《圖像編碼》PPT課件.ppt

1、數(shù)字圖像處理 (Digital Image Processing）,湖北師范學(xué)院教育信息與技術(shù)學(xué)院,第五章 圖像壓縮編碼,5.1 圖像壓縮編碼的理論基礎(chǔ) 5.2 無(wú)失真編碼 5.3 有失真編碼 5.4 圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介,1.圖像壓縮編碼的目的 模擬信息與數(shù)字信息 信源 2.圖像壓縮的根據(jù) 有效信息 冗余信息 不相干信息 設(shè)n1是一幅圖像原來(lái)的數(shù)據(jù)量，n2表示壓縮后的數(shù)據(jù)量；則有： 1）描述壓縮算法性能的壓縮率（壓縮比）為：CR = n1 / n2 2）相對(duì)數(shù)據(jù)冗余：RD = 1 1/CR 例：CR=20; RD = 19/20,5.1 圖像壓縮編碼的理論基礎(chǔ),3.圖像中存在的冗余 三種數(shù)據(jù)冗余

2、：編碼冗余；像素冗余；視覺(jué)心理冗余。 1）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。例二值化圖像，如用8位表示該圖像的像素，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。 2) 像素冗余： 由于任何給定的像素值，原理上都可以通過(guò)它的鄰居預(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)：234 223 231 238 235 壓縮后數(shù)據(jù)：234 11 -8 -7 3,5.1 圖像壓縮編碼的理論基礎(chǔ),3）視覺(jué)心理冗余： 一些信息在一

3、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。如下圖：,4.圖像壓縮模型 1) 圖像傳輸環(huán)境中圖像壓縮模型 其中， 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、版權(quán)保護(hù)，實(shí)際上是增加冗余。 通 道：如Internet、廣播、通訊、可移動(dòng)介質(zhì)。,2) 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 源數(shù)據(jù)編碼與解碼的模型中， 映射器 ：減少像素冗余，如使用RLE編碼?；蜻M(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. 保真度標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)壓縮算法的標(biāo)準(zhǔn) 1）客觀

4、保真度標(biāo)準(zhǔn) 如果圖像壓縮過(guò)程對(duì)圖像信息有所損失，能夠表示為原始輸入圖像 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)。可用信噪比、峰值信噪比、 絕對(duì)差等表示。 2）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)，如很粗、粗、稍 粗、相同、稍好、較好、很好，這種評(píng)價(jià)被稱為主觀保真度標(biāo)準(zhǔn)。 (1) 優(yōu)秀的具有極高質(zhì)量的圖像； (2）好的是可供觀賞的高質(zhì)量的圖像,干擾并不令人討厭； (3）可通過(guò)的圖像質(zhì)量可以接受,干擾不討厭； (4) 邊緣的圖像質(zhì)量較低,希望能加以改善, 干擾有些討厭； (5) 劣等的圖像質(zhì)量很差,尚能觀看, 干擾顯著地令人討厭； (6）不能用圖像質(zhì)

5、量非常之差,無(wú)法觀看。,6. 圖像壓縮編碼的分類(lèi) 圖像壓縮編碼的分類(lèi) 如下圖：,5.2 無(wú)失真編碼,1、無(wú)失真 編碼 編碼技術(shù)都是為了消除圖像中一種或者冗余，根據(jù)由壓縮數(shù)據(jù)恢復(fù)的像 與原始圖像的差別，數(shù)據(jù)壓縮可以分為可逆壓縮與不可逆壓縮。 無(wú)失真編碼主要包括：統(tǒng)計(jì)編碼、位平面編碼、行程編碼以及輪廓編碼 等。 統(tǒng)計(jì)編碼針對(duì)無(wú)記憶的信源，根據(jù)信息碼字出現(xiàn)的概率分布特征尋找概 率與碼字長(zhǎng)度間的最優(yōu)匹配，從而進(jìn)行壓縮；行程編碼則是利用圖像灰度 的相關(guān)性；輪廓編碼利用圖像的結(jié)構(gòu)特征；位平面編碼綜合空百塊編碼， 行程編碼，輪廓編碼等實(shí)施。,2.行程編碼（ Run Length Encoding，RLE）

