05圖像編碼基礎(chǔ)

1、圖像編碼基礎(chǔ) n 圖象的數(shù)據(jù)量是非常大的，這給圖象的存儲(chǔ)、處理和 傳輸都帶來(lái)許多問(wèn)題和困難。要占用很多的資源，花 很高的費(fèi)用。 如一幅512x512的黑白圖象的比特?cái)?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象素，每象素的 、 、 三分 量分別占8 bit，總比特?cái)?shù)為 90 x60 x24x3x512x512=。 如一張CD光盤(pán)可存600兆字節(jié)數(shù)據(jù)，這部電影光圖象 （還有聲音）就需要張CD光盤(pán)用來(lái)存儲(chǔ)。 n 對(duì)圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮顯得非常必要。 第十一章 圖像編碼基礎(chǔ) 第十一章 圖像編碼基礎(chǔ) 11.1 圖像壓縮的基本概念 11.2 基礎(chǔ)

2、理論 11.3 LZW編碼 11.4 變長(zhǎng)編碼(哈夫曼編碼、 算術(shù)編碼) 11.5 位平面編碼 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.1 基本概念 11.1.1 數(shù)據(jù)冗余 11.1.2 保真度標(biāo)準(zhǔn) 11.1.3 圖像壓縮模型 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.1.1 數(shù)據(jù)冗余 n圖像壓縮的基本概念 設(shè)：n1和n2是在兩個(gè)表達(dá)相同信息的數(shù)據(jù)集中，信息 載體單位的個(gè)數(shù)。 n壓縮率（壓縮比）：描述壓縮算法性能 CR = n1 / n2 其中，n1是壓縮前的數(shù)據(jù)量，n2是壓縮后的數(shù)據(jù)量 n相對(duì)數(shù)據(jù)冗余： RD = 1 1/CR 例：CR=20; RD = 19/20 第十一

3、章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.1.1 數(shù)據(jù)冗余 n三種數(shù)據(jù)冗余： 編碼冗余 像素冗余 1.視覺(jué)心理冗余 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.1.1 數(shù)據(jù)冗余 編碼冗余： 碼本：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) 碼字：對(duì)每個(gè)信息或事件所賦的碼符號(hào)序列 長(zhǎng)度：每個(gè)碼字的符號(hào)個(gè)數(shù) 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 1 0 ()0,1,1 ()() skk L avgksk k p snnkL Ll sp s 11.1.1 數(shù)據(jù)冗余 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：如果用8位表

4、示該圖像的像素，我們 就說(shuō)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。 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.1.1 數(shù)據(jù)冗余 編碼冗余： 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 32.7 avgavg LL 11.1.1 數(shù)據(jù)冗余 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 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 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

5、礎(chǔ)上。 11.1.1 數(shù)據(jù)冗余 3. 視覺(jué)心理冗余： 一些信息在一般視覺(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。 33K15K 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.1.2 保真度標(biāo)準(zhǔn) n保真度標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)壓縮算法的標(biāo)準(zhǔn) 客觀保真度標(biāo)準(zhǔn) 1.主觀保真度標(biāo)準(zhǔn) 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.1.2 保真度標(biāo)準(zhǔn) 客觀保真度標(biāo)準(zhǔn) 如果圖像壓縮過(guò)程對(duì)圖像信息有所損 失，如何用數(shù)學(xué)形式，表述這種損失？ 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) 第十一章第

6、十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.1.2 保真度標(biāo)準(zhǔn) n離散的描述形式： 兩個(gè)圖像之間的總誤差： 均方根誤差（rms） 11 00 |( , )( , )| MN xy f x yf x y 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 1 11 2 2 00 1 ( , )( , ) MN rms xy ef x yf x y MN 11.1.2 圖像壓縮基本概念:保真度標(biāo)準(zhǔn) 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)。 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.1.3 圖像編碼模型

