1、第6章 圖像編碼o 圖像壓縮與編碼基本概念o 哈夫曼編碼o 香農(nóng)-范諾編碼o 行程編碼o 算術(shù)編碼o 變換編碼o 靜止圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)-JPEGo 靜止圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)-JPEG2000o 運動圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)-MPEG第六章 圖像編碼第6章 圖像編碼 一一.圖像壓縮與編碼基本概念圖像壓縮與編碼基本概念 為什么要進(jìn)行圖像壓縮 圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性 常見的數(shù)據(jù)冗余 圖像壓縮的目的 圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的重要指標(biāo) 圖像編碼中的保真度準(zhǔn)則 常用的壓縮編碼方法 圖像壓縮模型返回第6章 圖像編碼1.為什么要進(jìn)行圖像壓縮？ 數(shù)字圖像通常要求很大的比特數(shù)，這給圖像的傳輸和存儲帶來相當(dāng)大的困難。要占用很多的資源，

2、花很高的費用。 如一幅512x512的灰度圖象的比特數(shù)為 512x512x8= 再如一部90分鐘的彩色電影，每秒放映24幀。把它數(shù)字化，每幀512x512像素，每像素的 、 、三分量分別占8 bit，總比特數(shù)為第6章 圖像編碼 90 x60 x24x3x512x512=。 如一張CD光盤可存600兆字節(jié)數(shù)據(jù)，這部電影光圖像（還有聲音）就需要張CD光盤用來存儲。 對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮顯得非常必要。 返回第6章 圖像編碼2.圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性 一般原始圖像中存在很大的冗余度。 用戶通常允許圖像失真。 當(dāng)信道的分辨率不及原始圖像的分辨率時，降低輸入的原始圖像的分辨率對輸出圖像分辨率影響不大。 用戶對

3、原始圖像的信號不全都感興趣，可用特征提取和圖像識別的方法，丟掉大量無用的信息。提取有用的信息，使必須傳輸和存儲的圖像數(shù)據(jù)大大減少。 返回第6章 圖像編碼3.常見的數(shù)據(jù)冗余例：如果用8位表示該圖像的像素，我們就說該圖像存在著編碼冗余，因為該圖像的像素只有兩個灰度，用一位即可表示。第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼返回第6章 圖像編碼4.圖像壓縮的目的 圖像數(shù)據(jù)壓縮的目的是在滿足一定圖像質(zhì)量條件下，用盡可能少的比特數(shù)來表示原始圖像，以提高圖像傳輸?shù)男屎蜏p少圖像存儲的容量。在信息論中稱為信源編碼。 圖像從結(jié)構(gòu)上大體上可分為兩大類，一類是具有一定圖形特征的結(jié)構(gòu)，另一類是具有一定概率統(tǒng)計特性的結(jié)構(gòu)。 基

4、于不同的圖像結(jié)構(gòu)特性，應(yīng)采用不同的壓縮編碼方法。返回第6章 圖像編碼5.圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的重要指標(biāo)（1）壓縮比：圖像壓縮前后所需的信息存儲量之比，壓縮比越大越好。（2）壓縮算法：利用不同的編碼方式，實現(xiàn)對圖像的數(shù)據(jù)壓縮。（3）失真性：壓縮前后圖像存在的誤差大小。第6章 圖像編碼 全面評價一種編碼方法的優(yōu)劣，除了看它的、和以外，還要看它的，是否。 常采用混合編碼的方案，以求在性能和經(jīng)濟(jì)上取得折衷。 隨著計算方法的發(fā)展，使許多高效而又比較復(fù)雜的編碼方法在工程上有實現(xiàn)的可能。返回第6章 圖像編碼6.圖像編碼中的保真度準(zhǔn)則 圖像信號在編碼和傳輸過程中會產(chǎn)生誤差，尤其是在有損壓縮編碼中，產(chǎn)生的誤差應(yīng)在允

