数字图像处理10_图像编码2

1、110 图像编码图像编码 10.1 图像编码概述 10.2 编码方法 10.3 JPEG编码10.4 图像编码新技术 2复习复习1.图像压缩的必要性图像压缩的必要性l数据量庞大2.图像压缩的可能性图像压缩的可能性l图像中存在很大的冗余度。l用户通常允许图像失真。3.图像压缩的技术指标图像压缩的技术指标l图像熵l平均码长l编码效率NiiiNiiixpxpxpxpH1212)(log1)()(log)()(xiNiiLxpxR1)()(%100RH34.根据编码原理，图像编码可以分为根据编码原理，图像编码可以分为：l熵编码：霍夫曼编码、费诺编码、香农编码、算术编码霍夫曼编码、费诺编码、香农编码、算

2、术编码等l预测编码：脉冲编码调制PCM，差分脉冲编码调制DPCM等l变换编码l混合编码：JPEG编码编码、MPEG编码n图像压缩可以是有损数据压缩也可以是无损数图像压缩可以是有损数据压缩也可以是无损数据压缩据压缩n无损图像压缩方法有：行程长度编码，熵编码无损图像压缩方法有：行程长度编码，熵编码法。法。n有损压缩方法有：变换编码，分形压缩。有损压缩方法有：变换编码，分形压缩。4510 图像编码图像编码 10.1 图像编码概述 10.2 编码方法 10.3 JPEG编码编码10.4 图像编码新技术 6JPEG和和BMPnBMP:无压缩图像nJPEG：压缩图像7JPEG图像压缩与编码内容目录图像压缩

3、与编码内容目录 1 JPEG算法概要1.1 JPEG是什么1.2 JPEG算法概要2 JPEG算法的主要计算步骤2.1 离散余弦变换2.2 量化2.3 Z字形编排2.4 熵编码3 JPEG压缩和编码举例4 JPEG文件格式4.1 颜色空间4.2 文件结构5 JPEG 2000简介5.1 JPEG 2000是什么5.2 JPEG 2000的基本结构5.3 JPEG 2000的主要功能81 JPEG算法概要算法概要 1.1 JPEG是什么lJoint Photographic Experts Group的缩写，联合图像专家组。lJPEG标准 JPEG是面向静态图像编码静态图像编码的国际标准。 在相

4、同图像质量条件相同图像质量条件下，JPEG文件拥有比其他图像文件格式更高的压缩比更高的压缩比。 JPEG是一种有损压缩有损压缩。即在压缩过程中会丢失数据，每次编辑JPEG图像后，图像就会被重复压缩一次， 损失就会有所增加。9n图像冗余无损压缩的原理RGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGB16RGB从原来的16*3*8=284bits压缩为：(1+3)*8=32bits无损压缩和有损压缩无损压缩和有损压缩10n图像冗余有损压缩的原理3635343434343432343433373034343434343434343534343134343

5、4343434343434343434343434343434343434343434342534无损压缩和有损压缩无损压缩和有损压缩111 JPEG算法概要算法概要1.2 JPEG算法概要l原理：原理： 利用视觉系统特性，使用变换变换、量化量化和熵编码熵编码相结合的方法，以去掉或减少去掉或减少视觉的冗余冗余信息和数据本身的冗余信息lJPEG算法与颜色空间无关算法与颜色空间无关 RGB和YUV之间的变换不包含在JPEG算法中 JPEG算法处理单独的单独的图像彩色分量，因此可压缩来自不同颜色空间的数据，如RGB, YCbCr, CMYK121将彩色图像将彩色图像RGB模型变为模型变为YUV模型模

6、型nYUV是现代彩色电视系统通常采用的色彩模型，它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。n如果只有只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度黑白灰度图像。n彩色电视采用YUV正是为了用亮度信号亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。补充：补充：RGB和和YUV13nYUV与RGB相互转换的公式如下（RGB取值范围均为0-255）： Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = -0.147R - 0.289G + 0.436B V = 0.615R - 0.515G - 0.100B R = Y + 1.14V