7、 n圖像傳輸環(huán)境中圖像壓縮模型 n源數(shù)據(jù)編碼：完成原數(shù)據(jù)的壓縮。 n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。 n通 道：如Internet、廣播、通訊、可移動(dòng)介質(zhì) 源數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù) 編碼編碼 源數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù) 解碼解碼 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.1.3 圖像編碼模型 n源數(shù)據(jù)編碼與解碼的模型 n源數(shù)據(jù)編碼的模型 n源數(shù)據(jù)解碼的模型 符號(hào)符號(hào) 解碼器解碼器 反向反向 映射器映射器 映射器映射器量化器量化器 符號(hào)符號(hào) 編碼器編碼器 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 概率服從乘冪定律時(shí)最佳， Pk=k-r, k=1,2,.,M, rN

8、 兩部分構(gòu)成：一半延續(xù)比特C、一半信息比特B （采用長(zhǎng)度增長(zhǎng)的自然碼），CB C=0/1，C同，則還是同一碼字；C變，則新的碼字 開(kāi)始。Bn:每一延續(xù)比特，有n個(gè)信息比特。 例1： B1 :c0 c1 B2:c00 c10 c11 c01 例2：1 8 5B1： 001010110100 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 信道編碼器和信道解碼器-B碼 信道編碼器和信道解碼器-漢明編碼 信道編碼器：把可控制的冗余加入信源編碼后的碼字， 以減少信道噪聲的影響。 漢明（Hamming）編碼：正確的碼字之間的最小距離要 大于一個(gè)給定值 碼字以二進(jìn)制形式表示，比特（bit） D(101),(1

9、10)=2 漢明:將3個(gè)比特位的冗余加到4比特的碼字上，任意 兩個(gè)正確碼字間的距離為3，可發(fā)現(xiàn)和校正錯(cuò)誤。 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 例：4bit(b3b2b1b0)7bit(h1h2h3h4h5h6h7) 07 160124 250132 330231 bh bhbbbh bhbbbh bhbbbh 76544 76322 75311 hhhhc hhhhc hhhhc h1、h2、h4分別是比特區(qū) b3b2b0、b3b1b0、b2b1b0的 偶校驗(yàn)位。 信道解碼器對(duì)已建立偶校驗(yàn)的比 特區(qū)進(jìn)行檢查，由c1、c2、c4指 出錯(cuò)誤，從校正后的h3h5h6h7 得到正確值。 第十

10、一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) nLZW編碼 n背景：是Lemple、Ziv提出，Welch充實(shí) n基本思想：去除像素冗余。 (1) 在壓縮過(guò)程中動(dòng)態(tài)地形成一個(gè)字符序列表(字典) (2) (a) 每當(dāng)壓縮掃描圖像發(fā)現(xiàn)一個(gè)字典中沒(méi)有的字 符序列，就把該字符序列存到字典中 (b) 并用字典的地址（編碼）作為這個(gè)字符序列 的代碼，替換原圖像中的字符序列 (c) 下次再碰到相同的字符序列，就用字典的地 址代替字符序列 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.3 LZW編碼 nLZW編碼 n基本思想： n(3) 壓縮的結(jié)果，除了壓縮圖像外，不需要保留壓縮 過(guò)程中形成的字典，而在解壓縮時(shí)

11、,臨時(shí)恢復(fù)這個(gè)字 典。 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.3 LZW編碼 LZW算法流程： 1)初始化：將所有的單字符串放入串表 2)讀第一個(gè)輸入字符給當(dāng)前識(shí)別序列 3)Step: 讀下一個(gè)輸入字符K; if 沒(méi)有這樣的K(輸入已窮盡)： 碼字() 輸出；結(jié)束。 If K 已存在于字典中： = K；repeat Step； else K不在于字典中: 碼字() 輸出； K加進(jìn)字典； = K；repeat Step. 編碼舉例： 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 00255255 00255255 00255255 00255255 11.3 LZW編碼 編號(hào) 將被處理