5、許的范圍之內(nèi)。在這種情況下，保真度準(zhǔn)則可以用來衡量編碼方法或系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣。通常，這種衡量的尺度可分為客觀保真度準(zhǔn)則和主觀保真度準(zhǔn)則。第6章 圖像編碼(1) (1) 客觀保真度準(zhǔn)則客觀保真度準(zhǔn)則 通常使用的客觀保真度準(zhǔn)則有輸入圖像和輸出圖像的均方根誤差；輸入圖像和輸出圖像的均方根信噪比兩種。 均方根誤差: 設(shè)輸入圖像是由NN個像素組成，令其為f (x ,y)，其中x ,y=0,1,2,N-1。這樣一幅圖像經(jīng)過壓縮編碼處理后，送至受信端，再經(jīng)譯碼處理，重建原來圖像，這里令重建圖像為g (x ,y)。它同樣包含NN個像素，并且x ,y=0,1,2,N-1。第6章 圖像編碼在0,1,2,N-1范圍內(nèi)

6、x,y的任意值，輸入像素和對應(yīng)的輸出圖像之間的誤差可用下式表示：),(),(),(yxfyxgyxe而包含NN像素的圖像之均方誤差為:1010222),(1NxNyyxeNe101022),(),(1NNNNyxfyxgN由式可得到均方根誤差為2/12eerms第6章 圖像編碼 如果把輸入、輸出圖像間的誤差看作是噪聲，那么，重建圖像g(x,y)可由下式表示：),(),(),(yxeyxfyxg在這種情況下，另一個客觀保真度準(zhǔn)則重建圖像的均方信噪比如下式表示：10102101021010210102),(),(),( ),(),()(NxNyNxNyNxNyNxNymsyxfyxgyxgyxey

7、xgNS第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼KkkkppH12logKkkkpBR1%100RH第6章 圖像編碼 1tRNMbpsRdr第6章 圖像編碼均方根信噪比為:211010210102),(),(),()NS( NxNyNxNyrmsyxfyxgyxg第6章 圖像編碼(2) (2) 主觀保真度準(zhǔn)則主觀保真度準(zhǔn)則 圖像處理的結(jié)果,大多是給人觀看，由研究人員來解釋的，因此，圖像質(zhì)量的好壞，既與圖像本身的客觀質(zhì)量有關(guān)，也與視覺系統(tǒng)的特性有關(guān)。 有時候，客觀保真度完全一樣的兩幅圖像可能會有完全不相同的視覺質(zhì)量，所以又規(guī)定了主觀保真度準(zhǔn)則，這種方法是把圖像顯示給觀察者，然后把評價結(jié)果加以平均，以此來

8、評價一幅圖像的主觀質(zhì)量。 另外一種方法是規(guī)定一種絕對尺度，如：第6章 圖像編碼 1) 優(yōu)秀高質(zhì)量圖像； 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)量非常之差,無法觀看。第6章 圖像編碼圖像壓縮技術(shù)無損壓縮有損壓縮哈夫曼編碼行程編碼算術(shù)編碼有損預(yù)測編碼 變換編碼 其他編碼二.常用的壓縮編碼方法第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼返回第6章 圖像編碼1.圖像的壓縮模型第6章 圖像編碼源數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)編碼編碼通道通道編碼編

9、碼通道通道通道通道解碼解碼源數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)解碼解碼第6章 圖像編碼映射器映射器量化器量化器符號符號編碼器編碼器符號符號解碼器解碼器反向反向映射器映射器第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼2.哈夫曼編碼 哈夫曼編碼是一種利用信息符號概率分布特性的變字長的編碼方法。對于出現(xiàn)概率大的信息符號編以短字長的碼，對于出現(xiàn)概率小的信息符號編以長字長的碼。 第6章 圖像編碼i. 將信源符號按出現(xiàn)概率從大到小排成一列，然后把最末兩個符號的概率相加，合成一個概率。ii. 把這個符號的概率與其余符號的概率按從大到小排列，然后再把最末兩個符號的概率加起來，合成一個概率。 iii.重復(fù)上述做法，直到最后剩下兩個概率為止。iv.

