數(shù)字視頻圖像技術 第6章 第2部分 壓縮標準

1、6.6 壓縮標準6.6.1 壓縮標準簡介6.6.2 連續(xù)調圖像壓縮標準6.6.3 二值圖像壓縮標準6.6.1 壓縮標準簡介v制定圖像標準的國際組織： ISO（國際標準化組織）CCITT（國際電報電話咨詢委員會）聯(lián)合組織下進行制定的v標準的類型（三類）： (1) 二值圖像壓縮標準：面向傳真而設計連續(xù)調圖像壓縮標準：(2) 靜止幀黑白、彩色壓縮：面向靜止的單幅圖像(3) 連續(xù)幀黑白、彩色壓縮：面向連續(xù)的視頻影像6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v連續(xù)調圖像壓縮標準靜止幀黑白、彩色壓縮（JPEG）連續(xù)幀單色、彩色壓縮（MPEG）6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮靜止幀黑白、彩色壓縮（JPEG）v

2、JPEG標準簡述vJPEG壓縮流程vJPEG壓縮算法的實現(xiàn)顏色變換零偏置轉換頻域變換系數(shù)量化符號編碼vJPEG壓縮舉例6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮JPEG標準簡述有三種壓縮系統(tǒng)：（1）基線編碼系統(tǒng)：面向大多數(shù)有損壓縮的應用， 采用DCT變換壓縮。（2）擴展編碼系統(tǒng)：面向遞進式應用，從低分辨 率到高分辨率逐步遞進傳遞的應用（3）獨立編碼系統(tǒng)：面向無損壓縮的應用，采用無損 預測壓縮，符號編碼采用哈夫曼或算術編碼一個產(chǎn)品或系統(tǒng)必須包括對基線系統(tǒng)的支持6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮JPEG壓縮流程符號解碼器DCT逆向變換量化器DCT正向變換構造8x8的子圖符號編碼器壓縮圖像合成8x8的子

3、圖解壓圖像顏色空間轉換零偏置轉換顏色空間轉換零偏置轉換6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v構造子圖像子圖像尺寸：8 x 8v顏色空間轉換 人眼對亮度更敏感，提取亮度特征，將RGB轉換為YCbCr模型，編碼時對亮度采用特殊編碼：Y = 0.299R + 0.5870G + 0.1140BCb = 0.1787R 0.3313G +0.5000B +128Cr = 0.5000R 0.4187G 0.0813B + 128顏色解碼：R = Y + 1.40200(Cr 128)G = Y 0.34414(Cb 128) 0.71414(Cr 128)B = Y + 1.77200(Cb 128)

4、6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v零偏置轉換對于灰度級是2n的像素，通過減去2n-1，替換像素本身對于n=8，即將0255的值域，通過減去128，轉換為值域在-128127之間的值目的：使像素的絕對值出現(xiàn)3位10進制的概率大大減少6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮 用8x8的JEPG基線標準，壓縮并重構下列子圖525561667061647363596690109856972625968113144104667363587112215410670696761681041268868707965607077685875857164595561658387796968657678946.6.

5、2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮0偏置轉換后-76-73-67-62-58-67-64-55-65-69-62-38-19-43-59-56-66-69-60-1516-24-62-55-65-70-57-626-22-58-59-61-67-60-24-2-40-60-58-49-63-68-58-51-65-70-53-43-57-64-69-73-67-63-45-41-49-59-60-63-52-50-346.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v頻域變換頻域變換產(chǎn)生64個系數(shù)第一個系數(shù)稱為直流系數(shù)（DC系數(shù)）1.其余的63個系數(shù)稱為交流系數(shù)（AC系數(shù)）6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮正

6、向DCT變換（N = 8）后變成-415-29-62 25 55-20-1 3 7-21-62 9 11-7-6 6-46 8 77-25-30 10 7-5-50 13 35-15-9 6 0 3 11-8-13-2-1 1-4 1-10 1 3-3-1 0 2-1-4-1 2-1 2-3 1-2-1-1-1-2-1-1 0-16.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v系數(shù)量化采用閾值作為子圖系數(shù)位置函數(shù)的量化方式 所有子圖使用同一個全局閾值模板，但閾值的取值，與系數(shù)的位置相關，閾值模板給出了，不同位置上系數(shù)的相應閾值。對于亮度和顏色使用不同的量化閾值模板，并取整6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像

