第11讲图像编码课件

1、第九章 图像的编码技术9.1 研究背景一、信息传输方式发生了很大的改变一、信息传输方式发生了很大的改变w通信方式的改变通信方式的改变文字文字+ +语音语音图像图像+ +文字文字+ +语音语音w通信对象的改变通信对象的改变人与人人与人人与机器，机器与机器人与机器，机器与机器9.1 研究背景 二、图像传输与存储需要的信息量空间二、图像传输与存储需要的信息量空间 w图像的传输与存储中，问题最多的，也图像的传输与存储中，问题最多的，也是最常用的包括了数字视频信号和传真是最常用的包括了数字视频信号和传真信号。信号。w下面我们对其分别进行讨论。下面我们对其分别进行讨论。9.1 研究背景1. 1. 彩色视频

2、信息彩色视频信息w对于电视画面的分辨率对于电视画面的分辨率640640* *480480的彩色图的彩色图像，每秒像，每秒3030帧，则一秒钟的数据量为：帧，则一秒钟的数据量为： 640640* *480480* *2424* *30=221.12M 30=221.12M w所以播放时，所以播放时，需要需要221Mbps221Mbps的通信回路的通信回路。 9.1 研究背景w实时传输：实时传输： 在宽带网上（在宽带网上（10M10M）实时传输的话，）实时传输的话，需要需要压缩到原来数据量的压缩到原来数据量的0.0450.045。 即即0.36bit/pixel0.36bit/pixel。w存储：

3、存储： 1 1张张CDCD可存可存640M640M 如果不进行压缩，如果不进行压缩，1 1张张CDCD则仅可以存放则仅可以存放2.892.89秒的数据。秒的数据。 存存2 2小时的信息则需要压缩到原来数据量小时的信息则需要压缩到原来数据量的的0.0004,0.0004,即：即：0.003bit/pixel0.003bit/pixel。9.1 研究背景 2.2.传真传真w如果只传送如果只传送2 2值图像，以值图像，以200dpi200dpi的分的分辨率传输，一张辨率传输，一张A4A4稿纸的数据量为：稿纸的数据量为： 16541654* *23372337* *1=3888768bit 1=388

4、8768bit w按目前按目前14.4K14.4K的电话线传输速率，需的电话线传输速率，需要传送的时间是：要传送的时间是：270270秒（秒（4.54.5分）分）w按每分钟按每分钟4 4元计算：元计算：1818元元 9.1 研究背景w由于通信方式和通信对象的改变带来的最大问由于通信方式和通信对象的改变带来的最大问题是：题是： w给我们带来的一个难题，也给了我们一个机会：给我们带来的一个难题，也给了我们一个机会： 图像通信系统模型图像信息源图像信息源图像预处理图像预处理图像信源图像信源编码编码信道编码信道编码调制调制信道传输信道传输解调解调信道解码信道解码图像信源图像信源解码解码显示图像显示图像

5、9.2 9.2 数据冗余的概念数据冗余的概念我们从一个互动游戏来体会数据冗余我们从一个互动游戏来体会数据冗余的概念。的概念。在下面的例子中，用一种最好的方式在下面的例子中，用一种最好的方式来发送一封电报。来发送一封电报。9.2 9.2 数据冗余的概念数据冗余的概念你的妻子，你的妻子，HelenHelen，将于明天晚上将于明天晚上6 6点零点零5 5分在分在上海上海的虹桥机场接你。的虹桥机场接你。 (23(23* *2+10=562+10=56个半角字符个半角字符) )w你的妻子将于明天晚上你的妻子将于明天晚上6 6点零点零5 5分在虹桥机场接你分在虹桥机场接你 (20(20* *2+2=422

6、+2=42个半角字符）个半角字符）w HelenHelen将于明晚将于明晚6 6点在虹桥接你点在虹桥接你 (10(10* *2+6=262+6=26个半角字符）个半角字符）结论：只要接收端不会产生误解，就结论：只要接收端不会产生误解，就可以减少承载信息的数据量。可以减少承载信息的数据量。9.2 9.2 数据冗余的概念数据冗余的概念n描述语言描述语言1 1） “ “这是一幅这是一幅2 2* *2 2的图像，的图像，图像的第一个像素是红的，图像的第一个像素是红的，第二个像素是红的，第三第二个像素是红的，第三个像素是红的，第个像素是红的，第 四个像素是红的四个像素是红的”。 2 2）“这是一幅这是一

7、幅2 2* *2 2的图的图 像，像，整幅图都是红色的整幅图都是红色的”。由此我们知道，整理图像的描述方法可由此我们知道，整理图像的描述方法可以达到压缩的目的。以达到压缩的目的。9.2 9.2 图像中的数据冗余图像中的数据冗余w图像冗余无损压缩的原理图像冗余无损压缩的原理RGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGB16RGB从原来的从原来的1616* *3 3* *8=284bits8=284bits压缩为：压缩为：(1+3)(1+3)* *8=32bits8=32bits9.2 9.2 图像中的数据冗余图像中的数据冗余w图像冗余有损压缩的原

