數(shù)字電視技術(shù)-第4章-圖像壓縮編碼0課件

第四章圖像壓縮編碼

數(shù)字電視技術(shù)第四章圖像壓縮編碼數(shù)字電視技術(shù)通信工程系22023/9/124.1圖像壓縮編碼概述圖像壓縮編碼技術(shù)是學(xué)習(xí)數(shù)字電視的重點(diǎn)內(nèi)容為什么要進(jìn)行圖像壓縮？（圖像壓縮的目的）一路彩色DVD電視未經(jīng)壓縮時(shí)的數(shù)據(jù)量為：Y13.5MHz×8bit=108Mb/sU6.75MHz×8bit=54Mb/sV6.75MHz×8bit=54Mb/s合計(jì)=216Mb/s圖像信號(hào)是有必要也有可能被壓縮。通信工程系22023/8/64.1圖像壓縮編碼概述通信工程系32023/9/124.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理1.圖像數(shù)據(jù)壓縮基理主要來自兩個(gè)方面：1)圖像信號(hào)中存在大量冗余度可供壓縮，且這種冗余度在解碼后還可無失真地恢復(fù)；2)利用人的視覺特性，在不被主觀視覺察覺的容限內(nèi)，通過減少表示信號(hào)的精度，以一定的客觀失真換取數(shù)據(jù)壓縮。通信工程系32023/8/64.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理1.通信工程系42023/9/124.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理2.圖像信號(hào)的冗余度圖像信號(hào)的冗余度存在于結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)兩方面。圖像信號(hào)的結(jié)構(gòu)冗余度圖像信號(hào)結(jié)構(gòu)上的冗余度表現(xiàn)為很強(qiáng)的空間(幀內(nèi)的)和時(shí)間(幀間的)相關(guān)性幀內(nèi)相鄰點(diǎn)的相關(guān)性幀間相鄰點(diǎn)的相關(guān)性通信工程系42023/8/64.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理2.通信工程系52023/9/124.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理圖像信號(hào)幀內(nèi)相關(guān)性×8倍通信工程系52023/8/64.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理圖像通信工程系62023/9/124.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理信號(hào)統(tǒng)計(jì)上的冗余度來源于被編碼信號(hào)概率密度分布的不均勻預(yù)測(cè)編碼：不直接傳送圖像信號(hào)，而傳送圖象信號(hào)之間的差值。這種差值呈拉普拉斯分布。通信工程系62023/8/64.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理信號(hào)通信工程系72023/9/124.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理預(yù)測(cè)編碼時(shí)，出現(xiàn)概率高的預(yù)測(cè)誤差信號(hào)(0及小誤差)－短碼，出現(xiàn)概率低的大預(yù)測(cè)誤差－長(zhǎng)碼，使總的平均碼長(zhǎng)要比用固定碼長(zhǎng)編碼短很多。通信工程系72023/8/64.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理預(yù)測(cè)通信工程系82023/9/124.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理3.利用人眼的視覺特性進(jìn)行壓縮人眼對(duì)圖像的細(xì)節(jié)分辨率、運(yùn)動(dòng)分辨率和對(duì)比度分辨率都有一定的限度通信工程系82023/8/64.1.1圖像數(shù)據(jù)壓縮基理3.通信工程系92023/9/124.1.2圖像編碼過程圖像編碼過程分三步完成:映射：即變換一下描寫信號(hào)的方式。 目的：去除相關(guān)性，降低圖像的結(jié)構(gòu)冗余度。量化：在滿足對(duì)圖像質(zhì)量一定要求的前提下，減小表示信號(hào)的精度 目的：利用人眼主觀視覺特性壓縮圖像統(tǒng)計(jì)編碼 目的：消除圖像的統(tǒng)計(jì)冗余度。通信工程系92023/8/64.1.2圖像編碼過程圖像編碼通信工程系102023/9/124.1.2圖像編碼過程