7、壓縮v系數(shù)量化1）正向量化：Squv = round(Suv / Quv) 其中： Suv是DCT系數(shù)， Quv量化模板系數(shù)2）逆向量化：Ruv = Squv Quv例：Sq(0,0) = round-415/16 = round-25.9=-26 Ruv(0,0) = -26 * 16 = -4166.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮 亮度的量化模板系數(shù)16 1110162440516112121419265860551413162440576956141722295187806218223756681091037724355564811041139249647887103121120101

8、72929598112100103996.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮 顏色的量化模板系數(shù)17 1824479999999918212666999999992426569999999999476699999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999996.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮量化變換后的數(shù)組，比例化并消去系數(shù)-26-3-6 2 2000 1-2-4 0 0000-3 1 5-1-1000-4 1 2-1 0000 1 0 0 0 0000 0 0 0 0 0000 0 0 0 0 0

9、000 0 0 0 0 00006.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v符號編碼將量化后的系數(shù)，按之字形重新排序成矢量，全零結尾用特殊符號EOB-26 -3 1 -3 -2 -6 2 -4 1 -4 1 1 5 0 2 0 0 -1 2 0 0 0 0 0 -1 -1 EOBDC和AC用不同的方式分別編碼DC的編碼方式（預測+統(tǒng)計） ：編碼由兩部分組成：區(qū)間號編碼(SSSS) + 系數(shù)預測誤差本身編碼(VVVV)6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮DC的編碼方式（預測+統(tǒng)計）v第一步：求DPCM (差分脈沖調制碼)，用當前的DC，減去前一個子圖的DC VVVV ：DIFF = DC PRE_DC

10、v第二步：根據(jù)DIFF求出區(qū)間號： SSSS 通過DIFF查區(qū)間編號表得出區(qū)間號SSSS根據(jù)SSSS查哈夫曼編碼表得出SSSS的哈夫曼編碼v第三步：對VVVV編碼，正數(shù)是自己，負數(shù)用補碼（求反）6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮DC的編碼方式（預測+統(tǒng)計）區(qū)間表 范圍 DC差區(qū)間 AC區(qū)間 0 0 N/A -1，1 1 1 -3，-2，2，3 2 2 -7,-4，4,7 3 3 -15,-8，8,15 4 4 -31,-16，16,31 5 5 -63,-32，32,63 6 66.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮DC的編碼方式（預測+統(tǒng)計）區(qū)間DC哈夫曼編碼表區(qū)間 編碼 長度 區(qū)間 編碼

11、長度 0 010 3 6 1110 10 1 011 4 7 11110 12 2 100 5 8 111110 14 3 00 5 9 1111110 16 4 101 7 A 11111110 18 5 110 8 B 111111110 206.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮DC的編碼方式（預測+統(tǒng)計）例子：DC = -26PRE_DC = -17 DIFF = -26 - （-17）= -9用-9查區(qū)間表得： SSSS = 4用4查哈夫曼編碼表得：哈夫曼編碼：101 VVVV = -9 二進制編碼為: 1001求反: 1001 = 0110 最后的編碼為: 101+0110= 101

12、0110 長度為7位v解碼時如果VVVV部分首位為0為負數(shù)PreDC-17DC-266.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v符號編碼AC的編碼方式編碼由兩部分組成：區(qū)間號編碼(RRRR/SSSS)+系數(shù)本身(VVVV)第一部分： SSSS： 區(qū)間號 RRRR：該系數(shù)前值為0的系數(shù)的個數(shù)。第二部分： VVVV：系數(shù)本身編碼6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮AC的編碼方式區(qū)間AC哈夫曼編碼表行程/區(qū)間 編碼 長度 行程/區(qū)間 編碼 長度 0/0 1010(=EOB) 4 0/6 111000 12 0/1 00 3 0/7 1111000 14 0/2 01 4 0/8 1111110110 18

13、 0/3 100 6 0/9 1111111110000010 0/4 1011 8 0/A 1111111110000011 0/5 11010 10 1/1 1100 5 6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮AC的編碼方式舉例：0 7RRRR = 1查表得區(qū)間號：SSSS = 3RRRR/SSSS = 1/3 查表得: 1111001編碼長度 10位VVVV = -7111 求反得: 000最后編碼:11110010006.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v符號編碼完成后的編碼數(shù)組（重排的）是：1010110 0100 001 0100 0101 100001 0110 100011 00