7、G = Y - 0.39U - 0.58V B = Y + 2.03U14nJPEG采用采用YUV格式格式是因为Y分量（亮度）比U、V分量（色度）更重要，所以可以只取只取UV的一部分的一部分，以增加增加压缩比压缩比。n目前支持JPEG格式的软件通常提供两种取样方式YUV411和和YUV422，其含义是YUV三个分量的数据取样比例。n举例来说，如果Y取四个数据单元，即水平取样因子Hy乘以垂直取样因子Vy的值为4，而U和V各取一个数据单元，即HuVu=1,HvVv=1。那么这种部分取样就称为YUV411。n易知YUV411有50%的压缩比(原来有12个数据单元，现在有6个数据单元)，YUV422有

8、33%的压缩比(原来有12个数据单元，现在有8个数据单元)。 151 JPEG算法概要算法概要1.2 JPEG算法概要l原理：原理： 利用视觉系统特性，使用变换变换、量化量化和熵编码熵编码相结合的方法，以去掉或减少视觉的冗余信息和数据本身的冗余信息lJPEG算法与颜色空间无关算法与颜色空间无关 RGB和YUV之间的变换不包含在JPEG算法中 JPEG算法处理单独的图像彩色分量，因此可压缩来自不同颜色空间的数据，如RGB, YCbCr, CMYK161.3. JPEG标准文档 标准号：l ISO/IEC IS 10918-1l ITU-T Recommendation T.81 标准名：l In

9、formation technology Digital compression and coding of continuous-tone still imagesl 信息技术 连续色调静态图像的数字压缩和编码ISO/IECITU-T各部分的功能各部分的功能10918-1(1994)Part 1T.81编码静态图像的基本标准编码静态图像的基本标准10918-2(1995)Part 2T.82软件性能符合软件性能符合Part 1的测试的测试10918-3(1997)Part 3T.83添加包括添加包括SPIFF*格式在内的扩展格式在内的扩展10918-4(1999)Part 4T.84定义注册

10、扩展定义注册扩展JPEG功能的参数的方法功能的参数的方法14495-1(1998)T.87数据无损压缩的标准数据无损压缩的标准(JPEG-LS)表1 JPEG标准文档171.4 JPEG允许四种编码模式：（1）顺序式顺序式DCT方式方式l从左到右、从上到下左到右、从上到下对图像顺序顺序进行基于离散余弦变换（DCT）的编码。lDCT理论上是可逆的，但在计算时存在误差存在误差，因而基于DCT的编码模式是一种有损编码有损编码。 （2）渐进式渐进式DCT方式方式l基于DCT，对图像分层次分层次进行处理，从模糊到清晰地传输图像（与GIF文件的交错方式类似）。l有两种实现方法，l一种是频谱选择法频谱选择法

11、：在频段频段上进行处理；l一种是逐次逼近法逐次逼近法：每次扫描全部扫描全部DCT量化序数量化序数，但每次的表示精度逐渐提高。18（3） 无失真方式无失真方式l使用线性预测器线性预测器，如DPCM， 而不是基于DCT。 （4） 分层方式分层方式l在空间域空间域将源图像以不同的分辨率不同的分辨率表示。l每个分辨率对应一次扫描，处理时可以基于DCT或预预测编码测编码，可以是渐进式渐进式，也可以是顺序式顺序式。19图图 JPEG压缩压缩-解压缩算法框图解压缩算法框图FDCT量化器熵编码器压缩图像数据量化表熵编码表基于DCT的编码器88 图像块源图像数据(a) JPEG压缩算法框图压缩图像数据熵解码器逆

12、量化器IDCT88图像块重构图像数据量化表熵编码表基于DCT的解码器(b) JPEG解压缩算法框图1.5 JPEG算法框图JPEG标准的压缩算法标准的压缩算法大致分成三个步骤：大致分成三个步骤：使用正向离散余弦变换(FDCT)把空间域空间域表示的图变换成频率域频率域表示的图；使用加权函数对DCT系数进行量化量化，加权函数对人的视觉系统是最佳的；1.使用霍夫曼编码霍夫曼编码器器对量化系数进行编码编码。202 JPEG算法的主要计算步骤算法的主要计算步骤 nJPEG压缩编码算法的主要计算步骤l(1) 正向离散余弦变换(FDCT)l(2) 量化l(3) Z字形编码 l(4) 使用差分脉冲编码调制(D