6、1）概念 行程：具有相同灰度值的像素序列。 2）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：iCiP iCiP iCiP 編碼前：aaaaaabbbbbbcccccccc 編碼后：7a6b8c 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)加倍圖像數(shù)據(jù)。,3) PCX_RLE編碼原則： 1) 圖像數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位進(jìn)行編碼. 2) 按行進(jìn)行壓縮. 3) 長(zhǎng)度在前，灰度值在后. 4) 單像素沒(méi)有長(zhǎng)度值. 5) 以最高兩位作為判斷是重復(fù)數(shù)還是原像素。最高兩位為1，說(shuō)明是重復(fù)數(shù)，否則，

7、說(shuō)明是原像素值. 6) 重復(fù)像素長(zhǎng)度iC最大值為26-1 = 63，如果遇到iC大于63的情況，則分為小于63的幾段，分別處理。 7) 如果遇到不重復(fù)的單個(gè)像素P：如果P 0 xC0（192） 直接存入該像素值，否則先存入長(zhǎng)度1，再存入像素值（注：在192-255之間的單像素圖像不減反增，在192-255之間，64個(gè)數(shù)高兩位為11）,3.哈夫曼編碼 1）基本思想 通過(guò)減少編碼冗余來(lái)達(dá)到壓縮的目的?；舅枷胧墙y(tǒng)計(jì)一下符號(hào)的出現(xiàn) 概率;建立一個(gè)概率統(tǒng)計(jì)表，將最常出現(xiàn)(概率大的)的符號(hào)用最短的編碼，最 少出現(xiàn)的符號(hào)用最長(zhǎng)的編碼。,例子的編碼過(guò)程： 符號(hào) 概率 編碼 1 2 3 4 a20.4 1 0

8、.4 1 0.4 1 0.4 1 0.6 0 a60.3 00 0.3 00 0.3 00 0.3 00 0.4 1 a10.1 011 0.1 011 0.2 010 0.3 01 a40.1 0100 0.1 0100 0.1 011 a30.06 01010 0.1 0101 a50.04 01011,解碼過(guò)程： 01010 011 1 1 00 a3 a1 a2 a2 a6,3）算法實(shí)現(xiàn) 第一步：建立一系列的原數(shù)據(jù)縮減量；通過(guò)對(duì)符號(hào)的概率排序，把最小 概率的符號(hào)組成一個(gè)符號(hào)，以便在下一個(gè)原數(shù)據(jù)縮減量中替換它們。 第二步：給每一個(gè)縮減的原始數(shù)據(jù)編碼從最少的原數(shù)據(jù)開(kāi)始，向后進(jìn)行 到起始原數(shù)

9、據(jù)。靜態(tài)編碼：在壓縮之前就建立好一個(gè)概率統(tǒng)計(jì)表和編碼樹(shù)。 算法速度快，但壓縮效果不是最好；動(dòng)態(tài)編碼：對(duì)每一個(gè)圖像，臨時(shí)建立概 率統(tǒng)計(jì)表和編碼樹(shù)。算法速度慢，但壓縮效果最好。,1. 有失真編碼 屬于不可逆編碼，由編碼數(shù)據(jù)恢復(fù)的圖像與原始圖像有區(qū)別，圖像編 碼產(chǎn)生的誤差與編碼方法及壓縮比有關(guān)。 常用的有失真編碼包括：預(yù)測(cè)編碼及變換編碼；預(yù)測(cè)編碼是根據(jù)統(tǒng)計(jì) 特性得到預(yù)測(cè)值，然后傳輸圖像像素與預(yù)測(cè)值的差值信號(hào)，使傳輸?shù)拇a率 降低，達(dá)到壓縮的目的。變換編碼的思想是：大部分?jǐn)?shù)字圖像的內(nèi)容是漸 變的，使得像素間的灰度與顏色等信息存在高度的相關(guān)性，因此可以進(jìn)行 某種正交變換來(lái)消除這種相關(guān)性。,5.3 有失真編

