chp04_彩色數(shù)字圖像基礎(chǔ)

1、第4章 彩色數(shù)字圖像基礎(chǔ) 2/74 第第4章章 彩色數(shù)字圖像基礎(chǔ)目錄彩色數(shù)字圖像基礎(chǔ)目錄4.1 視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知4.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型4.2.1 顯示彩色圖像用RGB相加混色模型4.2.2 打印彩色圖像用CMY相減混色模型4.3 圖像的三個(gè)基本屬性圖像的三個(gè)基本屬性4.3.1 圖像分辨率4.3.2 像素深度與阿爾法()通道4.3.3 真彩色、偽彩色與直接色4.4 圖像的種類圖像的種類4.4.1 矢量圖與位圖4.4.2 灰度圖與彩色圖4.5 伽馬伽馬()校正校正4.5.1 的概念4.5.2 校正4.6 JPEG壓縮編碼壓縮編碼4.6.1 JPEG算法概要4.

2、6.2 JPEG算法的主要計(jì)算步驟4.6.3 JPEG壓縮和編碼舉例4.7 圖像文件格式圖像文件格式4.7.1 BMP文件格式4.7.2 GIF文件格式4.7.3 JPEG格式4.7.4 PNG格式參考文獻(xiàn)和站點(diǎn)參考文獻(xiàn)和站點(diǎn) 3/74 4.1 視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知n顏色是什么顏色是什么視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)可見(jiàn)光的感知結(jié)果n可見(jiàn)光是波長(zhǎng)在380780 nm之間的電磁波，由許多不同波長(zhǎng)的光組合成的，因此有多種顏色的感覺(jué)顏色只存在于眼睛和大腦n人的視網(wǎng)膜有對(duì)紅、綠、藍(lán)顏色敏感程度不同的三種錐體細(xì)胞n桿狀體細(xì)胞在光功率極低的條件下才起作用4/74 4.1 視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色

3、的感知(續(xù)續(xù))n視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色感知的特性視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色感知的特性眼睛本質(zhì)上是一個(gè)照相機(jī)紅、綠和藍(lán)三種錐體細(xì)胞對(duì)不同頻率的光的感知程度不同，對(duì)不同亮度的感知程度也不同自然界中的任何一種顏色都可以由R，G，B這三種顏色值之和來(lái)確定，它們構(gòu)成一個(gè)三維的RGB矢量空間5/74 4.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型n顯示彩色圖像用顯示彩色圖像用RGB相加混色模型相加混色模型能發(fā)出光波的物體稱為有源物體，它的顏色由該物體發(fā)出的光波決定n紅綠藍(lán)三種波長(zhǎng)的光，不同的相對(duì)強(qiáng)度組合產(chǎn)生不同顏色RGB相加混色模型n組合紅、綠和藍(lán)光波來(lái)產(chǎn)生特定顏色的方法叫做相加混色法(additive color mixture)

4、，即RGB相加混色模型任何一種顏色都可用三種基本顏色按不同的比例混合得到顏色顏色R(%)G(%)B(%)比如：比如：255 0 06/74 7/74 4.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型(續(xù)續(xù)1)當(dāng)三基色等量相加時(shí)，得到白色；等量的紅綠相加而藍(lán)為0時(shí)得到黃色；等量的紅藍(lán)相加而綠為0時(shí)得到品紅色；等量的綠藍(lán)相加而紅為0時(shí)得到青色。圖4-1 彩色顯像產(chǎn)生顏色的原理 圖4-2 相加混色 8/74 4.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型(續(xù)續(xù)2)彩色圖像n一幅彩色圖像可以看成是由許多的點(diǎn)組成的n圖像中的單個(gè)點(diǎn)稱為像素(pixel)n一個(gè)像素值通常用R，G，B三個(gè)分量表示。RGB顏色000黑001藍(lán)010

5、綠011青100紅101品紅110黃111白表4-1相加色圖4-3 一幅圖像由許多像素組成 9/74 4.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型(續(xù)續(xù)3)n打印彩色圖像用打印彩色圖像用CMY相減混色模型相減混色模型不發(fā)光波的物體稱為無(wú)源物體，它的顏色由該物體吸收或者反射哪些光波決定用n用彩色墨水或顏料進(jìn)行混合，繪制的圖畫(huà)是一種無(wú)源物體，用這種方法生成的顏色稱為相減色CMY相減混色模型n用三種基本顏色即青色、品紅和黃色的顏料按一定比例混合得到顏色的方法，通常寫成CMY，稱為CMY模型n任何一種顏色都可以用青色、品紅和黃色混合得到10/74 4.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型(續(xù)續(xù)4)在相減混色中,