13、PCM)对直流系数(DC)进行编码l(5) 使用行程长度编码(RLE)对交流系数(AC)进行编码l(6) 熵编码212.1 离散余弦变换离散余弦变换(DCT)ldiscrete cosine transform的缩写l做法：做法：用余弦函数的离散值构成的变换矩阵余弦函数的离散值构成的变换矩阵对信号的一系列样本值进行运算的数学变换l结果结果：可将能量集中到频率较低频率较低的系数上将分量图像分成88的图块( , )f i j( , )F u vDCT离散余弦变换 2 JPEG算法的主要计算步骤算法的主要计算步骤(1)2277001(21)(21)( , )( ) ( )( , )coscos416

14、16ijiujvF u vC u C vf i j77001(21)(21)( , )( ) ( )( , )coscos41616uviujvF i jC u C vf u vlDCT变换使用下式计算l逆变换使用下式计算( ), ( ) = 1/ 2C uC v( ), ( ) 1C uC v当u,v=0；其他其中，2 JPEG算法的主要计算步骤算法的主要计算步骤(2)23l二维DCT的计算 将二维DCT变成一维DCT，如图3所示 实际的快速计算方法可参看参考文献C. Loefflerl当计算精度足够高时，DCT变换不会损失图像质量 ( , )f i j( , )F u v( , )G i

15、v垂直方向81 DCT水平方向81 DCT图3 二维DCT变换方法2 JPEG算法的主要计算步骤算法的主要计算步骤(3)242 JPEG算法的主要计算步骤算法的主要计算步骤(4)2.2 量化量化l对FDCT变换后的变换后的(频率的频率的)系数系数进行量化。l目的：目的：降低非“0”系数的幅度以及增加“0”值系数的数目l用图4所示的均匀量化器量化。l影响：影响：造成图像质量下降的最主要原因l计算公式：计算公式：用右式计算 ( , )( , )()( , )F u vF u vroundQ u vDCT系数输入量化DCT系数输出图4 均匀量化器 25l量化步距量化步距 按照系数（频率的）系数（频率

16、的）所在的位置位置和每种颜色分量的色调值色调值来确定的。2 JPEG算法的主要计算步骤算法的主要计算步骤(5) 因为人眼对亮度信号亮度信号比对色差信号色差信号更敏感。因此使用两种量化表：如表2所示的亮度量化表和表3所示的色差量化表。 由于人眼对低频分量低频分量的图像比对高频分量的图像更敏感，因此表中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小262 JPEG算法的主要计算步骤算法的主要计算步骤(6)2.3 Z字形编排字形编排l为增加连续的“0”值系数的个数，即“0”的游程长度，如图5所示lDCT系数的序号如图6所示，序号小的位置表示频率较低，把一个8 8的矩阵变成一个1 64的矢量DC系数AC系数

17、开始图5 量化DCT系数的编排 图6 DCT系数序号 0156141527282471316262942381217253041439111824314044531019233239455254202233384651556021343747505659613536484957586263272.4 使用差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制(DPCM)对直流系数(DC)进行编码2.5 使用行程长度编码行程长度编码(RLE)对交流系数(AC)进行编码由于DC系数和AC系数的统计特性不同，因此在熵编码时需要对DC系数和AC系数分别处理 2 JPEG算法的主要计算步骤算法的主要计算步骤(7)282.6

18、熵编码熵编码l用霍夫曼编码器 理由是可用简单的查表查表方法进行编码。 霍夫曼编码器对出现频度比较高出现频度比较高的符号分配比较短的代码短的代码，而对出现频度较低出现频度较低的符号分配比较长长的代码的代码。 这种可变长度的霍夫曼码表霍夫曼码表可事先定义。2 JPEG算法的主要计算步骤算法的主要计算步骤(8)29DC码表符号举例码表符号举例n若DC的值(Value)为4，符号SSS用于表达实际值所需要的位数，实际位数就等于330JPEG标准提供的标准提供的亮度亮度DC系数系数差的差的Huffman编码表编码表 31JPEG标准提供的标准提供的色差色差DC系数系数差的差的Huffman编码表编码表3

