第5章-圖像編碼6h

圖像編碼技術(shù)中國(guó)計(jì)量學(xué)院

倪軍第五章第五章圖像編碼5.1圖像編碼的基本概念5.2RLE編碼5.3Huffman編碼5.4DCT變換編碼5.5混合編碼5.6國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介5.1

圖像編碼的基本概念5.1.1研究背景5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮5.1.3保真度標(biāo)準(zhǔn)5.1.4圖像壓縮模型5.1.1圖像編碼研究背景一、信息傳輸方式發(fā)生了很大的改變通信方式的改變

圖像，視頻成為通訊的重要方式通信對(duì)象的改變

人與人人與機(jī)器，機(jī)器與機(jī)器5.1.1圖像編碼研究背景

二、圖像傳輸與存儲(chǔ)需要的數(shù)據(jù)空間圖像的傳輸與存儲(chǔ)中，問(wèn)題最多的，也是最常用的是數(shù)字視頻信號(hào)。5.1.1圖像編碼研究背景彩色視頻信息對(duì)于電視畫面的分辨率640*480的彩色圖像，每秒30幀，則一秒鐘的數(shù)據(jù)量為：640*480*24*30=221.12M所以播放時(shí)，需要221Mbps的通信速度。

5.1.1圖像編碼研究背景實(shí)時(shí)傳輸：在寬帶網(wǎng)上（10M）實(shí)時(shí)傳輸?shù)脑?，需要壓縮到原來(lái)數(shù)據(jù)量的0.045。存儲(chǔ)：1張CD可存640M如果不進(jìn)行壓縮，1張CD則僅可以存放2.89秒的數(shù)據(jù)。存2小時(shí)的信息則需要壓縮到原來(lái)數(shù)據(jù)量的0.00045.1.1圖像編碼研究背景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。編碼研究?jī)?nèi)容：

如何用軟件的手段來(lái)解決硬件上的物理極限。5.1.1圖像編碼研究背景圖像信息源圖像預(yù)處理圖像信源

編碼信道編碼調(diào)制信道傳輸解調(diào)信道解碼圖像信源

解碼顯示圖像圖像通信系統(tǒng)模型5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)是信息的載體，對(duì)給定的信息可用不同的數(shù)據(jù)表示信息：一般指數(shù)據(jù)、消息中所包含的意義設(shè)法減少表達(dá)同樣信息的數(shù)據(jù)量，叫數(shù)據(jù)壓縮5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮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，信息載體單位的個(gè)數(shù)。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5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮數(shù)據(jù)冗余例子你的哥哥張三，將于明天晚上6點(diǎn)30分在杭州的蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)接你。你的哥哥將于明天晚上6點(diǎn)30分在蕭山機(jī)場(chǎng)接你哥明晚6點(diǎn)半在機(jī)場(chǎng)接你哥明晚接你

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。5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮

2）“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。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”。數(shù)據(jù)冗余例子5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮三種數(shù)據(jù)冗余：像素冗余編碼冗余心理視覺(jué)冗余5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮像素冗余：由于任何給定的像素值，原則上可以通過(guò)它的鄰像素預(yù)測(cè)到，單個(gè)像素?cái)y帶的信息相對(duì)是小的。 對(duì)于一個(gè)圖像，很多單個(gè)像素對(duì)視覺(jué)的貢獻(xiàn)是冗余的。這是建立在對(duì)鄰居值預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上。例：原圖像數(shù)據(jù)：234223231238235 壓縮后數(shù)據(jù)：234-1187-35.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮圖像縮放4：1利用相鄰像素相關(guān)性進(jìn)行圖像縮放5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮序列圖像連續(xù)幀間像素冗余前幀后幀5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮圖像編碼：為表達(dá)圖像數(shù)據(jù)需要使用一系列符號(hào)，用這些符號(hào)根據(jù)一定的規(guī)則來(lái)表達(dá)圖像就是圖像編碼。編碼冗余的產(chǎn)生平均比特?cái)?shù)概念自然碼和變長(zhǎng)碼5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮編碼冗余：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。5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮視覺(jué)心理冗余：

