第六章(1)-圖像壓縮編碼

第十章圖像壓縮編碼圖像壓縮與編碼ImageCompressionandCoding◆6.1概述◆6.2圖像編碼的基本理論◆6.3

無損壓縮編碼◆6.4

限失真編碼◆6.5

二值圖像編碼◆6.6

小波變換及在圖像壓縮編碼中的應(yīng)用◆6.7圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)簡介1?通信對象的改變?nèi)伺c人人與機器機器與機器一.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?通信方式的改變文字+語音圖像+文字+語音第十章圖像壓縮編碼6.1概述2對于電視畫面的分辨率640*480的彩色圖像，每秒30幀，則一秒鐘的數(shù)據(jù)量為：

所以播放時，需要211Mbps的通信回路。參考數(shù)據(jù)：寬帶網(wǎng)為512K,電話線為56K。存儲時，1張標(biāo)準(zhǔn)CD可存741.85MB(視頻光盤)，則僅可以存放28.1秒的數(shù)據(jù)2.圖像傳輸與存儲需要的信息量空間：1)彩色視頻信息第十章圖像壓縮編碼210.94Mb=26.37MB640*480*24*30=3圖像數(shù)據(jù)量大小=圖像中的像素總數(shù)×圖像深度÷8÷1024÷1024單位為MB音頻光盤：74×60×75×2352÷1024÷1024=746.93（MB）數(shù)據(jù)光盤：74×60×75×2048÷1024÷1024=650.39（MB）

視頻光盤：74×60×75×2336÷1024÷1024=741.85（MB）注：式中光盤容量以74分鐘來計量，每分鐘60秒，每秒讀75個扇區(qū)，音頻光盤每個扇區(qū)2352Byte(字節(jié))，Byte是“字節(jié)數(shù)”，bit是“位數(shù)”，在計算機中每八位為一字節(jié)，也就是1Byte＝8bit，是1：8的對應(yīng)關(guān)系,1KB=1024B，1MB=1024KB。

第十章圖像壓縮編碼4第十章圖像壓縮編碼2)傳真數(shù)據(jù)如果只傳送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：[(21/2.54)*200]*[(29.7/2.54)*200]*1=3866948bit按目前14.4K的電話線傳輸速率，需要傳送的時間是：270秒（4.5分）按每分鐘4元計算：18元5第十章圖像壓縮編碼3)醫(yī)學(xué)圖像：PACS(影像歸檔和通信系統(tǒng))系統(tǒng)的需求PictureArchivingandCommunicationSystems

6由于通信方式和通信對象的改變帶來的最大問題是：傳輸帶寬、速度、存儲器容量的限制。第十章圖像壓縮編碼給我們帶來的一個難題，也給了我們一個機會：如何用軟件的手段來解決硬件上的物理極限?7圖像壓縮的必要性

圖像作為信息的重要表現(xiàn)形式，其具有數(shù)據(jù)量大、帶寬寬等特點。

一方面：需要增加信道，但這很有限，因為信道的增加永遠趕不上信息的爆炸式增長，況且還要受到環(huán)境的限制。

另一方面：必須減少表示圖像的數(shù)據(jù)量，以達到壓縮圖像數(shù)據(jù)的目的。第十章圖像壓縮編碼8圖像壓縮編碼的概念

圖像數(shù)據(jù)的壓縮和編碼表示。圖像壓縮編碼系統(tǒng)：(1)圖像編碼:對圖像信息進行壓縮和編碼，在存儲、處理和傳輸前進行，也稱圖像壓縮；(2)圖像解碼：對壓縮圖像進行解壓以重建原圖像或其近似圖像。 圖像壓縮的可能性空間上的冗余：相鄰像素或者序列相鄰幀間有較大的相關(guān)性；

人的視覺特性：人眼的分辨率非常有限；去除數(shù)字圖像中的冗余，來減少數(shù)據(jù)量。第十章圖像壓縮編碼91．按照壓縮前及解壓后的信息保持程度分成三類：

(1)信息保持（存）型壓縮、解壓中無信息損失，主要用于圖像存檔，其特點是信息無失真，但壓縮比有限，也稱無失真/無損/可逆型編碼。(2)信息損失型犧牲部分信息，來獲取高壓縮比，數(shù)字電視、圖像傳輸和多媒體等應(yīng)用場合常用這類壓縮，其特點是通過忽略人的視覺不敏感的次要信息來提高壓縮比，也稱有損壓縮。

二.壓縮編碼及其分類第十章圖像壓縮編碼102.根據(jù)編碼作用域劃分，圖像編碼為空間域編碼和變換域編碼兩大類。

(3)特征抽取型僅對于實際需要的（提取）特征信息進行編碼，而丟掉其它非特征信息，屬于信息損失型。

這里的第三類是針對特殊的應(yīng)用場合，因此，一般就將圖像壓縮編碼分成無損和有損兩大類。第十章圖像壓縮編碼11圖像壓縮有損壓縮無損壓縮行程編碼LZW編碼哈夫曼編碼算術(shù)編碼游程編碼無損預(yù)測編碼位平面編碼有損預(yù)測編碼分形編碼模型編碼子帶編碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼變換編碼K-L變換Haar變換Walsh.Hadamard變換離散余弦變換離散傅立葉變換斜變換小波變換第十章圖像壓縮編碼121.圖像壓縮的基本概念

