第05講 色彩和圖像

第05講色彩和圖像內(nèi)容回顧圖像類型數(shù)字圖像圖像要素分辨率圖像分辨率、顯示分辨率數(shù)字化圖像容量計(jì)算真彩色、偽彩色、直接色2024/4/12圖像編碼簡介

2024/4/13圖像數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)圖像數(shù)據(jù)壓縮的基本概念圖像編碼技術(shù)圖像編碼2024/4/14數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)冗余像素的相關(guān)性人的視覺特性亮度信息色彩的分辨率弱27圖像壓縮的基本概念2024/4/15壓縮算法分類無損壓縮：將相同的或相似的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)特征歸類，使用較少的數(shù)據(jù)量描述原始數(shù)據(jù)。有損壓縮：利用人眼的視覺特性有針對性地簡化不重要的數(shù)據(jù)。圖像壓縮比：壓縮后的圖像數(shù)據(jù)量/壓縮前的圖像數(shù)據(jù)量（<1）影響壓縮圖像質(zhì)量的因素壓縮前圖像的效果圖像本身的特點(diǎn)壓縮算法的選取圖像壓縮方法2024/4/16圖像色彩深度的改變可以壓縮圖像數(shù)據(jù)224——〉281/3圖像色彩空間的改變也可以壓縮數(shù)據(jù)R:G:B=8:8:8Y:U:V=8:4:4=8:2:2數(shù)學(xué)變換——編碼技術(shù)圖像編碼2024/4/17行程編碼增量調(diào)制編碼哈夫曼編碼JPEG圖像的壓縮算法行程編碼(RLE)2024/4/18將相鄰并且具有相同顏色的像素歸類，順序記錄相同的像素數(shù)目和顏色值。行程長度：具有同一顏色的連續(xù)像素的數(shù)目。RLE編碼適用于計(jì)算機(jī)生成的圖形圖像。行程編碼(RLE)實(shí)例2024/4/19像素位1234567891011121314151617181920像素值55555533330222222211（a）編碼前像素記錄關(guān)系（b）編碼后碼字編碼位12345678910碼字6543107221

具有相同像素值像素的個數(shù)像素值大小行程編碼2024/4/110特點(diǎn)：無損壓縮適用于連續(xù)像素值一致的情況具有相同顏色的橫向色塊越大，壓縮比越大縱向相同顏色的色塊越大，可將圖像旋轉(zhuǎn)再壓縮色彩變化比較多的圖像不適宜用RLE算法特例假設(shè)每個像素顏色均不同，壓縮后數(shù)據(jù)量加倍增量調(diào)制編碼（DM）2024/4/111適用范圍比較大的范圍內(nèi)圖像像素色差不大很強(qiáng)的相關(guān)性利用圖像相鄰像素值的相關(guān)性來壓縮每個像素值的位數(shù)編碼方法僅存儲每一行上第一個像素的實(shí)際值。其后依次記錄每一個像素的像素值與前一個像素值之差。增量調(diào)制編碼（DM）僅存儲每一行上第一個像素的實(shí)際值。其后依次記錄前一個像素值與當(dāng)前像素的差值。2024/4/112

像素點(diǎn)x1x2x3x4x5x6x7x8x9

原像素/p>

差值50－20－30－2020302050－20

編碼值50－20－30－2020302050－20解碼后像素值507010012010070500205050增量調(diào)制編碼（DM）2024/4/113在開始階段增量調(diào)制器的輸出不能保持跟蹤輸入信號的快速變化，這種現(xiàn)象就稱為增量調(diào)制器的“斜率過載”。在輸入信號緩慢變化部分，即輸入信號與預(yù)測信號的差值接近零的區(qū)域，增量調(diào)制器的輸出出現(xiàn)隨機(jī)交變的“0”和“1”。這種現(xiàn)象稱為增量調(diào)制器的粒狀噪聲增量調(diào)制編碼（DM）2024/4/114線性增量調(diào)制編碼——差值用固定位來編碼斜率過載----圖像輪廓邊緣變得的模糊粒狀噪聲----圖像像素變換不明顯的區(qū)域非線性增量調(diào)制編碼——消除斜率過載（差值用非固定位來編碼—自適應(yīng)DM）壓縮比1：21：1.23混合壓縮RGB(8:8:8)-------DM壓縮（8:6:6）——色彩空間轉(zhuǎn)化（RGB—YUV-6:6:6）------YUV(6:3:3)圖像編碼2024/4/115影響圖像數(shù)字化容量因素？行程編碼？增量編碼？哈夫曼編碼2024/4/116定長碼

