第六章 圖像編碼

第六章圖像編碼 6 1概述6 2基本理論6 3霍夫曼編碼6 4無損預測編碼6 5有損預測編碼6 6變換編碼6 7圖像壓縮標準 6 1概述 一 圖像壓縮編碼必要性容量很大 存儲 處理和傳輸困難 二 圖像壓縮編碼的可能性1 相鄰象素 幀對應象素 間相關(guān)性大 冗余大 2 利用人的視覺特性 人眼分辨率有限等 如電視 中隔行掃描 3 從信息論角度 消除 減少 圖像信息中的冗余 無用和重復 數(shù)據(jù) 6 1概述 三 圖像壓縮編碼1 數(shù)據(jù)壓縮 對給定量信息 設法減少表達這些信息的數(shù)據(jù)量 2 方法 壓縮掉冗余數(shù)據(jù) 統(tǒng)計角度 將原圖轉(zhuǎn)化為盡可能不相關(guān)數(shù)據(jù)集 3 圖像編碼 對圖像信息進行壓縮編碼 在存儲 處理和傳輸前進行 4 圖像解碼 對壓縮圖像進行解壓以重建原圖或其近似圖像稱為圖像解碼 6 1概述 四 圖像壓縮方法分類不同目的 不同應用等有不同分類方法 常按壓縮前及解壓后的保真程度分類 1 信息保持 存 型減少或去除冗余數(shù)據(jù) 同時保持信息不變 即壓縮 解壓中無信息損失 也稱無失真 無損 可逆型 多用于圖像存檔 目前壓縮率CR 2 10 6 1概述 2 信息損失型以犧牲部分信息為代價 來獲取高壓縮率 也稱有損壓縮 解壓后得到原圖像之近似 3 特征抽取法在圖像分析 分類與識別中 僅對于實際需要的 提取 特征信息進行編碼 可大大壓縮數(shù)據(jù)量 實際屬于信息損失型 6 1概述 根據(jù)壓縮編碼基于的理論可分為 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 小波變換等數(shù)學工具 充分利用視覺系統(tǒng)生理心理特性和圖像信源的各種特性 6 1概述 6 1概述 6 2基本理論 一 數(shù)據(jù)冗余 一 概念1 數(shù)據(jù)是信息的載體 2 數(shù)據(jù)冗余 代表無用信息或重復表示了其他數(shù)據(jù)已表示的信息的數(shù)據(jù) 3 數(shù)學表示 1 壓縮率 比 CR n1 n2 6 2基本理論 2 相對數(shù)據(jù)冗余 RD 1 1 CR例 CR 20 RD 19 20 二 圖像壓縮中的3種冗余編碼冗余像素冗余視覺心理冗余 6 2基本理論 編碼冗余 如果一個圖像的灰度級編碼 使用了多于實際需要的編碼符號 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 6 2基本理論 像素冗余 由于任何給定的像素值 原理上都可以通過它的鄰居預測到 單個像素攜帶的信息相對是小的 對于一個圖像 很多單個像素對視覺的貢獻是冗余的 這是建立在對鄰居值預測的基礎(chǔ)上 例 原圖像數(shù)據(jù) 234223231238235壓縮后數(shù)據(jù) 234 1 27 3 6 2基本理論 視覺心理冗余 一些信息在一般視覺處理中比其它信息相對重要程度要小 這種信息就被稱為視覺心理冗余 6 2基本理論 去掉視覺冗余的過程稱為量化 它是信息損失型 第二代編碼方法就是基于心理視覺冗余 電視廣播中的隔行掃描就是常見的例子 三 結(jié)論1 因為存在數(shù)據(jù)冗余 改變信息描述方法 可壓縮掉這些冗余 2 因為視覺冗余 忽略一些視覺不太明顯的微小差異 可進行所謂的 有損壓縮 6 2基本理論 二 圖像保真度保真度標準 評價壓縮算法的標準客觀保真度標準主觀保真度標準 6 2基本理論 客觀保真度標準如果信息丟失的級別 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) 這個函數(shù)就被稱為客觀保真度標準 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) 6 2基本理論 兩個圖像之間的總誤差 