数字图像处理技术的应用第6章-图像编码课件

1、eg：电话线传输速率一般为56Kbits/s（波特率） 一幅彩色图像51251224bit = 6M bits大小。传一幅图像需2分钟左右。 实时传送：51251224bits25帧/秒=150Mbits/S 如压缩20倍，传一幅图6秒左右，可以接受，实用。 实时，要专用信道（卫星、微波网、专线网等技术）。 另外，大量资料需存贮遥感、故宫、医学CT、MR。图像一大特点是数据量大，为其存贮、传输带来困难，需压缩。图像的数据量特别大，同时现在对图像需求的增长超过了网络带宽的限制，所以压缩是图像传输和存储的一个关键技术。 由于图像压缩的巨大商业潜力，激励着人们提高现有的技术或发现新的技术。图像通信系

2、统模型图像信息源图像预处理图像信源编码信道编码调制信道传输解调信道解码图像信源解码显示图像利用图像信号中的数据冗余度，如统计冗余度、空域冗余 度、时域冗余度等，进行压缩，利用人眼视觉系统的一些特性忽略掉一些不被人眼所察觉的信号成分 6.1 图像中的数据冗余的概念 你的妻子，Helen，将于明天晚上6点零5分在上海的虹桥机场接你。 (23*2+10=56个半角字符) 你的妻子将于明天晚上 6点零5分在虹桥机场接你。 (20*2+3=43个半角字符） Helen将于明晚6点在虹桥接你。 (10*2+7=27个半角字符）6.1 图像中的数据冗余的概念描述语言1、“这是一幅 2*2的图像，图像的第一个

3、像素是红的，第二个像素是红的，第三个像素是红的，第四个像素是红的”。 2、“这是一幅2*2的图 像，整幅图都是红色的”。可知，整理图像的描述方法可以达到压缩的目的。6.1 图像中的数据冗余的概念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=32bits6.1 图像中的数据冗余的概念图像冗余有损压缩的原理36353434343434323434333730343434343434343435343431343434343434343434343434343

4、4343434343434343434343425346.1 图像中的数据冗余的概念实际图像中冗余信息的表现（灰度图）6.1 图像中的数据冗余的概念图像冗余信息分析结论由于一幅图像存在数据冗余和主观视觉冗余，压缩方式就是从这两方面着手来开展的。1）数据冗余:将图像信息的描述方式改变之后，压缩 掉这些冗余。2）主观视觉冗余:忽略一些视觉不太明显的微小差异， 可以进行所谓的“有损”压缩。6.2 图像压缩概述图像数字化关键是编码compression code:在满足一定图像质量前提下，能获得减少数 据量的编码一Compression code及分类研究处理的对象: 数据的物理容量 传输某个指定数据

5、序列所需的时间 传输某个指定数据序列所限定的频带宽度数据压缩技术 1、按压缩技术所依据和使用的数据理论和计算方法进行分类： 统计编码Statistical coding; 预测编码Predictwe coding; 变换编码Tranelorm coding. 6.2 图像压缩概述2、按压缩过程的可逆性进行分类： 熵压缩Eatropy Compression： (不可逆compression在其压缩过程中，会失掉一部分信 息，又叫有损压缩) 冗余度压缩Redandancy Raduction： (完全除去或尽量除去原数据中重复和冗余的部分，保证不丢 失有用信息， 从而保证被压缩了的数据还原后与压

6、缩前的原 数据完全一致，可逆压缩又称无 失真codingNoisdess coding,用于文本、程序等。)3、压缩方法： 按时间分： 静图：静止图像（要求质量高） 动图：活动的序列图像（相对质量要求低，压缩倍数要高） 压缩比未压缩的图像的存贮字节数压缩后图像存贮字节数 失真与否分： 无失真压缩：经压缩后再恢复图像与原图像无任何区别，一般 压缩倍数 H。RH引起失真，丢失information。目的，减少R,使1，r 0。6.2 图像压缩概述Eg: 码字 信息 Pk 0 0 u1 0.25 1 0 u2 0.25 1 1 u3 0.20 0 0 0 u4 0.15 0 0 1 0 u5 0.1

7、0 0 0 1 1 u6 0.056.2 图像压缩概述6.2 图像压缩概述2、基于保真度准则的评价： 客观保真度准则 主观保真度准则1）客观保真度准则： a）输入图和输出图之间的均方根（rms）误差b）输入图和输出图的均方根信噪比均方根信噪比6.2 图像压缩概述一般2，或PSNR40dB 人眼看不出来30 dB 的图像不能用35dB 可接受 到目前为上，国际上没有一个通用的评价图像压缩的客观标准 6.2 图像压缩概述2) 主观保真度准则： a）损伤程度：不能察觉、刚察觉、不讨厌、有点讨厌、很讨 厌，不能用 b）质量：优、良、中、次、劣 c）比较：2，好得多，1，好，0，同，1，坏，2坏 的多主

