數(shù)字圖像處理圖像編碼

數(shù)字圖像處理圖像編碼第一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三在壓縮過(guò)程中動(dòng)態(tài)地形成一個(gè)字串表(字典)。(2)

(a)每當(dāng)壓縮掃描圖像發(fā)現(xiàn)一個(gè)字典中沒(méi)有的字符序列，就把該字符序列存到字典中。

(b)并用字典的地址（編碼）作為這個(gè)字符序列的代碼，替換原圖像中的字符序列。

(c)下次再碰到相同的字符序列，就用字典的地址代替字符序列。7.3.2LZW編碼第二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三3LZW編碼例子：第三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三7.3.2LZW編碼壓縮的結(jié)果，除了壓縮圖像外，不需要傳輸壓縮過(guò)程中形成的字典，而在解壓縮時(shí),臨時(shí)恢復(fù)這個(gè)字典。第四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.預(yù)測(cè)編碼的基本思想

通過(guò)僅提取每個(gè)像素中的新信息,并對(duì)它們編碼來(lái)消除像素間的冗余。

一個(gè)像素的新信息定義為該像素的當(dāng)前值與預(yù)測(cè)值的差。

正是由于像素間有相關(guān)性，所以才使預(yù)測(cè)成為可能。7.3.4無(wú)損預(yù)測(cè)編碼第五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三

fn2.無(wú)損預(yù)測(cè)編碼

無(wú)損預(yù)測(cè)編解碼系統(tǒng)預(yù)測(cè)器最接近的整數(shù)+-符號(hào)編碼壓縮圖像en輸入圖像fn預(yù)測(cè)器符號(hào)解碼++壓縮圖像en解壓縮圖像fn

fn解碼編碼第六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三7.3.4無(wú)損預(yù)測(cè)編碼第七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三7.3.4無(wú)損預(yù)測(cè)編碼第八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.有損壓縮概述：

有損壓縮是：

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(méi)有差別。

無(wú)損壓縮的壓縮比很少有能超過(guò)3:1的。

有損壓縮和無(wú)損壓縮的根本差別在于有沒(méi)有量化模塊。7.4有損壓縮

第九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三

有損預(yù)測(cè)編碼和變換編碼都是有損壓縮。

有損預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)：直接對(duì)像素在圖像空間進(jìn)行操作,稱為空域方法。

變換編碼：基于圖像變換的編碼方法，稱為變換域（頻域）方法。7.4.1有損預(yù)測(cè)編碼第十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三2有損預(yù)測(cè)的基本思想

對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化，通過(guò)消除視覺(jué)心理冗余，達(dá)到對(duì)圖像進(jìn)一步壓縮的目的。3算法的演變a)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en。有公式：

解碼與編碼使用相同的預(yù)測(cè)器b)有損預(yù)測(cè)編碼的演變——引入量化第十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三4有損預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)++符號(hào)編碼預(yù)測(cè)器壓縮圖像輸入圖像enfnfn+-量化器編碼++符號(hào)解碼預(yù)測(cè)器解壓縮圖像壓縮圖像

fn解碼第十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三7.4.1有損預(yù)測(cè)編碼

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(guò)去預(yù)測(cè)和與其對(duì)應(yīng)的量化誤差的函數(shù)第十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三基于圖像變換的編碼方法。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。7.4.2變換編碼7.4.2.1變換編碼的基本思想第十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三變換編碼的基本思想—舉例

原始圖像

相應(yīng)的DCT系數(shù)5255 6166 706164736359 6690 1098569726259 6811314410466736358 7112215410670696761 681041268868707965 6070 776858758571 6459 556165838779 6968 65767894-415-29-62 2555 -20-1 37-21-62 911 -7-6 6-46877-25-30 107 -5-501335-15-9 60 311-8-13-2-1 1-4 1-1013-3-1 02 -1-4-12-12 -31 -2-1-1-1-2-1 -10 -17.4.2.1變換編碼的基本思想第十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三變換編碼系統(tǒng)7.4.2.2變換編碼系統(tǒng)輸入圖像(NN)正向變換量化器符號(hào)編碼器構(gòu)造nn的子圖壓縮圖像編碼器符號(hào)解碼器逆向變換合成nn的子圖壓縮的圖像解壓圖像解碼器第十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三√構(gòu)造子圖像：一幅NN圖像先被分解成尺寸為n

n的子圖像，通過(guò)變換這些子圖像，得到(N/n)2個(gè)nn的子圖像變換數(shù)組?！陶蜃儞Q：目的是解除每個(gè)子圖像內(nèi)部像素之間的相關(guān)性，或?qū)⒈M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（常利用變長(zhǎng)碼）。7.4.2.2變換編碼系統(tǒng)第十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三