10、從最后一步剩下的兩個概率開始逐步向前進(jìn)行編碼。每步只需對兩個分支各賦予一個二進(jìn)制碼，如對概率大的賦予碼0，對概率小的賦予碼1。第6章 圖像編碼輸入S1S2S3S4S5S6輸入概率0.40.30.10.10.060.04第6章 圖像編碼輸入S1S2S3S4S5S6輸入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第6章 圖像編碼輸入S1S2S3S4S5S6輸入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第6章 圖像編碼輸入S1S2S3S4S5S6輸入概率0.40.30.10.10.060.04第一

11、步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第6章 圖像編碼輸入S1S2S3S4S5S6輸入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.4第6章 圖像編碼輸入S1S2S3S4S5S6輸入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101第6章 圖像編碼輸入S1S2S3S4S5S6輸入概率0.40.30.10.10.060.04第

12、一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101S1=1第6章 圖像編碼輸入S1S2S3S4S5S6輸入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101S2=00第6章 圖像編碼輸入S1S2S3S4S5S6輸入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101S3=011第6

13、章 圖像編碼輸入S1S2S3S4S5S6輸入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101S4=0100第6章 圖像編碼輸入S1S2S3S4S5S6輸入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101S5=01010第6章 圖像編碼輸入S1S2S3S4S5S6輸入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步

14、0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101S6=01011第6章 圖像編碼編碼舉例cbafe7/227/225/225/224/224/222/222/2201f=11 e=01 a=00 b=101 c=1001 d=1000d1/221/223/223/226/226/2222/2222/2213/2213/229/229/223/223/2210101010返回第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼 對不同概率分布的信源，哈夫曼編碼的編碼效率對不同概率分布的信源，哈夫曼編碼的編碼效率有所差別。根據(jù)信息論中信源編碼理論，對于二有所差別。根據(jù)信息論中信源

15、編碼理論，對于二進(jìn)制編碼，當(dāng)信源概率為進(jìn)制編碼，當(dāng)信源概率為2 2的負(fù)冪次方時，哈夫曼的負(fù)冪次方時，哈夫曼編碼的編碼效率可達(dá)編碼的編碼效率可達(dá)100%100%，其平均碼字長度也很短，其平均碼字長度也很短. . 信源概率為均勻分布時，信源概率為均勻分布時， 其編碼效果明顯降低。其編碼效果明顯降低。在上表中，顯然，第二種情況的概率分布也服從在上表中，顯然，第二種情況的概率分布也服從2 2的負(fù)冪次方，故其編碼效率的負(fù)冪次方，故其編碼效率也可以達(dá)到也可以達(dá)到100%100%， 但但由于它服從均勻分布，其熵最大，平均編碼長度很大，由于它服從均勻分布，其熵最大，平均編碼長度很大，因此從其他指標(biāo)看（如壓縮比

16、因此從其他指標(biāo)看（如壓縮比r r），其編碼效率最），其編碼效率最低。也就是說，在信源概率接近于均勻分布時，一般低。也就是說，在信源概率接近于均勻分布時，一般不使用哈夫曼編碼。不使用哈夫曼編碼。 第6章 圖像編碼作業(yè)：1.有如下信源x， X 其中：P10.21, P20.09, P30.11, P40.13, P50.07, P60.12, P70.08, P80.19。將該信源進(jìn)行哈夫曼編碼。第6章 圖像編碼2. 設(shè)一幅灰度級為8（分別用S0、S1、S2、S3、S4、S5、 S6、S7表示）的圖像中，各灰度所對應(yīng)的概率分別為0.40、0.18、 0.10、 0.10、 0.07、 0.06、

17、0.05、0.04。現(xiàn)對其進(jìn)行哈夫曼編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼iiipNp22log1log(6-1)第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼11121021031020100iiiipPppppPpppPppPpPP第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼702logkkkppH55. 2KkkkpBR1第6章 圖像編碼17. 304. 0505. 0506. 0507. 0410. 0410. 0418. 0340. 02效率為： %4 .8017. 355. 2%100RH信息冗余度為: %6 .191第6章 圖像編碼3. 行程編