6、當(dāng)三基色等量相減時(shí)得到黑色；。按每個(gè)像素每種顏色用1位表示，相減法產(chǎn)生的8種顏色圖4-4 相減混色 11/74 C(青色)M(品紅) Y(黃色) 相減色000白001黃010品紅011紅100青101綠110藍(lán)111黑表4-3 相減色 12/74 4.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型(續(xù)續(xù)5)n相加色與相減色是互補(bǔ)色相加色與相減色是互補(bǔ)色相加混色和相減混色之間成對(duì)出現(xiàn)互補(bǔ)色利用它們之間的關(guān)系，可把顯示的顏色轉(zhuǎn)換成打印的顏色在RGB中的顏色值為1的地方，在CMY對(duì)應(yīng)的位置上，其顏色值為0。例如，RGB為0 1 0時(shí)，對(duì)應(yīng)CMY為1 0 1 相加混色(RGB)相減混色(CMY)生成的顏色00011

7、1黑001110藍(lán)010101綠011100青100011紅101010品紅110001黃111000白表4-4 相加色與相減色的關(guān)系13/74 4.3 圖像的三個(gè)基本屬性圖像的三個(gè)基本屬性n圖像分辨率圖像分辨率(resolution)屏幕分辨率(screen resolution)n衡量顯示設(shè)備再現(xiàn)圖像時(shí)所能達(dá)到的精細(xì)程度的度量方法。也稱顯示分辨率n用“水平像素?cái)?shù)垂直像素?cái)?shù)”表示，如640480表示整個(gè)顯示屏含有307200個(gè)顯像點(diǎn)n傳統(tǒng)電視屏幕的寬高比為4:3；高清晰度電視屏幕的寬高比為16 9圖像分辨率(image resolution)n圖像精細(xì)程度的度量方法。圖像分辨率也稱空間分辨率

8、(spatial resolution)和像素分辨率(pixel resolution)14/74 4.3 圖像的三個(gè)基本屬性圖像的三個(gè)基本屬性(續(xù)續(xù)1)在圖像顯示應(yīng)用中的圖像分辨率表示法n(1) 物理尺寸：每毫米線數(shù)(或行數(shù))n(2) 行列像素：像素/行行/幅，如640像素/行480行/幅n(3) 像素總數(shù)：如數(shù)碼相機(jī)上標(biāo)的500萬(wàn)像素n(4) 單位長(zhǎng)度上的像素：如像素每英寸(pixels per inch，PPI)n(5) 線對(duì)(line pair)數(shù)：以黑白相鄰的兩條線為一對(duì)，如5對(duì)線在圖像數(shù)字化和打印應(yīng)用中的圖像分辨率表示法n通常用多少點(diǎn)每英寸(dots per inch，DPI)表示

9、，如300 DPIn分辨率越高，圖像質(zhì)量就越高，像素就越多，要求存儲(chǔ)容量就越大圖像分辨率與屏幕分辨率是兩個(gè)不同的概念n從行列像素角度看，圖像分辨率是構(gòu)成一幅圖像的像素?cái)?shù)目，而屏幕分辨率是顯示圖像的區(qū)域大小 15/74 4.3 圖像的三個(gè)基本屬性圖像的三個(gè)基本屬性(續(xù)續(xù)2)n像素深度與阿爾法像素深度與阿爾法()通道通道 存儲(chǔ)每個(gè)像素所用的位數(shù)n例如，用R，G，B三個(gè)分量表示的彩色圖像，若每個(gè)分量用8位表示，那么一個(gè)像素共用24位表示，就說(shuō)像素深度為24位像素深度決定彩色圖像的每個(gè)像素可能有的顏色數(shù)，或者確定灰度圖像的每個(gè)像素可能有的灰度級(jí)數(shù)n例如，像素深度為24位時(shí)，每個(gè)像素可以是224=16

10、777 216種顏色中的一種像素深度越深，表達(dá)的顏色數(shù)目就越多，所占用的存儲(chǔ)空間也越大。相反，如果像素深度太淺，則影響圖像的質(zhì)量，圖像看起來(lái)讓人覺(jué)得很粗糙和很不自然16/74 4.3 圖像的三個(gè)基本屬性圖像的三個(gè)基本屬性(續(xù)續(xù)3)n阿爾法阿爾法()通道通道在每個(gè)像素用32位表示的圖像表示法中的高8位，其余24位是顏色通道，紅色、綠色和藍(lán)色分量各占一個(gè)8位的通道 用于表示像素在對(duì)象中的透明度n例如，用兩幅圖像A和B混合成一幅新圖像，新圖像(New)的像素為：New pixel =(alpha)(pixel A color) +(alpha)(pixel B color)n又如，一個(gè)像素(A，R，