變換的選擇

子圖尺寸的選擇

位分配7.4.2.3實(shí)現(xiàn)變換壓縮算法的主要問(wèn)題第十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三

1.變換的選擇可以選擇的變換1）Karhunen-Loeve變換(KLT)2）離散傅立葉變換（DFT）3）離散余弦變換（DCT）4）Walsh-Hadamard變換（WHT）5）小波變換等7.4.2.3實(shí)現(xiàn)變換壓縮算法的主要問(wèn)題第十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三對(duì)變換的評(píng)價(jià)按信息封裝能力排序：KLT，DCT，DFT，WHT但KLT的基圖像是數(shù)據(jù)依賴的，計(jì)算量大，因而很少使用。DFT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：(1)基本沒(méi)有塊效應(yīng)。(2)信息封裝能力強(qiáng)，把最多的信息封裝在最少的系數(shù)中。7.4.2.3實(shí)現(xiàn)變換壓縮算法的主要問(wèn)題第二十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三7.4.2.3實(shí)現(xiàn)變換壓縮算法的主要問(wèn)題2.子圖像尺寸的選擇子圖像尺寸的選擇有兩個(gè)原則：子圖的長(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。由實(shí)踐得到：隨著n的增加，塊效應(yīng)相應(yīng)減少。NNnnnnnnnnnnnn第二十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.53.02.52.0 1.5 1.0 0.5 0 22448816163232均方根誤差子圖像尺寸FourierWalsh-HadamardCosine變換編碼重建誤差與子圖像尺寸的關(guān)系7.4.2.3實(shí)現(xiàn)變換壓縮算法的主要問(wèn)題第二十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三1．BMP圖像文件格式

不進(jìn)行任何壓縮。2．PCX圖像文件格式編碼形式

圖像數(shù)據(jù)以壓縮的方式存放，采用掃描線游程壓縮編碼。以重復(fù)數(shù)據(jù)為壓縮對(duì)象。

7.5靜態(tài)圖像的一些主要數(shù)據(jù)文件壓縮方式第二十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三3．TIFF圖像文件格式編碼形式

TIFF不是一種采用固定壓縮方法的圖像存儲(chǔ)方式，用這種方式存儲(chǔ)的圖像可能根本沒(méi)有壓縮，或采用了某種壓縮方法。因此很難為TIFF圖像文件編制一個(gè)通用的解碼程序。不過(guò)TIFF文件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。4．GIF圖像文件格式

GIF使用LZW壓縮原理進(jìn)行編碼。5．JPG圖像文件格式

使用JPEG壓縮方法。7.5靜態(tài)圖像的一些主要數(shù)據(jù)文件壓縮方式第二十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三相關(guān)的國(guó)際組織

ISO（InternationalStandardizationOrganization,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）

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)）相關(guān)工作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)7.6圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)第二十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三可分成下面幾個(gè)系列：

用于壓縮二值圖像（面向傳真而設(shè)計(jì)）

用于壓縮靜止圖像（面向靜止的單幅圖像）

包括靜止幀灰度和彩色圖像（JPEG）用于壓縮運(yùn)動(dòng)圖像（面向連續(xù)的視頻影像)包括連續(xù)幀灰度和彩色圖像（MPEG）

上述兩個(gè)組織還在制定一些新的標(biāo)準(zhǔn)，其中一些已經(jīng)超出純圖像編碼的范圍。7.6圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)第二十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三G3和G4這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是由CCITT的兩個(gè)小組(Group3和Group4)負(fù)責(zé)制定的。

最初是CCITT為傳真應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，現(xiàn)也用于其它方面。

G3采用了非自適應(yīng)、1-D行程編碼技術(shù)。對(duì)每組N行（N=2或N=4）掃描線中的后N-1行也可以用2-D方式編碼。

G4是G3的一種簡(jiǎn)化版本，其中只使用2-D編碼。7.6.1二值圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

第二十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三

CCITT在制定標(biāo)準(zhǔn)期間曾選擇了1組共8幅具有一定代表性的“試驗(yàn)”圖用來(lái)評(píng)判各種壓縮方法。

它們既包括打印的文字，也包括用幾種語(yǔ)言手寫的文字，另外還有少量的線繪圖。

G3對(duì)它們的壓縮率約為15:1。

G4的壓縮率一般比G3高1倍。7.6.1二值圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

第二十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三由ISO和CCITT兩個(gè)組織的灰度圖像聯(lián)合專家組JPEG（JointPictureExpertGroup）建立的靜態(tài)灰度（或彩色）圖像壓縮的公開(kāi)算法,于1991年開(kāi)始使用。它定義了三種編碼系統(tǒng)：7.6.2靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

第二十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三DCT有損編碼系統(tǒng)（基本編碼系統(tǒng)或基線編碼系統(tǒng)，BaselineSystem）

