第7講 圖像編碼概述

數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01數(shù)字圖像處理技術(shù)Digital

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Processing任課教師吳媛媛E_mail:

yuanyuanwu29@163.com第7講圖像編碼數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.1圖像編碼概述7.2圖像編碼系統(tǒng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（保真度）7.3

PCM編碼（本章重點(diǎn)）

圖像壓縮編碼的必要性

數(shù)據(jù)量大，為其存儲(chǔ)、傳輸帶來困難，需壓縮。例1：電話線傳輸速率一般為56kbit/s（波特率）

一幅彩色圖像640×480×24bit=7Mbit大小

傳輸一幅圖像：時(shí)間約2分鐘左右，如壓縮20倍，傳一幅圖6s左右，可以接受，實(shí)用。

例2：如多媒體中的海量圖像數(shù)據(jù)，不進(jìn)行編碼壓縮處理，一張600M字節(jié)的光盤，只能存放20秒左右的640×480像素的視頻。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.1圖像編碼概述圖像的數(shù)據(jù)量特別大，同時(shí)現(xiàn)在對圖像需求的增長超過了網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，所以壓縮是圖像傳輸和存儲(chǔ)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)由于圖像壓縮的巨大商業(yè)潛力，激勵(lì)著人們提高現(xiàn)有的技術(shù)或發(fā)現(xiàn)新的技術(shù)

圖像壓縮編碼的必要性在現(xiàn)代通信中，圖像傳輸已成為重要內(nèi)容之一。采用編碼壓縮技術(shù)，減少傳輸數(shù)據(jù)量，是提高通信速度的重要手段。可見，沒有圖像編碼與壓縮技術(shù)的發(fā)展，大容量圖像信息的存儲(chǔ)與傳輸是難以實(shí)現(xiàn)的，多媒體、信息高速公路等新技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用會(huì)遇到很大困難。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01圖像壓縮

7.1圖像編碼概述實(shí)現(xiàn)編碼技術(shù)

圖像壓縮(ImageCompression)的概念

數(shù)據(jù)壓縮的研究內(nèi)容包括數(shù)據(jù)的表示、傳輸、變換和編碼方法，目的是減少存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所需的空間和傳輸所用的時(shí)間。圖像壓縮是通過編碼實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01二值圖像傳真、靜態(tài)圖像傳輸、可視電話、會(huì)議電視、VCD、DVD、常規(guī)數(shù)字電視、高清晰度電視、多媒體可視通信、多媒體視頻點(diǎn)播與傳輸?shù)取?..

圖像壓縮(ImageCompression)的概念7.1圖像編碼概述

圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性

從信息論觀點(diǎn)看，描述圖像信源的數(shù)據(jù)由有用數(shù)據(jù)和冗余數(shù)據(jù)兩部分組成。信息量數(shù)據(jù)量冗余量

冗余量是可以壓縮的，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量保證去除冗余量而不會(huì)減少信息量，即壓縮數(shù)據(jù)在一定條件可以近似恢復(fù)。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.1圖像編碼概述數(shù)據(jù)冗余(DataRedundancy)

編碼冗余(CodingRedundancy)等長編碼平均碼長為3變長編碼平均碼長為2.7數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01

像素間冗余(InterpixelRedundancy)

圖像是由按一定規(guī)則排列起來的像素組成，圖像中相鄰像素的灰度往往相同或相近，這就稱為像素間冗余或空間冗余。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01

心理視覺冗余(PsychovisualRedundancy)

175K

1.46M

受生理和心理上的影響，人眼對黑白和彩色信息的分辨率是有限的。光學(xué)上不一致的圖像在視覺上可能是一樣。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01圖像壓縮系統(tǒng)模型信源信源編碼器信道編碼器通信線路或存儲(chǔ)介質(zhì)信源解碼器信道解碼器信宿壓縮的有效性編碼的可靠性數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-011、客觀保真度：均方誤差均方信噪比7.2圖像壓縮系統(tǒng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)2、主觀保真度：主觀評價(jià)