采用相同的位數(shù)（bit）對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。如：GB，ASCII碼—漢字編碼哈夫曼編碼（不定長編碼）

對經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)指定較少的位數(shù)表示，而不常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)指定較多的位數(shù)表示的方法。如：26個字母中使用頻率高（e:13％）的碼字短；頻率低（z:0.08%）的碼字長。

哈夫曼編碼2024/4/117編碼方法計(jì)算像素出現(xiàn)的概率；構(gòu)造huffman樹；利用碼表給每一個像素編碼；解碼特點(diǎn)對于碼字誤傳沒有保護(hù)功能；Huffman編碼

2024/4/118信源符號概率編碼過程碼字碼長(βi)x1x2x3x4x5x6x7x80.400.180.100.100.070.060.050.0410010110000010001010001000011133444550101010.090.130.190.230.370.601010011JPEG標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

2024/4/119ISO/IEC10918號標(biāo)準(zhǔn)“多灰度連續(xù)色調(diào)靜態(tài)圖象壓縮編碼”即JPEG標(biāo)準(zhǔn).采用ADCT作為靜態(tài)圖像壓縮的標(biāo)準(zhǔn)化算法；該標(biāo)準(zhǔn)為保證通用性,包含以下兩種方式：空間方式可逆編碼空間方式對于基本系統(tǒng)和擴(kuò)展系統(tǒng)來說,被稱為獨(dú)立功能。壓縮率低，完全恢復(fù)的可逆編碼DCT方式非可逆編碼,包含基本系統(tǒng)(必須保證的功能)和擴(kuò)展系統(tǒng)(擴(kuò)充功能)包含較少的變換系數(shù)解碼后的圖像質(zhì)量較好

2024/4/120基本系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)DCT編碼與解碼所需的最小功能集,大多數(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)只要用此標(biāo)準(zhǔn),就能基本上滿足要求。擴(kuò)展系統(tǒng)是為了滿足更為廣闊領(lǐng)域的應(yīng)用要求而設(shè)置的。不同系統(tǒng)功能基本系統(tǒng)輸入圖像精度8bit/p/色，順序模式，Huffman編碼表（DC/AC兩個）擴(kuò)展系統(tǒng)輸入圖像精度12bit/p/色，累進(jìn)模式，Huffman編碼表（DC/AC分別4個），算術(shù)編碼獨(dú)立功能輸入圖像精度2－12bit/p/色，序列模式，Huffman編碼表（DC/AC分別4個），算術(shù)編碼JPEG標(biāo)準(zhǔn)JPEG標(biāo)準(zhǔn)2024/4/121

定義兩種相互獨(dú)立的壓縮算法基于空間線性預(yù)測技術(shù)DPCM的無失真壓縮算法基于DCT的有失真壓縮算法1基于DPCM的無失真編碼

2024/4/122預(yù)測器熵編碼器表說明無失真編碼器源圖象數(shù)據(jù)壓縮圖象數(shù)據(jù)Huffman或算術(shù)編碼無失真編碼簡化框圖2024/4/123基于DPCM的無失真編碼優(yōu)點(diǎn)是硬件易實(shí)現(xiàn)，重建圖象質(zhì)量好。缺點(diǎn)是壓縮比太低,大約為1:21基于DPCM的無失真編碼

2024/4/124工作原理是對X的預(yù)測值X’,將X-X’進(jìn)行無失真熵編碼。對X’的求法見圖給出的預(yù)測方式。

cbax選擇值預(yù)測選擇值預(yù)測0123非預(yù)測

abc4567a+b-ca+(b-c)/2b+(a-c)/2(a+b)/2(a)X鄰域(b)

預(yù)測方式預(yù)測器1基于DPCM的無失真編碼

2.基于DCT的有失真壓縮編碼

2024/4/125算法包括：基本系統(tǒng)、增強(qiáng)系統(tǒng)基于DCT編碼過程2024/4/126FDCT熵編碼器量化表說明無失真編碼器源圖象數(shù)據(jù)壓縮圖象數(shù)據(jù)量化器編碼表說明8

8塊（YUV每個分量）解碼過程2024/4/127熵解碼器IDCT表說明解碼器逆量化器表說明8

8塊壓縮圖象數(shù)據(jù)恢復(fù)的圖象數(shù)據(jù)JPEG壓縮分四個步驟實(shí)現(xiàn)：2024/4/1281.顏色模式轉(zhuǎn)換及采樣；2.DCT變換；3.量化；4.編碼。DC系數(shù)的編碼和AC系數(shù)的行程編碼

