第4章图像压缩编码0

1、数字电视原理数字电视原理第四章第四章 图像压缩编码图像压缩编码信息工程系22022-7-3第四章第四章 图像压缩编码图像压缩编码 4.1图像压缩编码概述图像压缩编码概述图像图像压缩编码压缩编码技术是学习数字电视的重点内容技术是学习数字电视的重点内容1.为什么要进行图像压缩？（图像压缩的目的）为什么要进行图像压缩？（图像压缩的目的）一路彩色电视未经压缩时的数据量为：一路彩色电视未经压缩时的数据量为：Y 13.5MHz8bit=108Mb/sU 6.75MHz8bit=54Mb/sV 6.75MHz8bit=54Mb/s 合计合计=216Mb/s此速率已经超过四次群的传输速率，相当于此速率已经超过

2、四次群的传输速率，相当于3000多个话路多个话路图像信号是有必要也有可能被压缩图像信号是有必要也有可能被压缩信息工程系32022-7-34.1.1 图像数据压缩基理图像数据压缩基理1.图像数据压缩基理来自两个方面：图像数据压缩基理来自两个方面：n图像信号中存在大量图像信号中存在大量冗余度冗余度可供压缩，可供压缩，并且这种冗余度在解码后还可并且这种冗余度在解码后还可无失真无失真地地恢复恢复n利用人的利用人的视觉特性视觉特性，在不被主观视觉察，在不被主观视觉察觉的容限内，通过减少表示信号的精度，觉的容限内，通过减少表示信号的精度，以一定的以一定的客观失真客观失真换取数据压缩。换取数据压缩。信息工程

3、系42022-7-34.1.1 图像数据压缩机理图像数据压缩机理2.图像信号的冗余度图像信号的冗余度图像信号的冗余度存在于结构和统计两方面。图像信号的冗余度存在于结构和统计两方面。图像信号的结构冗余度图像信号的结构冗余度w图像信号结构上的冗余度表现为很强的图像信号结构上的冗余度表现为很强的空间空间(帧内的帧内的)和和时间时间(帧间的帧间的)相关性相关性帧内相邻点的相关性帧内相邻点的相关性帧间相邻点的相关性帧间相邻点的相关性信息工程系52022-7-34.1.1 图像数据压缩机理图像数据压缩机理n图像信号帧内相关性图像信号帧内相关性8倍倍信息工程系62022-7-34.1.1 图像数据压缩机理图

4、像数据压缩机理信号统计上的冗余度来源于被编码信号概率密信号统计上的冗余度来源于被编码信号概率密度分布的不均匀度分布的不均匀n预测编码：不直接传送图像信号，而传送图象预测编码：不直接传送图像信号，而传送图象信号之间的信号之间的差值差值。这种差值呈。这种差值呈拉普拉斯分布拉普拉斯分布。帧内相邻点的相关性帧内相邻点的相关性信息工程系72022-7-34.1.1 图像数据压缩机理图像数据压缩机理n预测编码时，对出现概率高的预测误差信号预测编码时，对出现概率高的预测误差信号(0及及小误差小误差) 用短码，对概率低的大预测误差用长码，用短码，对概率低的大预测误差用长码，使总的平均码长要比用固定码长编码短很

5、多。使总的平均码长要比用固定码长编码短很多。信息工程系82022-7-34.1.1 图像数据压缩机理图像数据压缩机理3.利用人眼的视觉特性进行压缩利用人眼的视觉特性进行压缩n人眼对图像的人眼对图像的细节分辨率细节分辨率、运动分辨率运动分辨率和和对比度分辨率对比度分辨率都有一定的限度都有一定的限度信息工程系92022-7-34.1.2 图像编码过程图像编码过程图像编码过程分三步完成图像编码过程分三步完成:映射：即变换一下描写信号的方式。映射：即变换一下描写信号的方式。目的：去除相关性，降低图像的结构冗目的：去除相关性，降低图像的结构冗余度。余度。量化：在满足对图像质量一定要求的前量化：在满足对图

6、像质量一定要求的前提下，减小表示信号的精度提下，减小表示信号的精度目的：利用人眼主观视觉特性压缩图像目的：利用人眼主观视觉特性压缩图像统计编码统计编码目的：消除图像的统计冗余度。目的：消除图像的统计冗余度。信息工程系102022-7-34.1.2 图像编码过程图像编码过程信息工程系112022-7-34.1.3 图像编码算法的分类图像编码算法的分类1.传统的图像编码技术传统的图像编码技术 脉码调制脉码调制量化法量化法空间和时间子抽样编码空间和时间子抽样编码 预测编码预测编码变换编码变换编码熵编码熵编码 矢量量化矢量量化 子带编码子带编码 塔型编码塔型编码 n 混合编码方案混合编码方案（MPEG

7、-1，MPEG-2） 空间和时间子抽样空间和时间子抽样 统计编码统计编码 基于运动估计和补偿的基于运动估计和补偿的DPCM 游程长度编码游程长度编码 二维二维DCT信息工程系122022-7-34.1.3 图像编码算法的分类图像编码算法的分类2.新一代编码压缩算法新一代编码压缩算法 模型基编码模型基编码 分形编码分形编码 小波变换编码小波变换编码 神经网络编码神经网络编码信息工程系132022-7-34.1.3 图像编码算法的分类图像编码算法的分类3.总结总结n无损压缩无损压缩方法仅仅删除图像数据中的冗方法仅仅删除图像数据中的冗余信息，回放压缩文件时，能够准确无余信息，回放压缩文件时，能够准确