11、G，B)的四個(gè)分量都用規(guī)一化的數(shù)值表示時(shí)，u像素值為(1，1，0，0)時(shí)顯示紅色，表示紅色強(qiáng)度為1u像素值為(0.5，1，0，0)時(shí)，使用通道中的預(yù)乘數(shù)0.5與R，G，B相乘，其結(jié)果為(0.5,0.5,0,0)，表示紅色強(qiáng)度為0.5 17/74 4.3 圖像的三個(gè)基本屬性圖像的三個(gè)基本屬性(續(xù)續(xù)4)n真彩色、偽彩色與直接色真彩色、偽彩色與直接色 真彩色(true color) n每個(gè)像素的顏色值用紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)表示的顏色n通常用24位表示，其顏色數(shù)22416 777 216種。也稱24位顏色(24-bit color)或全彩色(full color)偽彩色(pseudo colo

12、r)n將像素值當(dāng)作彩色查找表(color look-up table，CLUT)的表項(xiàng)入口地址，查找顯示圖像時(shí)要使用的R，G，B值，用查找出的R，G，B值產(chǎn)生的彩色n使用查找得到的R，G，B數(shù)值顯示的彩色是真的，但不是圖像本身真正的顏色，它沒(méi)有完全反映原圖的顏色直接色(direct color)n每個(gè)像素值由R，G，B分量構(gòu)成，每個(gè)分量作為單獨(dú)的索引值對(duì)它做變換，用變換后的R，G，B值產(chǎn)生的顏色16色標(biāo)準(zhǔn)VGA調(diào)色板 代碼 R G B 顏色名稱 效果 0 0 0 0 黑(Black) 1 0 0 128 深藍(lán)(Navy) 2 0 128 0 深綠(Dark Green) 3 0 128 128

13、 深青(Dark Cyan) 4 128 0 0 深紅(Maroon) 5 128 0 128 紫(Purple) 6 128 128 0 橄欖綠(Olive) 7 192 192 192 灰白(Light gray) 8 128 128 128 深灰(Dark gray) 9 0 0 255 藍(lán)( blue) 10 0 255 0 綠( green) 11 0 255 255 青(cyan) 12 255 0 0 紅( red) 13 255 0 255 品紅( magenta) 14 255 255 0 黃(Yellow) 15 255 255 255 白(white) 調(diào)色板 說(shuō)明無(wú)真彩

14、色顯示，無(wú)需調(diào)色板 調(diào)色板與圖像原有顏色匹配，故顏色偏差很小 調(diào)色板與原圖不匹配，圖像出現(xiàn)色偏 20/74 4.4 圖像的種類圖像的種類n矢量圖矢量圖(vector graphics) 根據(jù)數(shù)學(xué)規(guī)則描述而生成的圖n用數(shù)學(xué)描述的點(diǎn)、線、弧、曲線、多邊形和其他幾何實(shí)體和幾何位置來(lái)表示，創(chuàng)建的圖是對(duì)象的集合而不是點(diǎn)或像素模式的圖n繪制和顯示矢量圖的軟件通常稱為繪圖程序(draw programs)；存放矢量圖的存儲(chǔ)格式稱為矢量圖格式優(yōu)點(diǎn)n目標(biāo)圖像的移動(dòng)、縮小或放大、旋轉(zhuǎn)、拷貝、屬性(如線條變寬變細(xì)、顏色)變更都很容易做到n相同或類似的圖可以把它們當(dāng)作圖的構(gòu)造塊，并把它們存到圖庫(kù)中，這樣不僅可加速矢量

15、圖的生成，而且可減小矢量圖的文件大小局限性n很難用數(shù)學(xué)方法來(lái)描述真實(shí)世界的彩照，這就要用位圖法表示21/74 4.4 圖像的種類圖像的種類(續(xù)續(xù)1) 圖4-5 矢量圖與位圖22/74 4.4 圖像的種類圖像的種類(續(xù)續(xù)2)n位圖位圖(bitmap，bitmapped image )用像素值陣列表示的圖n對(duì)位圖進(jìn)行操作時(shí)，只能對(duì)圖中的像素進(jìn)行操作，而不能把位圖中的物體作為獨(dú)立實(shí)體進(jìn)行操作。也稱光柵圖(raster graphics)n畫(huà)位圖或編輯位圖的軟件稱為畫(huà)圖程序(paint programs)；存放位圖的格式稱為位圖格式特性n位圖的獲取通常用掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、錄像機(jī)、視像光盤和相關(guān)