熵編碼

顏色模式轉(zhuǎn)換及采樣2024/4/129RGB色彩系統(tǒng)是我們最常用的表示顏色的方式。JPEG采用的是YUV色彩系統(tǒng)。想要用JPEG基本壓縮法處理全彩色圖像，得先把RGB顏色模式圖像數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為YUV顏色模式的數(shù)據(jù)。Y代表亮度，U和V則代表色度。通過下列計(jì)算公式可完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。Y=0.2990R+0.5870G+0.1140BCb=-0.1687R-0.3313G+0.5000B+128＋128

人類的眼晴對低頻的數(shù)據(jù)比對高頻的數(shù)據(jù)具有更高的敏感度，事實(shí)上，人類的眼睛對亮度的改變也比對色彩的改變要敏感得多，也就是說Y成份的數(shù)據(jù)是比較重要的。既然U成份和V成份的數(shù)據(jù)比較相對不重要，就可以只取部分?jǐn)?shù)據(jù)來處理。以增加壓縮的比例。JPEG通常有兩種采樣方式：YUV411和YUV422，它們所代表的意義是Y、U和V三個成份的數(shù)據(jù)取樣比例。離散余弦變換

(DiscreteCosineTransform)2024/4/130將一組光強(qiáng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻率數(shù)據(jù)，以便得知強(qiáng)度變化的情形。若對高頻的數(shù)據(jù)做些修飾，再轉(zhuǎn)回原來形式的數(shù)據(jù)時，顯然與原始數(shù)據(jù)有些差異，但是人類的眼睛卻是不容易辨認(rèn)出來。DCT離散余弦變換(1)首先把原始圖象順序分割成8×8子塊;亮度值的第一個矩陣內(nèi)容如下：2024/4/131DCT離散余弦變換2024/4/132JPEG將整個亮度矩陣與色度U矩陣，V矩陣，視為一個基本單元稱作MCU。每個MCU所包含的矩陣數(shù)量不得超過10個。例如，行和列采樣的比例皆為4:1:1，則每個MCU將包含四個亮度矩陣，一個色度矩陣U及一個色度矩陣V。DCT離散余弦變換

2024/4/133(1)首先把原始圖象順序分割成8×8子塊;(2)采樣精度為P位(二進(jìn)制),把[0,2P-1]范圍的無符號數(shù)變換成[-2P-1,2P-1]范圍的有符號數(shù),作為離散余弦正變換(FDCT)的輸入;

當(dāng)圖像數(shù)據(jù)分成一個8*8矩陣后，還必須將每個數(shù)值減去128，然后一一代入DCT變換公式中，即可達(dá)到DCT變換的目的。圖像數(shù)據(jù)值必須減去128，是因?yàn)镈CT轉(zhuǎn)換公式所接受的數(shù)字范圍是在-128到+127之間。(3)在輸出端經(jīng)離散余弦逆變換(IDCT)后又得到一系列8×8子塊,需將數(shù)值范圍[-2P-1,2P-1]變換回[0,2P-1]來重構(gòu)圖象。2024/4/134這里用的8×8FDCT的數(shù)學(xué)定義為：

F(u,v)=(1/4)C(u)C(v)

[∑x=07∑y=07

f(x,y)·cos((2x+1)u/16)·cos((2y+1)v/16)]

8×8IDCT的數(shù)學(xué)定義為：

f(x,y)=(1/4)[∑u=07∑v=07C(u)C(v)F(u,v)·

cos((2x+1)u/16)·cos((2y+1)v/16)]

