第六章(1)-圖像壓縮編碼

第十章圖像壓縮編碼圖像壓縮與編碼ImageCompressionandCoding◆6.1概述◆6.2圖像編碼的基本理論◆6.3

無(wú)損壓縮編碼◆6.4

限失真編碼◆6.5

二值圖像編碼◆6.6

小波變換及在圖像壓縮編碼中的應(yīng)用◆6.7圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介1?通信對(duì)象的改變?nèi)伺c人人與機(jī)器機(jī)器與機(jī)器一.圖像編碼技術(shù)的研究背景：1.信息傳輸方式發(fā)生了很大的改變?通信方式的改變文字+語(yǔ)音圖像+文字+語(yǔ)音第十章圖像壓縮編碼6.1概述2對(duì)于電視畫(huà)面的分辨率640*480的彩色圖像，每秒30幀，則一秒鐘的數(shù)據(jù)量為：

所以播放時(shí)，需要211Mbps的通信回路。參考數(shù)據(jù)：寬帶網(wǎng)為512K,電話線為56K。存儲(chǔ)時(shí)，1張標(biāo)準(zhǔn)CD可存741.85MB(視頻光盤)，則僅可以存放28.1秒的數(shù)據(jù)2.圖像傳輸與存儲(chǔ)需要的信息量空間：1)彩色視頻信息第十章圖像壓縮編碼210.94Mb=26.37MB640*480*24*30=3圖像數(shù)據(jù)量大小=圖像中的像素總數(shù)×圖像深度÷8÷1024÷1024單位為MB音頻光盤：74×60×75×2352÷1024÷1024=746.93（MB）數(shù)據(jù)光盤：74×60×75×2048÷1024÷1024=650.39（MB）

視頻光盤：74×60×75×2336÷1024÷1024=741.85（MB）注：式中光盤容量以74分鐘來(lái)計(jì)量，每分鐘60秒，每秒讀75個(gè)扇區(qū)，音頻光盤每個(gè)扇區(qū)2352Byte(字節(jié))，Byte是“字節(jié)數(shù)”，bit是“位數(shù)”，在計(jì)算機(jī)中每八位為一字節(jié)，也就是1Byte＝8bit，是1：8的對(duì)應(yīng)關(guān)系,1KB=1024B，1MB=1024KB。

第十章圖像壓縮編碼4第十章圖像壓縮編碼2)傳真數(shù)據(jù)如果只傳送2值圖像，以200dpi的分辨率傳輸，一張A4稿紙的內(nèi)容的數(shù)據(jù)量為：[(21/2.54)*200]*[(29.7/2.54)*200]*1=3866948bit按目前14.4K的電話線傳輸速率，需要傳送的時(shí)間是：270秒（4.5分）按每分鐘4元計(jì)算：18元5第十章圖像壓縮編碼3)醫(yī)學(xué)圖像：PACS(影像歸檔和通信系統(tǒng))系統(tǒng)的需求PictureArchivingandCommunicationSystems

6由于通信方式和通信對(duì)象的改變帶來(lái)的最大問(wèn)題是：傳輸帶寬、速度、存儲(chǔ)器容量的限制。第十章圖像壓縮編碼給我們帶來(lái)的一個(gè)難題，也給了我們一個(gè)機(jī)會(huì)：如何用軟件的手段來(lái)解決硬件上的物理極限?7圖像壓縮的必要性

圖像作為信息的重要表現(xiàn)形式，其具有數(shù)據(jù)量大、帶寬寬等特點(diǎn)。

一方面：需要增加信道，但這很有限，因?yàn)樾诺赖脑黾佑肋h(yuǎn)趕不上信息的爆炸式增長(zhǎng)，況且還要受到環(huán)境的限制。

另一方面：必須減少表示圖像的數(shù)據(jù)量，以達(dá)到壓縮圖像數(shù)據(jù)的目的。第十章圖像壓縮編碼8圖像壓縮編碼的概念

圖像數(shù)據(jù)的壓縮和編碼表示。圖像壓縮編碼系統(tǒng)：(1)圖像編碼:對(duì)圖像信息進(jìn)行壓縮和編碼，在存儲(chǔ)、處理和傳輸前進(jìn)行，也稱圖像壓縮；(2)圖像解碼：對(duì)壓縮圖像進(jìn)行解壓以重建原圖像或其近似圖像。 圖像壓縮的可能性空間上的冗余：相鄰像素或者序列相鄰幀間有較大的相關(guān)性；