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 2x 0y 0 6 2基本理論 輸出圖的均方信噪比SNRms為 如果令fmax max f x y x 0 1 M 1 y 0 1 N 1 即圖像中的灰度最大值 則可得到另一個常用的準則峰值信噪比PSNR 6 2基本理論 主觀保真度標準通過視覺比較兩個圖像 給出一個定性的評價 如很粗 粗 稍粗 相同 稍好 較好 很好 這種評價被稱為主觀保真度標準 6 2基本理論 三 圖像編解碼過程 圖像編解碼過程 6 2基本理論 四 無失真信源編碼定理信源中符號的編碼長度的平均碼長下限是信源的熵 這一結(jié)論對于圖像信源同樣實用 6 3霍夫曼編碼 霍夫曼編碼 1 基本思想通過減少編碼冗余來達到壓縮的目的 基本思想是統(tǒng)計一下符號的出現(xiàn)概率 建立一個概率統(tǒng)計表 將最常出現(xiàn) 概率大的 的符號用最短的編碼 最少出現(xiàn)的符號用最長的編碼 6 3霍夫曼編碼 霍夫曼編碼 2 算法實現(xiàn)首先求出圖像中灰度分布的灰度直方圖 根據(jù)該直方圖 對其按照分布概率從小到大的順序進行排列 每一次從中選擇出兩個概率為最小的節(jié)點相加 形成一個新的節(jié)點 構(gòu)造一個稱為 Huffman樹 的二叉樹 對這個二叉樹進行編碼 就獲得了Huffman編碼碼字 6 3霍夫曼編碼 例如 aaaabbbccdeeeeefffffff分布為 a 4 22b 3 22c 2 22d 1 22e 5 22f 7 22排序為 d c b a e f1 222 223 224 225 227 22 f 7 22 5 22 4 22 2 22 1 0 f 11e 01a 00b 101c 1001d 1000 1 22 3 22 6 22 22 22 13 22 9 22 3 22 1 0 1 0 1 0 1 0 6 3霍夫曼編碼 6 3霍夫曼編碼 霍夫曼編碼靜態(tài)編碼在壓縮之前就建立好一個概率統(tǒng)計表和編碼樹 算法速度快 但壓縮效果不是最好動態(tài)編碼對每一個圖像 臨時建立概率統(tǒng)計表和編碼樹 算法速度慢 但壓縮效果最好 6 4無損預測編碼 無損預測編碼 1 編碼思想a 去除像素冗余 b 認為相鄰像素的信息有冗余 當前像素值可以用以前的像素值來獲得 c 用當前像素值fn 通過預測器得到一個預測值 fn 對當前值和預測值求差 對差編碼 作為壓縮數(shù)據(jù)流中的下一個元素 由于差比原數(shù)據(jù)要小 因而編碼要小 可用變長編碼 大多數(shù)情況下 fn的預測是通過m個以前像素的線性組合來生成的 6 4無損預測編碼 即 mfn round ifn i i 1在一維線性 行預測 預測編碼中 預測器為 mfn x y round if x y i i 1round為取最近整數(shù) i為預測系數(shù) 可為1 m y是行變量 d 前m個像素不能用此法編碼 可用哈夫曼編碼 6 4無損預測編碼 6 4無損預測編碼 舉例 mfn round ifn i i 1F 154 159 151 149 139 121 112 109 129 m 2 1 2預測值f2 1 2 154 159 156e2 151 156 5f3 1 2 159 151 155e3 149 155 6f4 1 2 151 149 150e4 139 150 11f5 1 2 149 139 144e5 121 144 23f6 1 2 139 121 130e6 112 130 18f7 1 2 121 112 116e6 109 116 7f8 1 2 112 109 110e6 129 110 19 6 4無損預測編碼 無損預測編碼2 編碼第一步 壓縮頭處理第二步 對每一個符號 f x y 由前面的值 通過預測器 求出預測值 f x y 第三步 求出預測誤差e x y f x y f x y 第四步 