DCT離散余弦變換DCT離散余弦變換2024/4/135x,y代表圖像數(shù)據(jù)矩陣內(nèi)某個數(shù)值的坐標(biāo)位置f(x,y)代表圖像數(shù)據(jù)矩陣內(nèi)的數(shù)個數(shù)值u,v代表DCT變換后矩陣內(nèi)某個數(shù)值的坐標(biāo)位置F(u,v)代表DCT變換后矩陣內(nèi)的某個數(shù)值當(dāng)u=0且v=0c(u)，c(v)=1/1.414u>0或v>0c(u)，c(v)=1DCT離散余弦變換2024/4/136經(jīng)過DCT變換后的矩陣數(shù)據(jù)自然數(shù)為頻率系數(shù)，這些系數(shù)以F（0，0）的值最大，稱為DC其余的63個頻率系數(shù)則多半是一些接近于0的正負(fù)浮點(diǎn)數(shù)，一概稱之為AC下面的編碼針對FDCT輸出的64個基信號的幅值(F(0,0),…,F(7,7)稱作DCT系數(shù))來進(jìn)行DCT離散余弦變換2024/4/1372024/4/138源圖像樣本數(shù)據(jù)f（x，y）139144149153155155155155144151153156159156156156150155160163158156156156159161162160160159159159159160161162162155155155161161161161160157157157162162161163162157157157162162161161163158158158FDCT系數(shù)235.6-1.0-12.1-5.202.1-1.7-2.71.3-22.6-18.5-6.2-6.2-2.9-0.10.4-1.2-10.9-9.3-1.61.50.20.9-0.6-0.1-7.1-1.90.21.50.9-0.10.00.3-0.6-0.81.51.6-0.1-0.70.61.31.8-0.2-1.6-0.3-0.81.51.0-1.0-1.3-0.4-0.3-1.5-0.51.71.1-0.8-6.21.6-3.8-1.81.91.2-0.6-0.42024/4/139F(U,V)值量化處理

2024/4/140量化是一個“多到一”的過程,失真原因關(guān)鍵是找最小量化失真的量化器,JPEG采用線性均勻量化器,定義為對64個DCT系數(shù)除以量化步長,然后四舍五入取整:

FQ(u,v)=IntegerRound[F(u,v)/Q(u,v)]Q(u,v)是量化器步長,它是量化表的元素。量化表元素隨DCT系數(shù)的位置和彩色分量不同有不同的值,量化表尺寸為8×8與64個變換系數(shù)一一對應(yīng)。這個量化表應(yīng)由用戶規(guī)定(JPEG給出參考值-見表2.2,2.3),并作為編碼器的一個輸入。FDCT系數(shù)235.6-1.0-12.1-5.202.1-1.7-2.71.3-22.6-18.5-6.2-6.2-2.9-0.10.4-1.2-10.9-9.3-1.61.50.20.9-0.6-0.1-7.1-1.90.21.50.9-0.10.00.3-0.6-0.81.51.6-0.1-0.70.61.31.8-0.2-1.6-0.3-0.81.51.0-1.0-1.3-0.4-0.3-1.5-0.51.71.1-0.8-6.21.6-3.8-1.81.91.2-0.6-0.42024/4/141F(U,V)值

16111016244051611212141926586055141316244057695614172229518780621822375668109103772435556481104113924964788710312112010172929598112100103992024/4/142亮度量化表量化表的特點(diǎn)？規(guī)格化量化系數(shù)150-100000-2-1000000-1-100000000000000000000000000000000000000000000002024/4/143

171824479999999918212666999999992426569999999999476699999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999992024/4/144

色度量化表量化處理的作用2024/4/145量化的作用是在一定主觀保真度圖象質(zhì)量前提下,丟掉那些對視覺影響不大的信息,通過量化可調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)壓縮比。圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率系數(shù)后，還得接受一項(xiàng)量化程序，才能進(jìn)入編碼階段。量化階段需要兩個8*8矩陣數(shù)據(jù)，一個是專門處理亮度的頻率系數(shù)，另一個則是針對色度的頻率系數(shù)，將頻率系數(shù)除以量化矩陣的值，取得與商數(shù)最近的整數(shù)，即完成量化。當(dāng)頻率系數(shù)經(jīng)過量化后，將頻率系數(shù)由浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎麛?shù)，這才便于執(zhí)行最后的編碼。不過，經(jīng)過量化階段后，所有數(shù)據(jù)只保留整數(shù)近似值，也就再度損失了一些數(shù)據(jù)內(nèi)容。編碼2024/4/146編碼時，每個矩陣數(shù)據(jù)的DC值與63個AC值，將分別使用不同的Huffman編碼表，而亮度與色度也需要不同的Huffman編碼表，所以一共需要四個編碼表，才能順利地完成JPEG編碼工作。JPEG提供2套Huffman碼表:亮度和色度。每套又有DC表和AC表各1個。共有4個表。

DC系數(shù)的編碼

2024/4/14764個變換系數(shù)經(jīng)量化后,坐標(biāo)u=v=0的F(0,0)稱DC系數(shù)(直流分量),它即64個空域圖象采樣值的平均值。相鄰8×8塊之間DC系數(shù)有強(qiáng)相關(guān)性。JPEG對量化后的DC系數(shù)采用DPCM編碼,即對DIFF=DCi-DCi-1編碼。