12、像素 當(dāng)前識(shí)別序列編碼輸出字典位置字典條目 第1行0 第2行00025600 第3行255002570-255 第4行255255255258255-255 第5行0255255259255-0 第6行00 第7行255002562600-0-255 第8行255255 第9行0255-255258261 255-255-0 第10行 00 第11行 2550-0 第12行 2550-0-255260262 0-0-255-255 第13行 0255 第14行 0255-0259263255-0-0 第15行 2550- 第16行 2550-2552572640-255-255 LZW解碼：

13、1)初始化：將所有的編碼值放入串表 2)讀第一個(gè)編碼值，輸出字典對(duì)應(yīng)值，然后將識(shí)別序列設(shè) 為第1個(gè)編碼值 3)Step: 讀下一個(gè)編碼值K; if 沒(méi)有這樣的K(輸入已窮盡)： 結(jié)束。 else 輸出對(duì)應(yīng)字典條目； 增加一個(gè)新條目（ K的第一個(gè)元素）； K；repeat Step。 解碼舉例 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.3 LZW編碼 編碼值識(shí)別序列像素字典位置字典條目 00 0002560-0 25502552570-255 255255255258255-255 2562550-0259255-0 258256255-2552600-0-255 2602580-0-2

14、55261 255-255-0 259260255-0262 0-0-255-255 2572590-255263255-0-0 2552572552640-255-255 11.4 變長(zhǎng)編碼 n變長(zhǎng)編碼 n霍夫曼編碼 n香農(nóng)-法諾編碼 n算術(shù)編碼 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.4.1 霍夫曼編碼 （1） 基本思想 通過(guò)減少編碼冗余來(lái)達(dá)到壓縮的目的。 基本思想是統(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， 1. 最少出現(xiàn)的符號(hào)用最長(zhǎng)的編碼。 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 霍夫曼編碼算法 （1）統(tǒng)計(jì)輸入信號(hào)的概率（如

15、對(duì)一幅圖像或M幅同種類型 圖像進(jìn)行灰度分布概率統(tǒng)計(jì)），得到N個(gè)不同概率的信 息符號(hào)； （2）將N個(gè)輸入信號(hào)按照它們的出現(xiàn)概率由大到小排列； （3）合并兩個(gè)概率最小的信號(hào)，形成一個(gè)新的信號(hào)。新信 號(hào)的概率是這兩個(gè)信號(hào)的概率和。概率減少為N-1個(gè)； （4）在形成新概率集合后重新排列； （5）重復(fù)第4步，至只剩兩個(gè)概率序列為止； （6）以二進(jìn)制碼元（0，1）賦值，形成非續(xù)長(zhǎng)代碼樹(shù)。注 意，最好按統(tǒng)一規(guī)律分配碼元，解碼時(shí)更易于理解。 （7）霍夫曼代碼的產(chǎn)生從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，反向進(jìn)行。 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) Huffman編碼 輸入 S1 S2 S3 S4 S5 S6 輸入概率 0.4

16、 0.3 0.1 0.1 0.06 0.04 第一步 0.4 0.3 0.1 0.1 0.1 第二步 0.4 0.3 0.2 0.1 第三步 0.4 0.3 0.3 第四步 0.6 0.4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) Huffman編碼 輸入 S1 S2 S3 S4 S5 S6 輸入概率 0.4 0.3 0.1 0.1 0.06 0.04 第一步 0.4 0.3 0.1 0.1 0.1 第二步 0.4 0.3 0.2 0.1 第三步 0.4 0.3 0.3 第四步 0.6 0.4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S1=1 第十一章

17、第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) Huffman編碼 輸入 S1 S2 S3 S4 S5 S6 輸入概率 0.4 0.3 0.1 0.1 0.06 0.04 第一步 0.4 0.3 0.1 0.1 0.1 第二步 0.4 0.3 0.2 0.1 第三步 0.4 0.3 0.3 第四步 0.6 0.4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S2=00 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) Huffman編碼 輸入 S1 S2 S3 S4 S5 S6 輸入概率 0.4 0.3 0.1 0.1 0.06 0.04 第一步 0.4 0.3 0.1 0.1 0.1 第二步 0.4 0.3 0.