8、观（人判别）专家投票的方法，实用方法。 人的视觉的主观亮度是光强的对数函数。 人眼对黑暗区误差比明亮区更敏感。 人眼对灰度突变边缘比较敏感。6.2 图像压缩概述6.3 图像压缩编码6.3.1 无失真编码 一、 行程编码(RLE编码) 二、 Huffman编码6.3.2 率失真coding（熵编码） 一、 预测编码 二、 变换编码 三、 子波编码 基本原理：将一行中颜色值相同的相邻像素用一个计数值和该颜色值来代替。举例说明：aaaa bbb cc d eeeee fffffff (共22*8=176 bits) 4a3b2c1d5e7f (共12*8=96 bits)To:混合编码一、行程编码(

9、RLE编码) ：6.3.1 无失真编码二、 Huffman 编码（熵编码）基本原理：将在图像中出现次数多的像素值给一个短的编码，将出现次数少的像数值给一个长的编码。举例说明： aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 f=00 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101 110,110,110,110,1111,1111,1111,11100,11100,11101,10,10,10,10,10,0,0,0,0,0,0,0 (共 7*2+5*2+4*3+3*4+2*5+1*5=63 bits) 6.

10、3.1 无失真编码Huffman编码Step: 1)pk由大到小 2）最小两个概率相加，形成一个新的概率集合，再按1） 重排，直至只有两个概率 3）分配码字，Eg：灰度级 pk step1 step2 step3 step4 step5 step6W1 0.40 0.40 0.40 0.40 0.40 0.40 0.6 1 1 1 1 1 1 0W2 0.18 0.18 0.18 0.19 0.23 0.37 0.4 001 001 001 000 01 00 1W3 0.10 0.10 0.13 0.18 0.19 0.23 011 011 010 001 000 01 W4 0.10 0.

11、10 0.10 0.13 0.18 0000 0000 011 010 001W5 0.07 0.09 0.10 0.10 0100 0001 0000 011W6 0.06 0.07 0.09 0101 0100 0001W7 0.05 0.06 00010 0101W8 0.04 00011Huffman 编码过程示意图Huffman编码在图像压缩中的实现 对一幅图像进行编码时，如果图像的大小大于256时，这幅图像的不同的码字就有可能是很大，例如极限为256个不同的码字。 对整幅图直接进行Huffman编码时，小分布的灰度值，就有可能具有很长的编码。 如：100位以上，这样不但达不到压缩的

12、效果反而会使数据量加大，应该如何处理？二、 Huffman 编码（熵编码）常用的且有效的方法是： 将图像分割成若干的小块，对每块进行独立的Huffman编码。例如：分成 的子块，就可以大大降低不同灰度值的个数（最多是64而不是256）。6.3.2 率失真coding一、predictive coding:邻近的M个值 预测当前值，当前值与预测值之差量化编码，（一维、二维、三维预测）DPCM-差分脉冲编码调制预测值整数舍入编码输入数字图像预测值解编码解压图像Eg： 序列图像（动图）帧间相关性强1静止运动部分的关系： Bell实验室研究成果，人对静止部分分辨率强，对运动部分分辨率弱要求不高。即：空

13、间分辨率高，时间分辨率低一些。2传送帧间差对帧间差压缩传输，两幅之间对应象素的灰度差某一阈值，取为零。3运动检测：图像分成一定大小的块（MN-1616）子块，在(M+2L,N+2L)范围内到前一帧图上搜索与某相关性最大的子块。二、变换编码：目的：变换后去相关A）思想：正变换得到的系数矩阵中，数值较大的方差总是集中 在少数系数中。通常，大幅度系数集中在低频率区， 而且图像相关性明显下降，对较少的系统可分配少的比 特数或不传送。故正交变换本身只是把分布在变换域中 的信息变得集 中 起来，为合理少分配给某些数据比特 数提供了可能 变换目的：使数据按照一定顺序排列，更具独立性，总能量保持 不变。块分割

14、正交变换量化编码解码反变换input88，1616样本变换确定区域取样与阈值取样决定变换系数的取舍B）性能比较：KLT,DCT,SLT,DFT,WHT,HRT,SVDi）在变换域中信源能量集中程度（可压缩性）优 劣Ii）按变换算法的简单，复杂程度（简 繁）Iii）按运算量大小（小 大）：由于DCT的信息集中能力和计算复杂性综合的比较好，DCT是各种变换编码中应用最广泛的准最佳变换编码方法DCT编码压缩正变换：逆变换：其中：原图解压图三、subband编码：先把一幅图像用不同的带通滤波器分成一系列图，然后对每个图都可用DPCM编码。即它通过把输入信号分解成多个窄带信号，解除或减弱它们之间的相关性

