7011018E5(0.1282)2.961111523. 231282. 031538. 031538. 031795. 013846. 081iiiPR平均碼長v哈夫曼編碼優(yōu)點：哈夫曼碼的碼長雖然是可變的，但卻不需要另外附加同步代碼。例如，碼串中的第1位為0，那末肯定是符號A，因為表示其他符號的編碼沒有一個是以0開始的，因此下一位就表示下一個符號編碼的第1位。如果事先編寫出一本解釋各種編碼意義的“詞典”，即碼簿，那么就可以根據(jù)碼簿一個碼一個碼地依次進行譯碼。v哈夫曼編碼缺點：霍夫曼碼沒有錯誤保護功能，譯碼時如果沒有錯誤，那么就能順利地譯

19、出編碼。但如果有錯誤，哪怕是1位出現(xiàn)錯誤，就會一錯一大串，完全亂套。 v算術(shù)編碼：算術(shù)編碼在圖像數(shù)據(jù)壓縮標準如JPEG中扮演了重要的角色。在算術(shù)編碼中，信源符號用0到1之間的實數(shù)進行編碼，算術(shù)編碼用到兩個基本的參數(shù)：信源符號出現(xiàn)的概率和它的編碼間隔。信源符號的概率決定壓縮編碼的效率，也決定編碼過程中信源符號的間隔，而這些間隔包含在0到1之間。編碼過程中的間隔決定了符號壓縮后的輸出。 v算術(shù)編碼：算術(shù)編碼舉例：假設(shè)信源符號為00, 01, 10, 11，這些符號的概率分別為 0.1, 0.4, 0.2, 0.3 ，根據(jù)這些概率可把間隔0, 1)分成4個子間隔：0, 0.1), 0.1, 0.5)

20、, 0.5,0.7), 0.7, 1)，其中表示半開放間隔。 信源符號00011011概率0.10.40.20.3初始編碼間隔0,0.1)0.1,0.5)0.5,0.7)0.7,1.0)v算術(shù)編碼：v算術(shù)編碼：步驟 輸入符號編碼間隔 編碼判決1100.5, 0.7)符號的間隔范圍0.5, 0.7) 2000.5, 0.52)0.5, 0.7)間隔的第一個1/103110.514, 0.52)0.5, 0.52)間隔的最后一個3/104000.514, 0.5146)0.514, 0.52)間隔的第一個1/105100.5143, 0.51442)0.514, 0.5146)間隔的第五個1/10開始，二個1/106110.514384, 0.51442)0.5143, 0.51442)間隔的最后3個1/107010.5143836, 0.514402)0.514384, 0.51442)間隔的4個1/10，從第1個1/10開始8從0.5143876, 0.514402中選擇一個數(shù)作為輸出：0.5143876v算術(shù)編碼：步驟 間隔譯碼符號 譯碼判決 10.5, 0.7)10