18、2 0.1 第三步 0.4 0.3 0.3 第四步 0.6 0.4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S3=011 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) Huffman編碼 輸入 S1 S2 S3 S4 S5 S6 輸入概率 0.4 0.3 0.1 0.1 0.06 0.04 第一步 0.4 0.3 0.1 0.1 0.1 第二步 0.4 0.3 0.2 0.1 第三步 0.4 0.3 0.3 第四步 0.6 0.4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S4=0100 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) Huffman編碼 輸入 S1 S2 S3 S4 S5 S6 輸入

19、概率 0.4 0.3 0.1 0.1 0.06 0.04 第一步 0.4 0.3 0.1 0.1 0.1 第二步 0.4 0.3 0.2 0.1 第三步 0.4 0.3 0.3 第四步 0.6 0.4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S5=01010 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) Huffman編碼 輸入 S1 S2 S3 S4 S5 S6 輸入概率 0.4 0.3 0.1 0.1 0.06 0.04 第一步 0.4 0.3 0.1 0.1 0.1 第二步 0.4 0.3 0.2 0.1 第三步 0.4 0.3 0.3 第四步 0.6 0.4 0 1 0 1 0 1 0

20、1 0 1 S6=01011 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) n霍夫曼碼舉例霍夫曼碼舉例 例:H-CP S110.4 S2000.3 S30110.1 S401000.1 S5010100.06 S6010110.04 1 1 0 0 1 0.6 0.3 0.2 0.10 1 0 1 0 0 1 L=k=1,M kP( k) =1(0.4)+2(0.3)+3(0.1)+4(0.1)+5(0.06)+5(0.04)=2.20 bits H= - k=1,M P(ak)log P(ak) = -0.4log(0.4)-0.3log(0.3)-0.1log(0.1)-0.1log(0.1

21、)- 0.06log(0.06)-0.04log(0.04)=2.14 bits 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 霍夫曼碼是最佳編碼： 按給定的概率分布構(gòu)成的最短的代碼-與概 率分布相匹配的編碼。 編碼效率： = H(x)/ L(x)= 2.14/2.20=0.97 缺點(diǎn)： 1、強(qiáng)烈依賴于概率結(jié)構(gòu)，工作量大。 2、碼字變化大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.4.1 霍夫曼編碼 （2）例子： 解碼過(guò)程： 01010 011 1 1 00 a3 a1 a2 a2 a6 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.4.1霍夫曼編碼 （3）算法

22、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)據(jù)。 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.4.1霍夫曼編碼 n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 n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 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.4.2 亞最優(yōu)變長(zhǎng)碼 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 3、S碼（移位碼，shift c

23、ode） 兩部分： CS，基本碼S、移位信息C。Sn中n表示基 本碼字的長(zhǎng)度。2n中有2n -1個(gè)基本碼字，一個(gè)移位信 息。 例：S2碼 1：C1 00 2：C2 01 3：C3 10 4：C4C1 1100 5：C4C2 1101 6：C4C3 1110 7：C4C4C1 111100 特點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)單調(diào)減小概率相當(dāng)有效。 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.4.3 香農(nóng)-法諾編碼 步驟： 將信源符號(hào)依概率從大到小排列 按概率和盡可能接近分成兩部分 賦值 1.結(jié)束或返回第二步 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.4.3 香農(nóng)-法諾編碼 第十一章第十一章 圖像編

24、碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 示例之一示例之一 11.4.3 香農(nóng)-法諾編碼 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 示例之二示例之二 11.4.4 算術(shù)編碼 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 算術(shù)編碼是60年代初期Elias提出，由 Rissanen和Pasco首次介紹了它的實(shí)用技術(shù)， 在信源概率分布比較均勻情況下，它的編碼 效率高于哈夫曼編碼(5%)，在JPEG擴(kuò)展系統(tǒng) 中用它來(lái)取代哈夫曼編碼。 11.4.4 算術(shù)編碼 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 1、算術(shù)編碼原理 n 將被編碼的信源消息表示成實(shí)數(shù)軸01 之間的一個(gè)間隔(Interval)(也稱子區(qū) 間)； n消息越長(zhǎng)，

