圖像的編碼技術(shù)

1、第九章 圖像的編碼技術(shù)一、圖像編碼技術(shù)的研究背景：1. 信息傳輸方式發(fā)生了很大的改變n通信方式的改變文字+語(yǔ)音圖像+文字+語(yǔ)音n通信對(duì)象的改變?nèi)伺c人人與機(jī)器，機(jī)器與機(jī)器第九章 圖像的編碼技術(shù) 2.圖像傳輸與存儲(chǔ)需要的信息量空間： 1）彩色視頻信息 對(duì)于電視畫(huà)面的分辨率640*480的彩色圖像，每秒30幀，則一秒鐘的數(shù)據(jù)量為： 640*480*24*30=221.12M 所以播放時(shí)，需要221Mbps的通信回路。 參考數(shù)據(jù)：寬帶網(wǎng)為512K,電話線為56K。 存儲(chǔ)時(shí)，1張CD可存640M，則僅可以存放2.89秒的數(shù)據(jù)。第九章 圖像的編碼技術(shù) 2.圖像傳輸與存儲(chǔ)需要的信息量空間： 2）傳真數(shù)據(jù) 如

2、果只傳送2值圖像，以200dpi的分辨率傳輸，一張A4稿紙的內(nèi)容的數(shù)據(jù)量為： 1654*2337*1=3888768bit 按目前14.4K的電話線傳輸速率，需要傳送的時(shí)間是：270秒（4.5分） 按每分鐘4元計(jì)算：18元 第九章 圖像的編碼技術(shù) 由于通信方式和通信對(duì)象的改變帶來(lái)的最大問(wèn)題是： 傳輸帶寬、速度、存儲(chǔ)器容量的限制。 給我們帶來(lái)的一個(gè)難題，也給了我們一個(gè)機(jī)會(huì)： 如何用軟件的手段來(lái)解決硬件上的物理極限。圖像通信系統(tǒng)模型9.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念 你的妻子，Helen，將于明天晚上6點(diǎn)零5分在上海的虹橋機(jī)場(chǎng)接你。 (23*2+10=56個(gè)半角字符) 你的妻子將于明天晚上 6點(diǎn)零5分

3、在虹橋機(jī)場(chǎng)接你。 (20*2+3=43個(gè)半角字符） Helen將于明晚6點(diǎn)在虹橋接你。 (10*2+7=27個(gè)半角字符）結(jié)論：只要接收端不會(huì)產(chǎn)生誤解，就可以減少承載信息的數(shù)據(jù)量。9.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念n描述語(yǔ)言1）“這是一幅 2*2的圖像，圖像的第一個(gè)像素是紅的，第二個(gè)像素是紅的，第三個(gè)像素是紅的，第四個(gè)像素是紅的”。 2）“這是一幅2*2的圖 像，整幅圖都是紅色的”。 由此我們知道，整理圖 像的描述方法可以達(dá)到 壓縮的目的。9.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念n圖像冗余無(wú)損壓縮的原理RGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGB16RGB從

4、原來(lái)的16*3*8=284bits壓縮為：(1+3)*8=32bits9.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念n圖像冗余有損壓縮的原理363534343434343234343337303434343434343434353434313434343434343434343434343434343434343434343434343425349.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念n實(shí)際圖像中冗余信息的表現(xiàn)（灰度圖）9.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念n圖象的視覺(jué)冗余圖象的視覺(jué)冗余 （彩色）（彩色） R G B2488822*2*2=242 =16,777,216(248,27,4)(251,32,15)(248,27,

5、4)(248,27,4)9.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念3. 圖像冗余信息分析結(jié)論 由于一幅圖像存在數(shù)據(jù)冗余和主觀視覺(jué)冗余，我們的壓縮方式就是從這兩方面著手來(lái)開(kāi)展的。1）因?yàn)橛袛?shù)據(jù)冗余，當(dāng)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。2）因?yàn)橛兄饔^視覺(jué)冗余，當(dāng)我們忽略一些視覺(jué)不 太明顯的微小差異，可以進(jìn)行所謂的“有損”壓 縮。9.2 圖像的壓縮編碼n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。n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(luò)、小波變換等數(shù)學(xué)工具，充分利用視覺(jué)系統(tǒng)生理心理特性和圖像信源的各種特性。9.2 圖像的壓縮編碼像素 位平面

6、編碼增量調(diào)制熵編碼算術(shù)編碼DCT變換DPCM調(diào)制第一代壓縮編碼行程編碼9.2 圖像的壓縮編碼子帶編碼模型編碼分層編碼分型編碼第二代壓縮編碼一、行程編碼(RLE編碼)n基本原理： 通過(guò)改變圖像的描述方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮。將一行中顏色值相同的相鄰像素用一個(gè)計(jì)數(shù)值和該顏色值來(lái)代替。n舉例說(shuō)明：aaaa bbb cc d eeeee fffffff (共22*8=176 bits) 4a3b2c1d5e7f (共12*8=96 bits)一、行程編碼(RLE編碼)n在傳真中的應(yīng)用： 傳真件中一般都是白色比較多，而黑色相對(duì)比較少。所以可能常常會(huì)出現(xiàn)如下的情況： 600W 3b 100w 12b 4w 3b

