多媒體中有關(guān)JPEG方面的知識

1、5.3 JPEG標準的主要內(nèi)容 ISO/IEC 10918號標準“多灰度連續(xù)色調(diào)靜態(tài)圖像壓縮編碼”即JPEG標準， 選定ADCT作為靜態(tài)圖像壓縮的標準化算法。該標準為保證通用性，包含以下兩種方式：空間方式 可逆編碼 空間方式對于基本系統(tǒng)和擴展系統(tǒng)來說，被稱為獨立功能。DCT方式 非可逆編碼， 包含基本系統(tǒng)(必須保證的功能)和擴展系統(tǒng)(擴充功能)1基本系統(tǒng)是實現(xiàn)DCT編碼與解碼所需的最小功能集， 大多數(shù)的應用系統(tǒng)只要用此標準， 就能基本上滿足要求。擴展系統(tǒng)是為了滿足更為廣闊領(lǐng)域的應用要求而設置的。25.3.1 JPEG靜態(tài)圖像壓縮算法 1. 基于DPCM的無失真編碼 預測器熵編碼器表說明無失真編

2、碼器源圖像數(shù)據(jù)壓縮圖像數(shù)據(jù)圖5.1 無失真編碼簡化框圖3基于DPCM的無失真編碼優(yōu)點是硬件易實現(xiàn)，重建圖像質(zhì)量好。缺點是壓縮比太低， 大約為2：1。 4工作原理是對X的預測值X，將X-X進行無失真熵編碼。對X的求法見圖給出的預測方式。 選擇值預測選擇值預測 0 1 2 3非預測 a b c 4 5 6 7a+b-ca+(b-c)/2b+(a-c)/2(a+b)/2(a) X鄰域(b) 預測方式圖5.2 預測器52. 基于DCT的有失真壓縮編碼 離散余弦變換量化處理DC系數(shù)的編碼和AC系數(shù)的行程編碼 熵編碼6圖5.3 基于DCT編碼過程FDCT熵編碼器表說明無失真編碼器源圖像數(shù)據(jù)壓縮圖像數(shù)據(jù)量化

3、器表說明88塊（YUV每個分量）7圖5.4 解碼過程熵解碼器IDCT表說明解碼器逆量化器表說明88塊壓縮圖像數(shù)據(jù)恢復的圖像數(shù)據(jù)8離散余弦變換 (1)首先把原始圖像順序分割成88子塊；(2)采樣精度為P位(二進制)， 把0， 2P-1范圍的無符號數(shù)變換成-2P-1，2P-1范圍的有符號數(shù)， 作為離散余弦正變換(FDCT)的輸入；(3)在輸出端經(jīng)離散余弦逆變換(IDCT)后又得到一系列88子塊， 需將數(shù)值范圍-2P-1，2P-1變換回0， 2P-1來重構(gòu)圖像。9量化處理 量化是一個“多到一”的過程，失真原因關(guān)鍵是找最小量化失真的量化器， JPEG采用線性均勻量化器，定義為對64個DCT系數(shù)除以量化

4、步長， 然后四舍五入取整：FQ(u， v)=Integer RoundF(u， v)/Q(u， v)Q(u，v)是量化器步長，它是量化表的元素。量化表元素隨DCT系數(shù)的位置和彩色分量不同有不同的值，量化表尺寸為88與64個變換系數(shù)一一對應。這個量化表應由用戶規(guī)定(JPEG給出參考值-見表2.2，2.3)， 并作為編碼器的一個輸入。10161110162440516112121419265860551413162440576956141722295187806218223756681091037724355564811041139249647887103121120101729295981121

5、0010399表5.1 亮度量化表1117182447999999991821266699999999242656999999999947669999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999表5.2 色度量化表12量化的作用是在一定主觀保真度圖像質(zhì)量前提下，丟掉那些對視覺影響不大的信息，通過量化可調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)壓縮比。 13 DC系數(shù)的編碼 64個變換系數(shù)經(jīng)量化后， 坐標u=v=0的F(0， 0)稱DC系數(shù)(直流分量)， 它即64個空域圖像采樣值的平均值。相鄰88塊之間DC系數(shù)有強相關(guān)性。JPEG

6、對量化后的DC系數(shù)采用DPCM 編碼， 即對DIFF= DCi-DCi-1編碼。 blocki-1blockiDCi-1DCi圖5.5 DC系數(shù)差分編碼14AC系數(shù)的行程編碼 其余63個交流系數(shù)(AC)采用行程編碼。從左上方AC0，1開始沿對角線方向“Z”字形掃描直到AC7，7掃描結(jié)束， 這樣可增加行程中連續(xù)0的個數(shù)。AC系數(shù)編碼的碼字用兩個字節(jié)表示，如圖所示： 圖5.6 Z字形掃描15圖5.7 AC系數(shù)行程編碼碼字兩個非0值間連續(xù)0的個數(shù) 表示下一個非0值需要的bit數(shù) 下一個非0實際值7430字節(jié)1字節(jié)2例子：對“，3，0，0，0，0，0，12，0，0，”編碼 ，(5，4)，(12)，.1