信號(hào)映射和統(tǒng)計(jì)編碼是可逆的過程，而量化是不可逆的。當(dāng)不加入量化時(shí)，通過解碼端的反映射和統(tǒng)計(jì)解碼可無失真地恢復(fù)原始信號(hào)；加入量化后，整個(gè)編解碼過程造成的失真完全由量化引起。通信工程系102023/8/64.1.2圖像編碼過程通信工程系112023/9/124.1.3圖像編碼算法的分類1.傳統(tǒng)的圖像編碼技術(shù)空間和時(shí)間子抽樣編碼預(yù)測(cè)編碼變換編碼熵編碼矢量量化子帶編碼混合編碼方案（MPEG-1，MPEG-2）空間和時(shí)間子抽樣統(tǒng)計(jì)編碼基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償?shù)腄PCM游程長(zhǎng)度編碼二維DCT通信工程系112023/8/64.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系122023/9/124.1.3圖像編碼算法的分類2.新一代編碼壓縮算法模型基編碼分形編碼小波變換編碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼通信工程系122023/8/64.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系132023/9/124.1.3圖像編碼算法的分類3.總結(jié)（1）－－無損壓縮方法僅僅刪除圖像數(shù)據(jù)中的冗余信息，回放壓縮文件時(shí)，能夠準(zhǔn)確無誤地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。它可分為兩大類:

基于統(tǒng)計(jì)概率的方法和基于字典方法。通信工程系132023/8/64.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系142023/9/12基于統(tǒng)計(jì)概率的方法基于統(tǒng)計(jì)概率的方法是依據(jù)信息論中的變長(zhǎng)編碼定理和信息熵的有關(guān)知識(shí)，用較短代碼代表出現(xiàn)概率大的符號(hào)，用較長(zhǎng)代碼代表出現(xiàn)概率小的符號(hào)，而實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)壓縮。統(tǒng)計(jì)概率編碼方法中最有代表性的是霍夫曼(Huffman)編碼方法，它根據(jù)概率分布大小進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)地編碼。在H.264標(biāo)準(zhǔn)中，采用了基于上下文自適應(yīng)變字長(zhǎng)編碼，壓縮效率得到了進(jìn)一步提高。另外，算術(shù)編碼也是一種利用概率分布特性的編碼方法。算術(shù)編碼是利用字符序列而不是單個(gè)字符進(jìn)行編碼，其效率比Huffman編碼方法高。通信工程系142023/8/6基于統(tǒng)計(jì)概率的方法基于統(tǒng)通信工程系152023/9/12基于字典的方法基于字典的方法的數(shù)據(jù)壓縮有兩種：一種是游程編碼(RuningLengthCoding，RLC)，在MPEG標(biāo)準(zhǔn)中使用;另一種是LZW(Lampel、Ziv、Welch，三個(gè)人名)編碼。采用LZW編碼時(shí)，可將數(shù)據(jù)文件生成特定字符序列的表以及它們對(duì)應(yīng)的代碼。LZW編碼對(duì)二值圖像可以得到非常顯著的壓縮效果，但對(duì)灰度圖像壓縮效果不顯著，其壓縮比一般在1∶1.5~1∶3以內(nèi)。通信工程系152023/8/6基于字典的方法基于字典的方通信工程系162023/9/124.1.3圖像編碼算法的分類3.總結(jié)（2）－－有損壓縮算法靠丟掉大量冗余信息來降低數(shù)字圖像所占的空間，回放時(shí)也不能完整地恢復(fù)原始圖像，而將有選擇地?fù)p失一些細(xì)節(jié)，損失多少信息由需要多高的壓縮率決定。通信工程系162023/8/64.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系172023/9/12有損壓縮最常用的方法是空間和時(shí)間亞抽樣編碼。在某些(如VCD和電視電話等)應(yīng)用中，高分辨率不是必需的。這時(shí)，我們可以使用空間和時(shí)間亞抽樣來降低數(shù)據(jù)速率。在編碼器中，從每幾個(gè)像素中選擇一個(gè)像素，從一幀的兩場(chǎng)中取一場(chǎng)，或從每幾幀中選擇一幀，然后加以傳輸。在譯碼器中，可根據(jù)接收的像素和幀內(nèi)插丟失的像素、場(chǎng)和幀，再生出分辨率較低的原始視頻序列。如果像素是由色度和亮度分量表示的，那么可以以較高的比率(如2∶1或4∶1)對(duì)色度分量進(jìn)行亞抽樣，量化更粗略一些，這是因?yàn)槿搜蹖?duì)色度分量的高頻分量敏感性較低。

通信工程系172023/8/6有損壓縮最常用的方法是空間通信工程系182023/9/124.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系182023/8/64.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系192023/9/124.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系192023/8/64.1.3圖像編碼算法的分類通信工程系202023/9/124.1.4圖像編碼壓縮比

