第10章_图像编码_有损编码

1、第十章 图像编码 10.3 10.3 有损压缩编码有损压缩编码 有损压缩引言有损压缩引言 有损压缩是通过牺牲图像的准确率来达到加大压缩率有损压缩是通过牺牲图像的准确率来达到加大压缩率的目的，如果我们容忍解压缩后的结果中有一定的误的目的，如果我们容忍解压缩后的结果中有一定的误差，那么压缩率可以显著提高。差，那么压缩率可以显著提高。 有损压缩方法在图像压缩比大于有损压缩方法在图像压缩比大于30：1时仍然能够重时仍然能够重构图像，而如果压缩比为构图像，而如果压缩比为10:1到到20:1，则重构的图像，则重构的图像与原图几乎没有差别。与原图几乎没有差别。 无损压缩的压缩比很少有能超过无损压缩的压缩比很

2、少有能超过3：1的。这两种压缩的。这两种压缩方法的根本方法的根本差别在于有没有量化模块差别在于有没有量化模块。第十章 图像编码 源数据编码与解码的模型源数据编码与解码的模型 源数据编码的模型源数据编码的模型 源数据解码的模型源数据解码的模型符号符号解码器解码器反向反向映射器映射器映射器映射器量化器量化器符号符号编码器编码器第十章 图像编码 量化器基本思想量化器基本思想： 减少数据量的最简单的办法是将图像量化成较少的灰减少数据量的最简单的办法是将图像量化成较少的灰度级，通过减少图像的灰度级来实现度级，通过减少图像的灰度级来实现 这种量化是不可逆的，因而解码时图像有损失这种量化是不可逆的，因而解码

3、时图像有损失 如果输入是如果输入是265 265 个灰度级，对灰个灰度级，对灰度级量化后输出，只剩下度级量化后输出，只剩下4 4个层次，个层次，数据量被大大减少数据量被大大减少。sts1s2s3t1t2t3第十章 图像编码 10.3.1 有损预测编码有损预测编码 有损预测的基本思想有损预测的基本思想 对无损预测压缩的对无损预测压缩的误差进行量化误差进行量化，通过消除视觉心理冗，通过消除视觉心理冗余，达到对图像进一步压缩的目的。余，达到对图像进一步压缩的目的。 算法的演变算法的演变a) 无损预测压缩的基础是：无损预测压缩的基础是： 原图像值原图像值fn与预测值与预测值fn之间的误差之间的误差en

4、。有公式：。有公式：en = fn fn 解码与编码使用相同的预测器。解码与编码使用相同的预测器。第十章 图像编码 编码编码en = fn fn+ -符号符号编码编码预测器预测器最接近最接近的整数的整数压缩图像压缩图像输入图像输入图像enfn fn m fn(x,y) = roundif(x, y-i) i=1/m i=1第十章 图像编码 解码解码 fn = en + fn+ +符号符号解码解码预测器预测器解压缩图像解压缩图像压缩图像压缩图像enfn fn第十章 图像编码 b) 有损预测的演变：有损预测的演变：将将en量化：量化： n = Q(en); 用用 fn = n + fn近似近似fn

5、 ；编码：编码： n = Q( fn - fn)；解码：解码： fn = n + fn；第十章 图像编码 有损预测编码有损预测编码 n = Q( fn - fn)+ -符号符号编码编码预测器预测器压缩图像压缩图像输入图像输入图像enfn fn量化器量化器n第十章 图像编码 有损预测解码有损预测解码 fn = n + fn+ +符号符号解码解码预测器预测器解压缩图像解压缩图像压缩图像压缩图像 fn fnn第十章 图像编码 有损预测编码有损预测编码 上述方案的上述方案的压缩编码压缩编码中，预测器的输入是中，预测器的输入是fn，而而解压缩中解压缩中的预测器的输入是的预测器的输入是 fn ，要使用相，

6、要使用相同的预测器，同的预测器，编码方案编码方案要进行修改。要进行修改。第十章 图像编码 修改后的有损预测编码修改后的有损预测编码 n = Q( fn - fn)+ -符号符号编码编码预测器预测器压缩图像压缩图像输入图像输入图像enfn fn量化器量化器n+ + fn fn = n + fn第十章 图像编码 DM(Delta modulation)有损预测编码有损预测编码 量化器和预测器的定义：量化器和预测器的定义： 量化器量化器+ e en n 0 0 是一个正常数是一个正常数- 其它其它 e en n用用1位编码位编码 预测器预测器fn = fn-1 一般是一个小于一般是一个小于1的预测系

7、数的预测系数 en =第十章 图像编码 n f f e e f f f f- f014-14.0-14.00.011514.01.06.520.514.020.5-5.521420.5-6.5-6.514.020.514.00.031514.01.06.520.514.020.5-5.5142920.58.56.527.020.527.02.0153727.010.06.533.527.033.53.5164733.513.56.540.033.540.07.0176240.022.06.546.540.046.515.5 输入输入 编码编码 解码解码 误差误差举例：举例： = 1， = 6.