7、6熵編碼 為了進一步壓縮數(shù)據(jù)，需對DC碼和AC行程編碼的碼字再做基于統(tǒng)計特性的熵編碼。JPEG建議的熵編碼是Huffman編碼和自適應二進制算術(shù)編碼。熵編碼可分成兩步進行：把DC碼和AC行程碼轉(zhuǎn)換為中間符號序列給這些符號賦以變長碼字 17行程取值范圍為115， 超過15時用擴展符號1 (15， 0)來擴充， 63個AC系數(shù)最多增加3個擴展符號1。編碼結(jié)束時用(0，0)表示?！俺叽纭比≈捣秶鸀?10。 “幅值”用以表示非0的AC系數(shù)的值， 范圍為-210， 210-1(最長10bit)， 結(jié)構(gòu)形式如表5-5所示。181 -1，12 -3.-2，2.33 -7.-4，4.74 -15.-8，8.1

8、57 89 -511.-256，25651110 -1023.-512，5121023表5.5 符號2結(jié)構(gòu)19DC系數(shù)的熵編碼對于直流分量DC也有類似于AC系數(shù)的編碼格式符號1：(尺寸)符號2：(幅值)“尺寸”表示DC差值的幅值編碼所需的比特數(shù)， 而“幅值”表示DC差值的幅值， 范圍為-211，211-1?？稍诒?.5中多加一級， 幅值尺寸以1到11比特表示。 將63個AC系數(shù)表示成為符號1和符號2序列，其中連續(xù)0的長度超過15時，有多個符號1； 塊結(jié)束(EOB)時僅有一個符號1(0，0)。20 “4，0，0，0，0，0，0，0，0，3，0”. 4，3之間有31個0. (15，0)，(15，0

9、)，(1，2)，(3)可變長度熵編碼就是對上述序列進行變長編碼。對DC系數(shù)、AC系數(shù)中的符號1采用Huffman表中的變長碼編碼(VLC)，這里Huffman變長碼表必須作為JPEG編碼器輸入。符號2用碼字長度在表2.4中給出的變長整數(shù)VLI碼編碼。VLI是變長碼，但不是Huffman碼。VLI的長度存放在VLC中， JPEG提供VLI碼字表供用戶使用21表5.6 JPEG壓縮效果評價壓縮效果(比特/像素) 質(zhì) 量 0.250.50 中好 0.500.75 好很好 0.751.5 極好 1.22.0 與原始圖像分不出來22MPEG視頻數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)MPEG-1數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)運動圖像序列圖片組圖片圖

10、片切片宏塊塊8像素23幀間預測1I2B3B4B5P6B7B8B1I前向預測雙向預測24運動序列流的組成典型的圖像類型的顯示次序1秒?yún)⒄諑g有2個B圖像 每0.5秒1幀I圖像 I B B P B B P B B P B B P B B I B B P B B P B B P B B P B B25傳輸順序MPEG編碼器需對上述圖像重新排序， 以便解碼器高效工作， 因為參照圖像必須先于B圖像恢復之前恢復。上述17幀圖像重排后圖像組次序為：4213756IPBBPBB26圖像處理 對圖像進行一系列的操作以達到預期的目的的技術(shù)稱作圖像處理。圖像處理可分為模擬圖像處理和數(shù)字圖像處理兩種方式。 利用光學、

11、照相和電子學方法對模擬圖像的處理稱為模擬圖像處理。目前，許多軍用、宇航的處理仍采用光學模擬處理。 利用計算機對數(shù)字圖像進行系列操作，從而獲得某種預期的結(jié)果的技術(shù)稱為數(shù)字圖像處理，又稱計算機圖像處理。通常，也簡稱為圖像處理。27 圖像處理的內(nèi)容相當豐富，包括狹義的圖像處理、圖像分析與圖像理解。狹義的圖像處理著重強調(diào)在圖像之間進行的變換，是一個從圖像到圖像的過程，是比較低層的操作。狹義的圖像處理主要滿足對圖像進行各種加工，以改善圖像的視覺效果，或?qū)D像進行壓縮編碼以減少所需存儲空間或傳輸時間，達到傳輸通路的要求。特點：主要在像素級進行處理，處理的數(shù)據(jù)量非常大。28圖像分析 圖像分析主要是對圖像中感

12、興趣的目標進行檢測和測量，從而建立對圖像的描述。圖像分析主要研究用自動或半自動裝置和系統(tǒng)，從圖像中提取有用的測度、數(shù)據(jù)或信息，生成非圖像的描述或者表示。圖像分析的內(nèi)容分為特征提取、符號描述、目標檢測、景物匹配和識別等幾個部分。特點：是一個從圖像到數(shù)據(jù)的過程，可以看作是中層處理。29圖像理解圖像理解是在圖像分析的基礎上，進一步研究圖像中各目標的性質(zhì)和它們之間的相互聯(lián)系，并得出對圖像內(nèi)容含義的理解以及對原來客觀場景的解釋，從而指導和規(guī)劃行動。圖像理解有時也叫景物理解。圖像理解主要是高層操作，其處理過程和方法與人類的思維推理有許多類似之處。30與相關(guān)學科的關(guān)系數(shù)字圖像處理是一門新的交叉學科。它與數(shù)學