…blocki-1blockiDCi-1DCiDC系數(shù)差分編碼DC系數(shù)的差值編碼2024/4/148DC采用差值脈沖編碼的主要原因是由于在連續(xù)色調(diào)的圖像中，其差值多半比原值小，對差值進(jìn)行編碼所需的位數(shù)，會比對原值進(jìn)行編碼所需的位數(shù)少許多。DC系數(shù)的商編碼2024/4/149求差值找差值的Huffman編碼碼字＝差值的Huffman編碼＋差值差值為5，它的二進(jìn)制表示值為101，如果差值為-5，則先改為正整數(shù)5，再將其二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成1的補(bǔ)數(shù)即可。所謂1的補(bǔ)數(shù)，就是將每個Bit若值為0，便改成1；Bit為1，則變成0。在差值前端另外加入一些差值的霍夫曼碼值，例如亮度差值為5（101）的位數(shù)為3，則霍夫曼碼值應(yīng)該是100，兩者連接在一起即為100101。差值的Huffman編碼表2024/4/150AC系數(shù)的行程編碼

其余63個交流系數(shù)(AC)采用行程編碼。從左上方AC0,1開始沿對角線方向“Z”字形掃描直到AC7,7掃描結(jié)束,這樣可增加行程中連續(xù)0的個數(shù)。AC系數(shù)編碼的碼字用兩個字節(jié)表示,如圖所示:

2024/4/151AC系數(shù)的行程編碼2024/4/152量化DCT系數(shù)的序號01561415272824713162629423812172530414391118243140445310192332394552542022333846515560213437475056596135364849575862632024/4/153AC系數(shù)行程編碼碼字2024/4/154兩個非0值間連續(xù)0的個數(shù)

表示下一個非0值需要的bit數(shù)

下一個非0實(shí)際值7430字節(jié)1字節(jié)2例子：對“…,3,0,0,0,0,0,12,0,0,…”編碼

…,(5,4),(12),….AC系數(shù)熵編碼

2024/4/155為了進(jìn)一步壓縮數(shù)據(jù),需對AC行程編碼的碼字再做基于統(tǒng)計(jì)特性的熵編碼。JPEG建議的熵編碼是Huffman編碼和自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼。熵編碼可分成兩步進(jìn)行:把AC行程碼轉(zhuǎn)換為中間符號序列給這些符號賦以變長碼字AC系數(shù)熵編碼的中間格式

2024/4/156熵編碼的中間格式由兩個符號組成:符號1:(行程,尺寸)符號2:(幅值)第一個信息參數(shù)“行程”表示前后兩個非0的AC系數(shù)之間連續(xù)0的個數(shù)。第二個信息參數(shù)“尺寸”是后一個非0的AC系數(shù)幅值編碼所需比特數(shù)。2024/4/157行程取值范圍為1～15,超過15時用擴(kuò)展符號1(15,0)來擴(kuò)充,63個AC系數(shù)最多增加3個擴(kuò)展符號1。編碼結(jié)束時用(0,0)表示?！俺叽纭比≈捣秶鸀?～10?！胺怠庇靡员硎痉?的AC系數(shù)的值,范圍為［-210,210-1］(最長10bit),結(jié)構(gòu)形式如下表所示。規(guī)格化量化系數(shù)150-100000-2-1000000-1-100000000000000000000000000000000000000000000002024/4/1582024/4/1591-1,12-3..-2,2..33-7..-4,4..74-15..-8,8..1567……89-511..-256,256…51110-1023..-512,512…1023表2.4符號2結(jié)構(gòu)AC系數(shù)熵編碼2024/4/160例如某一組亮度的中間符號1為（5，3）符號2AC值為4首先以5/3為索引值，從亮度AC的Huffman編碼表中找到霍夫曼碼值，于是加上原來100（4）即是用來取[5，4]的Huffman編碼100，[5，4]表示AC值為4的前面有5個零。亮度AC，色度AC霍夫曼編碼表比較長可變長度熵編碼2024/4/161“…4,0,0,0,0,0,0,0,……0,3,0”.4,3之間有31個0.