8、5 第十章 图像编码 举例：举例： = 1， = 6.5 计算：计算：n= 0，f0 = f0 = 14，n=1，f1 = (1)(14) = 14, e1 = 15 14 = 1, e1 = +6.5 (因为因为e1 0)， f1 = 6.5 + 14 = 20.5， （重构结果）（重构结果） f1- f1 = (15 20.5) = 5.5（重构误差）（重构误差）+6.5-6.5ee第十章 图像编码 算法分析算法分析 在在n=14到到19变化快的区域，变化快的区域， 太小以至不能表示输太小以至不能表示输入的最大的变化，发生一个被称为入的最大的变化，发生一个被称为溢出过载溢出过载的失真。的失

9、真。 在在n= 0到到7相对平滑的区域，相对平滑的区域， 太大以至不能表示输太大以至不能表示输入的最小变化，出现了入的最小变化，出现了粒状噪声粒状噪声。 在大多数图像中，这两种现象导致对象边缘的钝化在大多数图像中，这两种现象导致对象边缘的钝化和平滑区域表面粒状的失真。和平滑区域表面粒状的失真。粒状噪音粒状噪音溢出过载溢出过载第十章 图像编码 最优预测器与最优量化器的选择最优预测器与最优量化器的选择使均方预测误差：使均方预测误差：最小的预测器和量化器，被称为最小的预测器和量化器，被称为最优预最优预测器测器和和最优量化器最优量化器。22nnnffEeE第十章 图像编码 10.3.2 变换编码变换编

10、码 变换编码的基本思想变换编码的基本思想（1）用一个可逆的、线性的变换（如傅立叶变换），把图）用一个可逆的、线性的变换（如傅立叶变换），把图像映射到变换系数集合像映射到变换系数集合;（2）然后对该系数集合进行量化和编码）然后对该系数集合进行量化和编码;（3）对于大多数自然图像，重要系数的数量是比较少的。）对于大多数自然图像，重要系数的数量是比较少的。第十章 图像编码 变换编码的基本思想变换编码的基本思想举例举例 原始图像原始图像 相应的相应的DCT系数系数52 55 61 66 70 61 64 7363 59 66 90 109 85 69 7262 59 68 113 144 104 66

11、 7363 58 71 122 154 106 70 6967 61 68 104 126 88 68 7079 65 60 70 77 68 58 7585 71 64 59 55 61 65 8387 79 69 68 65 76 78 94-415 -29 -6225 55 -20 -1 3 7 -21 -629 11 -7 -6 6-46 8 77 -25 -30 10 7 -5-50 13 35 -15 -9 6 0 3 11 -8 -13 -2 -1 1 -4 1-10 1 3 -3 -1 0 2 -1-4 -1 2 -1 2 -3 1 -2-1 -1 -1 -2 -1-1 0 -

12、1第十章 图像编码 实现变换压缩算法的主要问题实现变换压缩算法的主要问题 变换的选择变换的选择 子图尺寸的选择子图尺寸的选择正向变换正向变换量化器量化器符号符号编码器编码器构造构造nxn的子图的子图输入图像输入图像NxN压缩图像压缩图像第十章 图像编码 变换的选择变换的选择1）Karhunen-Loeve变换变换(KLT)2）离散傅立叶变换（）离散傅立叶变换（DFT）3）离散余弦变换（）离散余弦变换（DCT）4）Walsh-Hadamard变换（变换（WHT）5）小波变换）小波变换 第十章 图像编码 子图尺寸的选择子图尺寸的选择子图尺寸的选择有三个原则：子图尺寸的选择有三个原则：1) 如果如果