8、理图像冗余有损压缩的原理363534343434343234343337303434343434343434353434313434343434343434343434343434343434343434343434343425349.2 9.2 图像中的数据冗余图像中的数据冗余w实际图像中冗余信息的表现（灰度图）实际图像中冗余信息的表现（灰度图）9.3 9.3 图像中的视觉冗余图像中的视觉冗余w图像的视觉冗余图像的视觉冗余 （彩色）（彩色） R G B2488822*2*2=242 =16,777,216(248,27,4)(251,32,15)(248,27,4)(248,27,4)9.4

9、 9.4 图像中数据冗余压缩原理图像中数据冗余压缩原理w由于一幅图像存在数据冗余和主观视觉由于一幅图像存在数据冗余和主观视觉冗余，我们的压缩方式就可以从这两方冗余，我们的压缩方式就可以从这两方面着手开展。面着手开展。w因为有数据冗余，当我们将图像信息的描述方因为有数据冗余，当我们将图像信息的描述方式改变之后，可以压缩掉这些冗余。式改变之后，可以压缩掉这些冗余。w因为有主观视觉冗余，当我们忽略一些视觉不因为有主观视觉冗余，当我们忽略一些视觉不太明显的微小差异，可以进行所谓的太明显的微小差异，可以进行所谓的“有损有损”压缩。压缩。9.5 9.5 图像的压缩编码图像的压缩编码w第一代压缩编码第一代压

10、缩编码八十年代以前，主要是根据传统的信源八十年代以前，主要是根据传统的信源编码方法。编码方法。w第二代压缩编码第二代压缩编码 八十年代以后，突破信源编码理论，结八十年代以后，突破信源编码理论，结合分形、模型基、神经网络、小波变换合分形、模型基、神经网络、小波变换等数学工具，充分利用视觉系统生理心等数学工具，充分利用视觉系统生理心理特性和图像信源的各种特性。理特性和图像信源的各种特性。9.5 9.5 图像的压缩编码图像的压缩编码像素编码像素编码变换编码变换编码预测编码预测编码位平面编码位平面编码增量调制增量调制熵编码熵编码算术编码算术编码DCTDCT变换变换DPCMDPCM调制调制第一代压缩编码

11、第一代压缩编码其他编码其他编码行程编码行程编码9.5 9.5 图像的压缩编码图像的压缩编码子带编码子带编码模型编码模型编码分层编码分层编码分型编码分型编码第二代压缩编码第二代压缩编码9.6 9.6 行程编码行程编码(RLE(RLE编码编码) )w行程编码是一种最简单的，在某些场合行程编码是一种最简单的，在某些场合是非常有效的一种无损压缩编码方法。是非常有效的一种无损压缩编码方法。w虽然这种编码方式的应用范围非常有限，虽然这种编码方式的应用范围非常有限，但是因为这种方法中所体现出的编码设但是因为这种方法中所体现出的编码设计思想非常明确，所以在图像编码方法计思想非常明确，所以在图像编码方法中都会将

12、其作为一种典型的方法来介绍。中都会将其作为一种典型的方法来介绍。 9.6.1 9.6.1 行程编码的基本原理行程编码的基本原理w通过改变图像的描述方式，来实现图像通过改变图像的描述方式，来实现图像的压缩。的压缩。w将一行中灰度值相同的相邻像素，用一将一行中灰度值相同的相邻像素，用一个计数值和该灰度值来代替。个计数值和该灰度值来代替。9.6.2 9.6.2 行程编码方法行程编码方法w 举例说明：举例说明： aaaa bbb cc d eeeee fffffff ( (共共2222* *8=176 bits)8=176 bits) 4a3b2c1d5e7f ( (共共1212* *8=96 bit

13、s)8=96 bits) 压缩率为：压缩率为：96/176=54.5%96/176=54.5%9.6.3 9.6.3 传真中的行程编码方法传真中的行程编码方法w传真件中一般都是白色比较多，而黑色相传真件中一般都是白色比较多，而黑色相对比较少。所以可能常常会出现如下的情对比较少。所以可能常常会出现如下的情况：况： 600W 3b 570w 12b 4w 3b 3000w 上面的行程编码所需用的字节数为：上面的行程编码所需用的字节数为： 因为：因为：204830004096204830004096 所以：计数值必须用所以：计数值必须用12 bit12 bit来表示来表示 9.6.3 9.6.3 传