由于壓縮技術(shù)層出不窮，圖像編碼的壓縮比不斷提高，它遵循Musmann定律。Musmann定律是以德國著名圖像專家Musmann教授命名的。通信工程系202023/8/64.1.4圖像編碼壓縮比

通信工程系212023/9/122006年4月，Musmann教授在北京主持了“圖像編碼的過去與未來”專題討論會(huì)，并首先發(fā)言，對(duì)圖像編碼壓縮技術(shù)的過去幾十年工作作了總結(jié)，他認(rèn)為廣播質(zhì)量的視頻編碼的壓縮比大約每5年翻一番，被公認(rèn)為Musmann定律。通信工程系212023/8/62006年4通信工程系222023/9/124.2熵編碼熵編碼的基本原理：給出現(xiàn)概率較大的符號(hào)一個(gè)短碼字，而給出現(xiàn)概率較小的符號(hào)一個(gè)長(zhǎng)碼字熵編碼的目的：使得最終的平均碼長(zhǎng)最短常用的熵編碼方法：游程編碼RLE(run-lengthcoding)Huffman編碼算術(shù)編碼通信工程系222023/8/64.2熵編碼熵編碼的基本原理通信工程系232023/9/12

游程編碼主要用于量化后出現(xiàn)大量零系數(shù)的情形，利用游程來表示連零碼，以降低為表示零碼所用的數(shù)據(jù)量。

算術(shù)編碼是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種熵編碼方法，它已漸漸受到人們的注意。它的基本原理是，任何一個(gè)數(shù)據(jù)序列均可表示成0和1之間的一個(gè)間隔，該間隔的位置與輸入數(shù)據(jù)的概率分布有關(guān)。有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在未知信源概率分布的大部分情形下，算術(shù)編碼要優(yōu)于Huffman編碼。通信工程系232023/8/6算術(shù)編碼是20世紀(jì)80年代通信工程系242023/9/124.2.1前綴碼

設(shè)有一個(gè)由K個(gè)信源符號(hào)(以下簡(jiǎn)稱符號(hào))組成的離散、無記憶符號(hào)集:

其中每一符號(hào)通過一個(gè)二進(jìn)制碼字(代碼)表示，但字長(zhǎng)不等。各符號(hào)出現(xiàn)的概率分別為:

若符號(hào)以個(gè)碼元(位)編碼，則在變字長(zhǎng)編碼時(shí)編碼每個(gè)符號(hào)的平均碼長(zhǎng)為

通信工程系242023/8/64.2.1前綴碼 設(shè)有一個(gè)由通信工程系252023/9/124.2.1前綴碼編碼要求：編碼必須是單譯和可逆的編碼的平均碼長(zhǎng)最短

碼III是前綴碼: 0111100可以唯一地解碼為a1a4a2a1通信工程系252023/8/64.2.1前綴碼編碼要求：通信工程系262023/9/124.2.1前綴碼前綴碼的定義:

在碼表中沒有碼字與任何一個(gè)比它長(zhǎng)的碼字的前綴(碼頭)相同，即不存在能在短碼字后面續(xù)加若干碼元構(gòu)成的長(zhǎng)碼字，所以前綴碼又稱非續(xù)長(zhǎng)碼。

前綴碼的碼樹:通信工程系262023/8/64.2.1前綴碼前綴碼的定義通信工程系272023/9/12碼樹的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)分枝，分別以二進(jìn)制的兩個(gè)碼元符號(hào)“0”和“1”表示；一個(gè)前綴碼的碼樹應(yīng)遵守這樣的規(guī)定：1）信源符號(hào)只能以端點(diǎn)表示，不能以節(jié)點(diǎn)表示；2）分配給每個(gè)符號(hào)的碼字可以由碼樹得到，它們由沿著從碼樹的根出發(fā)到該符號(hào)對(duì)應(yīng)端點(diǎn)的路徑連續(xù)遇到的碼元順序排列而成。通信工程系272023/8/6碼樹的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)分枝，分通信工程系282023/9/12

碼Ⅳ也是單譯可逆的，但它不是前綴碼。這種碼每一個(gè)碼字都以“0”開頭，不滿足前綴碼的要求。比較碼Ⅲ和碼Ⅳ可以看到碼Ⅳ的平均碼長(zhǎng)比碼Ⅲ長(zhǎng)。

