第4章 圖像與視頻壓縮編碼技術(shù)

1、n無失真編碼無失真編碼無失真編碼又稱無失真編碼又稱無損編碼、信息保持編碼、熵編碼無損編碼、信息保持編碼、熵編碼。無失真編碼的壓縮比較低，可達(dá)到的最高壓縮比受到信源熵?zé)o失真編碼的壓縮比較低，可達(dá)到的最高壓縮比受到信源熵的理論限制，一般為的理論限制，一般為2 1到到5 1。最常用的無失真編碼方法有最常用的無失真編碼方法有哈夫曼哈夫曼(Huffman)編碼編碼、算術(shù)編碼算術(shù)編碼和和游程編碼游程編碼(Run-Length Encoding，RLE)等。等。4.2 4.2 壓縮方法分類壓縮方法分類n限失真編碼限失真編碼10n限失真編碼限失真編碼 限失真編碼也稱限失真編碼也稱有損編碼、非信息保持編碼、熵壓

2、縮編碼有損編碼、非信息保持編碼、熵壓縮編碼.限失真編碼方法利用了限失真編碼方法利用了人類視覺的感知特性人類視覺的感知特性，允許壓縮過程，允許壓縮過程中損失一部分信息，雖然在解碼時(shí)不能完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，中損失一部分信息，雖然在解碼時(shí)不能完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，但是如果把失真控制在但是如果把失真控制在視覺閾值視覺閾值以下或控制在以下或控制在可容忍可容忍的限度的限度內(nèi)，則不影響人們對(duì)圖像的理解，卻換來了高壓縮比。內(nèi)，則不影響人們對(duì)圖像的理解，卻換來了高壓縮比。在限失真編碼中，允許的失真愈大，則可達(dá)到的壓縮比愈高。在限失真編碼中，允許的失真愈大，則可達(dá)到的壓縮比愈高。常見的限失真編碼方法有：預(yù)測(cè)編碼、變換編

3、碼、矢量量化、常見的限失真編碼方法有：預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、矢量量化、基于模型的編碼等?；谀Ｐ偷木幋a等。4.2 4.2 壓縮方法分類壓縮方法分類114.34.3 無失真編碼無失真編碼n哈夫曼哈夫曼(Huffman)編碼編碼n算術(shù)編碼算術(shù)編碼n游程編碼游程編碼(Run-Length Encoding，RLE)12n編碼方法4.3.1 哈夫曼編碼哈夫曼編碼14哈夫曼編碼哈夫曼編碼的特點(diǎn)的特點(diǎn)n哈夫曼編碼哈夫曼編碼所形成的所形成的碼字碼字不是唯一的，但編碼不是唯一的，但編碼效率效率是唯一的。是唯一的。 在對(duì)最小的兩個(gè)概率符號(hào)賦值時(shí)，可以規(guī)定為大的為在對(duì)最小的兩個(gè)概率符號(hào)賦值時(shí)，可以規(guī)定為大的為“1”

4、、小的為、小的為“0”，反之也可以。，反之也可以。如果兩個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)概率相等時(shí)，排列時(shí)無論哪個(gè)在前都是可以的，如果兩個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)概率相等時(shí)，排列時(shí)無論哪個(gè)在前都是可以的，n只有當(dāng)信息源各符號(hào)出現(xiàn)的只有當(dāng)信息源各符號(hào)出現(xiàn)的概率很不平均概率很不平均的時(shí)候，的時(shí)候，哈夫曼編碼哈夫曼編碼的效果的效果才明顯。才明顯。 n哈夫曼編碼哈夫曼編碼必須精確地統(tǒng)計(jì)出原始文件中每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)頻率。必須精確地統(tǒng)計(jì)出原始文件中每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)頻率。哈夫哈夫曼曼編碼通常要經(jīng)過編碼通常要經(jīng)過兩遍兩遍操作，第一遍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，第二遍產(chǎn)生編碼，所操作，第一遍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，第二遍產(chǎn)生編碼，所以編碼速度相對(duì)慢。另外實(shí)現(xiàn)的電路復(fù)雜。以編碼速度