8、无误地恢复原始数据。它可分为两大类误地恢复原始数据。它可分为两大类:基基于统计概率的方法和基于字典方法。于统计概率的方法和基于字典方法。n有损压缩有损压缩算法靠丢掉大量冗余信息来降算法靠丢掉大量冗余信息来降低数字图像所占的空间，回放时也不能低数字图像所占的空间，回放时也不能完整地恢复原始图像，而将有选择地损完整地恢复原始图像，而将有选择地损失一些细节，损失多少信息由需要多高失一些细节，损失多少信息由需要多高的压缩率决定。的压缩率决定。信息工程系142022-7-34.1.3 图像编码算法的分类图像编码算法的分类信息工程系152022-7-34.2 熵编码熵编码n熵编码的熵编码的基本原理基本原理

9、是给出现概率较大的符号一是给出现概率较大的符号一个短码字，而给出现概率较小的符号一个长码个短码字，而给出现概率较小的符号一个长码字字n熵编码的目的：使得最终的熵编码的目的：使得最终的平均码长平均码长最短最短n常用的熵编码方法：常用的熵编码方法：游程编码游程编码RLE(run-length coding)Huffman编码编码算术编码算术编码信息工程系162022-7-34.2.1 前缀码前缀码设有一个由设有一个由K个信源符号个信源符号(以下简称符号以下简称符号)组成的离散、组成的离散、无记忆符号集无记忆符号集:其中每一符号通过一个二进制码字其中每一符号通过一个二进制码字(代码代码)表示，但字长

10、表示，但字长不等。各符号出现的概率分别为不等。各符号出现的概率分别为:若符号若符号 以个以个 码元码元(位位)编码，则在变字长编码时编编码，则在变字长编码时编码每个符号的平均码长为码每个符号的平均码长为 ,21Kkaaaa)(,),(,),(),(21KkapapapapKkkkmapm1)(kakm信息工程系172022-7-34.2.1 前缀码前缀码n编码要求：编码要求：编码必须是单译和可逆的编码必须是单译和可逆的编码的平均码长最短编码的平均码长最短 码码III是前缀码是前缀码:0111100可以唯一地解码为可以唯一地解码为a1a4a2a1信息工程系182022-7-34.2.1 前缀码前

11、缀码n前缀码的定义前缀码的定义:在码表中没有码字与任何一个比它长的码字的前缀在码表中没有码字与任何一个比它长的码字的前缀(码码头头)相同，即不存在能在短码字后面续加若干码元构成相同，即不存在能在短码字后面续加若干码元构成的长码字，所以前缀码又称非续长码。的长码字，所以前缀码又称非续长码。前缀码的码树前缀码的码树:根010101第一节点第二节点节点端点a1a2a3a4010110111信息工程系192022-7-34.2.2离散无记忆信源的信息量离散无记忆信源的信息量n离散无记忆信源离散无记忆信源离散：信源产生信号是不连续的，某一时刻离散：信源产生信号是不连续的，某一时刻只产生一个符号只产生一个

12、符号无记忆：某符号在某时刻出现的概率与在此无记忆：某符号在某时刻出现的概率与在此之前信源的状态无关之前信源的状态无关 n符号符号ak的信息量的信息量I(ak)： 单位为单位为bit p(ak)为为ak出现的概率出现的概率)(log)(2kkapaI信息工程系202022-7-34.2.2离散无记忆信源的信息量离散无记忆信源的信息量n一个离散、无记忆信源产生的一个符号的平均一个离散、无记忆信源产生的一个符号的平均信息量信息量 H(U)被称做信源的被称做信源的熵熵 KkKkkkkkapapaIapUH112)(log)()()()(信息工程系212022-7-34.2.3无失真信源编码定理无失真信

13、源编码定理n无失真信源编码定理：无失真信源编码定理：设单符号、离散、无记忆信源的熵为设单符号、离散、无记忆信源的熵为H(U)，若，若用二进制码对其作变字长、非续长编码，一定用二进制码对其作变字长、非续长编码，一定可以找到一种编码方式，其平均码长满足：可以找到一种编码方式，其平均码长满足：H(U) H(U)+1即：如果符号即：如果符号ak用等于其信息量的码长编码用等于其信息量的码长编码则可以使平均码长达到其下限则可以使平均码长达到其下限-熵熵 m)(log2kkapmKkkkKkkkUHapapmapm121)()(log)()(信息工程系222022-7-34.2.4 Hufman码码nHuf

14、fman码是冗余度最小码是冗余度最小(平均码长平均码长 最小最小)的编码的编码ma1a2a3a4a5a60.250.250.200.150.100.50.250.250.200.150.150.300.250.250.200.450.300.250.550.451100100111110111000000011111信息工程系232022-7-34.2.4 Hufman码码对于图对于图4.2.2中所给的例子，计算中所给的例子，计算 平均码长平均码长 = 2. 45bit/符号符号 熵熵 H(U) = 2.42bit/符号符号经经Huffman编码后，剩余的冗余度编码后，剩余的冗余度 = 0.03bit/符号符号m)(UHmRH信息工程系242022-7-