對誤差e x y 編碼 作為壓縮值 重復二 三 四步 6 4無損預測編碼 無損預測編碼編碼 符號編碼 預測器 最接近的整數(shù) 壓縮圖像 輸入圖像 en fn fn 6 4無損預測編碼 無損預測編碼3 解碼第一步 對頭解壓縮第二步 對每一個預測誤差的編碼解碼 得到預測誤差e x y 第三步 由前面的值 得到預測值 f x y 第四步 誤差e x y 與預測值 f x y 相加 得到解碼f x y 重復二 三 四步 6 4無損預測編碼 無損預測編碼解碼 符號解碼 預測器 解壓縮圖像 壓縮圖像 en fn fn 6 5有損預測編碼 有損壓縮引言有損壓縮是通過犧牲圖像的準確率來達到加大壓縮率的目的 如果我們?nèi)萑探鈮嚎s后的結(jié)果中有一定的誤差 那么壓縮率可以顯著提高 有損壓縮方法在圖像壓縮比大于30 1時仍然能夠重構(gòu)圖像 而如果壓縮比為10 1到20 1 則重構(gòu)的圖像與原圖幾乎沒有差別無損壓縮的壓縮比很少有能超過3 1的 這兩種壓縮方法的根本差別在于有沒有量化模塊 6 5有損預測編碼 源數(shù)據(jù)編碼與解碼的模型 復習 源數(shù)據(jù)編碼的模型源數(shù)據(jù)解碼的模型 符號解碼器 反向映射器 映射器 量化器 符號編碼器 6 5有損預測編碼 量化器基本思想 減少數(shù)據(jù)量的最簡單的辦法是將圖像量化成較少的灰度級 通過減少圖像的灰度級來實現(xiàn)這種量化是不可逆的 因而解碼時圖像有損失 s t s1 s2 s3 t1 t2 t3 如果輸入是256個灰度級 對灰度級量化后輸出 只剩下4個層次 數(shù)據(jù)量被大大減少 6 5有損預測編碼 有損預測的基本思想對無損預測壓縮的誤差進行量化 通過消除視覺心理冗余 達到對圖像進一步壓縮的目的 算法的演變a 無損預測壓縮的基礎(chǔ)是 原圖像值fn與預測值 fn之間的誤差en 有公式 en fn fn解碼與編碼使用相同的預測器 6 5有損預測編碼 編碼en fn fn 符號編碼 預測器 最接近的整數(shù) 壓縮圖像 輸入圖像 en fn fn m fn x y round if x y i i 1 mi 1 6 5有損預測編碼 解碼fn en fn 符號解碼 預測器 解壓縮圖像 壓縮圖像 en fn fn 6 5有損預測編碼 算法的演變b 有損預測的演變 將en量化 n Q en 用 fn n fn近似fn編碼 n Q fn fn 解碼 fn n fn 6 5有損預測編碼 有損預測編碼 n Q fn fn 符號編碼 預測器 壓縮圖像 輸入圖像 en fn fn 量化器 n 6 5有損預測編碼 有損預測解碼 fn n fn 符號解碼 預測器 解壓縮圖像 壓縮圖像 fn fn n 6 5有損預測編碼 有損預測編碼上述方案的壓縮編碼中 預測器的輸入是fn 而解壓縮中的預測器的輸入是 fn 要使用相同的預測器 編碼方案要進行修改 6 5有損預測編碼 修改后的有損預測編碼 n Q fn fn 符號編碼 預測器 壓縮圖像 輸入圖像 en fn fn 量化器 n fn fn n fn 6 5有損預測編碼 DM Deltamodulation 有損預測編碼量化器和預測器的定義 量化器 en 0 是一個正常數(shù) 其它 en用1位編碼預測器 fn fn 1 一般是一個小于1的預測系數(shù) en 5 5有損預測編碼 DM Deltamodulation 有損預測編碼量化器 6 5 6 5 e e 6 5有損預測編碼 DM Deltamodulation 有損預測編碼舉例 1 6 5輸入編碼解碼誤差nf fe e f f ff f014 14 0 14 00 011514 01 06 520 514 020 5 5 521420 5 6 5 6 514 020 514 00 031514 01 06 520 514 020 5 5 5 142920 58 56 527 020 527 02 0153727 010 06 533 