CH10 圖像編碼基礎和標準

第10章圖像編碼技術和標準

ImageCodingTechniquesandStandard張淑軍青島科技大學信息學院第10章

圖像編碼技術和標準本章教學目標（1）掌握預測編碼和變換編碼原理（2）掌握無損/有損預測編碼系統(tǒng)模型（3）掌握基于DCT的變換編碼系統(tǒng)組成，并理解各操作模塊（4）掌握JPEG國際標準，了解其他圖像國際標準第2頁第10章圖像編碼技術和標準第3頁第10章圖像編碼技術和標準第10章

圖像編碼技術和標準10.1預測編碼10.2變換編碼

10.3靜止圖像壓縮國際標準

10.4運動圖像壓縮國際標準10.1預測編碼如果能夠根據(jù)前面n個像素的灰度值，預測后面像素的灰度值，則可以進行壓縮如果整幅圖像灰度值之間都存在一些確定的、可預測的關系，則可根據(jù)這些灰度值之間的差異進行壓縮，而不必存儲每一個像素點的灰度值這就是預測編碼的思路。特點空域方法，消除像素間的冗余第4頁第10章圖像編碼技術和標準第5頁第10章圖像編碼技術和標準10.1預測編碼基本思想通過僅對每個像素中提取的新信息（像素實際灰度值與預測值的差）進行編碼來消除像素間的冗余像素間的相關性使得預測成為可能包括：（1）無損預測編碼 （2）有損預測編碼第6頁第10章圖像編碼技術和標準10.1.1無損預測編碼（1）無損預測編碼系統(tǒng)（LosslessPredictiveCoding）系統(tǒng)組成：

編碼器+解碼器（有相同的預測器）

10.1.1無損預測編碼編解碼過程第7頁第10章圖像編碼技術和標準第8頁第10章圖像編碼技術和標準10.1.1無損預測編碼無損預測編碼過程：

輸入序列：輸入圖像的像素序列fn

(n=1,2,…)

預測輸出：（舍入成整數(shù)）預測誤差：

誤差編碼：在符號編碼器中用變長碼對誤差進行編碼解壓序列：

哪里取得了壓縮？（消除了像素間冗余）

當圖像存在像素間冗余時，像素之間常常有較強的規(guī)律性，因此預測誤差常常在很小的范圍內，對這些誤差進行編碼當然比對源圖像的每個像素值進行編碼簡單的多，達到了壓縮的目的第9頁第10章圖像編碼技術和標準10.1.1無損預測編碼不同的預測器：

m階線性預測：當前值需要前面的m個值來進行預測

1-D線性預測：只用同一行/列的前面像素值來預測

一階1-D線性預測（也稱前值預測器，差分編碼）第10頁第10章圖像編碼技術和標準10.1.1無損預測編碼例：一維線性預測器

左圖為a=1時的預測誤差圖像原圖像和預測圖像的直方圖預測誤差的變化比原圖像灰度變化要小得多10.1.2有損預測編碼有損編碼：犧牲圖像復原的準確度以換取壓縮能力的增加。如果產生的失真可以容忍，則壓縮能力的增加是有效的。有損壓縮方法的壓縮比：

在圖像壓縮比大于30:1時，仍然能夠重構圖像。

在圖像壓縮比為10:1到20:1時，重構圖像與原圖幾乎沒有差別。

無損壓縮的壓縮比很少有能超過3:1的。有損壓縮和無損壓縮的根本差別在于有沒有量化器有損預測編碼和變換編碼都是有損壓縮。第11頁第10章圖像編碼技術和標準10.1.2有損預測編碼有損預測編碼的基本思想對預測誤差進行量化，通過消除心理視覺冗余，達到對圖像進一步壓縮的目的。算法演變無損預測壓縮的基礎是：原圖像值fn與預測值之間的誤差，有公式：

解碼與編碼使用相同的預測器

有損預測編碼的演變——引入量化第12頁第10章圖像編碼技術和標準第13頁第10章圖像編碼技術和標準10.1.2有損預測編碼（2）有損預測編碼系統(tǒng)（LossyPredictiveCoding）系統(tǒng)組成：