一些信息在一般視覺(jué)處理中比其它信息的相對(duì)重要程度要小，這種信息就被稱為視覺(jué)心理冗余。5.1.2數(shù)據(jù)冗余和壓縮視覺(jué)心理冗余隔行掃描幀頻色彩冗余5.1.3保真度標(biāo)準(zhǔn)保真度標(biāo)準(zhǔn)——評(píng)價(jià)壓縮算法的標(biāo)準(zhǔn)客觀保真度標(biāo)準(zhǔn)主觀保真度標(biāo)準(zhǔn)5.1.3保真度標(biāo)準(zhǔn)客觀保真度標(biāo)準(zhǔn)如果信息丟失的級(jí)別,可以表示為原始或輸入圖像與壓縮后又解壓縮輸出的圖像的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)就被稱為客觀保真度標(biāo)準(zhǔn)。一般表示為：

e(x,y)=f(x,y)-f(x,y)

f(x,y)是輸入圖像，f(x,y)是壓縮后解壓縮的圖像，e(x,y)是誤差函數(shù)5.1.3保真度標(biāo)準(zhǔn) 兩個(gè)圖像之間的總誤差：

M-1N-1

[f(x,y)-f(x,y)] x=0y=0均方根誤差（rms）

M-1N-1

erms=[1/MN

[f(x,y)-f(x,y)]2]1/2

x=0y=0優(yōu)缺點(diǎn)：5.1.3保真度標(biāo)準(zhǔn)5.1.3保真度標(biāo)準(zhǔn)主觀保真度標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)視覺(jué)比較兩個(gè)圖像，給出一個(gè)定性的評(píng)價(jià)，如優(yōu)秀、良好、可用、剛可看、差、不能用，這種評(píng)價(jià)被稱為主觀保真度標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)缺點(diǎn)：5.1.4圖像壓縮模型源數(shù)據(jù)編碼：完成原數(shù)據(jù)的壓縮。通道編碼：為了抗干擾，增加一些容錯(cuò)、校驗(yàn) 位，實(shí)際上是增加冗余。通道：如Internet、廣播、通訊、可移動(dòng)介質(zhì)源數(shù)據(jù)編碼通道編碼通道通道解碼源數(shù)據(jù)解碼5.1.4圖像壓縮模型源數(shù)據(jù)編碼與解碼的模型源數(shù)據(jù)編碼的模型源數(shù)據(jù)解碼的模型符號(hào)解碼器反向映射器映射器量化器符號(hào)編碼器5.1.4圖像壓縮模型源數(shù)據(jù)編碼與解碼的模型映射器：減少像素冗余，進(jìn)行圖像變換。量化器：減少視覺(jué)心理冗余，僅用于有損壓縮。符號(hào)編碼器：減少編碼冗余，如使用哈夫曼編碼5.1.4圖像壓縮模型壓縮編碼第一代壓縮編碼

八十年代以前，主要是根據(jù)傳統(tǒng)的信源編碼方法。第二代壓縮編碼

八十年代以后，突破信源編碼理論，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(jué)系統(tǒng)生理心理特性和圖像信源的各種特性。5.2行程編碼(RLE編碼)行程編碼是一種最簡(jiǎn)單的，在某些場(chǎng)合是非常有效的一種無(wú)損壓縮編碼方法。雖然這種編碼方式的應(yīng)用范圍非常有限，但是因?yàn)檫@種方法中所體現(xiàn)出的編碼設(shè)計(jì)思想非常明確，所以在圖像編碼方法中都會(huì)將其作為一種典型的方法來(lái)介紹。

5.2.1行程編碼的基本原理通過(guò)改變圖像的描述方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的壓縮。將一行中灰度值相同的相鄰像素，用一個(gè)計(jì)數(shù)值和該灰度值來(lái)代替。5.2.1行程編碼的基本原理RLE編碼——RunLengthEncoding概念：行程：具有相同灰度值的像素序列。編碼思想：去除像素冗余。用行程的灰度和行程的長(zhǎng)度代替行程本身。例：設(shè)重復(fù)次數(shù)為iC,重復(fù)像素值為iP

編碼為：iCiPiCiPiCiP編碼前：aaaaaaabbbbbbcccccccc編碼后：7a6b8c5.2.2行程編碼方法舉例說(shuō)明：

aaaa

bbb

cc

d

eeeee

fffffff

(共22*8=176bits)