13、n是子图的维数，是子图的维数，n应该是应该是2的整数次方。的整数次方。2) n一般选为一般选为8x8或或16x16。3) 随着随着n的增加，块效应相应减少。的增加，块效应相应减少。第十章 图像编码 10.4 10.4 静态图像压缩标准静态图像压缩标准JPEG JPEG 编编 码码 JPEG是面向静态图像编码的国际标准。在相同图像质量是面向静态图像编码的国际标准。在相同图像质量条件下，条件下， JPEG文件拥有比其他图像文件格式更高的压缩比。文件拥有比其他图像文件格式更高的压缩比。JPEG是一种有损压缩，是一种有损压缩， 即在压缩过程中会丢失数据，每次编即在压缩过程中会丢失数据，每次编辑辑JPE

14、G图像后，图像就会被重复压缩一次，图像后，图像就会被重复压缩一次， 损失就会有所增损失就会有所增加。加。 第十章 图像编码 下面针对基于下面针对基于DCT的顺序式基本系统编码来说明的顺序式基本系统编码来说明JPEG的的编码方法。编码方法。 JPEG 编码流程图编码流程图 量 化 表偏 置偏 置量 化码 表熵 编 码DCT88的 源 图 像 数 据 块恢 复 的 图 像 数 据IDCT压 缩 数 据熵 解 码码 表反 量 化量 化 表第十章 图像编码 1） 数据分块数据分块 对图像进行编码前，将每个分量图像分割成不重叠的对图像进行编码前，将每个分量图像分割成不重叠的88像素块，像素块， 每一个每

15、一个88像素块称为一个数据单元（像素块称为一个数据单元（DU）。在彩）。在彩色图像中，色图像中， JPEG分别压缩图像的每个彩色分量。编码前一般分别压缩图像的每个彩色分量。编码前一般先将图像从先将图像从RGB空间转换到空间转换到YCbCr空间，再把各分量图像分割空间，再把各分量图像分割成成88数据块。数据块。 在对图像采样时，由于亮度比色彩更重要，因而对在对图像采样时，由于亮度比色彩更重要，因而对Y分量分量的采样频率可高于对的采样频率可高于对Cb、Cr的采样频率，这样有利于节省存储的采样频率，这样有利于节省存储空间。常用的采样方案有空间。常用的采样方案有YUV422和和YUV411。第十章 图

16、像编码 2） DCT处理处理 图像数据块分割后，即以图像数据块分割后，即以MCU为单位顺序将为单位顺序将DU进行二维进行二维离散余弦变换。对每个离散余弦变换。对每个88的数据块的数据块DU进行进行DCT后，后， 得到的得到的64个系数代表了该图像块的频率成分，其中低频分量集中在左个系数代表了该图像块的频率成分，其中低频分量集中在左上角，上角， 高频分量分布在右下角。系数矩阵左上角的叫做直流高频分量分布在右下角。系数矩阵左上角的叫做直流（DC）系数，它代表了该数据块的平均值，其余）系数，它代表了该数据块的平均值，其余63个叫交流个叫交流（AC）系数。）系数。 第十章 图像编码 3） 系数量化系数

17、量化 在在DCT处理中得到的处理中得到的64个系数中，低频分量包含了图像亮个系数中，低频分量包含了图像亮度等主要信息。在从空间域到频域的变换中，图像中的缓慢变度等主要信息。在从空间域到频域的变换中，图像中的缓慢变化比快速变化更易引起人眼的注意，化比快速变化更易引起人眼的注意， 所以在重建图像时，低频所以在重建图像时，低频分量的重要性高于高频分量。因而在编码时可以忽略高频分量，分量的重要性高于高频分量。因而在编码时可以忽略高频分量， 从而达到压缩的目的，这也是量化的根据和目的。从而达到压缩的目的，这也是量化的根据和目的。 第十章 图像编码 理论上，对不同的空间分辨率、数据精度等情况，应该有不理论

18、上，对不同的空间分辨率、数据精度等情况，应该有不同的量化表。不过，一般采用图中所示的量化表，可取得较好的同的量化表。不过，一般采用图中所示的量化表，可取得较好的视觉效果。对视觉效果。对Y采用细量化，而对采用细量化，而对Cb和和Cr采用粗量化。由于量化采用粗量化。由于量化表中左上角的值较小，而右下角的值较大，表中左上角的值较小，而右下角的值较大， 因而起到了保持低因而起到了保持低频分量、频分量、 抑制高频分量的作用。抑制高频分量的作用。 16111016244051611212141926586055141316244057695614172229518780621822375668 109 103 772435556481 104 113 9249647887 103 121 120 10172929598 112 100 103 99亮度量化表亮度量化表 1718244799999999182126669999999924265699999999994766999999999999999999999999999999999999999999999999999