527 033 53 5164733 513 56 540 033 540 07 0176240 022 06 546 540 046 515 5 6 5有損預測編碼 DM Deltamodulation 有損預測編碼舉例 1 6 5計算 n 0 f0 f0 14 n 1 f1 1 14 14 e1 15 14 1 e1 6 5 因為e1 0 f1 6 5 14 20 5 重構(gòu)結(jié)果 f1 f1 15 20 5 5 5 重構(gòu)誤差 6 5有損預測編碼 DM Deltamodulation 有損預測編碼算法分析 粒狀噪音 溢出過載 6 5有損預測編碼 DM Deltamodulation 有損預測編碼算法分析在n 14到19變化快的區(qū)域 太小以至不能表示輸入的最大的變化 發(fā)生一個被稱為溢出過載的失真 在n 0到7相對平滑的區(qū)域 太大以至不能表示輸入的最小變化 出現(xiàn)了粒狀噪音 在大多數(shù)圖像中 這兩種現(xiàn)象導致對象邊緣的鈍化和平滑區(qū)域表面粒狀的失真 6 5有損預測編碼 DM Deltamodulation 有損預測編碼算法分析在所有有損預測壓縮中都會出現(xiàn)誤差 誤差的嚴重程度取決于使用的量化方法和預測方法之間的相互作用 盡管存在這種相互作用 定義預測函數(shù)時仍然假定沒有量化誤差 而定義量化函數(shù)時僅是盡可能地降低它自身的誤差 即量化函數(shù)和預測函數(shù)是分別定義的 6 6變換編碼 變換編碼的基本思想 1 用一個可逆的 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 然后對該系數(shù)集合進行量化和編碼 3 對于大多數(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 6 6變換編碼 變換編碼的基本思想 舉例原始圖像相應的DCT系數(shù) 52556166706164736359669010985697262596811314410466736358711221541067069676168104126886870796560707768587585716459556165838779696865767894 415 29 622555 20 137 21 62911 7 66 46877 25 30107 5 501335 15 960311 8 13 2 11 41 1013 3 102 1 4 12 12 31 2 1 1 1 2 1 10 1 6 6變換編碼 變換編碼的基本思想編碼 解碼流程 符號解碼器 逆向變換 正向變換 量化器 符號編碼器 構(gòu)造nxn的子圖 合成nxn的子圖 輸入圖像NxN 壓縮圖像 壓縮的圖像 解壓圖像 6 6變換編碼 變換編碼的基本思想構(gòu)造nxn的子圖 NxN nxn nxn nxn nxn nxn nxn 6 6變換編碼 變換編碼的基本理論變換編碼的基本原理將傅立葉逆變換表達式進行改寫 F u v 改為 T u v exp j2 ux vy n 改為 h x y u v n 1n 1有 f x y T u v h x y u v u 0v 0變換壓縮的基本思想 就是要用等式的右部近似原圖像 6 6變換編碼 變換編碼的基本理論變換編碼的基本原理進一步改寫n 1n 1F T u v Huvu 0v 0其中 1 F是一個包含了f x y 的象素的nxn的矩陣 2 Huv的值只依賴坐標變量x y u v與T u v 和f x y 的值無關(guān) 被稱為基圖像 可以在變換前一次生成 對每一個nxn的子圖變換都可以使用 6 6變換編碼 變換編碼的基本理論基圖像Hh 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 h n 1 n 1 u v 6 6變換編碼 