基于DCT的有損編碼基本系統(tǒng)，可用于絕大多數(shù)壓縮應(yīng)用場(chǎng)合。壓縮比一般可達(dá)到25:1。2)擴(kuò)展編碼系統(tǒng)(ExtendedSystem)

面向遞進(jìn)式應(yīng)用，從低分辨率到高分辨率逐步遞進(jìn)傳遞的應(yīng)用，即用于高壓縮比、高精確度或漸進(jìn)重建應(yīng)用的擴(kuò)展編碼系統(tǒng)。7.6.2靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

第三十頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三3)無(wú)失真編碼系統(tǒng)（獨(dú)立編碼系統(tǒng)，LosslessSystem）

面向無(wú)損壓縮的應(yīng)用，采用無(wú)損預(yù)測(cè)壓縮，符號(hào)編碼采用哈夫曼或算術(shù)編碼。

一個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)必須包括對(duì)基線系統(tǒng)的支持。7.6.2靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

第三十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三JPEG基本系統(tǒng)編碼器框圖壓縮過(guò)程

DCT計(jì)算量化變長(zhǎng)碼賦值7.6.2靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

第三十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三具體壓縮過(guò)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)2n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(guò)減去2n-1進(jìn)行灰度平移（零偏置轉(zhuǎn)換）。

再計(jì)算各子塊的2維的DCT變換并量化，并利用之字形掃描重新排序，以組成一個(gè)1維的量化序列。

7.6.2靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

第三十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三具體壓縮過(guò)程（續(xù)）

該系列是根據(jù)頻率的增加順序排列的，JPEG編碼技巧充分利用了由于重新排序而造成的值為零的長(zhǎng)行程

非零交流分量（AC）用變長(zhǎng)碼編碼，這個(gè)變長(zhǎng)碼確定了系數(shù)的值和處在前面位置的零的個(gè)數(shù)

而直流分量（DC）系數(shù)用相對(duì)于先前子圖的DC系數(shù)的差值進(jìn)行編碼7.6.2靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

第三十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三

*

JPEG2000

由ISO和CCITT的灰度圖聯(lián)合專家組于1997年開(kāi)始征集提案的，并準(zhǔn)備將現(xiàn)有JPEG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更新?lián)Q代的一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)。

JPEG2000不僅能提高對(duì)圖像的壓縮質(zhì)量，尤其是低碼率時(shí)的壓縮質(zhì)量，而且還將得到許多增加了的功能，包括根據(jù)圖像質(zhì)量、視覺(jué)感受和分辨率進(jìn)行漸進(jìn)傳輸，對(duì)碼流的隨機(jī)存取和處理，開(kāi)放結(jié)構(gòu)，向下兼容等。

JPEG2000于1999年3月形成工作草案，其中的編碼變換采用了小波變換。

新標(biāo)準(zhǔn)于2000年問(wèn)世。7.6.2靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

第三十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三1連續(xù)幀圖像的定義

由多幅尺寸相同的靜止圖像組成的圖像序列，被稱為連續(xù)幀圖像。

與靜止幀圖像相比，連續(xù)幀圖像多了一個(gè)時(shí)間軸，成為三維信號(hào)，因此連續(xù)幀圖像也被稱為三維圖像。7.6.3運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)幀單色、彩色壓縮(MPEG)

第三十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三2連續(xù)幀圖像壓縮的基本思想基于如下基本假設(shè)：在各連續(xù)幀之間存在簡(jiǎn)單的相關(guān)性平移運(yùn)動(dòng)。一個(gè)特定畫面上的像素量值：1）可以根據(jù)同幀附近像素來(lái)加以預(yù)測(cè)，被稱為：

幀內(nèi)編碼技術(shù)

2）可以根據(jù)附近幀中的像素來(lái)加以預(yù)測(cè)，被稱為：

幀間編碼技術(shù)7.6.3運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

第三十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三通過(guò)減少幀間圖像數(shù)據(jù)冗余，來(lái)達(dá)到減少數(shù)據(jù)量、壓縮連續(xù)圖像的目的。將連續(xù)幀圖像序列，分為參考幀和預(yù)測(cè)幀，用參考幀來(lái)對(duì)預(yù)測(cè)幀進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后對(duì)幀差圖像進(jìn)行壓縮。由于幀差圖像的數(shù)據(jù)量大大小于原始幀的數(shù)據(jù)量，從而可以達(dá)到很高的壓縮比。7.6.3運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

第三十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三3幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)編碼技術(shù)幀間預(yù)測(cè)編碼+-熵編碼幀間預(yù)測(cè)器運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償壓縮圖像塊輸入圖像塊enfnfn運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)幀間誤差圖像