CH10 圖像編碼基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)

第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

ImageCodingTechniquesandStandard張淑軍青島科技大學(xué)信息學(xué)院第10章

圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)本章教學(xué)目標(biāo)（1）掌握預(yù)測(cè)編碼和變換編碼原理（2）掌握無(wú)損/有損預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)模型（3）掌握基于DCT的變換編碼系統(tǒng)組成，并理解各操作模塊（4）掌握J(rèn)PEG國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，了解其他圖像國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)第2頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第3頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第10章

圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1預(yù)測(cè)編碼10.2變換編碼

10.3靜止圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

10.4運(yùn)動(dòng)圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)10.1預(yù)測(cè)編碼如果能夠根據(jù)前面n個(gè)像素的灰度值，預(yù)測(cè)后面像素的灰度值，則可以進(jìn)行壓縮如果整幅圖像灰度值之間都存在一些確定的、可預(yù)測(cè)的關(guān)系，則可根據(jù)這些灰度值之間的差異進(jìn)行壓縮，而不必存儲(chǔ)每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值這就是預(yù)測(cè)編碼的思路。特點(diǎn)空域方法，消除像素間的冗余第4頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第5頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1預(yù)測(cè)編碼基本思想通過僅對(duì)每個(gè)像素中提取的新信息（像素實(shí)際灰度值與預(yù)測(cè)值的差）進(jìn)行編碼來(lái)消除像素間的冗余像素間的相關(guān)性使得預(yù)測(cè)成為可能包括：（1）無(wú)損預(yù)測(cè)編碼 （2）有損預(yù)測(cè)編碼第6頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.1無(wú)損預(yù)測(cè)編碼（1）無(wú)損預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)（LosslessPredictiveCoding）系統(tǒng)組成：

編碼器+解碼器（有相同的預(yù)測(cè)器）

10.1.1無(wú)損預(yù)測(cè)編碼編解碼過程第7頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第8頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.1無(wú)損預(yù)測(cè)編碼無(wú)損預(yù)測(cè)編碼過程：

輸入序列：輸入圖像的像素序列fn

(n=1,2,…)

預(yù)測(cè)輸出：（舍入成整數(shù)）預(yù)測(cè)誤差：

誤差編碼：在符號(hào)編碼器中用變長(zhǎng)碼對(duì)誤差進(jìn)行編碼解壓序列：

哪里取得了壓縮？（消除了像素間冗余）

當(dāng)圖像存在像素間冗余時(shí)，像素之間常常有較強(qiáng)的規(guī)律性，因此預(yù)測(cè)誤差常常在很小的范圍內(nèi)，對(duì)這些誤差進(jìn)行編碼當(dāng)然比對(duì)源圖像的每個(gè)像素值進(jìn)行編碼簡(jiǎn)單的多，達(dá)到了壓縮的目的第9頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.1無(wú)損預(yù)測(cè)編碼不同的預(yù)測(cè)器：

m階線性預(yù)測(cè)：當(dāng)前值需要前面的m個(gè)值來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)

1-D線性預(yù)測(cè)：只用同一行/列的前面像素值來(lái)預(yù)測(cè)

一階1-D線性預(yù)測(cè)（也稱前值預(yù)測(cè)器，差分編碼）第10頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.1無(wú)損預(yù)測(cè)編碼例：一維線性預(yù)測(cè)器

左圖為a=1時(shí)的預(yù)測(cè)誤差圖像原圖像和預(yù)測(cè)圖像的直方圖預(yù)測(cè)誤差的變化比原圖像灰度變化要小得多10.1.2有損預(yù)測(cè)編碼有損編碼：犧牲圖像復(fù)原的準(zhǔn)確度以換取壓縮能力的增加。如果產(chǎn)生的失真可以容忍，則壓縮能力的增加是有效的。有損壓縮方法的壓縮比：

在圖像壓縮比大于30:1時(shí)，仍然能夠重構(gòu)圖像。

在圖像壓縮比為10:1到20:1時(shí)，重構(gòu)圖像與原圖幾乎沒有差別。

無(wú)損壓縮的壓縮比很少有能超過3:1的。有損壓縮和無(wú)損壓縮的根本差別在于有沒有量化器有損預(yù)測(cè)編碼和變換編碼都是有損壓縮。第11頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.2有損預(yù)測(cè)編碼有損預(yù)測(cè)編碼的基本思想對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化，通過消除心理視覺冗余，達(dá)到對(duì)圖像進(jìn)一步壓縮的目的。算法演變無(wú)損預(yù)測(cè)壓縮的基礎(chǔ)是：原圖像值fn與預(yù)測(cè)值之間的誤差，有公式：