10、碼,2. 預(yù)測(cè)編碼 1)編碼思想 (1) 去除像素冗余。(2) 認(rèn)為相鄰像素的信息有冗余。當(dāng)前像素值可以 用以前的像素值來(lái)獲得。3) 用當(dāng)前像素值fn ，通過(guò)預(yù)測(cè)器得到一個(gè)預(yù)測(cè)值 fn，對(duì)當(dāng)前值和預(yù)測(cè)值求差，對(duì)差編碼，作為壓縮數(shù)據(jù)流中的下一個(gè)元 素。由于差比原數(shù)據(jù)要小，因而編碼要小，可用變長(zhǎng)編碼。大多數(shù)情況 下， fn的預(yù)測(cè)是通過(guò)m個(gè)以前像素的線性組合來(lái)生成的。 (4) 前m個(gè)像素不 能用此法編碼，可用哈夫曼編碼。預(yù)測(cè)過(guò)程為：,m fn = roundifn-i i=1 在一維線性(行預(yù)測(cè))預(yù)測(cè)編碼中，預(yù)測(cè)器為： m fn(x,y) = roundif(x, y-i) i=1 round為取最

11、近整數(shù)，i為預(yù)測(cè)系數(shù)(可為1/m)，y是行變量。,舉例： m fn = roundifn-i i=1 F = 154,159,151,149,139,121,112,109,129 m = 2 = 預(yù)測(cè)值 f2 = 1/2 * (154 + 159) 156 e2 = 151 - 156 = -5 f3 = 1/2 * (159 + 151) = 155 e3 = 149 155 = -6 f4 = 1/2 * (151 + 149) = 150 e4 = 139 150 = -11 f5 = 1/2 * (149 + 139) = 144 e5 = 121 144 = -23 f6 = 1/

12、2 * (139 + 121) = 130 e6 = 112 130 = -18 f7 = 1/2 * (121 + 112) 116 e6 = 109 116 = -7 f8 = 1/2 * (112 + 109) 110 e6 = 129 110 = 19,2.預(yù)測(cè)編碼器和解碼器,修正后的預(yù)測(cè)編碼器,3. 量化器 1)量化器基本思想：減少數(shù)據(jù)量的最簡(jiǎn)單的辦法是將圖像量化成較少的灰度 級(jí)，通過(guò)減少圖像的灰度級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的壓縮。這種量化是不可逆的，因而 解碼時(shí)圖像有損失。,如果輸入是256 個(gè)灰度級(jí)，對(duì)灰度級(jí)量化后輸出，只剩下4個(gè)層次，數(shù)據(jù)量被大大減少。,2) 量化器的定義 階梯形量化函數(shù)t

13、= q(s)，是一個(gè)s的奇函數(shù)（即q(-s) = -q(s)），它可以通過(guò)L/2、si和ti來(lái)完全描述，從而定義了一個(gè)量化器。 si 被稱為量化器的決策級(jí)（閾值）； ti 被稱為量化器的重構(gòu)級(jí)（代表級(jí)）。 L是量化器的級(jí)數(shù)。 由于習(xí)慣的原因，si被認(rèn)為是映射到ti，如果它在半開(kāi)區(qū)間i,si+1。,3.變換編碼 1）變換編碼是利用一個(gè)可逆的、線性的變換（如傅立葉變換），把圖像映射到變換系數(shù)集合；2）然后對(duì)該系數(shù)集合進(jìn)行量化和編碼；3）對(duì)于大多數(shù)自然圖像，重要系數(shù)的數(shù)量是比較少的，因而可以用量化（或完全拋棄），且僅以較小的圖像失真為代價(jià)。如下圖：,原始圖像 相應(yīng)的DCT系數(shù),2. 編碼器、解碼器結(jié)

14、構(gòu),3.變換編碼的基本理論 1）變換編碼的基本原理 將傅立葉逆變換表達(dá)式進(jìn)行改寫(xiě)： 變換壓縮的基本思想,就是要用等式的右部近似原圖像。,把逆變換進(jìn)一步改寫(xiě)為： 其中：1) F是一個(gè)包含了f(x,y)的象素的nxn的矩陣；2) Huv的值只依賴坐標(biāo)變量x,y,u,v與T(u,v)和f(x,y)的值無(wú)關(guān)。被稱為基圖像?？梢栽谧儞Q前一次生成。對(duì)每一個(gè) nxn的子圖變換都可以使用。3) 基圖像H為：,h(0,0,u,v) h(0,1,u,v) h(0,n-1,u,v) h(1,0,u,v) h(1,1,u,v) h(1,n-1,u,v) Huv = h(n-1,0,u,v) h(n-1,1,u,v)