圖像處理的結(jié)果，絕大多數(shù)場合是給人觀看，由研究人員來解釋的，因此，圖像質(zhì)量的好壞與否，既與圖像本身的客觀質(zhì)量有關(guān)，也與人的視覺系統(tǒng)的特性有關(guān)。把圖像顯示給觀察者，然后把評價(jià)結(jié)果加以平均，以此來評價(jià)一幅圖像的主觀質(zhì)量。采用成對比較法，也就是同時(shí)出示兩幅圖像，讓觀察者表示更喜歡哪一幅圖像，借此排出圖像質(zhì)量的等級(jí)。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01圖像壓縮系統(tǒng)評價(jià)

圖像壓縮編碼分為有損壓縮和無損壓縮。無損壓縮無信息損失，解壓縮時(shí)能夠從壓縮數(shù)據(jù)精確地恢復(fù)原始圖像；有損壓縮不能精確重建原始圖像，存在一定程度的失真。根據(jù)編碼原理將圖像編碼分為：（1）熵編碼：無損編碼，給出現(xiàn)概率較大的符號(hào)賦予一個(gè)短碼字，而給出現(xiàn)概率較小的符號(hào)賦予一個(gè)長碼字，從而使得最終的平均碼長很小。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01圖像壓縮編碼分類１．按壓縮技術(shù)所依據(jù)和使用的數(shù)據(jù)理論和計(jì)算方法進(jìn)行分類：統(tǒng)計(jì)編碼（StatisticalCoding）根據(jù)像素灰度值出現(xiàn)概率的分布特性而進(jìn)行的壓縮編碼叫統(tǒng)計(jì)編碼。

預(yù)測編碼（PredictCoding）基于圖像數(shù)據(jù)的空間或時(shí)間冗余特性，用相鄰的已知像素（或像素塊）來預(yù)測當(dāng)前像素（或像素塊）的取值，然后再對預(yù)測誤差進(jìn)行量化和編碼。變換編碼（Transformcoding）將空間域上的圖像變換到另一變換域上，變換后圖像的大部分能量只集中到少數(shù)幾個(gè)變換系數(shù)上，采用適當(dāng)?shù)牧炕挽鼐幋a就可以有效地壓縮圖像。

數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01圖像壓縮編碼分類冗余度壓縮（RedundancyReduction）完全除去或盡量除去原數(shù)據(jù)中重復(fù)和冗余的部分，保證不丟失有用信息，從而保證被壓縮了的數(shù)據(jù)還原后與壓縮前的原數(shù)據(jù)完全一致，可逆壓縮又稱無失真編碼,用于文本、程序等。2．按壓縮過程的可逆性進(jìn)行分類熵壓縮（EntropyCompression）不可逆，在其壓縮過程中，會(huì)失掉一部分信息，又叫有損壓縮數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-013．按壓縮方法進(jìn)行分類

靜圖：靜止圖像（要求質(zhì)量高）動(dòng)圖：活動(dòng)的序列圖像（相對質(zhì)量要求低，壓縮倍數(shù)要高）數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-014．按失真與否進(jìn)行分類

無失真壓縮：

經(jīng)壓縮后再恢復(fù)圖像與原圖像無任何區(qū)別，一般壓縮倍數(shù)<2

有限失真壓縮：單幀（靜）4～20倍。圖像序列（x、y、t）50～200倍數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017．從處理圖像的維數(shù)出發(fā)行內(nèi)編碼幀內(nèi)編碼幀間編碼5．從圖像的光譜特征出發(fā)單色圖像編碼彩色圖像編碼多光譜圖像編碼6．從圖像的灰度層次上多灰度編碼二值圖像編碼數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01像素編碼變換編碼預(yù)測編碼