25、編碼表示它的間隔就越小， 即這一間隔所需的二進(jìn)制位數(shù)就越多。 n信源中連續(xù)符號(hào)根據(jù)某一模式生成概率 的大小來(lái)縮小間隔。 11.4.4 算術(shù)編碼 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 2、算術(shù)編碼示例 P(a1)=0.2, p(a2)=0.2, p(a3)=0.4, p(a4)=0.2 b1b2b3b4b5=a1a2a3a3a4 11.4.4 算術(shù)編碼 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 3、算術(shù)編碼特點(diǎn) （1）在信源符號(hào)概率接近時(shí)，算術(shù)編碼比 哈夫曼編碼效率高。 （2）理論上可以達(dá)到無(wú)失真編碼定理的極 限。 11.4.5 變長(zhǎng)編碼特性 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ)

26、（1）即時(shí)性（非續(xù)長(zhǎng)性）： 碼字集合中的任何一個(gè)碼字都不是另一個(gè)碼字的 續(xù)長(zhǎng)。 如W=0,10,100,111就不是非續(xù)長(zhǎng)代碼，其中 “100”是“10”的續(xù)長(zhǎng)。 11.4.5 變長(zhǎng)編碼特性 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) （2）惟一性（單義性）： 如果任何長(zhǎng)度的一段代碼只能分割成唯一的 一個(gè)碼字集合，則為唯一可譯碼。 如 W=0,10,11，對(duì)代碼序列S=100111000，只 能分割成10、0、11、10、0、0。 11.4.5 變長(zhǎng)編碼特性 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 非續(xù)長(zhǎng)代碼一定是惟一碼，但惟一碼不一定 是非續(xù)長(zhǎng)代碼。 如 W=0,01是惟一碼，但又是續(xù)長(zhǎng)

27、代碼。 非續(xù)長(zhǎng)代碼可以用樹(shù)型結(jié)構(gòu)構(gòu)造。 構(gòu)造非續(xù)長(zhǎng)碼 n設(shè)A=0,1,W=w1,w2,w3,w4 w4 0 w1 w2 w4 w3 0 0 1 1 10 (a) w1 w2 w3 1 1 0 01 (b) 非續(xù)長(zhǎng)代碼的樹(shù)型圖 設(shè)置根節(jié)點(diǎn)，從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始分枝，每條分枝代表一個(gè)碼 元0或者1，取其中任意一個(gè)分枝的節(jié)點(diǎn)代表w1。 對(duì)沒(méi)有被選作代碼的節(jié)點(diǎn) 再分枝，選擇其中任意一 個(gè)分枝的節(jié)點(diǎn)作為代碼 w2。 依次類推，至所有節(jié)點(diǎn)都 代表一個(gè)碼字結(jié)束。 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 4、按照分枝順序構(gòu)成各碼字： w1=0，w2=10，w3=110，w4=111。 各碼字的長(zhǎng)度為： n1=1，

28、n2=2，n3=n4=3。 樹(shù)形圖說(shuō)明，被選作代碼的節(jié)點(diǎn)不會(huì)再有分支， 因此形成的必然是非等長(zhǎng)的非續(xù)長(zhǎng)代碼。 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 構(gòu)造非續(xù)長(zhǎng)碼 1、位平面分解： 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.5 位平面編碼 1221 1221 ( , )2222 mm mm f x yaaaa 2、灰度碼分解 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.5.1 位平面分解 22 127 01111111128 10000000如（）和（） 缺點(diǎn)：灰度值的微小變換有可能對(duì)位平面的 復(fù)雜度產(chǎn)生明顯影響 灰度碼分解： 1 22 02 1 127 0100000012