15、h(n-1,n-1,u,v),2)變換系數(shù)截取模板函數(shù) 通過(guò)定義變換系數(shù)截取模板函數(shù)，消去冗余。 0 如果T(u,v)滿足一個(gè)特定的截?cái)鄻?biāo)準(zhǔn) m(u,v) = 1 否則 n-1 n-1 對(duì)于： F = T(u,v)Huv u=0 v=0,則： 其中m(u,v)被構(gòu)造，用來(lái)消去對(duì)等式的總合貢獻(xiàn)最小的基本圖像。 3）誤差評(píng)估 均方誤差為：,其中， 是 的矩陣范數(shù)，2T(u,v)是變換在(u,v)位置上的系數(shù)方差。 最后的簡(jiǎn)化是基于基圖像的規(guī)范正交，并假設(shè)F的像素是通過(guò)一個(gè)具有0均值 和已知協(xié)方差的隨機(jī)處理產(chǎn)生的。因此， (1）總的均方近似誤差是丟棄的變換系數(shù)的方差之和（也即對(duì)于 m(u,v) =

16、0的系數(shù)方差之和）。 (2）能把大多數(shù)信息封裝到最少的系數(shù)里去的變換，可得到最好的子圖像 的近似，同時(shí)重構(gòu)誤差也最小 (3）在導(dǎo)致等式成立的假設(shè)下，一個(gè)NxN的圖像的(N/n)2個(gè)子圖像的均方誤 差是相同的。因此，NxN圖像的均方誤差（是平均誤差的測(cè)量）等于一個(gè)子圖 像的均方誤差.,3) 實(shí)現(xiàn)變換壓縮算法的主要問(wèn)題 變換的選擇 子圖尺寸的選擇 壓縮的位分配（編碼）,制定圖像標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際組織： ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織） ITU（國(guó)際電聯(lián)） 聯(lián)合組織下進(jìn)行制定的 標(biāo)準(zhǔn)的類(lèi)型（三類(lèi)）： (1) 二值圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)：面向傳真而設(shè)計(jì) 連續(xù)調(diào)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)： (2) 靜止幀黑白、彩色壓縮：面向靜止的單幅圖像 (

17、3) 連續(xù)幀黑白、彩色壓縮：面向連續(xù)的視頻影像,5.4 圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介,1. 二值圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) 1）基本思想 采用行程編碼與靜態(tài)的哈夫曼編碼相結(jié)合；由于是二值圖像，不用為 灰度值編碼。只給行程長(zhǎng)度編碼，且黑和白的長(zhǎng)度分別使用不同的編碼。 按行壓縮CCITT Group3采用一維編碼與二維編碼結(jié)合；CCITT Group4采用 二維編碼。 (1）每一行行首、尾編碼 行首：用一個(gè)白行程碼開(kāi)始。如果行首是黑像素，則用零長(zhǎng)度的白 00110101開(kāi)始。 行尾：用行尾編碼字(EOL)000000000001結(jié)束。 (2）圖像首、尾編碼 圖像首行：用一個(gè)EOL開(kāi)始。 圖像結(jié)尾：用連續(xù)6個(gè)EOL結(jié)束。 (

18、3）圖像內(nèi)部編碼 內(nèi)部編碼：長(zhǎng)度小于63的用哈夫曼編碼， 大于63的用組合編碼：大于 63的長(zhǎng)度編碼 + 小于63的余長(zhǎng)度編碼,長(zhǎng)度小于63的哈夫曼編碼,長(zhǎng)度大于63的組合編碼,2) CCITTGroup3基本思想： Group3標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用了一種非適應(yīng)的，一維和二維混合的行程編碼技術(shù)； 在該編碼中，每一個(gè)K行組的最后K-1行（K = 2或4），有選擇地用二維編碼方式。,3) CCITTGroup4基本思想： Group4標(biāo)準(zhǔn)是Group3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)化或改進(jìn)版本； 只用二維壓縮編碼。且為非適應(yīng)二維編碼方法； 每一個(gè)新圖像的第一行的參考行是一個(gè)虛擬的白行。,2. 靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) 1）JPEG標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)述