14、1 100011 001 001 100101 11100110 110110 0110 11110100 000 1010其中空格是為了可閱讀性而插入的完成編碼的重排數(shù)組的總位數(shù)是92，不壓縮需要8x8x8=512位。結果的壓縮率是512/92，或5.6:1。6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮連續(xù)幀單色、彩色壓縮v連續(xù)幀圖像的定義v連續(xù)幀圖像壓縮的基本思想v幀間運動補償預測編碼技術vH.261標準vMPEG1/2/4/7標準6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v連續(xù)幀圖像的定義由多幅尺寸相同的靜止圖像組成的圖像序列，被稱為連續(xù)幀圖像。與靜止幀圖像相比，連續(xù)幀圖像多了一個時間軸，成為三維信號

15、，因此連續(xù)幀圖像也被稱為三維圖像。6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v連續(xù)幀圖像壓縮的基本思想基于如下基本假設：v在各連續(xù)幀之間存在簡單的相關性平移運動。v一個特定畫面上的像素量值：1）可以根據(jù)同幀附近像素來加以預測，被稱為：幀內編碼技術2）可以根據(jù)附近幀中的像素來加以預測，被稱為：幀間編碼技術6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v連續(xù)幀圖像壓縮的基本思想通過減少幀間圖像數(shù)據(jù)冗余，來達到減少數(shù)據(jù)量、壓縮連續(xù)幀圖像體積的目的將連續(xù)幀圖像序列，分為參考幀和預測幀，參考幀用靜止圖像壓縮方法進行壓縮，預測幀對幀差圖像進行壓縮由于幀差圖像的數(shù)據(jù)量大大小于參考幀的數(shù)據(jù)量，從而可以達到很高的壓縮比6.6.

16、2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v幀間運動補償預測編碼技術幀間預測編碼壓縮圖像塊輸入圖像塊enfn fn運動補償預測幀間誤差圖像運動補償預測圖像6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v幀間運動補償預測編碼技術幀間預測編碼v向前預測v雙向預測前一幀前一幀當前幀當前幀前一幀前一幀當前幀當前幀下一幀下一幀6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v幀間運動補償預測編碼技術幀間預測編碼vI 幀不進行預測、進行幀內編碼的編碼幀（參考幀）vP幀通過向前預測得到的誤差編碼幀vB幀通過雙向預測得到的誤差編碼幀因圖像序列存放在存儲器中，可以使用下一幀6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v幀間運動補償預測編碼技術編碼中的運動

17、補償v運動補償概念是 以對幀間運動的估算為基礎的，若物體均在空間上有一位移，那么用有限的運動參數(shù)來對幀間的運動加以描述，如對于像素的平移運動，可用運動矢量來描述v一個來自前一編碼幀的運動補償預測像素，就能給出一個當前像素的最佳預測。預測誤差和運動矢量一同參與編碼6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮v幀間運動補償預測編碼技術編碼中的運動補償v由于一些運動矢量之間的空間相關性通常較高，因此，一個像素的運動矢量，可以代表一個相鄰像素塊的運動v實現(xiàn)中，畫面一般劃分成一些不連接的像素塊(在MPEGl和MPEG2標準中一個像素塊為1616像素)，對于每一個這樣的像素塊，只估算一個運動矢量6.6.2 壓縮標

18、準:連續(xù)調圖像壓縮v幀間運動補償預測編碼技術編碼中的運動補償v舉例：常用的基于塊的運動估算和補償塊匹配法K幀K+l 幀塊查找窗口6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮H.261263標準vH.261263標準是由CCITT制定的vccitt 國際電話與電報咨詢委員會，它現(xiàn)在被稱為 itu-t （國際標準化組織電訊標準化分部），是世界上主要的制定和推廣電訊設備和系統(tǒng)標準的國際組織.它位于瑞士的geneva.6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮H.261標準v應用范圍：ISDN的視頻會議v主要編碼技術：DCT變換向前運動補償預測Zig-zag排序霍夫曼編碼IPPPPPPIPPP.6.6.2 壓縮標準

