第十一章圖像編碼基礎(chǔ)

第十一章圖像編碼基礎(chǔ)一、編碼依據(jù)1、圖像中像素間具有相關(guān)性、編碼的目的是減少其相關(guān)冗余數(shù)據(jù)；2、人眼對(duì)圖像中某些信息不敏感，可以在一定限度內(nèi)壓縮圖像。二、常用的三類壓縮方法1、信息保持編碼信息無(wú)丟失、無(wú)失真編碼2、保真度編碼在允許一定失真條件或一定的保真度準(zhǔn)則下進(jìn)行壓縮編碼3、特征提取只對(duì)感興趣的區(qū)域進(jìn)行特征信息編碼。三、具體壓縮方法1、平均信息法如：哈夫曼編碼、香農(nóng)編碼、費(fèi)諾編碼。2、預(yù)測(cè)法3、變換法4、其他編碼方法如游程編碼、輪廓編碼等。§11.1基本概念一、數(shù)據(jù)冗余數(shù)據(jù)中有些數(shù)據(jù)代表了無(wú)用的信息或者是重復(fù)地表示了其他數(shù)據(jù)已表示的信息。圖像壓縮中有三種數(shù)據(jù)冗余1、編碼冗余碼本：指用來(lái)表達(dá)一定量的信息或一組事件所需的一系列符號(hào)（如字母、數(shù)字等）。碼字：對(duì)每個(gè)信息或事件所賦的碼符號(hào)序列。碼字長(zhǎng)度：每個(gè)碼字里的符號(hào)個(gè)數(shù)。設(shè)代表圖像的灰度值，每個(gè)以概率出現(xiàn)：如果編碼所用的碼本不能使上式達(dá)到最小，就說明存在編碼冗余。例11.1.1自然碼和變長(zhǎng)碼2、像素間冗余3、心理視覺冗余二、圖像保真度和質(zhì)量1、客觀保真度準(zhǔn)則均方根誤差2、主觀保真度準(zhǔn)則1優(yōu)秀圖像質(zhì)量非常好，如同人能想象出的最好質(zhì)量。2良好圖像質(zhì)量高，觀看舒服，有干擾但不影響觀看。3可用圖像質(zhì)量可接受，有干擾但不太影響觀看。4剛可看圖像質(zhì)量差，干擾有些妨礙觀看，觀察者希望改進(jìn)5差圖像質(zhì)量很差，妨礙觀看的干擾始終存在，幾乎無(wú)法觀看。6不能用圖像質(zhì)量很差，不能使用。三、圖像編碼模型1、編碼系統(tǒng)模型2、信源編碼器、信道編碼器信源編碼：消除冗余，增強(qiáng)信號(hào)的有效性。信道編碼：增加冗余，增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾性?！?1.1基礎(chǔ)理論一、信息論簡(jiǎn)介信息論是研究編解碼的理論基礎(chǔ)。什么是圖像壓縮的最終極限？熵。什么是圖像傳輸率的最終極限信道容量。1、信息測(cè)量對(duì)一個(gè)隨機(jī)事件，如果它的出現(xiàn)概率是，它所包含的信息：例：一個(gè)箱子中有100個(gè)球，其中紅球80個(gè)，白球20個(gè)，計(jì)算摸到的是紅球這一事件的自信息量摸到的是白球這一事件的自信息量若隨機(jī)摸取一個(gè)球，猜測(cè)其顏色，求平均摸取一次所獲得的自信息量。2、信息系統(tǒng)3、互信息二、基本編碼定理1、無(wú)失真編碼定理2、信源編碼定理§11.3LZW編碼由Lempel、Ziv和Welch三人發(fā)明。能消除或減少圖像中的像素間冗余，是一種信息保存型的編碼方式。LZW方法是一種字典方法，在編碼的開始階段要構(gòu)造一個(gè)對(duì)信源符號(hào)進(jìn)行編碼的碼本（字典）。如果圖像是8比特的灰度圖像，則字典中前256個(gè)碼字被分配給灰度值0，1，2，…，255。在編碼器順序地掃描排成字符串的像素時(shí)，編碼算法確定字典中還沒有出現(xiàn)的灰度值序列的位置（如取下一個(gè)尚未用的位置）例：有一幅4×4的圖像LZW編碼方法是一種自適應(yīng)的壓縮方法。但它對(duì)輸入數(shù)據(jù)的適應(yīng)比較慢，因?yàn)槊看巫值渲械臈l目只增加一個(gè)，而且這個(gè)條目只比原有的條目增加了一個(gè)字符。解碼：解碼從獲取第1個(gè)編碼值開始，從字典中搜索其位置并輸出其對(duì)應(yīng)的值，然后將識(shí)別序列設(shè)為第1個(gè)編碼值。對(duì)其后的每個(gè)編碼值，首先輸出對(duì)應(yīng)像素的字典條目，然后增加一個(gè)新字典條目（該條目的內(nèi)容是識(shí)別序列加上正在處理的編碼值的第一個(gè)元素），最后將識(shí)別序列設(shè)為正在處理的編碼值?！?1.4變長(zhǎng)編碼熵編碼屬于統(tǒng)計(jì)編碼壓縮方式。分配原則出現(xiàn)概率大的用較少的bit出現(xiàn)概率小的用較多的bit一、哈夫曼碼編碼碼字：二、亞最優(yōu)變長(zhǎng)碼通過犧牲一些編碼效率來(lái)?yè)Q取編碼計(jì)算的方便。1、截?cái)喙蚵a只對(duì)最可能出現(xiàn)的M（M<J）個(gè)符號(hào)進(jìn)行哈夫曼編碼，而對(duì)其它所有碼都用在一個(gè)合適的定長(zhǎng)碼前加一個(gè)前綴來(lái)表示。例題：編碼：碼字：碼字：前綴112、平移哈夫曼碼編碼步驟重新排列信源符號(hào)使它們的概率單減；將符號(hào)總數(shù)分成相同大小的符號(hào)塊對(duì)所有塊中的各個(gè)元素采用同樣方法編碼對(duì)每個(gè)塊加上專門的平移符號(hào)以區(qū)別它們。例題：三、香農(nóng)－費(fèi)諾編碼編碼步驟：將信源符號(hào)按照其概率從大到小排列；將尚未確定其碼字的信源符號(hào)分成兩部分，使兩部分信源符號(hào)的概率盡可能接近；分別給兩部分的信源符號(hào)組合賦值（可分別賦0和1，也可分別賦1和0）；如果兩部分均只有一個(gè)信源符號(hào)，編碼結(jié)束，否則返回第二步繼續(xù)執(zhí)行。例題：例題：四、算術(shù)編碼60年代由RissanenPasco首次介紹在信源分布比較均勻的情況下，其編碼效率高于哈夫曼編碼。是一種從整個(gè)符號(hào)序列出發(fā)，采用遞推形式連續(xù)編碼的方法。源符號(hào)和碼字間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系并不存在。一個(gè)算術(shù)碼字要賦給整個(gè)信源符號(hào)序列，而碼字本身確定0和1之間的1個(gè)實(shí)數(shù)區(qū)間。例題：符號(hào)信源為：計(jì)算公式：（區(qū)間長(zhǎng)度）×（下限值）＋（上一次區(qū)間起始值）（區(qū)間長(zhǎng)度）×（上限值）＋（上一次區(qū)間起始值）區(qū)間長(zhǎng)度0.2－0=0.20.2×0.2+0=0.040.2×0.4+0=0.080.08－0.04=0.040.04×0.4+0.04=0.056