7、200w 上面的行程編碼所需用的字節(jié)數(shù)為： 因?yàn)椋?126001024 所以：計(jì)數(shù)值必須用10bit來(lái)表示 10*7=70bit一、行程編碼(RLE編碼)n在傳真中的應(yīng)用： 現(xiàn)在我們就希望對(duì)其有一個(gè)改善。 白色：10bit，黑色：4bit 600W 3b 100w 12b 4w 3b 200w 所需字節(jié)數(shù)為： 4*10+3*4=52bit 比原來(lái)的方式10*7=70bit減少了18bit二、 Huffman 編碼（熵編碼）n基本原理： 為了達(dá)到更大的壓縮率，提出了一種方法，就是 將在圖像中出現(xiàn)頻度大的像素值給一個(gè)比較短的編碼，將出現(xiàn)頻度小的像數(shù)值給一個(gè)比較長(zhǎng)的編碼。二、 Huffman 編碼（

8、熵編碼）n舉例說(shuō)明： aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 4 3 2 1 5 7 編碼：編碼： f=0 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101 11011011011011111111111111100111001110110101010100000000 (共 7*1+5*2+4*3+3*4+2*5+1*5=56 bits) 二、 Huffman 編碼cbafe7/227/225/225/224/224/222/222/2210f=01 e=11 a=10 b=001 c=0001 d=

9、0000d1/221/223/223/226/226/2222/2222/2213/2213/229/229/223/223/2210101010二、 Huffman 編碼 aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)Huffman編碼之后的數(shù)據(jù)為：編碼之后的數(shù)據(jù)為： 1010101010001001001000100010000111111111101010101010101 (共 7*2+5*2+4*2+3*3+2*4+1*4=53 bits) 比前面我們給出的編碼得到的56bits的數(shù)據(jù)量還小二、Huffman

10、 編碼nHuffman編碼在圖像壓縮中的實(shí)現(xiàn) 我們知道，對(duì)一幅圖像進(jìn)行編碼時(shí)，如果圖像的大小大于256時(shí)，這幅圖像的不同的碼字就有可能是很大，例如極限為256個(gè)不同的碼字。 對(duì)整幅圖直接進(jìn)行Huffman編碼時(shí)，小分布的灰度值，就有可能具有很長(zhǎng)的編碼。 如：100位以上，這樣不但達(dá)不到壓縮的效果反而會(huì)使數(shù)據(jù)量加大，應(yīng)該如何處理？二、 Huffman 編碼n常用的且有效的方法是： 將圖像分割成若干的小塊，對(duì)每塊進(jìn)行獨(dú)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(gè)數(shù)（最多是64而不是256）。88三、DCT變換編碼nDCT變換編碼的提出： 行程編碼與Huffman編碼的設(shè)

11、計(jì)思想是基于對(duì)信息的表述方法的改變，屬于無(wú)損壓縮方式。但是一定有一個(gè)極限。 DCT變換是希望在接收方不產(chǎn)生誤解的前提下進(jìn)行一定的信息丟失。 由前面講到的頻域變換可以得到啟示，就是將低頻與高頻按照不同的數(shù)據(jù)承載方式進(jìn)行表述。三、DCT變換編碼n復(fù)習(xí)DCT變換：=1010222) 12(cos) 12(cos),()()(),(MxNyMNMNcyxyxfccF正變換：=1010222) 12(cos) 12(cos),()()(),(MNMNcMNyxFccyxf=1)(21xc0=x1,.,2 , 1=Nx逆變換：其中：三、DCT變換編碼nDCT變換編碼方法：DCT變換DCT逆變換原圖像除以量

12、化矩陣取整1）編碼過(guò)程：2）解碼過(guò)程：壓縮圖像乘以量化矩陣取整壓縮圖像解壓圖像三、DCT變換編碼=92. 011. 027. 065. 000. 150. 050. 150. 238. 058. 165. 027. 00 .1145 .1185 .1195 .1201DHuffman:42bits Huffman:28bits=29221714241613141914121216111116C=000000000000711118D例：例：=56606159586059625759596157586059F原圖像為：DCT變換除以量化矩陣，取整三、DCT變換編碼原圖解壓圖四、混合編碼n混合編碼

13、實(shí)現(xiàn)的可能性及有效性：回顧一下講過(guò)的幾個(gè)內(nèi)容的特點(diǎn)1. 行程編碼：擅長(zhǎng)于重復(fù)數(shù)字的壓縮。2. Huffman編碼：擅長(zhǎng)于像素個(gè)數(shù)的不同編碼。4. DCT變換：擅長(zhǎng)將高頻部分分離出來(lái)。四、 混合編碼n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 66四、混合編碼 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=0001 d=0000 1010101010001001001000100010000111111111101010101010101 (共 7*2+5*2+4*2+3*3+2*4+1*4=53 bits) 176 66 53四、混合編碼 aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 Hufman與行程編碼混合： 41030012000110000511701 (共：3+2+3+3+3+4+3+4+3+2+3+2=35 bits) 176 66 53 359.3 圖像壓縮的實(shí)例一次小波變換DCT變換.行程編碼Huf