數(shù)字圖像壓縮編碼處理

1、數(shù)字圖像處理第十五章圖像壓縮和編碼Digital Image Process, 2007, Ai Lab NJUCH15 圖像壓縮和編碼一、序言二、無損壓縮技術(shù)三、圖像的無失真編碼方法四、預(yù)測壓縮技術(shù)五、變換壓縮技術(shù)六、活動圖像壓縮技術(shù)七、圖像壓縮編碼的新進(jìn)展要點(diǎn)總結(jié)上機(jī)實(shí)習(xí)May, 20071 序言1）圖像壓縮編碼的目的May, 20071 序言目的：節(jié)省圖像存儲容量；減少傳輸信道容量；縮短圖像加工處理時(shí)間。原因：圖像像素之間、行之間、幀之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)，某點(diǎn)像素的灰度與其鄰域灰度有密切關(guān)系；從信息論關(guān)系，減少圖像信息中冗余信息。May, 20071 序言2）圖像壓縮編碼的分

2、類（1）無損編碼又稱為信息保持編碼。要求編碼解碼過程中能夠無誤差的重建圖像。如在醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用中。（2）有損編碼常被稱為保真度編碼。常用在圖像的信宿為人眼的應(yīng)用中，如數(shù)字電視、可視 等。（3）特征抽取編碼是另一種有損編碼。常用在圖像的信宿為計(jì)算機(jī)的應(yīng)用中，這是只需要保留計(jì)算機(jī)處理的信息特征。如圖像識別。May, 20071 序言3）圖像壓縮編碼的具體方法（1）熵編碼：信息保持編碼；（2）預(yù)測法：信息保持編碼、保真度編碼（更常用）；（3）變換法：特征保持編碼；（4）其他編碼法May, 20072 無損壓縮技術(shù)1）基本概念May, 20072 無損壓縮技術(shù)2）變長最佳編碼定理和唯一可譯代碼May,

3、20072 無損壓縮技術(shù)May, 20072 無損壓縮技術(shù)3）哈夫曼編碼方法（Huffman）May, 20072 無損壓縮技術(shù)May, 20072 無損壓縮技術(shù)Huffman編碼討論（1） Huffman編碼是唯一可譯碼。短的碼不會成為更長碼的啟始部分；（2） Huffman編碼的平均碼長接近于熵；（3）缺點(diǎn)：與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不匹配；（4）缺點(diǎn)：需要多次排序，耗費(fèi)時(shí)間。May, 20072 無損壓縮技術(shù)4）香農(nóng)編碼法（Fano-Shannon）May, 20072 無損壓縮技術(shù)May, 20072 無損壓縮技術(shù)Fano-Shannon編碼討論（1） Fano-Shannon編碼是唯一可譯碼

4、。短的碼不會成為更長碼的啟始部分；（2） Fano-Shannon編碼的平均碼長接近于熵；編碼效率略低于Huffman編碼。May, 20073 圖像的無失真編碼方法1）白塊跳過編碼WBS2）行程長度編碼3）比特平面編碼4）二值圖像編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)G3和G4May, 20073 圖像的無失真編碼方法0）壓縮比直接編碼一幅圖像所需比特?cái)?shù)取決于幅面大小及分辨率。設(shè)C為采用某種方法編碼前后的 壓縮比May, 20073 圖像的無失真編碼方法1）白塊跳過編碼WBS原理對于一般白紙黑字的文件，總是白的面積大。因此跳過白的行程，只對黑行程編碼就可以壓縮數(shù)據(jù)。一維WBS編碼將每一掃描行分成若干段，每段包含n個(gè)

5、像素。對于全白段，給最短碼字如0；而對于黑白相間或全黑段，不進(jìn)行壓縮。為區(qū)別全白段和有黑段，在編碼前加1作為標(biāo)志位。May, 20073 圖像的無失真編碼方法一維WBS編碼平均碼長例May, 20073 圖像的無失真編碼方法常用圖像WBS編碼平均碼長May, 20073 圖像的無失真編碼方法二維WBS編碼將圖像分成M*N大小的塊，全白塊以0編碼，其他同一維WBS編碼。為什么?May, 20073 圖像的無失真編碼方法自適應(yīng)WBS編碼根據(jù)圖像局部結(jié)構(gòu)或統(tǒng)計(jì)特性，改變像素塊尺寸大?。灰痪S情況下，首先判斷該行是否有1024個(gè)連續(xù)白像素；否則判斷是否有64，16，4個(gè)連續(xù)白像素；否則直接編碼；在每一行