(15,0),(15,0),(1,2),(3)可變長度熵編碼就是對上述序列進(jìn)行變長編碼。對DC系數(shù)、AC系數(shù)中的符號1采用Huffman表中的變長碼編碼(VLC),這里Huffman變長碼表必須作為JPEG編碼器輸入。符號2用碼字長度在表2.4中給出的變長整數(shù)VLI碼編碼。VLI是變長碼,但不是Huffman碼。VLI的長度存放在VLC中,JPEG提供VLI碼字表供用戶使用JPEG圖像解碼2024/4/162熵解碼器IDCT表說明解碼器逆量化器表說明8

8塊壓縮圖象數(shù)據(jù)恢復(fù)的圖象數(shù)據(jù)2024/4/163源圖像樣本數(shù)據(jù)f（x，y）139144149153155155155155144151153156159156156156150155160163158156156156159161162160160159159159159160161162162155155155161161161161160157157157162162161163162157157157162162161161163158158158逆量化后的系數(shù)2400-1000000-240000000-14000000000000000000000000000000000000000000000002024/4/164重構(gòu)圖像樣本1441461491521541561561561481501521541561561561561551561571581581571561551601611611621611591571551631631641631621601581561631641641641621601581571601611621621621611591581581591611611621611591582024/4/165JPEG壓縮效果評價壓縮效果(比特/象素)

質(zhì)量0.25~0.50

中~好0.50~0.75

好~很好0.75~1.5

極好1.2~2.0

與原始圖象分不出來2024/4/1663.基于DCT的累進(jìn)操作方式編碼

2024/4/167順序方式:每個圖象分量的編碼一次掃描完成的;

累進(jìn)方式:圖象分量編碼要經(jīng)過多次掃描才完成。累進(jìn)方式第一次掃描只進(jìn)行一次粗糙圖象的掃描壓縮,以相對于總的傳輸時間快得多的時間傳輸粗糙圖象,并重建一幀質(zhì)量較低的可識別圖象;在隨后的掃描中再對圖象作較細(xì)的壓縮,這時只傳遞增加的信息,可重建一幅質(zhì)量提高一些的圖象。這樣不斷累進(jìn),直到滿意的圖象為止。累進(jìn)方式2024/4/1682024/4/169需在量化器的輸出與熵編碼的輸入之間,增加一個足以存儲量化后DCT系數(shù)的緩沖區(qū),對緩沖區(qū)中存儲的DCT系數(shù)多次掃描,分批編碼。有以下兩種累進(jìn)方式：頻譜選擇法按位逼近法4.基于DCT的分層操作方式

2024/4/170分層方式是對一幅原始圖象的空間分辨率,分成多個分辨率進(jìn)行“錐形”的編碼方法,水平(垂直)方向分辨率的下降以2的倍數(shù)因子改變。

分層操作方式的過程2024/4/171(1)把原始圖象空間分辨率降低。(2)對已降低分辨率的圖象采用基于DCT的順序方式、累進(jìn)方式或無失真預(yù)測編碼中的任何一種編碼方法進(jìn)行編碼。(3)對低分辨率的圖象解碼,重建圖象,使用插值濾波器,對它插值,恢復(fù)圖象的水平和垂直分辨率。(4)把分辨率已升高的圖象作為原始圖象的預(yù)測值,對它們的差值采用基于DCT的順序方式、累進(jìn)方式或用無失真方式進(jìn)行編碼。(5)重復(fù)(3)、(4)直到圖象達(dá)到完整的分辨率編碼。JPEG2000簡介2024/4/172JPEG