19、有三種壓縮系統(tǒng)：(1）基線編碼系統(tǒng)：面向大多數(shù)有損壓縮的應(yīng)用，采 用DCT變換壓縮。（2）擴(kuò)展編碼系統(tǒng)：面向遞進(jìn)式應(yīng)用，從低分辨率到高分 辨率逐步遞進(jìn)傳遞的應(yīng)用.（3）獨(dú)立編碼系統(tǒng)：面向無(wú)損壓縮的應(yīng)用，采用無(wú)損預(yù)測(cè)壓縮，符號(hào)編碼采用哈夫曼或算術(shù)編碼。 一個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)必須包括對(duì)基線系統(tǒng)的支持. 2) JPEG壓縮流程,3. 運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) 1)連續(xù)幀圖像的定義: 由多幅尺寸相同的靜止圖像組成的圖像序列，被稱為連續(xù)幀圖像。與靜止幀圖像相比，連續(xù)幀圖像多了一個(gè)時(shí)間軸，成為三維信號(hào)，因此連續(xù)幀圖像也被稱為三維圖像。 2）連續(xù)幀圖像壓縮的基本思想 基于如下基本假設(shè)：在各連續(xù)幀之間存在簡(jiǎn)單的相關(guān)性平移運(yùn)

20、動(dòng)。 一個(gè)特定畫(huà)面上的像素量值： (1)可以根據(jù)同幀附近像素來(lái)加以預(yù)測(cè)，被稱為：幀內(nèi)編碼技術(shù) (2)可以根據(jù)附近幀中的像素來(lái)加以預(yù)測(cè)，被稱為：幀間編碼技術(shù),連續(xù)幀圖像壓縮的基本思想 通過(guò)減少幀間圖像數(shù)據(jù)冗余，來(lái)達(dá)到減少數(shù)據(jù)量、壓縮連續(xù)幀圖像體積的目的 將連續(xù)幀圖像序列，分為參考幀和預(yù)測(cè)幀，參考幀用靜止圖像壓縮方法進(jìn)行壓縮，預(yù)測(cè)幀對(duì)幀差圖像進(jìn)行壓縮 由于幀差圖像的數(shù)據(jù)量大大小于參考幀的數(shù)據(jù)量，從而可以達(dá)到很高的壓縮比,3) 幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)編碼技術(shù) 幀間預(yù)測(cè)編碼,向前預(yù)測(cè) 雙向預(yù)測(cè),I 幀 : 不進(jìn)行預(yù)測(cè)、進(jìn)行幀內(nèi)編碼的編碼幀（參考幀）; P幀:通過(guò)向前預(yù)測(cè)得到的誤差編碼幀; B幀:通過(guò)雙向預(yù)測(cè)得到的誤差編碼幀.因圖像序列存放在存儲(chǔ)器中，可以使用下一幀.,編碼中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償概念：以對(duì)幀間運(yùn)動(dòng)的估算為基礎(chǔ)的，若物體均在空間上有一位移，那么用有限的運(yùn)動(dòng)參數(shù)來(lái)對(duì)幀間的運(yùn)動(dòng)加以描述，如對(duì)于像素的平移運(yùn)動(dòng)，可用運(yùn)動(dòng)矢量來(lái)描述。 一個(gè)來(lái)自前一編碼幀的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)像素，就能給出一個(gè)當(dāng)前像素的最佳預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)誤差和運(yùn)動(dòng)矢量一同參與編碼。 由于一些運(yùn)動(dòng)矢量之間的空間相關(guān)性通常較高，因此，一個(gè)像素的運(yùn)動(dòng)矢量，可以代表一個(gè)相鄰像素塊的運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)中，畫(huà)面一般劃分成一些不連接的像素塊(在MP