图像编码与压缩

1、图像编码与压缩 第8章1本章内容信息论中的有关概念，编码压缩的可能性及技术信息论中的有关概念，编码压缩的可能性及技术指标等指标等统计编码统计编码预测编码预测编码变换编码变换编码混合编码混合编码静态图像压缩标准：静态图像压缩标准：JPEG、JBIG、JPEG2000等等2二、统计编码n统计编码统计编码 根据信源的概率分布特性，分配具有惟一根据信源的概率分布特性，分配具有惟一可译性的可变长码字，降低平均码字长度，以可译性的可变长码字，降低平均码字长度，以提高信息的传输速度，节省存储空间。提高信息的传输速度，节省存储空间。n基本原理基本原理 在信号概率分布已知的基础上，概率大的在信号概率分布已知的基

2、础上，概率大的信号对应的码字短，概率小的信号对应的码字信号对应的码字短，概率小的信号对应的码字长，这样就降低了平均码字长度。长，这样就降低了平均码字长度。3哈夫曼编码步骤哈夫曼编码步骤(1)缩减信源符号数量缩减信源符号数量将信源符号按出现概率从大到小排列，然后结合将信源符号按出现概率从大到小排列，然后结合（一）哈夫曼编码 0.40.30.10.10.060.040.40.30.10.10.10.40.30.10.20.40.30.30.40.61234a12a5a3a6a4a初始信源信源的消减步骤符号概率4哈夫曼编码步骤哈夫曼编码步骤(2)对每个信源符号赋值对每个信源符号赋值从（消减到）最小的

3、信源开始，逐步回到初始信源从（消减到）最小的信源开始，逐步回到初始信源 0.40.30.10.10.060.040.40.30.10.10.10.40.30.10.20.40.30.30.40.61234a12a5a3a6a4a初始信源对消减信源的赋值符号概率10001101000101100010011100010110001101000101001011码字（一）哈夫曼编码 5哈夫曼编码结果分析哈夫曼编码结果分析:平均长度平均长度信源熵信源熵编码效率编码效率2 . 2)543(1 . 023 . 014 . 0)()(10LkkskavgspslL142)()log()(1.uJjjjaP

4、aPH%3 .97%1002 . 214. 2)( avgLH u（一）哈夫曼编码 6 优点：优点： 实现实现HuffmanHuffman编码的基础是统计源数据集中各信号的概编码的基础是统计源数据集中各信号的概率分布。率分布。 HuffmanHuffman编码在无失真的编码方法中效率优于其他编码编码在无失真的编码方法中效率优于其他编码方法，是一种最佳变长码，其平均码长接近于熵值。方法，是一种最佳变长码，其平均码长接近于熵值。 缺点：缺点： 当信源数据成分复杂时，庞大的信源集致使当信源数据成分复杂时，庞大的信源集致使HuffmanHuffman码码表较大，码表生成的计算量增加，编译码速度相应变慢

5、表较大，码表生成的计算量增加，编译码速度相应变慢 不等长编码致使硬件译码电路实现困难。上述原因致使不等长编码致使硬件译码电路实现困难。上述原因致使HuffmanHuffman编码的实际应用受到限制。编码的实际应用受到限制。（一）哈夫曼编码 7哈夫曼编译码系统的构成流程哈夫曼编译码系统的构成流程8哈夫曼编码 图像压缩中的应用n我们知道，对一幅图像进行编码时，如果我们知道，对一幅图像进行编码时，如果图像的大小大于图像的大小大于256256时，这幅图像的不同的时，这幅图像的不同的码字就有可能是很大，例如极限为码字就有可能是很大，例如极限为256256个不个不同的码字。同的码字。 n这时如果采用全局这

6、时如果采用全局HuffmanHuffman编码则压缩效编码则压缩效率不高。甚至有可能与原来的等长编码的率不高。甚至有可能与原来的等长编码的数据量相同。数据量相同。 9哈夫曼编码 图像压缩中的应用常用的方法是：常用的方法是： 将图像分割成若干的小块，对每块进行将图像分割成若干的小块，对每块进行独立的独立的HuffmanHuffman编码。例如：分成编码。例如：分成 的的子块，就可以大大降低不同灰度值的个数子块，就可以大大降低不同灰度值的个数（最多是（最多是6464而不是而不是256256）。）。8810哈夫曼编码 图像压缩中的应用8 8* *8 8分块的编码分块的编码压缩比为压缩比为2.12:1

7、2.12:11616* *1616分块的编码分块的编码压缩比为压缩比为1.64:11.64:1全图的编码压全图的编码压缩比为缩比为1.09:11.09:111算术编码原理：算术编码原理： 按照符号序列的出现概率对概率区间分割，按照符号序列的出现概率对概率区间分割，用一个实数代表一个数据流的输入符号，再将用一个实数代表一个数据流的输入符号，再将这个实数（二进制小数）转化为一定位数的二这个实数（二进制小数）转化为一定位数的二进制代码。对于较长的消息，二进制代码的位进制代码。对于较长的消息，二进制代码的位数也会增加。数也会增加。（四）算术编码12算术编码示例算术编码示例编码来自编码来自1个个4-符号

