1、第九章 圖像的編碼技術3.1 研究背景一、信息傳輸方式發生了很大的改變Ú 通信方式的改變文字+語音à圖像+文字+語音Ú 通信對象的改變人與人à人與機器，機器與機器二、圖像傳輸與存儲需要的信息量空間 Ú 圖像的傳輸與存儲中，問題最多的，也是最常用的包括了數字視頻信號和傳真信號。Ú 下面我們對其分別進行討論。1. 彩色視頻信息Ú 對于電視畫面的分辨率640*480的彩色圖像，每秒30幀，則一秒鐘的數據量為： 640*480*24*30=221.12M Ú 所以播放時，需要221Mbps的通信回路。ÚÚ

2、; 實時傳輸： 在寬帶網上（10M）實時傳輸的話，需要壓縮到原來數據量的0.045。 即0.36bit/pixel。Ú 存儲： 1張CD可存640M 如果不進行壓縮，1張CD則僅可以存放2.89秒的數據。 存2小時的信息則需要壓縮到原來數據量的0.0004,即：0.003bit/pixel。2.傳真Ú 如果只傳送2值圖像，以200dpi的分辨率傳輸，一張A4稿紙的數據量為： 1654*2337*1=3888768bit Ú 按目前14.4K的電話線傳輸速率，需要傳送的時間是：270秒（4.5分）Ú 按每分鐘4元計算：18元 ÚÚ 由于

3、通信方式和通信對象的改變帶來的最大問題是： 傳輸帶寬、速度、存儲器容量的限制。Ú 給我們帶來的一個難題，也給了我們一個機會： 如何用軟件的手段來解決硬件上的物理極限。圖像通信系統模型3.2 數據冗余的概念3.4 圖像中數據冗余壓縮原理Ú 由于一幅圖像存在數據冗余和主觀視覺冗余，我們的壓縮方式就可以從這兩方面著手開展。Ú 因為有數據冗余，當我們將圖像信息的描述方式改變之后，可以壓縮掉這些冗余。Ú 因為有主觀視覺冗余，當我們忽略一些視覺不太明顯的微小差異，可以進行所謂的“有損”壓縮。3.5 圖像的壓縮編碼Ú 第一代壓縮編碼八十年代以前，主要是根據傳

4、統的信源編碼方法。Ú 第二代壓縮編碼 八十年代以后，突破信源編碼理論，結合分形、模型基、神經網絡、小波變換等數學工具，充分利用視覺系統生理心理特性和圖像信源的各種特性。3.6 行程編碼(RLE編碼)Ú 行程編碼是一種最簡單的，在某些場合是非常有效的一種無損壓縮編碼方法。Ú 雖然這種編碼方式的應用范圍非常有限，但是因為這種方法中所體現出的編碼設計思想非常明確，所以在圖像編碼方法中都會將其作為一種典型的方法來介紹。 3.6.1 行程編碼的基本原理Ú 通過改變圖像的描述方式，來實現圖像的壓縮。Ú 將一行中灰度值相同的相鄰像素，用一個計數值和該灰度值來

5、代替。3.6.2 行程編碼方法Ú 舉例說明： aaaa bbb cc d eeeee fffffff (共22*8=176 bits) à 4a3b2c1d5e7f (共12*8=96 bits) 壓縮率為：96/176=54.5%Ú 傳真件中一般都是白色比較多，而黑色相對比較少。所以可能常常會出現如下的情況： 600W 3b 570w 12b 4w 3b 3000w 上面的行程編碼所需用的字節數為： 因為：2048<3000<4096 所以：計數值必須用12 bit來表示 對于： 600W 3b 570w 12b 4w 3b 3000w 需要的數據量

6、為： 12*7=84 bit因為只有白或黑，而且排版中一定要留出頁邊距，所以可以只傳輸計數值即可。ÚÚ 現在我們就希望對其進行改善 既然已經可以預制知白色多黑色少，可以對白色和黑色的計數值采用不同的位數。 以這個例子，可以定義： 白色：12 bit，黑色：4 bit 所需字節數為： 4*12+3*4=60bit 比原來的RLE方式96bit減少了36bit。 3.7 Huffman 編碼（熵編碼）Ú 行程編碼要獲得好的壓縮率的前提是，有比較長的相鄰像素的值是相同的。Ú 熵是指數據中承載的信息量。Ú 所謂的熵編碼是指在完全不損失信息量前提下最小數

7、據量的編碼。3.7.1 Huffman 編碼的基本原理Ú 為了達到大的壓縮率，提出了一種方法就是將在圖像中出現頻度大的像素值,給一個比較短的編碼，將出現頻度小的像數值,給一個比較長的編碼。Ú 例： aaaa bbb cc d eeeee fffffff 4 3 2 1 5 7Ú 如果不進行特殊的編碼，按照圖像像素的描述，需要的數據量為： 22*8=176 bits aaaa bbb cc d eeeee fffffff 4 3 2 1 5 7 Ú 按照熵編碼的原理進行編碼： f=0 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101

8、18; 這里的編碼規則是長短不一的異字頭碼 3.7.3 Huffman 編碼效率Ú 對這個例子，計算出經過Huffman編碼后的數據為： 1010101010001001001000100010000111111111101010101010101 共 7*2+5*2+4*2+3*3+2*4+1*4=53 bitÚ 比前面我們給出的編碼得到的60bit的數據量還小，壓縮率為30.1%。3.7.4 圖像壓縮中的Huffman 編碼Ú Huffman編碼在圖像壓縮中的實現 我們知道，對一幅圖像進行編碼時，如果圖像的大小大于256時，這幅圖像的不同的碼字就有可能是很大，

9、例如極限為256個不同的碼字。 這時如果采用全局Huffman編碼則壓縮效率不高。甚至與原來的等長編碼的數據量相同。 ÚÚ 常用的且有效的方法是： 將圖像分割成若干的小塊，對每塊進行獨立的Huffman編碼。例如：分成 的子塊，就可以大大降低不同灰度值的個數（最多是64而不是256）。8*8分塊的編碼效率為47.27%16*16分塊的編碼效率約為61%全圖的編碼效率為91.47%3.8 DCT離散余弦變換變換編碼Ú 問題的提出： 行程編碼與Huffman編碼的設計思想都是基于對信息表述方法的改變，屬于無損壓縮方式。 雖然無損壓縮可以保證接收方獲得的信息與發送方相同

10、，但是其壓縮率一定有一個極限。因此，采用忽略視覺不敏感的部分進行有損壓縮是提高壓縮率的一條好的途徑。 Ú DCT變換編碼的設計思想： DCT變換是希望在接收方不產生誤解的前提下進行一定的信息丟失。 由前面所講到的頻域變換得到的啟示，就是將低頻與高頻部分的信息，分別按照不同的數據承載方式進行表述。3.9 混合編碼Ú 設計思想： 每一種編碼方式都有其擅長的一點，以及局限的一點，混合編碼的思想就是將兩種以上的編碼方式的優點進行綜合，達到提高編碼效率的目的。Ú 混合編碼實現的可能性及有效性分析回顧一下講過的幾個內容的特點：1）行程編碼： 擅長于重復數字的壓縮。2）Huffman編碼：擅長于像素個數分布不均勻情 況下的編碼。3）DCT變換： 擅長分離視覺敏感與不敏感的 部分。Ú 例： aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 行程編碼：4a3b2c1d5e7f (共6*（8+3）= 66Bits )176 => 66 aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 Huffman編碼： f=01 e=11 a=10 b=001 c=0