29、8 11000000 ii i aaim aim i g 如（）和 （） 1、常數(shù)塊編碼（CAC） 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.5.2 位平面編碼 將圖像分成全黑、全白或混合的mn的塊，出 現(xiàn)概率最高的類賦予0，另兩類賦予10和11。 改進(jìn)方式 （1）文檔：白色塊賦0，其他賦1接位模式編碼 （2）二值圖：金字塔分層，白色塊賦0，其他 加上1的前綴繼續(xù)細(xì)分，直至事先確定的子塊尺寸 2、1-D游程編碼（RLC） 第十一章第十一章 圖像編碼基礎(chǔ)圖像編碼基礎(chǔ) 11.5.2 位平面編碼 常用方法： 指出每行第一個(gè)游程的值； 設(shè)每行由白色游程開(kāi)始 000000111100011111

30、1111： 06439 6439 1111000001110000011111： 145355 045355 靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG n1）JPEG基本系統(tǒng)基本系統(tǒng) n2）FDCT和和IDCT n3）量化與反量化）量化與反量化 n4）對(duì)量化系數(shù)的處理和組織）對(duì)量化系數(shù)的處理和組織 n5）熵編碼）熵編碼 n6）應(yīng)用舉例）應(yīng)用舉例 靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG n1）JPEG基本系統(tǒng)基本系統(tǒng) n以以8*8的圖象塊為基本單位進(jìn)行編碼；的圖象塊為基本單位進(jìn)行編碼； n將將RGB轉(zhuǎn)換為亮度轉(zhuǎn)換為亮度-色調(diào)色調(diào)-飽和度系統(tǒng)，并重新采樣；飽和度系統(tǒng)，并重新采樣；

31、 圖象分割FDCT量化系數(shù)編碼 量化表碼表 圖象拼接IDCT反量化系數(shù)解碼 量化表碼表 色彩轉(zhuǎn)換 和重采樣 靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG nYIQ（NTSC制）與制）與YUV（PAL制）制） Y：指顏色的明視度、亮度、灰度值；：指顏色的明視度、亮度、灰度值；I或或U：指色：指色 調(diào)；調(diào)；Q或或V：指飽和度。：指飽和度。 Y=0.299R+0.587G+0.114B I=0.596R-0.247G-0.322B Q=0.211R-0.523G+0.312B U=0.148R-0.289G+0.473B V=0.615R-0.515G-0.1B 靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像編碼

32、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG n思想：人對(duì)亮度比對(duì)色彩敏感，在光線不足的情況下，思想：人對(duì)亮度比對(duì)色彩敏感，在光線不足的情況下， 所觀察物體都是黑白的。因此可以對(duì)色調(diào)和飽和度做所觀察物體都是黑白的。因此可以對(duì)色調(diào)和飽和度做 粗略處理。粗略處理。 n方法：對(duì)方法：對(duì)8*8圖象塊矩陣，圖象塊矩陣，Y成分?jǐn)?shù)據(jù)不變，成分?jǐn)?shù)據(jù)不變，U每每 2*2個(gè)數(shù)據(jù)求平均，個(gè)數(shù)據(jù)求平均，V每每2*1個(gè)數(shù)據(jù)求平均。稱為個(gè)數(shù)據(jù)求平均。稱為 YUV421系統(tǒng)。系統(tǒng)。 n除此除此,還有還有YUV422, 411, 420等系統(tǒng)等系統(tǒng). 靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG n2）FDCT與與IDCT n思想：人眼對(duì)低頻數(shù)據(jù)比

33、對(duì)高頻數(shù)據(jù)敏感。思想：人眼對(duì)低頻數(shù)據(jù)比對(duì)高頻數(shù)據(jù)敏感。 n根據(jù)根據(jù)8*8的二維的二維DCT定義定義 77 00 77 00 21211 ,coscos 41616 21211 ,coscos 41616 1 0 2 1 xy uv xuyv F u vC u C vf x y uxvy f x yF u v C u C v w C w 其中 當(dāng) 其他 靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG n稱稱F（0,0）為直流系數(shù)，其他為交流系數(shù)。）為直流系數(shù)，其他為交流系數(shù)。 nJPEG標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)定FDCT和和IDCT的算法。的算法。 靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG

34、n3）量化與反量化）量化與反量化 n思想：將每個(gè)思想：將每個(gè)DCT系數(shù)除以各自量化步長(zhǎng)并四舍五入系數(shù)除以各自量化步長(zhǎng)并四舍五入 后取整，得到量化系數(shù)。后取整，得到量化系數(shù)。 nJPEG系統(tǒng)分別規(guī)定了亮度分量和色度分量的量化表，系統(tǒng)分別規(guī)定了亮度分量和色度分量的量化表， 顯然色度分量相應(yīng)的量化步長(zhǎng)比亮度分量大。顯然色度分量相應(yīng)的量化步長(zhǎng)比亮度分量大。 , ,0.5 , , F u v F u vINT S u v F u vF u v S u v 靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG n4）對(duì)量化系數(shù)的處理和組織）對(duì)量化系數(shù)的處理和組織 n思想：思想：JPEG采用定長(zhǎng)和變長(zhǎng)相結(jié)合的編

35、碼方法。采用定長(zhǎng)和變長(zhǎng)相結(jié)合的編碼方法。 n直流系數(shù)：通常相鄰直流系數(shù)：通常相鄰8*8圖象塊的圖象塊的DC分量很接近，分量很接近， 因此因此JPEG對(duì)量化后的直流分量采用無(wú)失真對(duì)量化后的直流分量采用無(wú)失真DPCM編編 碼。通常碼。通常JPEG要保存所需比特?cái)?shù)和實(shí)際差值。要保存所需比特?cái)?shù)和實(shí)際差值。 n交流系數(shù)：經(jīng)過(guò)量化后，交流系數(shù)：經(jīng)過(guò)量化后，AC分量出現(xiàn)較多的分量出現(xiàn)較多的0。 JPEG采用對(duì)采用對(duì)0系數(shù)的行程長(zhǎng)度編碼。而對(duì)非系數(shù)的行程長(zhǎng)度編碼。而對(duì)非0值，則值，則 要保存所需數(shù)和實(shí)際值。要保存所需數(shù)和實(shí)際值。 1 0,00,00,0 ii FFF 靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)J

36、PEG nZIG-ZAG排序：為使連續(xù)的排序：為使連續(xù)的0個(gè)數(shù)增多，采用個(gè)數(shù)增多，采用Z形編形編 碼。碼。 0 63 靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG n5）熵編碼）熵編碼 n對(duì)于直流系數(shù)的差值，采用對(duì)于直流系數(shù)的差值，采用Huffman編碼。編碼。JPEG 標(biāo)準(zhǔn)為亮度和色度分量分別擬定了標(biāo)準(zhǔn)為亮度和色度分量分別擬定了Huffman碼表。碼表。 n對(duì)于交流對(duì)于交流0系數(shù)的行長(zhǎng)，采用系數(shù)的行長(zhǎng)，采用Huffamn編碼。同樣編碼。同樣 JPEG標(biāo)準(zhǔn)為亮度和色度分量分別擬定了標(biāo)準(zhǔn)為亮度和色度分量分別擬定了Huffman 碼表。碼表。 n計(jì)算每象素的平均比特稱為碼率。計(jì)算每象素的平均比

37、特稱為碼率。 0.250.50圖象質(zhì)量中等，滿足某些應(yīng)用圖象質(zhì)量中等，滿足某些應(yīng)用 0.500.75質(zhì)量好，滿足多數(shù)應(yīng)用質(zhì)量好，滿足多數(shù)應(yīng)用 0.751.50極好，滿足大多數(shù)應(yīng)用極好，滿足大多數(shù)應(yīng)用 1.502.0與原始圖象質(zhì)量一樣與原始圖象質(zhì)量一樣 靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜止圖像編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG n6）應(yīng)用舉例）應(yīng)用舉例 nLenna圖象的一個(gè)圖象的一個(gè)8*8方塊方塊 139144149153155155155155 144151153156159156156156 150155160163158156156156 159161 162160160159159159 , 159160161 162162155155155 161161161161 160157157157 162162161163162157157157 162162161161163158158158 f x y 只舉亮度