增加了1個量化器，預測器放在1個反饋環(huán)中10.1.2有損預測編碼有損預測編碼過程量化器插在符號編碼器和預測誤差產生處之間，把原來無損編碼器中的整數(shù)舍入模塊吸收了進來；量化器將預測誤差映射到輸出中，確定了有損預測編碼中的壓縮量和失真量；反饋環(huán)的輸入是過去預測和與其對應的量化誤差的函數(shù)：第14頁第10章圖像編碼技術和標準第15頁第10章圖像編碼技術和標準10.1.2有損預測編碼有損預測編碼系統(tǒng)中的數(shù)據(jù) 輸入序列：fn

(n=1,2,…)

量化輸出： 預測輸入： 解壓序列： 編碼誤差： 哪里又取得了壓縮？（量化，減少了心理視覺冗余）

將多個誤差值量化為有限級別

第16頁第10章圖像編碼技術和標準10.1.2有損預測編碼

例：德爾塔調制（DM編碼）

預測器

量化器 預測系數(shù)a≤

1，常數(shù)c>0

符號編碼器只用1比特碼字（0/1）描述，因此DM方法得到的碼率是1比特/像素。第17頁第10章圖像編碼技術和標準10.1.2有損預測編碼誤差問題失真問題是有損預測編碼面臨的共同問題，失真的嚴重程度與量化和預測方法及它們間的相互作用有關。但預測器和量化器往往是獨立設計。預測器在設計中認為量化器沒有誤差，而量化器在設計中只是考慮最小化自身的誤差。（1）最優(yōu)預測

（2）最優(yōu)量化第18頁第9章圖像編碼10.1.2有損預測編碼（1）最優(yōu)預測

4階線性預測器四個例子：第19頁第9章圖像編碼10.1.2有損預測編碼例10.1.3采用3種預測器的DPCM預測效果比較一階二階三階預測后的解碼圖預測誤差圖像：誤差隨預測器階數(shù)的增加而減小采用德爾塔2級量化器第20頁第9章圖像編碼10.1.2有損預測編碼（2）最優(yōu)量化量化函數(shù)最優(yōu)量化器的設計就是要在給定優(yōu)化準則和輸入概率密度函數(shù)的條件下，選擇最優(yōu)的和。第21頁第9章圖像編碼10.1.2有損預測編碼（2）最優(yōu)量化

以下量化器稱為L級

Lloyd－Max量化器：q(s)奇函數(shù)第22頁第10章圖像編碼技術和標準第10章

圖像編碼技術和標準

10.1預測編碼

10.2變換編碼

10.3靜止圖像壓縮國際標準

10.4運動圖像壓縮國際標準第23頁第10章圖像編碼技術和標準10.2變換編碼基于圖像變換的編碼方法（頻域）用一個可逆的、線性的變換（如傅立葉變換），把圖像映射到變換系數(shù)集合，然后對該系數(shù)集合進行量化和編碼。大多數(shù)圖像變換得到的系數(shù)值都很小，這些系數(shù)可以較粗地量化，或忽略不計，且僅以較小的圖像失真為代價。雖然失真很小，信息仍然不能完全復原，所以還是有損壓縮。

第24頁第10章圖像編碼技術和標準10.2變換編碼變換編碼的基本思想舉例

原始圖像 相應的DCT系數(shù)第25頁第10章圖像編碼技術和標準10.2.1基于DCT的變換編碼典型的變換編碼（TransformCoding）系統(tǒng)編碼部分由4個操作模塊構成：構造子圖像、正變換、量化和符號編碼。解碼部分由與編碼部分相反排列的一系列逆操作模塊構成壓縮不是在變換中，而是在量化變換系數(shù)時及編碼中取得的變換編碼的步驟構造子圖像：一幅NN圖像先被分解成尺寸為nn的子圖像，通過變換這些子圖像，得到個nn的子圖像變換數(shù)組。（減小變換的復雜度）正向變換：解除每個子圖像內部像素之間的相關性，將盡可能多的信息集中到盡可能少的變換系數(shù)上。