15、，从而达到压缩码率的效果。优点：1）某子带内的编码噪声（失真），在解码后只局限于该子带内， 不会扩散到其它的子带2）可根据主观视觉特性，将有限的数码率在各个子带内作合理 的分配，即实行噪声频谱成形技术，有利于提高图像的主观 视觉质量。这两个优点对实现多分辨率图像压缩编码是非常有用的H0H1Hn量化量化量化CodingCodingCoding一组滤波进行分割6.4 现代压缩技术设计思想： 除了采用现代的数学变换等手段之外，更关键的是采用混合编码技术，即若干种编码技术巧妙地结合在一起，可以达到大大地提高压缩率的目的。6.4.1 混合编码混合编码实现的可能性及有效性： 回顾一下讲过的几个内容的特点1

16、、行程编码：擅长于重复数字的压缩。2. Huffman编码：擅长于像素个数的不同编码。3、 DCT变换：擅长将高频部分分离出来。6.4.1 混合编码例： aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 行程编码：4a3b2c1d5e7f (共12*8= 96Bits ) 176 966.4.1 混合编码 aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 Huffman编码： f=0 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101 11011011

17、011011111111111111100111001110110101010100000000 (共 7*1+5*2+4*3+3*4+2*5+1*5=56 bits) 176 96 566.4.1 混合编码 aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 Hufman与行程编码混合： 41103111121110011110151070 (共：3+3+3+4+3+5+3+5+3+2+3+1=38 bits) 176 66 56 386.4.2 变换编码变换编码的特点与优势： 变换编码较非变换编码要复杂，但可以将空间域上没有表现

18、出来的冗余可以提取出来。变换编码方式大多属于有损压缩方式。变换编码的一个极其重要的作用是将信号中的能量尽可能集中在少数几个系数上对这几个变换系数进行量化和传输，这样图像压缩率有明显的提高。 在接受端进行反变化就可以得到重构图像。几乎所有的图像变换编码器都采用基于块的DCT变换DCT变换之后是量化(通常是均匀标量量化)， 最后是熵编码。研究表明小波变换编码效果比DCT编码效果要好但DCT仍是当今图像编码的主流，原因是DCT比较容易理解 并且经过多年的改进，DCT的编码效果和速度有明显的提高。在下一代静止图像编码标准中，小波变换有可能替代DCT或作为DCT的补充手段。 6.4.2 变换编码变换编码

19、原理框图原始数据恢复数据变换变换编码传输译码器反变换6.4.3 图像压缩的实例1一次小波变换DCT变换.行程编码哈夫曼编码一次小波变换哈夫曼编码变字长行程编码2差值编码复原图原图算法 1.信噪比：66.02压缩比:11.83:1复原图原图信噪比：64.55压缩比:26.50:1算法 2.现代压缩编码示例原图JPEG 100：1400:1600:16.5 国际标准简介用于压缩二值图像的：G3,G4,JBIG用于压缩静止（灰度、彩色）图像用于压缩序列（灰度、彩色）图像1、JPEG(Joint picture expert group) 91年使用JPEG定义了三种编码系统：1）基于DCT的有损编码

20、基本系统，可用于绝对多数压缩应用场合2）用于高压缩比，高精确度或渐进重建应用的扩展编码系统3）用于无失真应用场合的无损系统输入DCT量化熵编码传送熵解码逆量化IDCT量化表编码表Huffman分块JPEG编码的总体框架2、JPEG2000：升级、采用小波变换运用新标准不仅能提高对图像的压缩质量，尤其是低码率时的压缩质量，而且还将得到许多增加了的功能，包括根据图像质量，视觉感受和分辨率进行渐进传输，对码流的随机存取和处理，开放结构，向下兼容等。3、H.261 (H.263):为电视会议等应用而定。也称p64标准（p 1，2.3） 码流64，128.1920kb/s,它允许通过T1线路（带宽1.544Mbit/s）以小于150ms的延迟传输运动视频。它将基于DCT的压缩方法进行了扩展，并将帧间冗余的方法包含进来Step：1)对序列中的某参考帧用类似于JPEG的DCT压缩，以减少帧内冗余度2）估计目标的运动（通过计算当前帧与下一帧间的相关），以确定如何压缩下一帧以减少帧