16、的數(shù)字化設(shè)備n位圖文件占據(jù)的存儲(chǔ)空間比較大n影響位圖文件大小的因素u圖像分辨率u像素深度23/74 4.4 圖像的種類圖像的種類(續(xù)續(xù)3)n灰度圖灰度圖(gray-scale image或或intensity image)只有明暗不同的像素而沒(méi)有彩色像素組成的圖像只有黑白兩種顏色的圖像稱為單色圖像(monochrome/bit image)n每個(gè)像素的像素值用一位存儲(chǔ)，其值是“0”或“1”用一個(gè)字節(jié)表示一個(gè)像素的灰度圖(256級(jí)灰度)n一幅640480的灰度圖像需要占據(jù)300 KB的存儲(chǔ)空間圖4-6 (a) 標(biāo)準(zhǔn)單色圖圖4-6(b) 標(biāo)準(zhǔn)灰度圖24/74 4.4 圖像的種類圖像的種類(續(xù)續(xù)4)

17、n彩色圖像彩色圖像(color image)每個(gè)像素包含顏色信息的圖像?？砂凑疹伾臄?shù)目劃分n256色圖像：每個(gè)像素的R、G和B值用一個(gè)字節(jié)來(lái)表示n真彩色圖像：每個(gè)像素的R，G，B分量分別用一個(gè)字節(jié)表示圖4-7 256色標(biāo)準(zhǔn)圖像 圖4-8 24位標(biāo)準(zhǔn)圖像 25/74 4.5 伽馬伽馬( )校正校正n 校正校正(gamma correction)為補(bǔ)償顯示設(shè)備非線性的顯示特性而采用的校正技術(shù)n顯示設(shè)備產(chǎn)生的光亮度與輸入給它的電壓之間呈現(xiàn)的關(guān)系為 光亮度 (輸入電壓) 其中，是冪函數(shù)的指數(shù)，是一個(gè)常數(shù)，用來(lái)衡量非線性部件的轉(zhuǎn)換特性n在把輸入電壓送到顯示設(shè)備之前對(duì)它做一次變換，使輸入到顯示設(shè)備的電壓

18、= (輸入電壓) ，這個(gè)變換稱為校正n顯示設(shè)備不同，的值也有所不同。陰極射線管(CRT)典型的值在2.252.45之間 26/74 4.5 伽馬伽馬( )校正校正(續(xù)續(xù)1)27/74 4.5 伽馬伽馬( )校正校正(續(xù)續(xù)2)28/74 4.5 伽馬伽馬( )校正校正(續(xù)續(xù)3)29/74 4.6 JPEG壓縮編碼壓縮編碼nJPEG是什么是什么Joint Photographic Experts Group的縮寫，聯(lián)合圖像專家組n目的：建立一種通用性很高的彩色圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG標(biāo)準(zhǔn)n靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，用于壓縮灰度圖像和彩色圖像。兩種基本壓縮算法：u有損壓縮算法u采用以預(yù)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的無(wú)損壓

19、縮算法JPEG格式n存放使用JPEG壓縮的圖像文件交換格式30/74 4.6.1 JPEG要考慮的因素要考慮的因素n1、順序顯示與累進(jìn)顯示、順序顯示與累進(jìn)顯示類別典型代表顯示方式硬拷貝圖像電傳順序顯示軟拷貝圖像檢索服務(wù)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)累進(jìn)顯示JPEG壓縮編碼不僅應(yīng)提供順序顯示，還提供累進(jìn)顯示壓縮編碼不僅應(yīng)提供順序顯示，還提供累進(jìn)顯示傳真機(jī)傳真機(jī)遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)31/74 n2、圖像質(zhì)量的選擇、圖像質(zhì)量的選擇壓縮比與失真32/74 n3、失真編碼和無(wú)失真編碼、失真編碼和無(wú)失真編碼失真編碼：編解碼過(guò)程中產(chǎn)生了信息丟失。無(wú)失真編碼：編解碼過(guò)程中不產(chǎn)生了信息丟失。 JPEG算法考慮到廣泛應(yīng)用

20、，不僅包括有失真編碼，也包括無(wú)失真編碼。33/74 n4、JPEG算法是一種高效編碼方式算法是一種高效編碼方式既要減少存儲(chǔ)容量，又要具有較好的圖像質(zhì)量?；舅惴ㄊ且訢CT，是一種不可逆的有失真的壓縮編碼。34/74 4.6.2 基本處理的算法基本處理的算法n1、JPEG基本處理算法的主要步驟基本處理算法的主要步驟35/74 nJPEG算法主要包括算法主要包括正向離散余弦變換(FDCT)。 量化(quantization)。 使用DPCM對(duì)直流系數(shù)(DC)進(jìn)行編碼。 Z字形編碼(zigzag scan)。 使用行程長(zhǎng)度編碼(run-length encoding，RLE)對(duì)交流系數(shù)(AC)進(jìn)行編