13、、物理學、生理學、心理學、電子學、計算機科學等許多學科可以相互借鑒。從它的研究范圍來看，它與模式識別、計算機視覺、計算機圖形學等多個專業(yè)又互相交叉。31宏觀世界圖像圖像數(shù)據(jù)(人)符號新技術(shù)新理論新工具圖像處理模式識別圖像分析計算機視覺計算機圖形學圖像理解圖像理解(轉(zhuǎn)換)圖像處理與相關(guān)學科的聯(lián)系和區(qū)別32數(shù)字圖像處理方法數(shù)字圖像的處理方法種類繁多，根據(jù)不同的分類標準可以得到不向的分類結(jié)果。根據(jù)對圖像作用域的不同，數(shù)字圖像處理方法大致可分為兩大類，即：空域算法和變換域算法。33空域處理方法空域處理方法是指在空間域內(nèi)直接對數(shù)字圖像進行處理。在處理時，既可以直接對圖像各像素點進行灰度上的變換處理，也可

14、以對圖像進行小區(qū)域模板的空域濾波等處理，以充分考慮像素鄰域像素點對其的影響?？沼蛱幚矸ㄖ饕袃纱箢悾?(1)鄰域處理法 (2)點處理法34變換域處理方法 變換域處理方法首先主要是通過傅立葉變換、離散余弦變換、沃爾什變換或是比較新的小波變換等變換算法，將圖像從空域變換到相應的變換域，得到變換域系數(shù)陣列，然后在變換域中對圖像進行處理，處理完成后再將圖像從變換域反變換到空間域，得到處理結(jié)果。35數(shù)字圖像處理的主要研究內(nèi)容1 圖像變換2 圖像增強3 圖像編碼與壓縮4 圖像復原5 圖像重建361 圖像變換圖像變換是圖像處理和圖像分析的一個重要分支，它將圖像從空間域變換到變換域，然后在變換域?qū)D像進行處理

15、和分析。圖像變換是許多圖像處理和分析技術(shù)的基礎，是圖像增強和復原的基本工具，也是圖像特征提取的重要手段。常用的圖像變換有傅立葉變換、DCT變換，小波變換等。372 圖像增強圖像增強是指根據(jù)一定的要求，突出圖像中感興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用信息得到加強的信息處理方法。根據(jù)增強處理過程所在的空間不同，圖像增強技術(shù)可分為基于空間域的增強方法和基于頻率域的增強方法兩類。圖像增強主要方法有直方圖增強、空域濾波法、頻率域濾波法以及彩色增強法等。38圖像灰度變換前后效果對比圖:變換前 變換后39線性灰度變換法假定原始輸入圖像的灰度取值范圍為fmin, fmax，輸出圖像的灰度取值范圍g

16、min, gmax，其變換公式為： 一般要求gmin fmax40直方圖變換法 直方圖是多種空間域處理技術(shù)的基礎。直方圖操作能有效地用于圖像增強。灰度直方圖灰度直方圖是灰度值的函數(shù)，它描述了圖像中各灰度值的像素個數(shù)。通常用橫坐標表示像素的灰度級別，縱坐標表示對應的灰度級出現(xiàn)的頻率（像素的個數(shù)）。頻率的計算公式為： p(r)=nr nr是圖像中灰度為r的像素數(shù) 。41常用的直方圖是規(guī)格化和離散化的，即縱坐標用相對值表示。設圖像總像素為N，某一級灰度像素數(shù)為nr，則直方圖表示為： p(r)= nr /N 原始圖象 對應的直方圖42灰度直方圖反映了一幅圖像的灰度分布情況。 (a) (b)(a)大多數(shù)

17、像素灰度值取在較暗區(qū)域，圖像肯定較暗.一般 在攝影過程中曝光過強就會造成這種結(jié)果。(b)圖像的像素灰度值集中在亮區(qū),圖像將偏亮.一般在攝影中曝光太弱將導致這種結(jié)果。 從兩幅圖像的灰度分布來看圖像的質(zhì)量均不理想。 43443 圖像編碼與壓縮圖像編碼就是利用圖像信號的統(tǒng)計特性及人類視覺的生理學和心理學特性對圖像信號進行高效編碼，以解決數(shù)據(jù)量大的矛盾。圖像編碼的目的有三個：盡量減少表示數(shù)字圖像時需要的數(shù)據(jù)量。降低數(shù)據(jù)率以減少傳輸帶寬；壓縮信息量,便于特征抽取，為識別作準備。根據(jù)解壓重建后的圖像和原始圖像之間是否具有誤差，圖像編碼壓縮分為無誤差編碼和有誤差編碼兩大類。根據(jù)編碼方法作用域不同，圖像編碼分為空間域編碼和變換域編碼兩大類。454 圖像復原圖像復原也叫圖像恢復。其目的是找出圖像降質(zhì)的起因，并盡可能消除它，使圖像恢復本來面目。常用的恢復有糾