作為對(duì)比，碼Ⅴ給出定長(zhǎng)碼。為了編碼a1、a2、a3、a44個(gè)符號(hào)，定長(zhǎng)碼的碼長(zhǎng)是2bit，而采用碼Ⅲ的平均碼長(zhǎng)，是1.75bit，要比定長(zhǎng)碼節(jié)省0.25bit/符號(hào)。通信工程系282023/8/6作為對(duì)比，碼Ⅴ給出定長(zhǎng)通信工程系292023/9/124.2.2離散無記憶信源的信息量離散無記憶信源離散：信源產(chǎn)生信號(hào)是不連續(xù)的，某一時(shí)刻只產(chǎn)生一個(gè)符號(hào)無記憶：某符號(hào)在某時(shí)刻出現(xiàn)的概率與在此之前信源的狀態(tài)無關(guān)符號(hào)ak的信息量I(ak)

單位為bit

p(ak)為ak出現(xiàn)的概率通信工程系292023/8/64.2.2離散無記憶信源的信通信工程系302023/9/124.2.2離散無記憶信源的信息量一個(gè)離散、無記憶信源產(chǎn)生的一個(gè)符號(hào)的平均信息量

H(U)被稱做信源的熵（統(tǒng)計(jì)均值）通信工程系302023/8/64.2.2離散無記憶信源的信通信工程系312023/9/124.2.3無失真信源編碼定理無失真信源編碼定理： 設(shè)單符號(hào)、離散、無記憶信源的熵為H(U)，若用二進(jìn)制碼對(duì)其作變字長(zhǎng)、非續(xù)長(zhǎng)編碼，一定可以找到一種編碼方式，其平均碼長(zhǎng)滿足：

H(U)≤≤H(U)+1即：如果符號(hào)ak用等于其信息量的碼長(zhǎng)編碼 則可以使平均碼長(zhǎng)達(dá)到其下限--熵

通信工程系312023/8/64.2.3無失真信源編碼定理通信工程系322023/9/124.2.4Huffman碼Huffman碼是冗余度最小(平均碼長(zhǎng)最小)的編碼a1a2a3a4a5a60.250.250.200.150.100.050.250.250.200.150.150.300.250.250.200.450.300.250.550.451100100111110111000000011111用線將符號(hào)連接起來，從而得到一個(gè)前綴碼的碼樹。樹的K個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)K個(gè)信源符號(hào)通信工程系322023/8/64.2.4Huffman碼H通信工程系332023/9/124.2.4Hufman碼對(duì)于圖4.2.2中所給的例子，計(jì)算平均碼長(zhǎng)=2.45bit/符號(hào)熵H(U)=2.42bit/符號(hào)經(jīng)Huffman編碼后，剩余的冗余度

=0.03bit/符號(hào)通信工程系332023/8/64.2.4Hufman碼對(duì)于通信工程系342023/9/12Huffman碼的特點(diǎn)算法是確定的，但編出的碼并非是唯一的。編碼依據(jù)是信源符號(hào)的概率分布，故其編碼效率取決于信源的統(tǒng)計(jì)特性。沒有錯(cuò)誤保護(hù)功能。可變長(zhǎng)度碼，碼字字長(zhǎng)參差不齊，因此硬件實(shí)現(xiàn)起來不大方便。對(duì)信源進(jìn)行編碼后，形成了一個(gè)Huffman編碼表，解碼時(shí)，必須參照這表才能正確解碼。通信工程系342023/8/6Huffman碼的特點(diǎn)通信工程系352023/9/124.2.5游程編碼

游程編碼（RLE），也稱行程編碼或游程（行程）長(zhǎng)度編碼。其基本思想：將具有相同數(shù)值（例如，像素的灰度值）的、連續(xù)出現(xiàn)的信源符號(hào)構(gòu)成的符號(hào)序列用其數(shù)值及串的長(zhǎng)度表示。其基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)的相關(guān)性。以圖像編碼為例，灰度值相同的相鄰像素的延續(xù)長(zhǎng)度（像素?cái)?shù)目）稱為延續(xù)的游程，又稱游程長(zhǎng)度，簡(jiǎn)稱游程。通信工程系352023/8/64.2.5游程編碼通信工程系362023/9/12圖像的水平方向有一串L個(gè)像素具有相同的灰度值GJPEG標(biāo)準(zhǔn)：一幅圖像經(jīng)二維DCT變換之后又經(jīng)“之”字形掃描，得到DC和AC系數(shù)數(shù)列。只需傳送（G，L）即可符號(hào)1符號(hào)2

（游程長(zhǎng)度，位長(zhǎng)）（振幅）

通信工程系362