解碼與編碼使用相同的預(yù)測(cè)器

有損預(yù)測(cè)編碼的演變——引入量化第12頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第13頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.2有損預(yù)測(cè)編碼（2）有損預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)（LossyPredictiveCoding）系統(tǒng)組成：

增加了1個(gè)量化器，預(yù)測(cè)器放在1個(gè)反饋環(huán)中10.1.2有損預(yù)測(cè)編碼有損預(yù)測(cè)編碼過程量化器插在符號(hào)編碼器和預(yù)測(cè)誤差產(chǎn)生處之間，把原來(lái)無(wú)損編碼器中的整數(shù)舍入模塊吸收了進(jìn)來(lái)；量化器將預(yù)測(cè)誤差映射到輸出中，確定了有損預(yù)測(cè)編碼中的壓縮量和失真量；反饋環(huán)的輸入是過去預(yù)測(cè)和與其對(duì)應(yīng)的量化誤差的函數(shù)：第14頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第15頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.2有損預(yù)測(cè)編碼有損預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)中的數(shù)據(jù) 輸入序列：fn

(n=1,2,…)

量化輸出： 預(yù)測(cè)輸入： 解壓序列： 編碼誤差： 哪里又取得了壓縮？（量化，減少了心理視覺冗余）

將多個(gè)誤差值量化為有限級(jí)別

第16頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.2有損預(yù)測(cè)編碼

例：德爾塔調(diào)制（DM編碼）

預(yù)測(cè)器

量化器 預(yù)測(cè)系數(shù)a≤

1，常數(shù)c>0

符號(hào)編碼器只用1比特碼字（0/1）描述，因此DM方法得到的碼率是1比特/像素。第17頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.1.2有損預(yù)測(cè)編碼誤差問題失真問題是有損預(yù)測(cè)編碼面臨的共同問題，失真的嚴(yán)重程度與量化和預(yù)測(cè)方法及它們間的相互作用有關(guān)。但預(yù)測(cè)器和量化器往往是獨(dú)立設(shè)計(jì)。預(yù)測(cè)器在設(shè)計(jì)中認(rèn)為量化器沒有誤差，而量化器在設(shè)計(jì)中只是考慮最小化自身的誤差。（1）最優(yōu)預(yù)測(cè)

（2）最優(yōu)量化第18頁(yè)第9章圖像編碼10.1.2有損預(yù)測(cè)編碼（1）最優(yōu)預(yù)測(cè)

4階線性預(yù)測(cè)器四個(gè)例子：第19頁(yè)第9章圖像編碼10.1.2有損預(yù)測(cè)編碼例10.1.3采用3種預(yù)測(cè)器的DPCM預(yù)測(cè)效果比較一階二階三階預(yù)測(cè)后的解碼圖預(yù)測(cè)誤差圖像：誤差隨預(yù)測(cè)器階數(shù)的增加而減小采用德爾塔2級(jí)量化器第20頁(yè)第9章圖像編碼10.1.2有損預(yù)測(cè)編碼（2）最優(yōu)量化量化函數(shù)最優(yōu)量化器的設(shè)計(jì)就是要在給定優(yōu)化準(zhǔn)則和輸入概率密度函數(shù)的條件下，選擇最優(yōu)的和。第21頁(yè)第9章圖像編碼10.1.2有損預(yù)測(cè)編碼（2）最優(yōu)量化

以下量化器稱為L(zhǎng)級(jí)

Lloyd－Max量化器：q(s)奇函數(shù)第22頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第10章

圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

10.1預(yù)測(cè)編碼

10.2變換編碼

10.3靜止圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

10.4運(yùn)動(dòng)圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)第23頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.2變換編碼基于圖像變換的編碼方法（頻域）用一個(gè)可逆的、線性的變換（如傅立葉變換），把圖像映射到變換系數(shù)集合，然后對(duì)該系數(shù)集合進(jìn)行量化和編碼。大多數(shù)圖像變換得到的系數(shù)值都很小，這些系數(shù)可以較粗地量化，或忽略不計(jì)，且僅以較小的圖像失真為代價(jià)。雖然失真很小，信息仍然不能完全復(fù)原，所以還是有損壓縮。

第24頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.2變換編碼變換編碼的基本思想舉例

原始圖像 相應(yīng)的DCT系數(shù)第25頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.2.1基于DCT的變換編碼典型的變換編碼（TransformCoding）系統(tǒng)編碼部分由4個(gè)操作模塊構(gòu)成：構(gòu)造子圖像、正變換、量化和符號(hào)編碼。解碼部分由與編碼部分相反排列的一系列逆操作模塊構(gòu)成壓縮不是在變換中，而是在量化變換系數(shù)時(shí)及編碼中取得的變換編碼的步驟構(gòu)造子圖像：一幅NN圖像先被分解成尺寸為nn的子圖像，通過變換這些子圖像，得到個(gè)nn的子圖像變換數(shù)組。（減小變換的復(fù)雜度）正向變換：解除每個(gè)子圖像內(nèi)部像素之間的相關(guān)性，將盡可能多的信息集中到盡可能少的變換系數(shù)上。