19、:連續(xù)調圖像壓縮H.263標準v應用范圍：可視電話v主要編碼技術：DCT變換雙向運動補償預測Zig-zag排序霍夫曼編碼IBBPBBPBBIBBP . . . .6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮MPEG1/2/4/7標準vMPEG1/2/4/7標準由ISO/IEC制定的vISO是國際標準化組織vIEC是國際電工委員會，是非政府性國際組織，是世界上成立最早的專門國際標準化機構。正式成立于1906 年。6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮MPEG1標準v應用范圍：視頻CD_ROM存儲、視頻消費v主要編碼技術：DCT變換前向、雙向運動補償預測Zig-zag排序霍夫曼編碼、算術編碼每15幀至少要有

20、一個I幀IBBPBBPBBIBBP . . . .6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮MPEG2標準v應用范圍：數(shù)字電視、高質量視頻、有線電視、視頻編輯、視頻存儲v主要編碼技術：DCT變換前向、雙向運動補償預測Zig-zag排序霍夫曼編碼、算術編碼每15幀至少要有一個I幀IBBPBBPBBIBBP . . . .6.6.2 壓縮標準:連續(xù)調圖像壓縮MPEG4標準v應用范圍：互聯(lián)網(wǎng)、交互視頻、移動通信v主要編碼技術：DCT變換、小波變換前向、雙向運動補償預測Zig-zag排序臉部動畫、背影編碼霍夫曼編碼、算術編碼每15幀至少要有一個I幀IBBPBBPBBIBBP . . . .6.6.2 壓縮標

21、準:連續(xù)調圖像壓縮MPEG7標準v下節(jié)課介紹6.6.3 壓縮標準：二值圖像壓縮v二值圖像壓縮標準基本思想一維壓縮二維壓縮CCITT Group3CCITT Group46.6.3 壓縮標準：二值圖像壓縮基本思想：v采用行程編碼與靜態(tài)的哈夫曼編碼相結合v由于是二值圖像，不用為灰度值編碼。v只給行程長度編碼，且黑和白的長度分別使用不同的編碼。v按行壓縮vCCITT Group3采用一維編碼與二維編碼結合vCCITT Group4采用二維編碼6.6.3 壓縮標準：二值圖像壓縮一維壓縮 基本思想：1）每一行行首、尾編碼v行首：用一個白行程碼開始。如果行首是黑像素，則 用零長度的白00110101開始。

22、v行尾：用行尾編碼字(EOL)000000000001結束。2）圖像首、尾編碼v圖像首行：用一個EOL開始。v圖像結尾：用連續(xù)6個EOL結束。3）圖像內部編碼v內部編碼：長度小于63的用哈夫曼編碼，大于63的用組合編碼：大于63的長度編碼 + 小于63的余長度編碼6.6.3 壓縮標準：二值圖像壓縮長度小于63的哈夫曼編碼行程長度 白編碼黑編碼0001101010000110111100011101020111113100010410110115110000116100110010000001011010620011001100000110011063001101000000010110116.

23、6.3 壓縮標準：二值圖像壓縮長度大于63的組合編碼 行程長度 白編碼黑編碼6411011000000111112810010000011001000192010111000011001001256011011100000101101132000110110000000110011384001101110000001101001600010011010000000101101116640110000000001100100172801001101100000011001016.6.3 壓縮標準：二值圖像壓縮二維壓縮 1) 基本思想：v利用上一行相同改變元素的位置，來為當前行編碼v假設相臨兩行改

24、變元素位置相似的情況很多v且上一行改變元素距當前行改變元素的距離，小于行程的長度，從而可以降低編碼長度a0b1b2a1a2參考行當前行6.6.3 壓縮標準：二值圖像壓縮2) 定義幾個重要符號：參 考 行：當前處理行的前一行。改變元素：與前一個像素值不同的像素參考元素：一共有5個（當前行3個，參考行2個）：va0：當前處理行上，與前一個像素值不同的像素。 行首元素是本行的第一個a0va1：a0右邊下一個改變元素。va2：a1右邊下一個改變元素。vb1：參考行上在a0右邊，且與a0值相反的改變元素1.b2： b1右邊下一個改變元素。a0b1b2a1a2參考行當前行6.6.3 壓縮標準：二值圖像壓縮3) 編碼方法：對三種情況的三種編碼方式：（1）通過編碼方式：v條件：b2在a1的左邊，排除參考行兩個改變元素都在 a1