18、碼第6章 圖像編碼長度顏色值編碼時采用從左到右，從上到下的排列，每當(dāng)遇到一串相同數(shù)據(jù)時就用該數(shù)據(jù)及重復(fù)次數(shù)代替原來的數(shù)據(jù)串。000000003333333333222222222226666666111111111111111111111111555555555555888888888888888888555555555555553333222222222222222222(0,8) (3,10) (2,11) (6,7)(1,18) (1,6) (5,12) (8,18)(5,14) (3,4) (2,18)18*7的像素顏色僅用的像素顏色僅用11對數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼

19、第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼PCX的RLE壓縮算法第6章 圖像編碼5) 重復(fù)像素長度iC最大值為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。6) 如果遇到不重復(fù)的單個像素P：如果P (0,1)-(1, 0)-(2,0)-q 將量子化的矩陣按Zig-Zag順序排列q 將原始數(shù)列轉(zhuǎn)換為差值數(shù)列q 對差值數(shù)列進(jìn)行編碼，可以使用Huffman編碼、算術(shù)編碼或熵編碼等方法第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼五.靜止圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000第6章 圖像編碼熵編碼預(yù)處理前向DC電平位移前向分量變換前向小波變換量化嵌入式碼塊編碼

20、分層組織嵌入式碼塊位流碼率控制 JPEG2000編碼器熵解碼反向量化反向小波變換反向分量變換反向DC電平位移 JPEG2000解碼器第6章 圖像編碼n將由多個顏色分量組成的圖像分解成單一顏色分量的圖像。分量間具有相關(guān)性，通過分解分量，可以減少數(shù)據(jù)冗余；n分量圖像被分解成大小統(tǒng)一的矩形片（圖像片）。圖像片是進(jìn)行變換和編解碼的基本單元；n對每一個圖像片進(jìn)行小波變換，產(chǎn)生多級系數(shù)圖像，這些不同級數(shù)的系數(shù)的圖像可以重構(gòu)出不同分辨率的圖像；n多級分解的結(jié)果是由小波系數(shù)組成的多個子帶，他們表示圖像片中局部區(qū)域的頻率特性；n對系數(shù)子帶進(jìn)行量化，并且組成矩形數(shù)組的“碼塊”；第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6

21、章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼六.運動圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼 MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)是由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO與國際電工 委 員 會 I E C 共 同 制 定 的 ， 標(biāo) 準(zhǔn) 的 編 號 是ISO/IEC/11172，標(biāo)準(zhǔn)的題目是“碼流速率約為l.5Mb/s時，用于數(shù)字存儲媒體的活動圖像及其伴音的編碼”。 第6章 圖像編碼第6章 圖像編碼 為了在高速網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下（如ATM）提供高比特率、高質(zhì)量的視頻應(yīng)用,ISO下屬的MPEG委

22、員會在1994年又發(fā)布了MPEG2.MPEG2是一種高質(zhì)量視頻的編碼標(biāo)準(zhǔn),也稱為廣播電視的視頻編標(biāo)準(zhǔn).ISO和IEC在制定MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)時,已經(jīng)開始考慮MPFG2和MPEG3. MPEG2是作為一個傳輸標(biāo)準(zhǔn)制定的,同時也是MPEG-1的兼容擴(kuò)展,它能廣泛應(yīng)用于各種速率（220Mb/s）和各種分辨率.同MPEG1相比,在完全引用了MPEG1基于DCT變換和運動補(bǔ)償幀間雙向預(yù)測的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,作了許多擴(kuò)展.人們對MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)在質(zhì)量與應(yīng)用方面提出了許多要求,希望能包括視頻通信的各個領(lǐng)域. 如:第6章 圖像編碼（1）MPEG-2的視頻圖像格式達(dá)到720480，碼率達(dá)到 10Mb/s。（2）支持多點電視會議（Multipoint Video Conferencing）。（3）支持工作站視窗顯示（Wind