變換編碼的基本理論變換系數(shù)截取模板函數(shù)通過定義變換系數(shù)截取模板函數(shù) 消去冗余0如果T u v 滿足一個特定的截斷標準m u v 1否則n 1n 1對于 F T u v Huvu 0v 0 11110000 11110000 11100000 11000000 10000000 00000000 00000000 00000000 6 6變換編碼 變換編碼的基本理論變換系數(shù)截取模板函數(shù)對于u v 0 1 n 1 F的一個近似 可以從截斷表達式獲得 n 1n 1 F T u v m u v Huvu 0v 0其中m u v 被構(gòu)造 用來消去對等式的總合貢獻最小的基本圖像 6 6變換編碼 實現(xiàn)變換壓縮算法的主要問題變換的選擇子圖尺寸的選擇壓縮的位分配 編碼 正向變換 量化器 符號編碼器 構(gòu)造nxn的子圖 輸入圖像NxN 壓縮圖像 6 6變換編碼 變換壓縮方法主要研究的問題變換的選擇 1 可以選擇的變換1 Karhunen Loeve變換 KLT 2 離散傅立葉變換 DFT F u v 1 N f x y exp j2 ux vy N u v 0 1 2 N 1 并且f x y F u v exp j2 ux vy N x y 0 1 2 N 1 6 6變換編碼 變換的選擇3 離散余弦變換 DCT C u v u v f x y cos 2x 1 u 2N cos 2y 1 v 2N f x y u v C u v cos 2x 1 u 2N cos 2y 1 v 2N 4 Walsh Hadamard變換 WHT 5 小波變換 6 6變換編碼 變換的選擇 2 對變換的評價按信息封裝能力排序 KLT DCT DFT WHT HaarT但KLT的基圖像是數(shù)據(jù)依賴的 每次都要重新計算Huv 因而很少使用 DFT的塊效應嚴重 常用的是DCT 已被國際標準采納 作成芯片 其優(yōu)點有 1 基本沒有塊效應2 信息封裝能力強 把最多的信息封裝在最少的系數(shù)中 6 6變換編碼 變換壓縮方法主要研究的問題子圖尺寸的選擇子圖尺寸的選擇有兩個原則 1 如果n是子圖的維數(shù) n應該是2的整數(shù)次方 為便于降低計算復雜度 2 n一般選為8x8或16x16 由實踐得到 3 隨著n的增加 塊效應相應減少 6 6變換編碼 變換壓縮方法主要研究的問題壓縮位的分配定義 截取 量化 系數(shù)編碼統(tǒng)稱為位分配解決m u v 的設計 編碼問題截取和量化一般有兩種方法 1 子帶編碼 2 閾值編碼 適應性編碼 6 6變換編碼 壓縮位的分配 1 子帶編碼基本思想 所有子圖像使用相同的編碼模板因為 大部分的信息應該包含在最大方差的變換系數(shù)中 每一個DCT變換系數(shù)被認為是一個隨機變量 該變量的分布可以在所有變換子圖像的集合上進行計算 找出取最大方差的m個系數(shù)的位置 并同時確定系數(shù)的坐標u和v 對所有子圖像 這m個系數(shù)的T u v 值是保留的 其他的T值被拋棄 其中m是一個可選常數(shù) 6 6變換編碼 1 方差本身可以直接由 N n 2個變換子圖像數(shù)組的集合計算得到 2 或者基于一個假想的圖像模型得到 3 根據(jù)最大方差的分布情況得到系數(shù)截取模板4 方差最大的地方置1 其它地方置0 11111000 11110000 11100000 11000000 10000000 00000000 00000000 00000000 消去87 5 的系數(shù)的模板為 6 6變換編碼 算法實現(xiàn) 1 計算模板 方差最大的地方置1 其它地方置02 量化系數(shù) 例如最優(yōu)Lloyd Max量化器3 結(jié)果編碼 有兩種分配二進制位的編碼方法 1 系數(shù)被賦予相同數(shù)量的二進制位 2 系數(shù)之間固定地分配一定的二進制位 6 6變換編碼 壓縮位的分配系數(shù)之間固定地分配一定的二進制位的用位模板 