8、信源符号信源a1, a2, a3, a4的由的由5个符号组个符号组成的符号序列：成的符号序列：b1b2b3b4b5 = a1a2a3a3a4（四）算术编码0.067 520.068 8100.200.080.040.0720.0560.062 4编码序列b =22a1b =a1b =3a3b =3a44ab =53aa1a12a2a3a3a3aa12a2a2a3aa1a14a4a4a4a4a0.06813（五）行程编码n仅存储一个像素值以及具有相同颜色的像素数目的图像数仅存储一个像素值以及具有相同颜色的像素数目的图像数据编码方式称为行程编码，或称据编码方式称为行程编码，或称游程编码游程编码，常

9、用，常用RLERLE（Run-Length EncodingRun-Length Encoding）表示。该压缩编码技术相当直观和）表示。该压缩编码技术相当直观和经济，运算也相当简单，因此解压缩速度很快。经济，运算也相当简单，因此解压缩速度很快。RLERLE压缩压缩编码尤其适用于计算机生成的图形图像及二值图像，对减编码尤其适用于计算机生成的图形图像及二值图像，对减少存储容量很有效果。少存储容量很有效果。n例如：信息单元例如：信息单元03 0403 04，0303表示其后的象素个数是表示其后的象素个数是3 3个，个，0404表表示这些象素使用的是颜色索引表中的第五项的值。压缩数示这些象素使用的是

10、颜色索引表中的第五项的值。压缩数据展开后就是据展开后就是04 04 04 .04 04 04 .同理同理04 05 04 05 可以展开为可以展开为05 05 05 05.05 05 05 05.。n行程编码是一种无失真编码行程编码是一种无失真编码14三、 预测编码 预测编码的基本思想：预测编码的基本思想：在某种模型的指导下，根据过去的样本序列推在某种模型的指导下，根据过去的样本序列推测当前的信号样本值，然后用实际值与预测值测当前的信号样本值，然后用实际值与预测值之间的误差值进行编码。之间的误差值进行编码。如果模型与实际情况符合得比较好且信号序列如果模型与实际情况符合得比较好且信号序列的相关性

11、较强，则误差信号的幅度将远远小于的相关性较强，则误差信号的幅度将远远小于样本信号。样本信号。15预测编码基本原理n对实际值与预测值之间的误差值进行编码对实际值与预测值之间的误差值进行编码n差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制(Differential Pulse Code Modulation, DPCM)16五、混合编码 设计思想n每一种编码方式都有其擅长的一点，以每一种编码方式都有其擅长的一点，以及局限的一点，混合编码的思想就是将及局限的一点，混合编码的思想就是将两种以上的编码方式的优点进行综合，两种以上的编码方式的优点进行综合，达到提高编码效率的目的。达到提高编码效率的目的。17五、混合编码

12、 可能性及有效性分析回顾一下讲过的几个内容的特点：回顾一下讲过的几个内容的特点：行程编码：擅长于重复数字的压缩。行程编码：擅长于重复数字的压缩。HuffmanHuffman编码：擅长于像素个数分布不编码：擅长于像素个数分布不均匀情况下的编码。均匀情况下的编码。DCTDCT变换：变换： 擅长分离视觉敏感与不敏擅长分离视觉敏感与不敏感的部分。感的部分。18五、混合编码 例例：例： aaaaaaaa bbbbbb cccc d d eeeeeeeeee ffffffffffffff （共共2222* *8=176 bits)8=176 bits) 4 3 2 1 5 74 3 2 1 5 7 行程编

13、码：行程编码：4a3b2c1d5e7f 4a3b2c1d5e7f ( (共共6 6* *（8+38+3）= 66Bits = 66Bits ) ) 176 6619五、混合编码 例 aaaaaaaa bbbbbb cccc d d eeeeeeeeee ffffffffffffff （共（共2222* *8=176 bits)8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 4 3 2 1 5 7 HuffmanHuffman编码：编码： f=01 e=11 a=10 b=001 c=0001 d=0000f=01 e=11 a=10 b=001 c=0001 d=000010101010101

14、010101010001001001001001001000100010001000100000000111111111111111111110101010101010101010101010101 ( (共共 7 7* *2+52+5* *2+42+4* *2+32+3* *3+23+2* *4+14+1* *4=4=5353 bits) bits) 176 66 5320五、混合编码 例 aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits176 bits) 4 3 2 1 5 7 4 3 2 1 5 7 HufmanHufman与行程编码混合：与行程编码混合： 4 410103 30010012 2000100011 1000000005 511117 70101 ( (共：共：