人的視覺(jué)特性：人眼的分辨率非常有限；去除數(shù)字圖像中的冗余，來(lái)減少數(shù)據(jù)量。第十章圖像壓縮編碼91．按照壓縮前及解壓后的信息保持程度分成三類：

(1)信息保持（存）型壓縮、解壓中無(wú)信息損失，主要用于圖像存檔，其特點(diǎn)是信息無(wú)失真，但壓縮比有限，也稱無(wú)失真/無(wú)損/可逆型編碼。(2)信息損失型犧牲部分信息，來(lái)獲取高壓縮比，數(shù)字電視、圖像傳輸和多媒體等應(yīng)用場(chǎng)合常用這類壓縮，其特點(diǎn)是通過(guò)忽略人的視覺(jué)不敏感的次要信息來(lái)提高壓縮比，也稱有損壓縮。

二.壓縮編碼及其分類第十章圖像壓縮編碼102.根據(jù)編碼作用域劃分，圖像編碼為空間域編碼和變換域編碼兩大類。

(3)特征抽取型僅對(duì)于實(shí)際需要的（提取）特征信息進(jìn)行編碼，而丟掉其它非特征信息，屬于信息損失型。

這里的第三類是針對(duì)特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，因此，一般就將圖像壓縮編碼分成無(wú)損和有損兩大類。第十章圖像壓縮編碼11圖像壓縮有損壓縮無(wú)損壓縮行程編碼LZW編碼哈夫曼編碼算術(shù)編碼游程編碼無(wú)損預(yù)測(cè)編碼位平面編碼有損預(yù)測(cè)編碼分形編碼模型編碼子帶編碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼變換編碼K-L變換Haar變換Walsh.Hadamard變換離散余弦變換離散傅立葉變換斜變換小波變換第十章圖像壓縮編碼121.圖像壓縮的基本概念