2000

正式名稱為:ISO

15444，同樣是由JPEG

組織負(fù)責(zé)制定。該標(biāo)準(zhǔn)是由聯(lián)合攝影專家組于1997年開始征集提案[1,

2]，把它作為JPEG標(biāo)準(zhǔn)的一個更新?lián)Q代標(biāo)準(zhǔn)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織WG1小組已于2000年8月制定了最終的國際標(biāo)準(zhǔn)化草案2000年12月公布的新的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)(ISO15444),它的目標(biāo)是進(jìn)一步改進(jìn)目前壓縮算法的性能，以適應(yīng)低帶寬、高噪聲的環(huán)境，以及醫(yī)療圖像、電子圖書館、、Internet網(wǎng)上服務(wù)和保安等方面的應(yīng)用。JPEG中采用DCT變換考察整個時域過程的頻域特征或整個頻域過程的時域特征。JPEG2000采用以小波變換為主的多分辨率編碼方式。JPEG2000統(tǒng)一了面向靜態(tài)圖像和二值圖像的編碼方式,是既支持低比率壓縮又支持高比率壓縮的通用編碼方式。壓縮原理2024/4/173JPEG2000不再使用8×8像素分塊和離散余弦變換對圖像進(jìn)行處理，而采用了對圖像進(jìn)行不同分辨率金字塔形的存貯。對圖像進(jìn)行“小波變換”（WaveletsTransformation）的方法。避免了原來JPEG的分塊邊界效應(yīng)，同時借助小波變換的優(yōu)良特性，使圖像可以根據(jù)需要恢復(fù)成不同的分辨率和數(shù)據(jù)量，其細(xì)節(jié)保真程度明顯優(yōu)于同等壓縮率的JPEG圖像。按照用戶的需求，甚至可以對圖像的某個區(qū)域進(jìn)行高分辨率恢復(fù)，而其他“不感興趣”區(qū)域則用低分辨率呈現(xiàn)。JPEG2000特點(diǎn)2024/4/174JPEG2000系統(tǒng)使用了基于小波的先進(jìn)壓縮技術(shù),期望在至少10年的時間里占據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖像壓縮領(lǐng)域的領(lǐng)先地位,并且以他在高端應(yīng)用和成像設(shè)備上表現(xiàn)出的優(yōu)秀性能為基礎(chǔ),開拓圖像壓縮尚未涉足的市場。JPEG2000特點(diǎn)2024/4/175良好的低比特率壓縮性能JPEG2000將提供低碼率下的超級性能，并在碼率下降的同時率失真性能仍能保持最優(yōu)。JPEG2000最重要的特點(diǎn)。高壓縮率。與JPEG相比,可修復(fù)約30％的速率失真特性。JPEG和JPEG2000在壓縮率相同時,JPEG2000的信噪比將提高30％左右;同時支持有損和無損壓縮JPEG只能支持有損壓縮。無損和有損壓縮JPEG2000可以在同一碼流中提供有損壓縮和無損壓縮，這主要是由于JPEG2000采用嵌入式可分級碼流。JPEG2000特點(diǎn)2024/4/176漸進(jìn)傳輸。JPEG2000可實(shí)現(xiàn)以空間清晰度和信噪比為首的各種可調(diào)節(jié)性,從而實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)傳輸,即具有“漸現(xiàn)”特性它先傳輸圖像的輪廓，然后逐步傳輸數(shù)據(jù)，不斷提高圖像質(zhì)量信噪比和分辨率的累進(jìn)傳輸這個特性是指隨著接收到的碼流長度增加，圖像依然是完整的，但質(zhì)量（象素精度）和空間分辨率逐漸提高。JPEG2000特點(diǎn)2024/4/177感興趣區(qū)域壓縮ROI(RegionofInterest)JPEG2000支持所謂的“感興趣區(qū)域”。可以任意指定圖像上你感興趣區(qū)域的壓縮質(zhì)量，還可以選擇指定的部份先解壓縮。JPEG2000允許用戶指定其感興趣區(qū)域并對該區(qū)域進(jìn)行任意訪問和處理。隨機(jī)碼流處理還允許對該區(qū)域進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、濾波、特征提取以及縮放等操作。對誤碼的魯棒性JPEG2000的碼率設(shè)計(jì)可以有效的抑制比特誤碼，一個運(yùn)用就是在無線信道上傳送信息?；趦?nèi)容描述JPEG2000允許在壓縮的圖像文件中含有對圖像內(nèi)容的說明。圖像的安全保護(hù)JPEG2000允許通過水印、沖壓、標(biāo)簽、指紋、加密等方式對數(shù)字圖像進(jìn)行保護(hù)JPEG2000應(yīng)用2024/4/178JPEG2000的應(yīng)用領(lǐng)域可概略分成兩部分傳統(tǒng)JPEG的市場，像打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等；新興應(yīng)用領(lǐng)域，像網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸、無線通訊、醫(yī)療圖像等。壓縮圖像結(jié)果比較2024/4/179利用JPEG技術(shù)壓縮過的圖片已經(jīng)嚴(yán)重失色且有馬賽克；而LWF格式的圖片依然可以表現(xiàn)出人物的臉形輪廓，并且沒有嚴(yán)重的失色表現(xiàn)原圖像JPEGJPEG20002024/4/1802024/4/1812024/4/1822024/4/1832024/4/1842024/4/185小波變換2024/4/186小波變換2024/4/187小波變換2024/4/1882024/4/1892024/4/190JPEG2000編解碼器2024/4/191源圖像模型分量表示圖像參照格圖像分片源圖像模型2024/4/192分量表示分量0分量1圖像參照格2024/4/193描述各個分量的幾何形狀參照格的寬度和高度不能超過232－1；限定了編解碼器能處理圖像的大小的邊界；XsizYsiz圖像分片2024/4/194圖像太大超過編解碼器可用的內(nèi)存，需要對圖形進(jìn)行分片；XsizYsizJPEG2000編解碼器2024/4/195編碼器對原始圖像先進(jìn)行離散小波變換，變換的系數(shù)經(jīng)過量化、熵編碼，然后組織成JPEG2000碼流（比特流）格式。解碼器編碼器的逆過程，即碼率首先進(jìn)行熵解碼、反量化，然后進(jìn)行逆向離散小波變換，最終形成重構(gòu)圖像數(shù)據(jù)。JPEG2000編碼器結(jié)構(gòu)2024/4/196預(yù)處理分量間正變換圖像輸出數(shù)據(jù)率控制第一層編碼量化分量內(nèi)正變換第二層編碼圖像輸入預(yù)處理2024/4/197預(yù)處理預(yù)處理前向分量變換前對源圖像的所有工作全部稱為預(yù)處理。這個階段包括將源圖像進(jìn)行瓦片(tile)分割和降低量級。圖像分片將源圖像分割成為不重疊的矩形塊，這些矩形塊可以進(jìn)行單獨(dú)壓縮編碼，就像他們是完全獨(dú)立的圖像。分割的目的是為了降低壓縮過程所需的內(nèi)存資源。降低量級