5、相對(duì)慢。另外實(shí)現(xiàn)的電路復(fù)雜。 n哈夫曼編碼只能用哈夫曼編碼只能用整數(shù)來表示單個(gè)符號(hào)整數(shù)來表示單個(gè)符號(hào)而不能用小數(shù)，這很大程度上而不能用小數(shù)，這很大程度上限制了壓縮效果。限制了壓縮效果。 n哈夫曼所有位都是合在一起的，如果改動(dòng)其中一位就可以使其數(shù)據(jù)變哈夫曼所有位都是合在一起的，如果改動(dòng)其中一位就可以使其數(shù)據(jù)變得得面目全非面目全非15nDCT編碼和解碼原理4.6 變換編碼變換編碼3888 二維DCT變換88 二維DCT反變換當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)u u、v v為其他值時(shí)為其他值時(shí)77001(21)(21)( , )( ) ( )( , )coscos41616xyxuyvF u vC u C vf x

6、 y 77001(21)(21)( , )( ) ( ) ( , )coscos41616uvxuyvf x yC u C v F u v0 vu1( )( )2C uC v( )( )1C uC v4.6 變換編碼變換編碼39 88二維二維DCT反變換的變換核函數(shù)為反變換的變換核函數(shù)為 按按u，v分別展開后得到分別展開后得到64個(gè)個(gè)88像素的圖像塊組，像素的圖像塊組，稱為稱為基圖像。基圖像。(21)(21)( ) ( )coscos1616xuyvC u C v4.6 變換編碼變換編碼40量化 量化處理是一個(gè)量化處理是一個(gè)多到一多到一的映射，它是造成的映射，它是造成DCT編解碼編解碼信息損失

7、的根源。信息損失的根源。 根據(jù)人眼的根據(jù)人眼的視覺特性視覺特性，對(duì)不同的變換系數(shù)設(shè)置不同的量，對(duì)不同的變換系數(shù)設(shè)置不同的量化步長(zhǎng)?；介L(zhǎng)。( , )( , )( , )F u vQ u vroundS u v4.6 變換編碼變換編碼42 JPEG標(biāo)準(zhǔn)中每個(gè)亮度DCT系數(shù)的量化步長(zhǎng)16111016244051611212141926586055141316244057695614172229518780621822375668109103772435556481104113924964788710312112010172929598112100103994.6 變換編碼變換編碼43JPEG標(biāo)準(zhǔn)中

8、每個(gè)色度DCT系數(shù)的量化步長(zhǎng)171824479999999918212666999999992426569999999999476699999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999994.6 變換編碼變換編碼44變換系數(shù)變換系數(shù)熵編碼熵編碼 Zig-Zag（或稱（或稱“ Z ” 字 形 ，字 形 ，“之之”字形）掃字形）掃描描 DC直直流流系系數(shù)數(shù)AC01交流系數(shù)掃描開始交流系數(shù)掃描開始交流系數(shù)掃描結(jié)束AC07AC70AC774.6 變換編碼變換編碼45變換系數(shù)變換系數(shù)熵編碼熵編碼t直流分量（直

9、流分量（DC）：相鄰圖像子塊的直流分量（圖像子塊的平：相鄰圖像子塊的直流分量（圖像子塊的平均樣值）也存在著均樣值）也存在著相關(guān)性相關(guān)性，所以對(duì)，所以對(duì)DC的量化系數(shù)用的量化系數(shù)用DPCM編編碼較合適，即對(duì)當(dāng)前塊和前一塊的碼較合適，即對(duì)當(dāng)前塊和前一塊的DC系數(shù)的系數(shù)的差值差值進(jìn)行編碼。進(jìn)行編碼。 t交流分量（交流分量（AC）：把數(shù)值為：把數(shù)值為0的連續(xù)長(zhǎng)度（即的連續(xù)長(zhǎng)度（即0游長(zhǎng)游長(zhǎng)）和非）和非0值結(jié)合起來構(gòu)成一個(gè)值結(jié)合起來構(gòu)成一個(gè)事件（事件（Run，Level），），然后再對(duì)事件然后再對(duì)事件（Run，Level）進(jìn)行）進(jìn)行熵編碼熵編碼。 tRun：不為：不為0的量化系數(shù)前面的的量化系數(shù)前面的0