量化：有選擇地消除或較粗糙地量化攜帶信息最少的系數(shù)，因為它們對重建的子圖像的質量影響最小。

符號編碼：對量化的系數(shù)進行編碼（常用變長碼）第26頁第10章圖像編碼技術和標準10.2.1基于DCT的變換編碼第27頁第10章圖像編碼技術和標準

實現(xiàn)變換編碼算法的主要問題子圖像尺寸的選擇變換的選擇比特分配（位分配）10.2.1基于DCT的變換編碼第28頁第10章圖像編碼技術和標準1、子圖像尺寸選擇計算量隨子圖像尺寸的增加而增加塊效應和誤差隨子圖像尺寸的增加而減小子圖像的長和寬n應該是2的整數(shù)次冪，為便于降低計算復雜度。n一般選為88或1616（已成為國際標準）NNnnnnnnnnnnnn10.2.1基于DCT的變換編碼第29頁第10章圖像編碼技術和標準

變換編碼重建誤差與子圖像尺寸的關系10.2.1基于DCT的變換編碼第30頁第10章圖像編碼技術和標準例：子圖像尺寸的影響（保留20％的DCT系數(shù)）右圖依次為：重構圖；誤差圖；放大原局部圖；2×2的結果；4×4的結果；8×8的結果2×2圖有塊效應10.2.1基于DCT的變換編碼第31頁第10章圖像編碼技術和標準2、變換的選擇一個能把最多的信息集中到最少的系數(shù)上去的變換所產生的重建均方誤差最小不同變換的信息集中能力不同 正弦類變換（如DFT和DCT）較優(yōu) 非正弦類變換（如WHT:Walsh-Hadamard）實現(xiàn)簡單 小波變換計算快且有局部性質（不需分解）10.2.1基于DCT的變換編碼第32頁第10章圖像編碼技術和標準常用的變換：DFT，WHT，DCT

都是正交和可分離變換集中能力：DCT>DFT>WHT

所需計算量：DFT>DCT>WHTDFT的塊效應嚴重。常用的是DCT，已被國際標準采納，作成芯片。其優(yōu)點有：基本沒有塊效應。信息封裝能力強，把最多的信息封裝在最少的系數(shù)中。10.2.1基于DCT的變換編碼第33頁第10章圖像編碼技術和標準例：變換的選擇比較對512×512的單色圖的3種近似。先分割成8×8的子圖像，變換后截去50％的系數(shù)，再逆變換。括號內為逆變換后圖像對應的均方誤差。DFT(1.28)WHT(0.86)DCT(0.68)10.2.1基于DCT的變換編碼第34頁第10章圖像編碼技術和標準3、比特分配（BitAllocation）比特分配：對變換子圖像的系數(shù)截斷、量化和編碼的全過程稱為比特分配。截斷誤差與兩個因素有關： ①截除的變換系數(shù)的數(shù)量和相對重要性 ②用來表示所保留系數(shù)的精度（量化）保留系數(shù)的2個準則 ①最大方差準則，稱為分區(qū)編碼 ②最大幅度準則，稱為閾值編碼10.2.1基于DCT的變換編碼第35頁第10章圖像編碼技術和標準(1)分區(qū)編碼系數(shù)截斷：保留具有最大方差的系數(shù)（通常集中于接近圖像變換的原點處，左上角為原點）形成分區(qū)模板：最大方差位置的系數(shù)為1，其他為0對所有子圖像使用同一個模板10.2.1基于DCT的變換編碼第36頁第10章圖像編碼技術和標準量化和編碼①先設定分區(qū)模板確定哪些系數(shù)要保留（圖a）②再對保留的系數(shù)進行變長編碼（圖b）10.2.1基于DCT的變換編碼第37頁第10章圖像編碼技術和標準(2)閾值編碼

根據(jù)子圖像特性自適應選擇要保留的變換系數(shù)