87643210 76543210 65433110 44332100 33321100 22111000 11100000 00000000 6 6變換編碼 壓縮位的分配 2 閾值編碼 適應性編碼 基本思想 沒有一個消取系數(shù)的固定模板 不同的子圖保留不同的系數(shù) 通過一個閾值T 來決定一個系數(shù)的去留 Ifa 系數(shù) T 閾值 m u v 1Elsem u v 0由于其簡單性 閾值編碼是實際應用中更常使用的編碼方法 6 6變換編碼 壓縮位的分配 2 閾值編碼 適應性編碼 理論根據(jù) 1 取值最大的變換系數(shù) 在重構(gòu)子圖的質(zhì)量中起的作用也最重要 2 最大系數(shù)的分布隨子圖的不同而不同 11010000 11110000 11000000 10000000 00000000 00000000 00000000 00000000 6 6變換編碼 壓縮位的分配 2 閾值編碼 適應性編碼 算法實現(xiàn)思想 a 閾值的選取 常有三種取法 1 所有子圖使用同一個全局閾值 壓縮率的大小隨圖像的不同而不同 由超過全局閾值的系數(shù)的個數(shù)所決定 6 6變換編碼 壓縮位的分配 2 閾值編碼 適應性編碼 算法實現(xiàn)思想 a 閾值的選取 常有三種取法 2 對每個子圖使用不同的閾值 每個子圖保留的系數(shù)的個數(shù)事先確定 即總保留N個最大的 稱為N 最大化編碼 對于每個子圖同樣多的系數(shù)被丟棄 因此 每個子圖的壓縮率是相同的 并且是預先知道的 6 6變換編碼 2 閾值編碼 適應性編碼 算法實現(xiàn)思想 a 閾值的選取 常有三種取法 3 閾值作為子圖系數(shù)位置的函數(shù) 所有子圖使用同一個全局閾值模板 但閾值的取值 與系數(shù)的位置相關(guān) 閾值模板給出了 不同位置上系數(shù)的相應閾值 6 6變換編碼 2 閾值編碼 適應性編碼 算法實現(xiàn)思想 b 對系數(shù)的編碼a 將系數(shù)按45度對角順序展開成序列 得到有一個有長串為零的序列 例 19 205216000000000b 用RLE編碼對上述序列編碼 6 6變換編碼 壓縮位的分配 2 閾值編碼 適應性編碼 對系數(shù)編碼的展開順序 015614152728 2471316262942 38121725304143 911182431404453 1019233239455254 2022333846515560 2134374750565961 3536484957586263 6 7圖像壓縮標準 圖像標準的制定 是在ISO 國際標準化組織 和CCITT 國際電報電話咨詢委員會 聯(lián)合組織下進行制定的標準的類型 三類 二值圖像壓縮標準 1 面向傳真而設計連續(xù)調(diào)圖像壓縮標準 靜止幀黑白 彩色壓縮 2 面向靜止的單幅圖像連續(xù)幀黑白 彩色壓縮 3 面向連續(xù)的視頻影像 6 7圖像壓縮標準 連續(xù)調(diào)圖像壓縮標準靜止幀黑白 彩色壓縮 JPEG 連續(xù)幀單色 彩色壓縮 MPEG 6 7圖像壓縮標準 JPEG標準簡述有三種壓縮系統(tǒng) 1 基線編碼系統(tǒng) 面向大多數(shù)有損壓縮的應用 采用DCT變換壓縮 2 擴展編碼系統(tǒng) 面向遞進式應用 從低分辨率到高分辨率逐步遞進傳遞的應用 3 獨立編碼系統(tǒng) 面向無損壓縮的應用 采用無損預測壓縮 符號編碼采用哈夫曼或算術(shù)編碼一個產(chǎn)品或系統(tǒng)必須包括對基線系統(tǒng)的支持 6 7圖像壓縮標準 JPEG壓縮流程 符號解碼器 DCT逆向變換 DCT正向變換 量化器 符號編碼器 構(gòu)造8x8的子圖 合成8x8的子圖 輸入圖像NxN 壓縮圖像 壓縮的圖像 解壓圖像 顏色空間轉(zhuǎn)換 零偏置轉(zhuǎn)換 顏色空間轉(zhuǎn)換 