6、編碼前要加上N為多少的代碼。自適應(yīng)WBS編碼可以有效增加圖像的 壓縮比，但增加了編碼設(shè)備的復(fù)雜性。May, 20073 圖像的無失真編碼方法2）行程長度編碼（RLC，Run-Length Coding）原理：二值圖像從左到右掃描圖像時(shí)，連續(xù)白點(diǎn)和連續(xù)黑點(diǎn)總是交替出現(xiàn)。將連續(xù)像素的數(shù)目稱為行程長度（Run-Length），分別為白長和黑長。方法：統(tǒng)計(jì)所有行程長度出現(xiàn)的概率，然后采用Huffman編碼。在每一行的行首加標(biāo)志位，確定是白長還是黑長。以后黑長和白長交替出現(xiàn)。May, 20073 圖像的無失真編碼方法3）比特平面編碼思想：對于灰度或彩色圖像，如果每個(gè)像素用k位表示，將相同位上的0，1取出

7、，就可以形成k個(gè)N*N的二值圖像。將每一個(gè)二值圖像稱為一個(gè)比特平面。方法：對于比特平面采用前述的無失真二值圖像壓縮技術(shù)。希望連續(xù)的0/1出現(xiàn)的概率增大.May, 2007Lena圖像的比特平面May, 20073 圖像的無失真編碼方法問題：采樣自然二進(jìn)制碼，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)相關(guān)性減小。如灰度127和128，對應(yīng)自然二進(jìn)制碼分別為01111111和10000000。較小的灰度變化導(dǎo)致比特平面的突變。解決方法：采用格雷碼（Gray）。May, 20073 圖像的無失真編碼方法自然二進(jìn)制碼格雷碼自然二進(jìn)制碼格雷碼00000010011000100110111101001111010101101011110

8、0May, 20073 圖像的無失真編碼方法4） 國際標(biāo)準(zhǔn)G3和G4（1）G3采用一維行程編碼；（2）行程采用Huffman編碼；（3）063之間的行程，用單個(gè)碼字即終止碼表示；（4）大于63的游長用一個(gè)形成碼和一個(gè)終止碼組合表示。形成碼表示實(shí)際行程對64的倍數(shù)；（5）G3能達(dá)到15：1的壓縮比；（6）G4采用二維行程編碼，壓縮比比G3提高30。May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)1）基本思想2）預(yù)測誤差的熵編碼3）DPCM預(yù)測編碼4）最佳線性預(yù)測5）有失真預(yù)測編碼6）最佳量化May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)1）基本思想圖像相鄰像素間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，通過觀察其相鄰像素取值，可以預(yù)測一個(gè)像素的

9、大概情況。預(yù)測值和實(shí)際值存在誤差，稱為預(yù)測誤差。預(yù)測誤差的方差必然比原圖像像素的方差小，因此對預(yù)測誤差進(jìn)行編碼必然壓縮其平均碼長。對預(yù)測誤差進(jìn)行編碼的技術(shù)稱為DPCM（差分脈沖編碼調(diào)制）。請結(jié)合熵的定義思考這個(gè)結(jié)論May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)2）預(yù)測誤差的熵編碼對比一幅圖像和其差分圖像的標(biāo)準(zhǔn)差和1階熵。從Lenna和Bob的差分圖像的直方圖看：不同圖像的差分圖像直方圖分布形態(tài)大致相同，只是方差有所不同。May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)3）DPCM預(yù)測編碼預(yù)測器的階數(shù)對當(dāng)前像素進(jìn)行預(yù)測的像素集合中的像素個(gè)數(shù)，稱為預(yù)測器的