輪廓編碼方塊編碼增量調(diào)制統(tǒng)計(jì)編碼算術(shù)編碼Fourier變換Walsh-Hadamard變換DPCM調(diào)制第一代壓縮編碼其他編碼行程編碼數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01第一代壓縮編碼

M.Kunt把1948年至1988年這四十年中研究的以去除冗余為基礎(chǔ)的編碼方法稱為第一代編碼。子帶編碼模型編碼分層編碼分型編碼第二代壓縮編碼第二代壓縮編碼

較新的編碼方法，結(jié)合分形、模型基、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等數(shù)學(xué)工具，充分利用視覺系統(tǒng)生理心理特性和圖像信源的各種特性對圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼PCM編碼-脈沖編碼調(diào)制對連續(xù)圖像信號(hào)的空間進(jìn)行采樣、幅值量化并用適當(dāng)碼字將其量化編碼。編碼方法有等長和變長編碼兩種。將模擬圖像信號(hào)變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)的基本手段數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01PCM編碼的基本原理脈沖編碼調(diào)制（PulsecodingModulation—PCM）是將模擬圖像信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的基本手段。圖像信號(hào)的PCM編碼與語音信號(hào)PCM編碼相比并沒有原則上的區(qū)別。但是，圖像信號(hào)，特別是電視信號(hào)占的頻帶寬，要求響應(yīng)速度快，因此，電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上有較大的難度。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼圖像低通濾波取樣保持編碼傳輸信道解碼低通濾波解碼圖像量化圖PCM編、譯碼原理方框圖限制頻帶,防止折疊誤差時(shí)間離散化幅度離散化多值變多比特多比特變多值內(nèi)插及平滑PCM編碼的量化噪聲

量化是對時(shí)間離散的模擬信號(hào)進(jìn)行幅度離散化的過程，這個(gè)過程是去零取整的過程。量化后的樣值與原信號(hào)相比大部分是近似關(guān)系。這樣，把連續(xù)的數(shù)值限制在固定的臺(tái)階式的變化之下必然會(huì)帶來畸變。這種畸變在接收端是無法克服的，只能使其盡量減小。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼

由量化帶來的噪聲可分為量化噪聲和過載噪聲。以正弦波輸入為例，輸入幅度較大和輸入幅度較小時(shí)的量化噪聲如圖所示。

(a)是輸入信號(hào)超過編碼范圍時(shí)的量化噪聲和過載噪聲的形成；

(b)是信號(hào)未超過編碼范圍，只有量化噪聲的情況。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼量化噪聲與過載噪聲的形成數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼

在PCM編碼中，量化噪聲主要取決于碼的位數(shù)，碼位數(shù)越多（即量化階數(shù)多）量化噪聲的功率越小。一個(gè)量化階的電壓可由下式表示：式中：V為輸入信號(hào)電壓；n為樣值用二進(jìn)制數(shù)表示的比特?cái)?shù)。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼

如果在整個(gè)輸入幅度內(nèi)量化階是一個(gè)常數(shù)，就稱這個(gè)量化為均勻量化，否則就是非均勻量化。線性PCM

編碼中均采用均勻量化法。在均勻量化中，設(shè)量化階為△，量化噪聲在內(nèi)可看成是均勻分布的，因此，其功率可由下式表示：數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼

(5—8)

對于過載噪聲，當(dāng)量化特性輸入過載點(diǎn)為V時(shí)，由下式表示

(5—9)數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼式中Ns

為過載噪聲，x是輸入信號(hào)值，p(x)為輸入幅度的概率密度。如果用信噪比作為客觀保真度準(zhǔn)則的話，可推得PCM編碼在均勻量化下的量化信噪比如下：數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼因?yàn)?/p>