19、2JPEG标准提供的标准提供的亮度亮度AC系数系数的的Huffman编码表的开始部分编码表的开始部分 33JPEG标准提供的标准提供的色差色差AC系数系数的的Huffman编码表的开始部分编码表的开始部分343 JPEG压缩和编码举例压缩和编码举例 假设有一个假设有一个88亮度图像块，亮度图像块，在它之前的一个在它之前的一个88图像块图像块计算得到的计算得到的DC系数值为系数值为20，整个编码过程如图整个编码过程如图8所示。所示。(1) 在这个例子中，计算正向离散余弦变换(FDCT)之前对源图像中的每个样本数据减去了128，在逆向离散余弦变换之后对重构图像中的每个样本数据加了128。(2) 经

20、过DCT变换和量化之后的系数如图8(f)所示(3) 经过Z字形排列后的系数为15，0，-2，-1，-1，-1，0，0，-1，0，0。(4) DC系数和AC系数的中间符号以及经过编码后的代码如下所示 中间符号：(3,-5)(1/2，-2) (0/1，-1) (0/1，-1) (0/1，-1) (2/1，-1) (0/0)编码输出：100 0101101 1 01 00 000 000 011100 01010353 JPEG压缩和编码举例压缩和编码举例图8 JPEG压缩编码举例 364 JPEG文件格式文件格式 nJPEG格式 存放使用JPEG压缩的图像文件的格式。 JPEG目前被广泛应用于多媒

21、体和网络程序中，是现今万维网中使用最广泛的两种图像文件格式之一。 以这种格式存放的图像文件的后缀是.JPG或.JFF，也称JFIF 。375 JPEG 2000简介简介 5.1 JPEG 2000是什么lITU-T SG8和ISO/IEC JTC1 SC29 WG1联合开发的静静态图像压缩编码标准态图像压缩编码标准(ISO 15444)，标准名为“JPEG 2000: Image Coding System”。l文件扩展名为.jp2(用于ISO 15444-1)、.jpx(用于ISO 15444-2)和image/jp2(用于MIME类型)l开发工作始于1996年1月，其目标是增强对连续色调连

22、续色调图像的压缩效率、管理和传输图像的压缩效率、管理和传输，而又不使图像质量有明显的损失l使用小波技术小波技术提高压缩比，用户可控制图像的分辨率，用在网络上传输时可按照用户要求下载各种分辨率的图像。l该标准可提供无损压缩的图像无损压缩的图像，在文档中可提供更多的颜色信息385 JPEG 2000简介简介(1)5.2 JPEG 2000的基本结构lJPEG 2000编码器的方框图如图9(a)所示。首先对源源图像数据图像数据进行变换变换，再对变换的系数变换的系数进行量化量化，然后在形成代码流或称位流形成代码流或称位流之前进行熵编码熵编码。l解码器与编码器正好相反，如图9(b)所示。首先对码流进行熵

23、解码，然后进行逆量化和逆向变换，最后重构图像。 源图像数据(SourceImage Data)正变换(Forward Transform)量化(Quantisation)熵编码(Entropy Encoding)压缩图像数据(Compressed Image Data)存储或者传输(Store or Transmit)压缩图像数据(Compressed Image Data)熵解码(Entropy Decoding)逆量化(De-quantisation)逆变换(Inverse Transform)重构像数据(ReconstructedImage Data)(a) 编码器(b) 译码器图9 J

24、PEG 2000的基本结构395 JPEG 2000简介简介(2)5.3 JPEG 2000的主要功能l与过去的图像压缩标准相比JPEG 2000标准既提高了性能又增加了功能。在相同质量的前提下与JPEG标准相比，JPEG 2000标准的压缩比可提高提高20%以以上lJPEG 2000能实现渐进传输渐进传输可先传输低分辨率的图像或图像的轮廓，然后逐步传输其他数据，不断提高图像质量，以满足用户的需要l支持兴趣区的编码可指定感兴趣的图像区指定感兴趣的图像区域，在压缩时对这些图像区指定特对这些图像区指定特定的压缩质量定的压缩质量，这给用户带来了极大的方便。例如，在有些情况下图像中只有一小块区域对用户是有用有用的的，对这些区域采用低压缩比低压缩比，而其他区域采用高压缩比，在保证不丢失重要信息的同时能有效地压缩数据量 40JPEG图像压缩与编码参考文献 lISO/IE