14、真中的行程编码方法传真中的行程编码方法对于：对于： 600W 3b 570w 12b 4w 3b 3000w 需要的数据量为：需要的数据量为： 12*7=84 bit 因为只有白或黑，而且排版中一定要留出页边距，所因为只有白或黑，而且排版中一定要留出页边距，所以可以只传输计数值即可。以可以只传输计数值即可。 9.6.3 9.6.3 传真中的行程编码方法传真中的行程编码方法w现在我们就希望对其进行改善现在我们就希望对其进行改善 既然已经可以预制知白色多黑色少，可以对白色既然已经可以预制知白色多黑色少，可以对白色和黑色的计数值采用不同的位数。和黑色的计数值采用不同的位数。 以这个例子，可以定义：以

15、这个例子，可以定义： 白色：白色：12 bit12 bit，黑色：黑色：4 bit4 bit 所需字节数为：所需字节数为： 4 4* *12+312+3* *4=60bit4=60bit 比原来的比原来的RLERLE方式方式120bit120bit减少了减少了60bit,60bit,相当于又相当于又提高了压缩比为提高了压缩比为 60/120=50% 60/120=50% 。 9.7 Huffman 9.7 Huffman 编码（熵编码）编码（熵编码）w行程编码要获得好的压缩率的前提是，行程编码要获得好的压缩率的前提是，有比较长的相邻像素的值是相同的。有比较长的相邻像素的值是相同的。w熵是指数据

16、中承载的信息量。熵是指数据中承载的信息量。w所谓的熵编码是指在完全不损失信息量所谓的熵编码是指在完全不损失信息量前提下最小数据量的编码。前提下最小数据量的编码。9.7.1 Huffman 9.7.1 Huffman 编码的基本原理编码的基本原理w为了达到大的压缩率，提出了一种方法为了达到大的压缩率，提出了一种方法就是将在图像中出现频度大的像素值就是将在图像中出现频度大的像素值, ,给给一个比较短的编码，将出现频度小的像一个比较短的编码，将出现频度小的像数值数值, ,给一个比较长的编码。给一个比较长的编码。9.7.1 Huffman 9.7.1 Huffman 编码的基本原理编码的基本原理w例：

17、例： aaaa bbb cc d eeeee fffffff 4 3 2 1 5 7w如果不进行特殊的编码，按照图像像素的描述，如果不进行特殊的编码，按照图像像素的描述，需要的数据量为：需要的数据量为： 22*8=176 bits 9.7.1 Huffman 9.7.1 Huffman 编码的基本原理编码的基本原理 aaaa bbb cc d eeeee fffffff 4 3 2 1 5 7 w按照熵编码的原理进行编码：按照熵编码的原理进行编码： f=0 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101w这里的编码规则是长短不一的异字头码这里的编码规则是长短不一的异字头码

18、9.7.1 Huffman 9.7.1 Huffman 编码的基本原理编码的基本原理w由：由： f=0 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101 aaaa bbb cc d eeeee fffffff 11011011011011111111111111100111001110110101010100000000 w数据量：数据量：7*1+5*2+4*3+3*4+2*5+1*5=56 bit w压缩率为：压缩率为：56/176=31 .8%9.7.2 Huffman 9.7.2 Huffman 编码方法编码方法w首先求出图像中灰度分布的灰度直方图；首先求出图像中灰度分

19、布的灰度直方图；w根据该直方图，对其按照分布概率从小根据该直方图，对其按照分布概率从小到大的顺序进行排列；到大的顺序进行排列；w每一次从中选择出两个概率为最小的节每一次从中选择出两个概率为最小的节点相加，形成一个新的节点，构造一个点相加，形成一个新的节点，构造一个称为称为“HuffmanHuffman树树”的二叉树；的二叉树；w对这个二叉树进行编码，就获得了对这个二叉树进行编码，就获得了HuffmanHuffman编码码字。编码码字。9.7.2 Huffman 9.7.2 Huffman 编码方法编码方法w例如：例如：aaaa bbb cc d eeeee fffffffw分布为：分布为： a

20、:4/22 b:3/22 c:2/22a:4/22 b:3/22 c:2/22 d:1/22 e:5/22 f:7/22 d:1/22 e:5/22 f:7/22w排序为：排序为： d, c, b, a, e, fd, c, b, a, e, f 1/22 2/22 3/22 4/22 5/22 7/221/22 2/22 3/22 4/22 5/22 7/229.7.2 Huffman 9.7.2 Huffman 编码方法编码方法cbafe7/227/225/225/224/224/222/222/2210f=11 e=01 a=00 b=101 c=1001 d=1000d1/221/22

21、3/223/226/226/2222/2222/2213/2213/229/229/223/223/22101010109.7.3 Huffman 9.7.3 Huffman 编码效率编码效率w对这个例子，计算出经过对这个例子，计算出经过HuffmanHuffman编码后的编码后的数据为：数据为： 1010101010001001001000100010000111111111101010101010101 共共 7*2+5*2+4*2+3*3+2*4+1*4=53 bitw比前面我们给出的编码得到的比前面我们给出的编码得到的5656bitbit的数据的数据量还小，压缩率为量还小，压缩率为30