21、碼。 36/74 n2、DCT變換變換（1）像素塊n對(duì)每個(gè)單獨(dú)的彩色圖像分量，把整個(gè)分量圖像分成88的圖像塊。888888像素塊1像素塊2像素塊1像素塊i像素塊i+1像素塊j37/74 n（2）正向離散余弦變換）正向離散余弦變換(FDCT)將88像素塊進(jìn)行DCT變換，把能量集中在少數(shù)幾個(gè)系數(shù)上。 38/74 n DCT變換使用下式計(jì)算變換使用下式計(jì)算式中，式中，i，j表示像素在像素塊中的位置；表示像素在像素塊中的位置； u，v表示表示DCT系數(shù)的位置；系數(shù)的位置； C(u), C(v) = 1/ （當(dāng)（當(dāng)u, v = 0）；）； C(u), C(v) = 1（當(dāng)（當(dāng)u, v 0 ）。）。 f(

22、i, j)經(jīng)經(jīng)DCT變換之后，得到變換之后，得到64個(gè)系數(shù)個(gè)系數(shù)Fuv 。 F(0，0)是是直流系數(shù)直流系數(shù)，其他為交流系數(shù)。，其他為交流系數(shù)。 39/74 反變換使用下式計(jì)算反變換使用下式計(jì)算 式中，式中，i，j表示像素在像素塊中的位置；表示像素在像素塊中的位置； u，v表示表示DCT系數(shù)的位置；系數(shù)的位置； C(u), C(v) = 1/ （當(dāng)（當(dāng)u, v = 0）；）； C(u), C(v) = 1（當(dāng)（當(dāng)u, v 0 ）。）。40/74 n經(jīng)過(guò)反變換，如果經(jīng)過(guò)反變換，如果fij的值超過(guò)指定的的值超過(guò)指定的精度，則要進(jìn)行精度，則要進(jìn)行“限幅限幅”處理。處理。當(dāng)當(dāng)fij精度為精度為8bit

23、時(shí)，時(shí)，nfij 255；當(dāng)fij 255nfij 0；當(dāng)fij 4095nfij 0；當(dāng)fij 041/74 159 153 158 152 143 138 132 132164 162 162 157 151 142 134 132167 168 161 160 156 145 139 134164 168 161 166 162 152 149 141171 166 168 167 163 162 157 151173 164 169 170 166 166 162 161175 169 172 175 174 172 174 166173 172 175 173 180 181 177

24、 172(a)8*8像素塊260 49 -16 5 2 4 0 1-79 36 -2 -7 1 -3 -1 -2 0 -8 3 -2 -2 1 5 1 -8 -4 5 -4 1 7 6 -2 -2 -6 -1 0 -4 -1 0 -1 -3 -2 -1 -1 1 2 -5 -1 -4 -1 1 0 0 -2 2 0 1 1 1 1 -1 1 0 0 16 4 -2 0 0 0 0 0 -7 3 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

25、 0 0 0 0(b)DCT系數(shù)(c)量化DCT系數(shù) 16 11 10 16 24 40 51 61 12 12 14 19 26 58 60 55 14 13 16 24 20 57 69 56 14 17 22 29 51 87 80 62 18 22 37 56 68 109 103 77 24 35 55 64 81 104 113 92 49 64 78 87 103 121 120 101 72 92 95 98 112 100 103 99DCT（d）量化表說(shuō)明量化42/74 n3、量化、量化(quantization)量化是對(duì)經(jīng)過(guò)FDCT變換后的頻率系數(shù)進(jìn)行量化。量化的目的是減

26、小非“0”系數(shù)的幅度以及增加“0”值系數(shù)的數(shù)目。量化是圖像質(zhì)量下降的最主要原因。使用均勻量化器進(jìn)行量化。43/74 n變換系數(shù)變換系數(shù)Suv的量化利用量化表的量化利用量化表Quv完成。量完成。量化表對(duì)不同位置的化表對(duì)不同位置的Suv取不同步長(zhǎng)進(jìn)行量化。取不同步長(zhǎng)進(jìn)行量化。n量化系數(shù)量化系數(shù)ruv=round(Suv/Quv)四舍五入運(yùn)算。44/74 n通過(guò)通過(guò)Quv值的選擇，可實(shí)現(xiàn)圖像質(zhì)量的控制。若值的選擇，可實(shí)現(xiàn)圖像質(zhì)量的控制。若設(shè)定設(shè)定Quv值較小，可得到較好的圖像質(zhì)量。反之，值較小，可得到較好的圖像質(zhì)量。反之，亦然。亦然。n因此，只要變化量化表因此，只要變化量化表Quv，就能有效控制圖像