降低量級可以使樣本的動態(tài)范圍基本關(guān)于零對稱，使在進(jìn)行離散小波變換后的系數(shù)的動態(tài)范圍不會過大，有利于編碼。分量間變換2024/4/198顏色分量間變換分量變換指對具有多個分量的圖像先經(jīng)過某種變換來降低這幾個分量的相關(guān)性，達(dá)到提高壓縮效率的作用。JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中定義了2種分量間變換：可逆分量變換和不可逆分量變換。對于不可逆變換實(shí)質(zhì)就是從RGB彩色空間變換到Y(jié)CbCr色彩空間。RGB->YCbCr分量內(nèi)變換2024/4/199分量內(nèi)變換對單個分量進(jìn)行小波變換離散小波變換變換的目的是去除每個子圖像內(nèi)部象素之間的相關(guān)性，盡可能地將信息集中到少的變換系數(shù)上。JPEG2000采用小波變換編碼，與離散余弦相比，離散小波變換具有很好的局部性，能針對不同類型圖像的不同區(qū)域采用不同的空-頻分辨率，從而有可能得到較高的壓縮比，而且可以實(shí)現(xiàn)無損壓縮的機(jī)制。分量內(nèi)變換2024/4/1100JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中的離散小波變換是對每個瓦片的每個分量進(jìn)行的,每一個瓦片分量獨(dú)立的進(jìn)行變換產(chǎn)生一系列的二維子帶信號,每一個子帶代表了原圖像在不同頻帶、不同分辨率的表現(xiàn)。對每個瓦片進(jìn)行Mallat塔式小波分解,選用的濾波器是用于浮點(diǎn)運(yùn)算的Daubechies(9,7)濾波器和用于定點(diǎn)運(yùn)算的LeCall(5,3)濾波器。2024/4/1101量化2024/4/1102量化/逆量化對變換系數(shù)進(jìn)行量化，通過最小精度來表示變換系數(shù)，可得到更大的壓縮比；量化經(jīng)過小波變換，瓦片分量數(shù)據(jù)變換成子帶形式，若進(jìn)行N級小波分解，可以得到（3N+1）個子帶，每個子帶系數(shù)都反映了圖像不同頻率的特征量化特點(diǎn)顯式地為每一個子帶量化定義一個確定的步長，低分辨率的子帶使用較小的步長；JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中采用均勻量化，但不同子帶使用不同的量化步長。核心編碼算法量化后，變換系數(shù)矩陣成為一個整數(shù)矩陣，接下去要進(jìn)行的是編碼過程，JPEG2000編碼器采用的是改進(jìn)的EBCOT算法。EBCOT(EmbeddedBlockCodingwithOptimizedTrunction)是最優(yōu)截斷的嵌入式塊編碼。EBCOT算法借鑒了LZW，SPIHT和LZC的許多思想，提供了更好的分級和隨機(jī)訪問的功能。編碼2024/4/1103第一級編碼經(jīng)過量化后的系數(shù)要組織成為碼塊(codeblock)、位平面(bitplane)和編碼通道(codingpass)。這一級實(shí)質(zhì)就是對各種編碼要素