22、.1%30.1%。9.7.4 9.7.4 图像压缩中的图像压缩中的Huffman Huffman 编码编码wHuffmanHuffman编码在图像压缩中的实现编码在图像压缩中的实现 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，这幅图像的不同的码字时，这幅图像的不同的码字就有可能是很大，例如极限为就有可能是很大，例如极限为256256个不同的码字。个不同的码字。 这时如果采用全局这时如果采用全局HuffmanHuffman编码则压缩效率编码则压缩效率不高。甚至与原来的等长编码的数据量相同。不高。甚至与原来的等长编码的数据量相

23、同。 9.7.4 9.7.4 图像压缩中的图像压缩中的Huffman Huffman 编码编码w常用的且有效的方法是： 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 的子块，就可以大大降低不同灰度值的的子块，就可以大大降低不同灰度值的个数（最多是个数（最多是6464而不是而不是256256）。）。88Huffman编码效率示例8 8* *8 8分块的编码分块的编码效率为效率为47.27%47.27%1616* *1616分块的编分块的编码效率约为码效率约为61%61%全图的编码效全图的编码效率为率为

24、91.47%91.47%9.8 DCT变换编码w问题的提出：问题的提出： 行程编码与行程编码与HuffmanHuffman编码的设计思想编码的设计思想都是基于对信息表述方法的改变，属于都是基于对信息表述方法的改变，属于无损压缩方式。无损压缩方式。 虽然无损压缩可以保证接收方获得的虽然无损压缩可以保证接收方获得的信息与发送方相同，但是其压缩率一定信息与发送方相同，但是其压缩率一定有一个极限。有一个极限。 因此，采用忽略视觉不敏感的部分进因此，采用忽略视觉不敏感的部分进行有损压缩是提高压缩率的一条好的途行有损压缩是提高压缩率的一条好的途径。径。 9.8 DCT变换编码wDCTDCT变换编码的设计思

25、想：变换编码的设计思想： DCTDCT变换是希望在接收方不产生误变换是希望在接收方不产生误解的前提下进行一定的信息丢失。解的前提下进行一定的信息丢失。 由前面所讲到的频域变换得到的启由前面所讲到的频域变换得到的启示，就是将低频与高频部分的信息，分示，就是将低频与高频部分的信息，分别按照不同的数据承载方式进行表述。别按照不同的数据承载方式进行表述。9.8 DCT变换编码w复习复习DCTDCT变换：变换：=1010222) 12(cos) 12(cos),()()(),(MxNyMNMNcyxyxfccF正变换：正变换：=1010222) 12(cos) 12(cos),()()(),(MNMNc

26、MNyxFccyxf=1)(21xc0=x1,.,2 , 1=Nx逆变换：逆变换：其中：其中：9.8 DCT变换编码wDCTDCT变换编码方法：变换编码方法：DCT变换变换DCTDCT逆变换逆变换原图像原图像除以量化矩阵除以量化矩阵取整取整1 1）编码过程：）编码过程：2 2）解码过程：）解码过程：压缩图像压缩图像乘以量化矩阵乘以量化矩阵取整取整压缩压缩图像图像解压解压图像图像9.8 DCT变换编码Huffman:42bits； 编码效率编码效率32.8%Huffman:16bits;编码效率：编码效率：12.5%=29221714241613141914121216111116C例：例：=5

27、6606159586059625759596157586059F原图像为：原图像为：DCTDCT变换变换除以量化矩阵，取整除以量化矩阵，取整236.254.51692.47491.56361.05920.17681.17130.78031.76780.43872.251.71251.00310.28030.86780.1768D=15000000000000000D=9.8 DCT变换编码原图原图解压图解压图9.9 9.9 混合编码混合编码w设计思想：设计思想： 每一种编码方式都有其擅长的一点，以及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两种局限的一点，混合编码的思

28、想就是将两种以上的编码方式的优点进行综合，达到提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。高编码效率的目的。9.9 9.9 混合编码混合编码w混合编码实现的可能性及有效性分析混合编码实现的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：1 1）行程编码：）行程编码： 擅长于重复数字的压缩。擅长于重复数字的压缩。2 2）HuffmanHuffman编码：擅长于像素个数分布不均匀情编码：擅长于像素个数分布不均匀情 况下的编码。况下的编码。3 3）DCTDCT变换：变换： 擅长分离视觉敏感与不敏感的擅长分离视觉敏感与不敏感的 部分。部分。9.9 9.9 混合编码混合编码w例：例： aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共共2222* *8=176 bits)8=176 bit