27、質(zhì)就能有效控制圖像質(zhì)量和編碼信息量。量和編碼信息量。45/74 表表1 亮度量化值表亮度量化值表 表表2 色度量化值色度量化值 人眼對(duì)亮度信號(hào)比對(duì)色差信號(hào)更敏感，因此使用了兩種量化人眼對(duì)亮度信號(hào)比對(duì)色差信號(hào)更敏感，因此使用了兩種量化表：亮度量化值和表：亮度量化值和色差量化值色差量化值。人眼對(duì)低頻分量的圖像比對(duì)高頻分量的圖像更敏感，因此圖人眼對(duì)低頻分量的圖像比對(duì)高頻分量的圖像更敏感，因此圖中的中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小左上角的量化步距要比右下角的量化步距小。量化表量化表46/74 260 49 -16 5 2 4 0 1-79 36 -2 -7 1 -3 -1 -2 0 -8 3

28、 -2 -2 1 5 1 -8 -4 5 -4 1 7 6 -2 -2 -6 -1 0 -4 -1 0 -1 -3 -2 -1 -1 1 2 -5 -1 -4 -1 1 0 0 -2 2 0 1 1 1 1 -1 1 0 0 16 4 -2 0 0 0 0 0 -7 3 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0DCT系數(shù)量化DCT系數(shù) 16 11 10 16 24 40 51 61 12 12 14 19 26 58

29、60 55 14 13 16 24 20 57 69 56 14 17 22 29 51 87 80 62 18 22 37 56 68 109 103 77 24 35 55 64 81 104 113 92 49 64 78 87 103 121 120 101 72 92 95 98 112 100 103 99量化表說(shuō)明量化基于基于S00=260, Q00=16, 則則r00=round(260/16)=16基于基于S01=49, Q01=11, 則則r01=round(49/11)=4基于基于S10=-79, Q10=12, 則則r00=round(-79/12)=-747/74 n

30、4、熵編碼、熵編碼使用哈夫曼編碼器來(lái)減少熵，可以使用很簡(jiǎn)單的查表(lookup table)方法進(jìn)行編碼。高頻符號(hào)分配短碼，低頻符號(hào)分配長(zhǎng)碼。這種可變長(zhǎng)度的哈夫曼碼表可以事先進(jìn)行定義。 哈夫曼編碼對(duì)DCT系數(shù)中的直流DC系數(shù)（r00）和交流AC系數(shù)（ r00以外）作進(jìn)一步的壓縮。48/74 n（1）DC系數(shù)的哈夫曼編碼系數(shù)的哈夫曼編碼塊延時(shí)+-+DC差分分 組一維哈夫曼編碼DC碼本表組號(hào)SSSS附加位DC碼字DC系數(shù)的哈夫曼編碼49/74 DC系數(shù)的差分系數(shù)的差分n對(duì)對(duì)DC系數(shù)的哈夫曼編碼不是直接對(duì)系數(shù)的哈夫曼編碼不是直接對(duì)DC系數(shù)本身，系數(shù)本身，而是而是對(duì)相鄰像素塊對(duì)應(yīng)系數(shù)的差分值進(jìn)行編碼對(duì)

31、相鄰像素塊對(duì)應(yīng)系數(shù)的差分值進(jìn)行編碼。像素塊i-1像素塊iDCi-1DCiDCi=DCi-DCi-1DC系數(shù)表示系數(shù)表示8*8像素塊信號(hào)的像素塊信號(hào)的平均值。相鄰像素塊間平均值。相鄰像素塊間DC系系數(shù)差值不會(huì)很大，而且很多數(shù)差值不會(huì)很大，而且很多趨于零。因此可以大大提高趨于零。因此可以大大提高編碼效率。編碼效率。50/74 分分 組組n哈夫曼編碼將哈夫曼編碼將DC系數(shù)的差分值分成若干組，并以系數(shù)的差分值分成若干組，并以SSSS表示不同的組號(hào)。對(duì)于不同組號(hào)的差分值，表示不同的組號(hào)。對(duì)于不同組號(hào)的差分值，給予不同的附加字位，即在編碼數(shù)據(jù)后加上不同給予不同的附加字位，即在編碼數(shù)據(jù)后加上不同的附加位數(shù)據(jù)

32、。的附加位數(shù)據(jù)。51/74 n例如，組號(hào)為例如，組號(hào)為3的差分值為（的差分值為（-7.-4，4.7）包括數(shù)值范圍包括數(shù)值范圍-7-4和和4-7的范圍，整的范圍，整數(shù)值有：數(shù)值有：-7，-6，-5，-4 4，5，6，7n如果如果SSSS=3，附加位查表為，附加位查表為3，其附加，其附加位的具體數(shù)據(jù)，由差分值的大小所決定。位的具體數(shù)據(jù)，由差分值的大小所決定。52/74 n以第三組為例，附加位數(shù)值的分配如圖：53/74 哈夫曼編碼哈夫曼編碼n根據(jù)根據(jù)DC差分值的不同組號(hào)，通過(guò)碼本表可差分值的不同組號(hào)，通過(guò)碼本表可決定該差分值的哈夫曼編碼的數(shù)據(jù)決定該差分值的哈夫曼編碼的數(shù)據(jù)碼字。碼字。54/74 n設(shè)