10、階數(shù)。理論上預(yù)測器的階數(shù)越大越好，當(dāng)階數(shù)大于3時(shí)其性能的改變非常有限。預(yù)測器的系數(shù)如一個(gè)3階預(yù)測器中，各像素的權(quán)重稱為預(yù)測器的系數(shù)。其既可以固定不變，也可以變化。如何預(yù)測?May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)最常用的一階DPCM編碼器在實(shí)際中最常用的是一階DPCM編碼器，此時(shí)有唯一的一個(gè)預(yù)測系數(shù)1。May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)為實(shí)現(xiàn)無失真編碼，通常對差分圖像進(jìn)行熵編碼（通常是Huffman編碼）；預(yù)測誤差熵編碼的步驟：建立碼表和編碼。通常采用一個(gè)通用碼表，節(jié)省建立專用碼表時(shí)間，由此帶來壓縮比損失較??；編碼：若對差分圖像所有灰度建立碼表，則項(xiàng)數(shù)較多。通常對1616采用Huffman編碼，其他

11、直接用前綴實(shí)際灰度值。May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)4）最佳線性預(yù)測目的：尋找使預(yù)測器的某種誤差函數(shù)為最小的線性預(yù)測器；準(zhǔn)則：均方預(yù)測誤差最小化。May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)采用同一掃描行中前幾個(gè)像素值進(jìn)行預(yù)測，稱為一維預(yù)測；采用同一行或前幾行像素值進(jìn)行預(yù)測，稱為二維預(yù)測；采用前幾行和前幾幀像素值進(jìn)行預(yù)測，稱為三維預(yù)測。May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)5）有失真預(yù)測編碼由于預(yù)測誤差的方差遠(yuǎn)比像素取樣值小，因此需要對預(yù)測誤差重新量化。May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)由于量化器存在量化誤差，因此帶量化器的DPCM系統(tǒng)是有失真預(yù)測編碼。May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)6）最佳量化由于

12、預(yù)測誤差滿足拉普拉思分布，在量化比特?cái)?shù)b確定情況下，根據(jù)量化誤差的均方值最小原則設(shè)計(jì)。（參見CH2），從而使判決電平和量化電平滿足于其中量化比特?cái)?shù)b確定取決于信噪比。May, 20074 預(yù)測壓縮技術(shù)自適應(yīng)量化：將圖像分割為圖像方塊，按各自標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行量化。但需要將各塊的方差編碼發(fā)送給接收端。另一種方法：將圖像方塊方差大小分為4類：平坦區(qū)域，紋理區(qū)域，緩變區(qū)域和陡峭區(qū)域。每一類方塊采用不同的量化器。 May, 20075 變換壓縮技術(shù)1）基本概念將在空域上描述的圖像，經(jīng)過某種變換（通常采用傅立葉變換，沃爾什變換等），在某種變換域里進(jìn)行描述。在變換域里，首先降低了圖像的相關(guān)性；其次通過某種圖像處理

13、（如頻域的二維濾波）以及熵編碼，則可進(jìn)一步壓縮圖像的編碼比特率。May, 20075 變換壓縮技術(shù)2）變換壓縮原理框圖May, 20075 變換壓縮技術(shù)3）常用圖像變換技術(shù)討論傅立葉變換和余弦變換傅立葉變換及頻譜移中后，其能量集中在中心附近。中心數(shù)據(jù)又稱為直流分量，代表全圖數(shù)值的算術(shù)平均值。其編碼誤差來源有：變換系數(shù)經(jīng)過量化器而引起的量化誤差。常使高頻分量為0，導(dǎo)致圖像模糊。May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG1）JPEG基本系統(tǒng)2）FDCT和IDCT3）量化與反量化4）對量化系數(shù)的處理和組織5）熵編碼6）應(yīng)用舉例May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG1）JPEG基本