量化：有選擇地消除或較粗糙地量化攜帶信息最少的系數(shù)，因?yàn)樗鼈儗?duì)重建的子圖像的質(zhì)量影響最小。

符號(hào)編碼：對(duì)量化的系數(shù)進(jìn)行編碼（常用變長(zhǎng)碼）第26頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.2.1基于DCT的變換編碼第27頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)現(xiàn)變換編碼算法的主要問題子圖像尺寸的選擇變換的選擇比特分配（位分配）10.2.1基于DCT的變換編碼第28頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)1、子圖像尺寸選擇計(jì)算量隨子圖像尺寸的增加而增加塊效應(yīng)和誤差隨子圖像尺寸的增加而減小子圖像的長(zhǎng)和寬n應(yīng)該是2的整數(shù)次冪，為便于降低計(jì)算復(fù)雜度。n一般選為88或1616（已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）NNnnnnnnnnnnnn10.2.1基于DCT的變換編碼第29頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

變換編碼重建誤差與子圖像尺寸的關(guān)系10.2.1基于DCT的變換編碼第30頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)例：子圖像尺寸的影響（保留20％的DCT系數(shù)）右圖依次為：重構(gòu)圖；誤差圖；放大原局部圖；2×2的結(jié)果；4×4的結(jié)果；8×8的結(jié)果2×2圖有塊效應(yīng)10.2.1基于DCT的變換編碼第31頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)2、變換的選擇一個(gè)能把最多的信息集中到最少的系數(shù)上去的變換所產(chǎn)生的重建均方誤差最小不同變換的信息集中能力不同 正弦類變換（如DFT和DCT）較優(yōu) 非正弦類變換（如WHT:Walsh-Hadamard）實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 小波變換計(jì)算快且有局部性質(zhì)（不需分解）10.2.1基于DCT的變換編碼第32頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)常用的變換：DFT，WHT，DCT

都是正交和可分離變換集中能力：DCT>DFT>WHT

所需計(jì)算量：DFT>DCT>WHTDFT的塊效應(yīng)嚴(yán)重。常用的是DCT，已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采納，作成芯片。其優(yōu)點(diǎn)有：基本沒有塊效應(yīng)。信息封裝能力強(qiáng)，把最多的信息封裝在最少的系數(shù)中。10.2.1基于DCT的變換編碼第33頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)例：變換的選擇比較對(duì)512×512的單色圖的3種近似。先分割成8×8的子圖像，變換后截去50％的系數(shù)，再逆變換。括號(hào)內(nèi)為逆變換后圖像對(duì)應(yīng)的均方誤差。DFT(1.28)WHT(0.86)DCT(0.68)10.2.1基于DCT的變換編碼第34頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)3、比特分配（BitAllocation）比特分配：對(duì)變換子圖像的系數(shù)截?cái)唷⒘炕途幋a的全過程稱為比特分配。截?cái)嗾`差與兩個(gè)因素有關(guān)： ①截除的變換系數(shù)的數(shù)量和相對(duì)重要性 ②用來(lái)表示所保留系數(shù)的精度（量化）保留系數(shù)的2個(gè)準(zhǔn)則 ①最大方差準(zhǔn)則，稱為分區(qū)編碼 ②最大幅度準(zhǔn)則，稱為閾值編碼10.2.1基于DCT的變換編碼第35頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)(1)分區(qū)編碼系數(shù)截?cái)啵罕Ａ艟哂凶畲蠓讲畹南禂?shù)（通常集中于接近圖像變換的原點(diǎn)處，左上角為原點(diǎn)）形成分區(qū)模板：最大方差位置的系數(shù)為1，其他為0對(duì)所有子圖像使用同一個(gè)模板10.2.1基于DCT的變換編碼第36頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)量化和編碼①先設(shè)定分區(qū)模板確定哪些系數(shù)要保留（圖a）②再對(duì)保留的系數(shù)進(jìn)行變長(zhǎng)編碼（圖b）10.2.1基于DCT的變換編碼第37頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)(2)閾值編碼

根據(jù)子圖像特性自適應(yīng)選擇要保留的變換系數(shù)