零偏置轉(zhuǎn)換 6 7圖像壓縮標準 構(gòu)造子圖像子圖像尺寸 8x8顏色空間轉(zhuǎn)換人眼對亮度更敏感 提取亮度特征 將RGB轉(zhuǎn)換為YCbCr模型 編碼時對亮度采用特殊編碼 Y 0 299R 0 5870G 0 1140BCb 0 1787R 0 3313G 0 5000B 128Cr 0 5000R 0 4187G 0 0813B 128顏色解碼 R Y 1 40200 Cr 128 G Y 0 34414 Cb 128 0 71414 Cr 128 B Y 1 77200 Cb 128 6 7圖像壓縮標準 零偏置轉(zhuǎn)換對于灰度級是2n的像素 通過減去2n 1 替換像素本身對于n 8 即將0 255的值域 通過減去128 轉(zhuǎn)換為值域在 128 127之間的值目的 使像素的絕對值出現(xiàn)3位10進制的概率大大減少 6 7圖像壓縮標準 用8x8的JEPG基線標準 壓縮并重構(gòu)下列子圖52556166706164736359669010985697262596811314410466736358711221541067069676168104126886870796560707768587585716459556165838779696865767894 6 7圖像壓縮標準 0偏置轉(zhuǎn)換后 76 73 67 62 58 67 64 55 65 69 62 38 19 43 59 56 66 69 60 1516 24 62 55 65 70 57 626 22 58 59 61 67 60 24 2 40 60 58 49 63 68 58 51 65 70 53 43 57 64 69 73 67 63 45 41 49 59 60 63 52 50 34 6 7圖像壓縮標準 頻域變換頻域變換產(chǎn)生64個系數(shù) 第一個系數(shù)稱為直流系數(shù) DC系數(shù) 其余的63個系數(shù)稱為交流系數(shù) AC系數(shù) 6 7圖像壓縮標準 正向DCT變換 N 8 后變成 415 29 622555 20 137 21 62911 7 66 46877 25 30107 5 501335 15 960311 8 13 2 11 41 1013 3 102 1 4 12 12 31 2 1 1 1 2 1 10 1 6 7圖像壓縮標準 系數(shù)量化采用閾值作為子圖系數(shù)位置函數(shù)的量化方式所有子圖使用同一個全局閾值模板 但閾值的取值 與系數(shù)的位置相關(guān) 閾值模板給出了 不同位置上系數(shù)的相應閾值 對于亮度和顏色使用不同的量化閾值模板 并取整 6 7圖像壓縮標準 系數(shù)量化1 正向量化 Squv round Suv Quv 其中 Suv是DCT系數(shù) Quv量化模板系數(shù)2 逆向量化 Ruv SquvQuv例 Sq 0 0 round 415 16 round 25 9 26Ruv 0 0 26 16 416 6 7圖像壓縮標準 亮度的量化模板系數(shù)1611101624405161121214192658605514131624405769561417222951878062182237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399 6 7圖像壓縮標準 顏色的量化模板系數(shù)17182447999999991821266699999999242656999999999947669999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999 6 7圖像壓縮標準 量化變換后的數(shù)組 比例化并消去系數(shù) 26 3 6220001 2 400000 315 1 1000 412 