14、系統(tǒng)以8*8的圖像塊為基本單位進(jìn)行編碼；將RGB轉(zhuǎn)換為亮度-色調(diào)-飽和度系統(tǒng)，并重新采樣；May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEGYIQ（NTSC制）與YUV（PAL制）Y：指顏色的明視度、亮度、灰度值；I或U：指色調(diào)；Q或V：指飽和度。May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG思想：人對亮度比對色彩敏感，在光線不足的情況下，所觀察物體都是黑白的。因此可以對色調(diào)和飽和度做粗略處理。方法：對8*8圖像塊矩陣，Y成分?jǐn)?shù)據(jù)不變，U每2*2個(gè)數(shù)據(jù)求平均，V每2*1個(gè)數(shù)據(jù)求平均。稱為YUV421系統(tǒng)。除此,還有YUV422, 411, 420等系統(tǒng).May, 20076 靜止圖像編碼國

15、際標(biāo)準(zhǔn)JPEG2）FDCT與IDCT思想：人眼對低頻數(shù)據(jù)比對高頻數(shù)據(jù)敏感。根據(jù)8*8的二維DCT定義May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG稱F（0,0）為直流系數(shù)，其他為交流系數(shù)。JPEG標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)定FDCT和IDCT的算法。May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG3）量化與反量化思想：將每個(gè)DCT系數(shù)除以各自量化步長并四舍五入后取整，得到量化系數(shù)。JPEG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)的量化步長比亮度分量大。May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG4）對量化系數(shù)的處理和組織思想：JPEG采用定長和變長相結(jié)合的編碼方法。直流系數(shù)：通常相

16、鄰8*8圖像塊的DC分量很接近，因此JPEG對量化后的直流分量采用無失真DPCM編碼。通常JPEG要保存所需比特?cái)?shù)和實(shí)際差值。交流系數(shù)：經(jīng)過量化后，AC分量出現(xiàn)較多的0。JPEG采用對0系數(shù)的行程長度編碼。而對非0值，則要保存所需數(shù)和實(shí)際值。May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEGZIG-ZAG排序：為使連續(xù)的0個(gè)數(shù)增多，采用Z形編碼。May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG5）熵編碼對于直流系數(shù)的差值，采用Huffman編碼。JPEG標(biāo)準(zhǔn)為亮度和色度分量分別擬定了Huffman碼表。對于交流0系數(shù)的行長，采用Huffamn編碼。同樣JPEG標(biāo)準(zhǔn)為亮度和色度分量分別擬定了H

17、uffman碼表。計(jì)算每像素的平均比特稱為碼率。0.250.50圖像質(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0.751.50極好，滿足大多數(shù)應(yīng)用1.502.0與原始圖像質(zhì)量一樣May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG6）應(yīng)用舉例Lenna圖像的一個(gè)8*8方塊只舉亮度塊為例.May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG經(jīng)過FDCT后的變換系數(shù)矩陣May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG根據(jù)亮度量化表量化后得到的量化系數(shù)矩陣May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG假設(shè)上一編碼塊的直流量化系數(shù)為77，則直流差值為2。則該圖像塊編碼為May, 20

18、076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG反量化May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG反變換May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG編碼比特率與質(zhì)量因子通常在圖像傳輸時(shí)要求固定比特率，JPEG通過設(shè)定一個(gè)質(zhì)量控制因子Q，在量化時(shí)用該因子與量化表中的量化步長相乘作為實(shí)際的量化步長。則要求較高比特率時(shí)，Q取較小值如0.1；否則取大值。Q與比特流一起傳送給解碼端。May, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEGMay, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEGMay, 20076 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEGMay, 20077 圖像壓縮編碼新進(jìn)展：用于電視 和電視會議；碼率128kbps384kbps；MPEG1：用于數(shù)字存儲媒體（如VCD），碼率為1Mbps，適合通訊網(wǎng)絡(luò)；MPEG2：用于數(shù)字電視和高清晰度電視（如CCTV Ch 5），碼率為1.530Mbps；MPEG4：用于64Kbps以下帶寬的音視編碼，實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)容的編碼；其他編碼方法：子帶編碼、小波編碼JPEG2000、分形編碼和基于模型的編碼等。May, 2007要點(diǎn)總結(jié)掌握基本壓縮技術(shù)的分類和他們各自的基本原理；掌握熵編碼的Huffman和香農(nóng)編碼方法；掌握白塊跳過編碼和行程長度編碼；掌握預(yù)測編碼技術(shù)，及無失真和有失真預(yù)測編碼的區(qū)別；