33、當(dāng)前像素塊設(shè)當(dāng)前像素塊i的的r00（DC值）為值）為16，相鄰前，相鄰前一像素一像素i-1的的r00為為25，其差值為，其差值為nDCi=16-25=-9差分值 附加值（四位）-15 0000-14 0001-13 0010-12 0011-11 0100-10 0101-9 0110-8 0111 8 1000 9 100110 101011 101112 1100 13 110114 111015 111155/74 nSSSS=4，查亮度，查亮度DC系數(shù)碼本表，對(duì)應(yīng)碼字系數(shù)碼本表，對(duì)應(yīng)碼字101n附加位編碼附加位編碼0110DCi=-9的哈夫曼編碼碼字應(yīng)為的哈夫曼編碼碼字應(yīng)為101011

34、0差分值 附加值（四位）-15 0000-14 0001-13 0010-12 0011-11 0100-10 0101-9 0110-8 0111 8 1000 9 100110 101011 101112 1100 13 110114 111015 111156/74 n（2）AC系數(shù)的哈夫曼編碼系數(shù)的哈夫曼編碼AC系數(shù)的哈夫曼編碼Z形掃描附加位二維哈夫曼編碼AC碼本表組號(hào)SSSSAC碼字AC系數(shù)系數(shù)=0YESNO分組行程統(tǒng)計(jì)57/74 n量化后的系數(shù)要重新編排，目的是為了量化后的系數(shù)要重新編排，目的是為了增加連續(xù)的增加連續(xù)的“0”系數(shù)的個(gè)數(shù)，就是系數(shù)的個(gè)數(shù)，就是“0”的游程長(zhǎng)度，方法是按

35、照的游程長(zhǎng)度，方法是按照Z(yǔ)字形的式樣編字形的式樣編排。這樣就把一個(gè)排。這樣就把一個(gè)8 8的矩陣變成一個(gè)的矩陣變成一個(gè)1 64的矢量，頻率較低的系數(shù)放在矢量的矢量，頻率較低的系數(shù)放在矢量的頂部。的頂部。 Z字形編碼字形編碼(zigzag scan)58/74 量化量化DCT系數(shù)的編排系數(shù)的編排 0156141527282471316262942381217253041439111824314044531019233239455254202233384651556021343747505659613536484957586263AC01AC77DC59/74 nAC系數(shù)的數(shù)值，一種為零，稱為無(wú)效系

36、系數(shù)的數(shù)值，一種為零，稱為無(wú)效系數(shù)，一種非零，稱為有效系數(shù)。數(shù)，一種非零，稱為有效系數(shù)。行程長(zhǎng)度行程長(zhǎng)度Z形掃描AC系數(shù)系數(shù)系數(shù)=0YESNO分組分組行程統(tǒng)計(jì)行程統(tǒng)計(jì) 16 4 -2 0 0 0 0 0 -7 3 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 060/74 n連續(xù)的無(wú)效系數(shù)（零系數(shù)）的個(gè)數(shù)為行連續(xù)的無(wú)效系數(shù)（零系數(shù)）的個(gè)數(shù)為行程長(zhǎng)度，以程長(zhǎng)度，以RRRR表示。表示。n若從若從AC05前前連續(xù)出現(xiàn)無(wú)效系數(shù)為連續(xù)出

37、現(xiàn)無(wú)效系數(shù)為5個(gè)，個(gè)，RRRR=5. 16 4 -2 0 0 1 0 0 -7 3 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 061/74 n其方式與其方式與DC系數(shù)分組類似。組號(hào)用系數(shù)分組類似。組號(hào)用SSSS表示。表示。分分 組組62/74 n如果如果AC系數(shù)中，開(kāi)始的有效系數(shù)系數(shù)中，開(kāi)始的有效系數(shù)r01=4故，故，SSSS=3，附加位為，附加位為3，附加值為，附加值為10063/74 nAC系數(shù)的哈夫曼編碼是基于碼本表