4a3b2c1d5e7f

(共12*8=96bits)壓縮率為：96/176=54.5%5.2.2行程編碼方法傳真件中一般都是白色比較多，而黑色相對(duì)比較少。所以可能常常會(huì)出現(xiàn)如下的情況：

600W3b570w12b4w3b3000w

上面的行程編碼所需用的字節(jié)數(shù)為：因?yàn)椋?048<3000<4096所以：計(jì)數(shù)值必須用12bit來(lái)表示

5.2.2行程編碼方法對(duì)于：

600W3b570w12b4w3b3000w

需要的數(shù)據(jù)量為：12*7=84bit因?yàn)橹挥邪谆蚝?，而且排版中一定要留出?yè)邊距，頁(yè)邊一般是白色的。所以可以只傳輸計(jì)數(shù)值即可。

5.2.3行程編碼方法改進(jìn)現(xiàn)在我們就希望對(duì)其進(jìn)行改善

既然已經(jīng)可以預(yù)知白色多黑色少，可以對(duì)白色和黑色的計(jì)數(shù)值采用不同的位數(shù)。以這個(gè)例子，可以定義：白色：12bit，黑色：4bit所需字節(jié)數(shù)為4*12+3*4=60bit5.2.4行程編碼方法適用范圍RLE編碼分析：對(duì)于有大面積色塊的圖像，壓縮效果很好對(duì)于紛雜的圖像，壓縮效果不好，最壞情況下，會(huì)加倍圖像行程編碼要獲得好的壓縮率的前提是有比較長(zhǎng)的相鄰像素的值是相同的。為了達(dá)到大的壓縮率，提出了一種方法就是將在圖像中出現(xiàn)頻度大的像素值,給一個(gè)比較短的編碼，將出現(xiàn)頻度小的像數(shù)值,給一個(gè)比較長(zhǎng)的編碼。5.3Huffman編碼5.3.1Huffman編碼思想例：

aaaa

bbb

cc

d

eeeee

fffffff

432157如果不進(jìn)行特殊的編碼，按照?qǐng)D像像素的描述，需要的數(shù)據(jù)量為：

22*8=176bits

5.3.1Huffman編碼思想

aaaa

bbb

cc

d

eeeee

fffffff432157異字頭碼進(jìn)行編碼：f=0e=10a=110b=1111c=11100d=111015.3.1Huffman編碼思想由：f=0e=10a=110b=1111c=11100d=11101aaaabbbccdeeeeefffffff

11011011011011111111111111100111001110110101010100000000數(shù)據(jù)量：7*1+5*2+4*3+3*4+2*5+1*5=56bit壓縮量為：56/176=31.8%5.3.2Huffman編碼過(guò)程首先求出圖像中灰度分布的灰度直方圖；根據(jù)該直方圖，對(duì)其按照分布概率從小到大的順序進(jìn)行排列；每一次從中選擇出兩個(gè)概率為最小的節(jié)點(diǎn)相加，形成一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造一個(gè)稱為“Huffman樹(shù)”的二叉樹(shù)；對(duì)這個(gè)二叉樹(shù)進(jìn)行編碼，就獲得了Huffman編碼碼字。5.3.2Huffman編碼過(guò)程例如：aaaa

bbb

cc

d

eeeee

fffffff分布為：a:4/22b:3/22c:2/22d:1/22e:5/22f:7/22排序?yàn)椋篸cbaef1/222/223/224/225/227/225.3.2Huffman編碼過(guò)程cbafe7/225/224/222/2210f=11e=01a=00b=101c=1001d=1000d1/223/226/2222/2213/229/223/22101010105.3.2Huffman編碼過(guò)程對(duì)這個(gè)例子，計(jì)算出經(jīng)過(guò)Huffman編碼后的數(shù)據(jù)為：1010101010001001001000100010000111111111101010101010101共7*2+5*2+4*2+3*3+2*4+1*4=53bit比前面我們給出的編碼得到的56bit的數(shù)據(jù)量還小，壓縮為原來(lái)的30.1%。5.3.2Huffman編碼過(guò)程5.3.2Huffman編碼過(guò)程5.3.2Hu