所以

(5—10)數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼由信噪比的概念，則：

（5—11）數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼

由式(5—11)可見，每增加一位碼可得到6dB的信噪比得益。

值得注意的是量化噪聲不同于其他噪聲，它的顯著特點(diǎn)是僅在有信號(hào)輸入時(shí)才出現(xiàn)，所以它是數(shù)字化中特有的噪聲。一般情況下，直接測量比較困難。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼編碼器、譯碼器

編碼器的任務(wù)是把一個(gè)多值的數(shù)字量用多比特的二進(jìn)制量來表示。如果量化器輸出M個(gè)值，那么，對應(yīng)于Ｍ個(gè)值中的任何一個(gè)值編碼器將給定一個(gè)二進(jìn)制碼字。這個(gè)碼字將由m個(gè)二進(jìn)制數(shù)組成。通常情況下M=2m

。編碼器的輸入與輸出關(guān)系是一一對應(yīng)的，其過程是可逆的，因此，不會(huì)引入任何誤差。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼

線性PCM編碼

一般采用等長碼，也就是說每一個(gè)碼字都有相同的比特?cái)?shù)。其中用得最為普遍的是自然二進(jìn)碼，也有用格雷碼的。以M=8為例的自然二進(jìn)碼和格雷碼列入表(5—2)。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-017.3ＰＣＭ編碼表5.2M=8的自然二進(jìn)碼和格雷碼輸入自然二進(jìn)碼格雷碼000000001001010011011010100110101111110101111100數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01

(a)(b)數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01

(c)(d)數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01

(e)(f)

圖5—4編碼位數(shù)對畫面質(zhì)量的影響數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01非線性PCM編碼

在線性PCM編碼中，量化階是均勻的。這樣，在小信號(hào)輸入的情況下信噪比較低，在大信號(hào)輸入的情況下信噪比較高。為了改善小信號(hào)在量化過程中的信噪比，采用一種瞬時(shí)壓縮擴(kuò)張技術(shù)。瞬時(shí)壓擴(kuò)技術(shù)基本有兩種方案。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01量化壓縮取樣編碼擴(kuò)張譯碼輸出方案一：在這種方案中，首先將取樣后的PAM信號(hào)進(jìn)行非線性壓縮，然后對壓縮后的PAM信號(hào)進(jìn)行線性編碼。在接收端，首先進(jìn)行線性譯碼，然后再送入瞬時(shí)擴(kuò)張器進(jìn)行非線性擴(kuò)張，恢復(fù)原來的PAM信號(hào)。

數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01

該方案一般采用二極管電壓、電流的非線性特性來實(shí)現(xiàn)。通常采用圖5—8所示的修正的對數(shù)特性。在圖5—8中，對于壓縮器來說，X表示輸入，Y表示輸出。對于擴(kuò)張器來說，Y表示輸入，Ｘ表示輸出。參變量是表示壓縮或擴(kuò)張程度的量。顯然，當(dāng)μ=0時(shí)就是線性編碼了。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01量化采樣低通編碼及壓縮低通譯碼及擴(kuò)張輸出數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01方案二：數(shù)字化非線性壓擴(kuò)技術(shù)，這種方案是把編碼與壓縮，譯碼與擴(kuò)張都分別在編碼和譯碼中一次完成。式中A是一常數(shù)，不同的A值可決定一條不同的曲線。在原點(diǎn)處的斜率由下式表示

(5—16)數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01數(shù)字式非線性編碼的壓擴(kuò)特性有μ特性、A特性等等。根據(jù)CCITT1970年的建議，通常采用13折線(A=87.6)的壓擴(kuò)特性。

如果令，上述13折線可用下式近似表示

(5—14)(5—15)數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01當(dāng)原點(diǎn)處的斜率為16時(shí)，則

可求得A=87.6。圖5—10所示的折線就是A=87.6的13折線壓縮特性。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-011

7/85/84/83/82/82/8

（1）

（2）

（3)（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

圖5—1013折線壓擴(kuò)特性(信號(hào)為正時(shí)的八段)6/8數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01

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