將系數(shù)排隊，與閾值比較確定去舍

對所有子圖像用一個全局閾值

對各個子圖像分別用不同的閾值

根據(jù)子圖像中各系數(shù)的位置選取閾值10.2.1基于DCT的變換編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼10.2.2基于DWT的變換編碼小波變換（WaveletTransformation）編碼簡介法國工程師J.Morlet在1974年首先提出與Fourier變換相比，小波變換是空間（時間）和頻率的局部變換，因而能有效地從信號中提取信息。通過伸縮和平移等運算功能可對函數(shù)或信號進行多尺度的細化分析，解決了Fourier變換不能解決的許多困難問題。小波變換的計算效率很高，且本質上具有局部性小波變換被譽為“數(shù)學顯微鏡”，應用廣泛第53頁第10章圖像編碼技術和標準小波（Wavelet）的含義顧名思義，“小波”就是小區(qū)域、長度有限、均值為0的波形。所謂“小”是指它具有衰減性；而稱之為“波”則是指它的波動性，其振幅正負相間的震蕩形式。小波變換（WT）與FT的區(qū)別-FT的基函數(shù)是正弦函數(shù)-WT則基于一些小波，具有變化的頻率和有限的持續(xù)時間第54頁第10章圖像編碼技術和標準10.2.2基于DWT的變換編碼小波變換編碼系統(tǒng)：基本思路也是通過變換減小各像素間的相關性以獲得壓縮數(shù)據(jù)的效果與采用正交變換（如DCT）的編解碼系統(tǒng)不同，小波變換編解碼系統(tǒng)中沒有圖像分解模塊（本身具有局部性）第55頁第10章圖像編碼技術和標準10.2.2基于DWT的變換編碼第56頁第10章圖像編碼技術和標準第10章

圖像編碼技術和標準

10.1預測編碼10.2變換編碼

10.3靜止圖像壓縮國際標準

10.4運動圖像壓縮國際標準10.3靜止圖像壓縮國際標準靜態(tài)圖像的主要數(shù)據(jù)文件壓縮方式1．BMP圖像文件格式：不進行任何壓縮2．GIF圖像文件格式：用LZW進行編碼3．JPG圖像文件格式：用JPEG壓縮方法4.PCX圖像文件格式：用掃描線游程壓縮編碼5.TIFF圖像文件格式：不固定，大部分使用游程編碼或使用哈夫曼編碼及其變種或不壓縮。第57頁第10章圖像編碼技術和標準

相關的國際組織ISO（InternationalStandardizationOrganization,國際標準化組織）IEC（InternationalElectrotechnicalCommission，國際電工委員會）ITU（InternationalTelecommunicationUnion，國際電信聯(lián)盟），前身是CCITT（國際電話電報咨詢委員會）制定的圖像國際標準：覆蓋了從二值到灰度（彩色）值的靜止和運動圖像。采用的大部分基本技術前面已經介紹，主要包括預測和變換編碼技術第58頁第10章圖像編碼技術和標準10.3靜止圖像壓縮國際標準圖像國際標準分類圖像國際標準分類1.用于壓縮二值圖像（面向傳真而設計）

如：G3和G4（游程編碼）2.用于壓縮靜止圖像包括靜止幀灰度和彩色圖像（如：JPEG）3.用于壓縮運動圖像

包括連續(xù)幀灰度和彩色圖像（如：H.261,MPEG-1/2/4，H.264/AVC）4.用于處理多媒體（如：MPEG-7/21）第59頁第10章圖像編碼技術和標準第60頁第10章圖像編碼技術和標準JPEG標準JPEG（Jointpictureexpertgroup）（1）ISO和CCITT兩個組織在1991年制成草案，1994年成為標準（2）特點：定義了3種編碼系統(tǒng)（針對不同的應用）

基于DCT的有損編碼基本系統(tǒng)基于分層遞增模式的擴展/增強編碼基于DPCM（差值脈沖碼調制法）的無損預測編碼（3）在相同圖像質量條件下，JPEG文件擁有比其他圖像文件格式更高的壓縮比，一般壓縮10～50倍10.3靜止圖像壓縮國際標準第61頁第10章圖像編碼技術和標準JPEG標準

壓縮的3個主要步驟：（1）DCT計算；（2）量化；（3）用熵編碼器進行變長碼賦值

JPEG基本系統(tǒng)編碼器框圖10.3靜止圖像壓縮國際標準最開始還是分解子圖像第62頁第10章圖像編碼技術和標準JPEG具體壓縮過程先把圖像分解成一系列8×8的子塊，然后按從左向右從上向下的次序處理；設

是圖像灰度值的最大級數(shù)，則其中的64個像素都通過減去