10、的個(gè)數(shù)的個(gè)數(shù)tLevel：不為：不為0的量化系數(shù)的幅值的量化系數(shù)的幅值4.6 變換編碼變換編碼46例：例：88亮度子塊的亮度子塊的DCT編碼壓縮和解碼編碼壓縮和解碼 JPEG78787575697877728380796771717676808278756968636985797878677570737981808675757674827478807867757294858683827678769494868282797578),(88yxf88亮亮度子塊度子塊3111251311121428222021218003112623700510230434501132070462210312829

11、619),(88vuFDCDCT第一步：第一步：DCT變換變換 DCT編碼壓縮編碼壓縮77001(21)(21)( , )( ) ( )( , )coscos41616xyxuyvF u vC u C vf x y 47JPEG亮度量化步長(zhǎng)矩陣表亮度量化步長(zhǎng)矩陣表 第二步：量化處理降低每個(gè)第二步：量化處理降低每個(gè)DCT系數(shù)的比特?cái)?shù)系數(shù)的比特?cái)?shù) ( , )( , )round( , )F u vQ u vS u v 量化過程是將量化過程是將DCT系數(shù)矩陣系數(shù)矩陣F(u,v)中的中的每個(gè)元素每個(gè)元素與量化步與量化步長(zhǎng)矩陣長(zhǎng)矩陣S(u,v)中的中的對(duì)應(yīng)元素對(duì)應(yīng)元素相除后相除后, 進(jìn)行四舍五入運(yùn)算。例

12、如：進(jìn)行四舍五入運(yùn)算。例如：15 . 0round168round1533. 0round158round04375. 0round167round8 81611101624405161121214192658605514131624405769561417222951878062( , )18223756681091037724355564811041139249647887103121 1201017292959811210010399ySu v48量化結(jié)果量化結(jié)果 8 8393100000210000001000000001000000( , )000000000000000000000

13、00000000000Q u v8 8393100000210000001000000001000000( , )00000000000000000000000000000000Q u v第三步：第三步： Zig-Zag掃描掃描第四步：編碼傳輸?shù)谒牟剑壕幋a傳輸游程編碼：游程編碼：本例為（本例為（39，-3，2，1， -1，1，0，0，0，0，0， -1，EOB）。）。EOB表示塊表示塊結(jié)束，接收端收到結(jié)束，接收端收到EOB后后自動(dòng)將自動(dòng)將64個(gè)元素中余下的個(gè)元素中余下的元素補(bǔ)零。元素補(bǔ)零。49DCT解碼復(fù)原解碼復(fù)原第一步：恢復(fù)量化矩陣第一步：恢復(fù)量化矩陣將將EOB后的元素自動(dòng)補(bǔ)零后的元素自動(dòng)補(bǔ)

14、零第二步：反量化（第二步：反量化（IQ）( , )( , )( , )F u vQ u vS u v8 86243310000002412000000140000000017000000( , )00000000000000000000000000000000F u v（619）50第三步：第三步：IDCT77767574757677788180777573727373848279757169686884827875727069698281787574747474848381787777777891898682797877779895918580777574),(88yxf78787575697877728380796771717676808278756968636985797878677570737981808675757674827478807867757294858683827678769494868282797578),(88yxf主要原因是主要原因是量化所致。量化所致。重建后的信號(hào)與重建后的信號(hào)與原信號(hào)相差很小原信號(hào)相差很小 51 構(gòu)造 N N 塊 合并 N N 塊 D