設(shè)：n1和n2是在兩個(gè)表達(dá)相同信息的數(shù)據(jù)集中，所攜帶的單位信息量。壓縮率（壓縮比）：

CR=n1/n2

其中，n1是壓縮前的數(shù)據(jù)量，n2是壓縮后的數(shù)據(jù)量相對(duì)數(shù)據(jù)冗余：

RD=1–1/CR例：CR=20;RD=19/206.2圖像編碼的基本理論第十章圖像壓縮編碼13當(dāng)n2=n1，CR=1，RD=0，表示n1不包含冗余數(shù)據(jù)。當(dāng)n2?n1時(shí)，CR→∞，RD→1，表示顯著的壓縮和大量的冗余數(shù)據(jù)。當(dāng)n2?n1時(shí)，CR→0，RD→∞，數(shù)據(jù)擴(kuò)展(不希望)一般，CR和RD分別在開(kāi)區(qū)間(0，∞)和(-∞，1)內(nèi)取值。比如n1/n2=10，相應(yīng)的冗余度為0.9，這表示在第一個(gè)數(shù)據(jù)集合中有90％的數(shù)據(jù)是冗余數(shù)據(jù)。RD=1–1/CR=(n1–n2)/n1CR=n1/n2第十章圖像壓縮編碼14圖像通信系統(tǒng)模型信源編碼：完成原始數(shù)據(jù)的壓縮與編碼信道編碼：為了抗干擾，增加一些容錯(cuò)、校驗(yàn)位，實(shí)際上是有規(guī)律地增加傳輸數(shù)據(jù)的冗余，以便于消除傳輸過(guò)程中增加的隨機(jī)信號(hào)信道：傳輸數(shù)據(jù)（信息）的手段。如Internet、廣播、通訊、可移動(dòng)介質(zhì)等15變換器對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以改變數(shù)據(jù)的描述形式，減少或消除像素間的冗余（可逆）。量化器根據(jù)給定的保真度準(zhǔn)則降低變換器輸出的精度，以進(jìn)一步減少心理視覺(jué)冗余（不可逆）。符號(hào)編碼器生成一個(gè)固定的或可變長(zhǎng)編碼用于表示量化器輸出并將輸出轉(zhuǎn)換為與編碼相一致。例如變長(zhǎng)編碼圖像編解碼模型（a）信源編碼器；（b）信源解碼器16第十章圖像壓縮編碼你的妻子，Helen，將于明天晚上6點(diǎn)零5分在武漢的天河機(jī)場(chǎng)接你。(23*2+10=56個(gè)半角字符)你的妻子將于明天晚上6點(diǎn)零5分在天河機(jī)場(chǎng)接你。(20*2+3=43個(gè)半角字符）Helen將于明晚6點(diǎn)在天河接你。(10*2+7=27個(gè)半角字符）結(jié)論：只要接收端不會(huì)產(chǎn)生誤解，就可以減少承載信息的數(shù)據(jù)量2.圖像中數(shù)據(jù)冗余的概念17第十章圖像壓縮編碼1）“這是一幅2*2的圖像，圖像的第一個(gè)像素是紅的，第二個(gè)像素是紅的，第三個(gè)像素是紅的，第四個(gè)像素是紅的”。14232）“這是一幅2*2的圖像，整幅圖都是紅色的”。由此我們知道，整理圖像的描述方法可以達(dá)到壓縮的目的。描述語(yǔ)言18圖像冗余無(wú)損壓縮的原理RGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGB16RGB從原來(lái)的16*3*8=284bits壓縮為：(1+3)*8=32bits第十章圖像壓縮編碼19圖像冗余有損壓縮的原理36353434343434323434333730343434343434343435343431343434343434343434343434343434343434343434343434342534第十章圖像壓縮編碼20三種主要圖像數(shù)據(jù)冗余(Redundancy)編碼冗余像素冗余視覺(jué)心理冗余第十章圖像壓縮編碼21編碼冗余(信息熵冗余)

：如果一個(gè)圖像的灰度級(jí)編碼，使用了多于實(shí)際需要的編碼符號(hào)，就稱該圖像包含了編碼冗余。例：如果用8位表示該圖像的像素，我們就說(shuō)該圖像存在著編碼冗余，因?yàn)樵搱D像的像素只有兩個(gè)灰度，用一位即可表示。第十章圖像壓縮編碼22對(duì)于給定圖像其數(shù)據(jù)量就已確定，即完全確定。因此，圖像壓縮后的數(shù)據(jù)量就決定了壓縮比。其中表示圖像像素個(gè)數(shù)，是平均碼字長(zhǎng)。由此引入如下幾個(gè)概念：(1)碼字：信息編碼中每個(gè)符號(hào)的二進(jìn)制編碼值。(2)碼字長(zhǎng)：碼字的長(zhǎng)度，即其二進(jìn)制編碼值的位數(shù)，也就是比特?cái)?shù)。(3)平均碼字長(zhǎng):每個(gè)像素所需的平均比特?cái)?shù)。

第十章圖像壓縮編碼23若每個(gè)灰度級(jí)k的編碼長(zhǎng)度為l(k)，則平均碼字長(zhǎng)為：（4）自然編碼：每個(gè)灰度級(jí)（或每個(gè)像素）均用m位的二進(jìn)制碼表示，也稱等長(zhǎng)編碼，此時(shí)（5）變長(zhǎng)（不等長(zhǎng)）編碼：對(duì)于圖像中的不同灰度級(jí)采用不同長(zhǎng)度的碼字表示。此時(shí)（6）編碼冗余：不同的編碼方法可能會(huì)有不同的，由此引出兩種編碼冗余。①相對(duì)編碼冗余：大的編碼相對(duì)于小的編碼就存在相對(duì)編碼冗余。②絕對(duì)編碼冗余：使的編碼就存在絕對(duì)編碼冗余。24[例]變長(zhǎng)編碼與自然編碼的對(duì)比?；叶燃?jí)k直方圖P(k)碼字碼字長(zhǎng)自然編碼變長(zhǎng)編碼自然編碼變長(zhǎng)編碼00.19000103210.25001003220.2