設(shè)：n1和n2是在兩個表達相同信息的數(shù)據(jù)集中，所攜帶的單位信息量。壓縮率（壓縮比）：

CR=n1/n2

其中，n1是壓縮前的數(shù)據(jù)量，n2是壓縮后的數(shù)據(jù)量相對數(shù)據(jù)冗余：

RD=1–1/CR例：CR=20;RD=19/206.2圖像編碼的基本理論第十章圖像壓縮編碼13當(dāng)n2=n1，CR=1，RD=0，表示n1不包含冗余數(shù)據(jù)。當(dāng)n2?n1時，CR→∞，RD→1，表示顯著的壓縮和大量的冗余數(shù)據(jù)。當(dāng)n2?n1時，CR→0，RD→∞，數(shù)據(jù)擴展(不希望)一般，CR和RD分別在開區(qū)間(0，∞)和(-∞，1)內(nèi)取值。比如n1/n2=10，相應(yīng)的冗余度為0.9，這表示在第一個數(shù)據(jù)集合中有90％的數(shù)據(jù)是冗余數(shù)據(jù)。RD=1–1/CR=(n1–n2)/n1CR=n1/n2第十章圖像壓縮編碼14圖像通信系統(tǒng)模型信源編碼：完成原始數(shù)據(jù)的壓縮與編碼信道編碼：為了抗干擾，增加一些容錯、校驗位，實際上是有規(guī)律地增加傳輸數(shù)據(jù)的冗余，以便于消除傳輸過程中增加的隨機信號信道：傳輸數(shù)據(jù)（信息）的手段。如Internet、廣播、通訊、可移動介質(zhì)等15變換器對輸入數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，以改變數(shù)據(jù)的描述形式，減少或消除像素間的冗余（可逆）。量化器根據(jù)給定的保真度準(zhǔn)則降低變換器輸出的精度，以進一步減少心理視覺冗余（不可逆）。符號編碼器生成一個固定的或可變長編碼用于表示量化器輸出并將輸出轉(zhuǎn)換為與編碼相一致。例如變長編碼圖像編解碼模型（a）信源編碼器；（b）信源解碼器16第十章圖像壓縮編碼你的妻子，Helen，將于明天晚上6點零5分在武漢的天河機場接你。(23*2+10=56個半角字符)你的妻子將于明天晚上6點零5分在天河機場接你。(20*2+3=43個半角字符）Helen將于明晚6點在天河接你。(10*2+7=27個半角字符）結(jié)論：只要接收端不會產(chǎn)生誤解，就可以減少承載信息的數(shù)據(jù)量2.圖像中數(shù)據(jù)冗余的概念17第十章圖像壓縮編碼1）“這是一幅2*2的圖像，圖像的第一個像素是紅的，第二個像素是紅的，第三個像素是紅的，第四個像素是紅的”。14232）“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到壓縮的目的。描述語言18圖像冗余無損壓縮的原理RGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGB16RGB從原來的16*3*8=284bits壓縮為：(1+3)*8=32bits第十章圖像壓縮編碼19圖像冗余有損壓縮的原理36353434343434323434333730343434343434343435343431343434343434343434343434343434343434343434343434342534第十章圖像壓縮編碼20三種主要圖像數(shù)據(jù)冗余(Redundancy)編碼冗余像素冗余視覺心理冗余第十章圖像壓縮編碼21編碼冗余(信息熵冗余)

：如果一個圖像的灰度級編碼，使用了多于實際需要的編碼符號，就稱該圖像包含了編碼冗余。例：如果用8位表示該圖像的像素，我們就說該圖像存在著編碼冗余，因為該圖像的像素只有兩個灰度，用一位即可表示。第十章圖像壓縮編碼22對于給定圖像其數(shù)據(jù)量就已確定，即完全確定。因此，圖像壓縮后的數(shù)據(jù)量就決定了壓縮比。其中表示圖像像素個數(shù)，是平均碼字長。由此引入如下幾個概念：(1)碼字：信息編碼中每個符號的二進制編碼值。(2)碼字長：碼字的長度，即其二進制編碼值的位數(shù)，也就是比特數(shù)。(3)平均碼字長:每個像素所需的平均比特數(shù)。

第十章圖像壓縮編碼23若每個灰度級k的編碼長度為l(k)，則平均碼字長為：（4）自然編碼：每個灰度級（或每個像素）均用m位的二進制碼表示，也稱等長編碼，此時（5）變長（不等長）編碼：對于圖像中的不同灰度級采用不同長度的碼字表示。此時（6）編碼冗余：不同的編碼方法可能會有不同的，由此引出兩種編碼冗余。①相對編碼冗余：大的編碼相對于小的編碼就存在相對編碼冗余。②絕對編碼冗余：使的編碼就存在絕對編碼冗余。24[例]變長編碼與自然編碼的對比。灰度級k直方圖P(k)碼字碼字長自然編碼變長編碼自然編碼變長編碼00.19000103210.25001003220.2