將系數(shù)排隊(duì)，與閾值比較確定去舍

對(duì)所有子圖像用一個(gè)全局閾值

對(duì)各個(gè)子圖像分別用不同的閾值

根據(jù)子圖像中各系數(shù)的位置選取閾值10.2.1基于DCT的變換編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼DCT編碼10.2.2基于DWT的變換編碼小波變換（WaveletTransformation）編碼簡(jiǎn)介法國(guó)工程師J.Morlet在1974年首先提出與Fourier變換相比，小波變換是空間（時(shí)間）和頻率的局部變換，因而能有效地從信號(hào)中提取信息。通過伸縮和平移等運(yùn)算功能可對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度的細(xì)化分析，解決了Fourier變換不能解決的許多困難問題。小波變換的計(jì)算效率很高，且本質(zhì)上具有局部性小波變換被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”，應(yīng)用廣泛第53頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)小波（Wavelet）的含義顧名思義，“小波”就是小區(qū)域、長(zhǎng)度有限、均值為0的波形。所謂“小”是指它具有衰減性；而稱之為“波”則是指它的波動(dòng)性，其振幅正負(fù)相間的震蕩形式。小波變換（WT）與FT的區(qū)別-FT的基函數(shù)是正弦函數(shù)-WT則基于一些小波，具有變化的頻率和有限的持續(xù)時(shí)間第54頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.2.2基于DWT的變換編碼小波變換編碼系統(tǒng)：基本思路也是通過變換減小各像素間的相關(guān)性以獲得壓縮數(shù)據(jù)的效果與采用正交變換（如DCT）的編解碼系統(tǒng)不同，小波變換編解碼系統(tǒng)中沒有圖像分解模塊（本身具有局部性）第55頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.2.2基于DWT的變換編碼第56頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第10章

圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

10.1預(yù)測(cè)編碼10.2變換編碼

10.3靜止圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

10.4運(yùn)動(dòng)圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)10.3靜止圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)圖像的主要數(shù)據(jù)文件壓縮方式1．BMP圖像文件格式：不進(jìn)行任何壓縮2．GIF圖像文件格式：用LZW進(jìn)行編碼3．JPG圖像文件格式：用JPEG壓縮方法4.PCX圖像文件格式：用掃描線游程壓縮編碼5.TIFF圖像文件格式：不固定，大部分使用游程編碼或使用哈夫曼編碼及其變種或不壓縮。第57頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

相關(guān)的國(guó)際組織ISO（InternationalStandardizationOrganization,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）IEC（InternationalElectrotechnicalCommission，國(guó)際電工委員會(huì)）ITU（InternationalTelecommunicationUnion，國(guó)際電信聯(lián)盟），前身是CCITT（國(guó)際電話電報(bào)咨詢委員會(huì)）制定的圖像國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：覆蓋了從二值到灰度（彩色）值的靜止和運(yùn)動(dòng)圖像。采用的大部分基本技術(shù)前面已經(jīng)介紹，主要包括預(yù)測(cè)和變換編碼技術(shù)第58頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)10.3靜止圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)圖像國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分類圖像國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分類1.用于壓縮二值圖像（面向傳真而設(shè)計(jì)）

如：G3和G4（游程編碼）2.用于壓縮靜止圖像包括靜止幀灰度和彩色圖像（如：JPEG）3.用于壓縮運(yùn)動(dòng)圖像

包括連續(xù)幀灰度和彩色圖像（如：H.261,MPEG-1/2/4，H.264/AVC）4.用于處理多媒體（如：MPEG-7/21）第59頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第60頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)JPEG標(biāo)準(zhǔn)JPEG（Jointpictureexpertgroup）（1）ISO和CCITT兩個(gè)組織在1991年制成草案，1994年成為標(biāo)準(zhǔn)（2）特點(diǎn)：定義了3種編碼系統(tǒng)（針對(duì)不同的應(yīng)用）

基于DCT的有損編碼基本系統(tǒng)基于分層遞增模式的擴(kuò)展/增強(qiáng)編碼基于DPCM（差值脈沖碼調(diào)制法）的無(wú)損預(yù)測(cè)編碼（3）在相同圖像質(zhì)量條件下，JPEG文件擁有比其他圖像文件格式更高的壓縮比，一般壓縮10～50倍10.3靜止圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)第61頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)JPEG標(biāo)準(zhǔn)

壓縮的3個(gè)主要步驟：（1）DCT計(jì)算；（2）量化；（3）用熵編碼器進(jìn)行變長(zhǎng)碼賦值

JPEG基本系統(tǒng)編碼器框圖10.3靜止圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)最開始還是分解子圖像第62頁(yè)第10章圖像編碼技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)JPEG具體壓縮過程先把圖像分解成一系列8×8的子塊，然后按從左向右從上向下的次序處理；設(shè)

是圖像灰度值的最大級(jí)數(shù)，則其中的64個(gè)像素都通過減去