1000010000000000000000000000000000000 6 7圖像壓縮標準 符號編碼將量化后的系數(shù) 按之字形重新排序成矢量 全零結(jié)尾用特殊符號EOB 26 31 3 2 62 41 41150200 1200000 1 1EOB DC和AC用不同的方式分別編碼DC的編碼方式 預測 統(tǒng)計 編碼由兩部分組成 區(qū)間號編碼 SSSS 系數(shù)預測誤差本身編碼 VVVV 6 7圖像壓縮標準 連續(xù)幀單色 彩色壓縮連續(xù)幀圖像的定義連續(xù)幀圖像壓縮的基本思想幀間運動補償預測編碼技術(shù)H 261標準MPEG1 2 4 7標準 6 7圖像壓縮標準 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)幀圖像多了一個時間軸 成為三維信號 因此連續(xù)幀圖像也被稱為三維圖像 6 7圖像壓縮標準 連續(xù)幀圖像壓縮的基本思想基于如下基本假設 在各連續(xù)幀之間存在簡單的相關(guān)性平移運動 一個特定畫面上的像素量值 1 可以根據(jù)同幀附近像素來加以預測 被稱為 幀內(nèi)編碼技術(shù)2 可以根據(jù)附近幀中的像素來加以預測 被稱為 幀間編碼技術(shù) 6 7圖像壓縮標準 連續(xù)幀圖像壓縮的基本思想通過減少幀間圖像數(shù)據(jù)冗余 來達到減少數(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 分為參考幀和預測幀 參考幀用靜止圖像壓縮方法進行壓縮 預測幀對幀差圖像進行壓縮 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 從而可以達到很高的壓縮比 6 7圖像壓縮標準 幀間運動補償預測編碼技術(shù)幀間預測編碼 熵編碼 幀間預測器 運動補償 壓縮圖像塊 輸入圖像塊 en fn fn 運動補償預測幀間誤差圖像 運動補償預測圖像 6 7圖像壓縮標準 幀間運動補償預測編碼技術(shù)幀間預測編碼向前預測雙向預測 前一幀 當前幀 前一幀 當前幀 下一幀 6 7圖像壓縮標準 幀間運動補償預測編碼技術(shù)幀間預測編碼I幀不進行預測 進行幀內(nèi)編碼的編碼幀 參考幀 P幀通過向前預測得到的誤差編碼幀B幀通過雙向預測得到的誤差編碼幀因圖像序列存放在存儲器中 可以使用下一幀 6 7圖像壓縮標準 幀間運動補償預測編碼技術(shù)編碼中的運動補償運動補償概念是以對幀間運動的估算為基礎(chǔ)的 若物體均在空間上有一位移 那么用有限的運動參數(shù)來對幀間的運動加以描述 如對于像素的平移運動 可用運動矢量來描述 一個來自前一編碼幀的運動補償預測像素 就能給出一個當前像素的最佳預測 預測誤差和運動矢量一同參與編碼 6 7圖像壓縮標準 幀間運動補償預測編碼技術(shù)編碼中的運動補償由于一些運動矢量之間的空間相關(guān)性通常較高 因此 一個像素的運動矢量 可以代表一個相鄰像素塊的運動 實現(xiàn)中 畫面一般劃分成一些不連接的像素塊 在MPEGl和MPEG2標準中一個像素塊為16 16像素 對于每一個這樣的像素塊 只估算一個運動矢量 6 7圖像壓縮標準 幀間運動補償預測編碼技術(shù)編碼中的運動補償舉例 常用的基于塊的運動估算和補償 塊匹配法 K幀 K l幀 塊 查找窗口 6 7圖像壓縮標準 H 261 263標準H 261 263標準是由CCITT制定的ccitt國際電話與電報咨詢委員會 它現(xiàn)在被稱為itu t 國際標準化組織電訊標準化分部 是世界上主要的制定和推廣電訊設備和系統(tǒng)標準的國際組織 它位于瑞士的geneva 6 7圖像壓縮標準 H 261標準應用范圍 ISDN的視頻會議主要編碼技術(shù) DCT變換向前運動補償預測Zig zag排序霍夫曼編碼 6 7圖像壓縮標準 H 263標準應用范圍 可視電話主要編碼技術(shù) DCT變換雙向運動補償預測Zi