38、進(jìn)行編碼的。系數(shù)的哈夫曼編碼是基于碼本表進(jìn)行編碼的。根據(jù)根據(jù)AC系數(shù)的分組號(hào)系數(shù)的分組號(hào)SSSS和該系數(shù)前無(wú)效系數(shù)和該系數(shù)前無(wú)效系數(shù)的行程長(zhǎng)度的行程長(zhǎng)度RRRR可得到該可得到該AC系數(shù)的碼字，再加系數(shù)的碼字，再加上附加位，即可得到哈夫曼編碼的碼字。上附加位，即可得到哈夫曼編碼的碼字。哈夫曼編碼哈夫曼編碼64/74 65/74 n所以，分組號(hào)為所以，分組號(hào)為SSSS=3，即，即RRRR=0，故，故RRRR/SSSS為為0/3，查表對(duì)應(yīng)碼字為，查表對(duì)應(yīng)碼字為100，所以所以r01的哈夫曼編碼為的哈夫曼編碼為100100例例 166/74 n有效系數(shù)有效系數(shù)r10=-7。nSSSS=3，RRRR=0

39、，附加位碼字為，附加位碼字為000。nRRRR/SSSS=0/3，查表碼字為，查表碼字為100，所以，所以r01的哈夫的哈夫曼編碼為曼編碼為100000例例 267/74 n有效系數(shù)有效系數(shù)r11=3,SSSS=2 ，附加位碼字為，附加位碼字為11。nr11前前r20為無(wú)效系數(shù)為無(wú)效系數(shù)“零零”，RRRR=1。nRRRR/SSSS=1/2，查表碼字為，查表碼字為11011，所以，所以r11的哈夫的哈夫曼編碼為曼編碼為1101111差分值差分值 碼字碼字 -3 00 -2 01 2 10 3 11例例 3 有效系數(shù)有效系數(shù)r1168/74 4.7 圖像文件格式圖像文件格式 圖像文件格式是存儲(chǔ)圖形

40、或圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖像文件格式是存儲(chǔ)圖形或圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)nBMP文件格式文件格式 bitmap的簡(jiǎn)寫 Windows的標(biāo)準(zhǔn)位圖文件格式與設(shè)備無(wú)關(guān)的位圖(DIB)文件格式文件擴(kuò)展名是.bmp69/74 4.7 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)1) 文件結(jié)構(gòu)nBMP位圖文件可看成由4個(gè)部分組成u位圖文件頭(bitmap-file header)u位圖信息頭(bitmap-information header)u彩色表(color table) u位圖的字節(jié)(byte)陣列n數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各部分的名稱見(jiàn)表4-14組成部分的名稱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的名稱位圖文件頭(bitmap-file header)BITMAP

41、FILEHEADER位圖信息頭(bitmap-information header)BITMAPINFOHEADER彩色表(color table)RGBQUAD圖像數(shù)據(jù)陣列字節(jié)(byte)BYTE表4-14 BMP圖像文件結(jié)構(gòu) 70/74 4.7 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)2)nGIF格式格式圖形文件交換格式圖形文件交換格式Graphics Interchange Format的縮寫圖像的相關(guān)信息以數(shù)據(jù)塊(block)為單位n一個(gè)GIF文件由表示圖形/圖像的數(shù) 據(jù)塊、數(shù)據(jù)子塊以及顯示圖形/圖像的控制信息塊組成 在一個(gè)文件中可存放多幅彩色圖形/圖像，并可像幻燈片那樣顯示或像動(dòng)畫(huà)那樣演示采用

42、LZW壓縮算法來(lái)壓縮圖像數(shù)據(jù)用戶可為圖像設(shè)置透明(transparency)的背景71/74 4.7 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)3)nJPEG格式格式 Joint Photographic Experts Group的縮寫 JPEG委員會(huì)在制定JPEG標(biāo)準(zhǔn)時(shí)定義了許多標(biāo)記(marker)，用來(lái)區(qū)分和識(shí)別圖像數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息72/74 4.7 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)4)nPNG格式格式便攜網(wǎng)絡(luò)圖形格式便攜網(wǎng)絡(luò)圖形格式Portable Network Graphic Format的簡(jiǎn)稱20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始開(kāi)發(fā)的圖像文件存儲(chǔ)格式，其目的是企圖替代GIF和TIFF文件格式，同時(shí)增加一些GIF文件格式所不具備的特性用來(lái)存儲(chǔ)灰度圖像時(shí)，灰度圖像的深度可多達(dá)16位，存儲(chǔ)彩色圖像時(shí)，彩色圖像的深度可多達(dá)48位，并且還可存儲(chǔ)多達(dá)16位的通道數(shù)據(jù)PNG使用從LZ77派生的數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮算法 73/74 4.7 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)5)保留的GIF文件格式特性n使用彩色查找表或稱調(diào)色板，支持256種顏色的彩色圖像n流式讀/寫性能(streamability)：允許連續(xù)讀出和寫入圖像數(shù)據(jù)，這個(gè)特性很適合于在通信過(guò)程中生成和顯示圖像n逐次逼近顯示(progressive display)：可使在通信鏈