数字图像处理：第六章 图象编码

1、第六章图象编码一图象编码的基本概念和理论二简单编码方法三预测编码四变换编码五JPEG图象压缩标准彩色视频信息对于电视画面的分辨率640*480的彩色图像，每秒30帧，则一秒钟的数据量为： 640*480*24*30=221.12M 实时传输： 在宽带网上（10M）实时传输的话，需要压缩到原来数据量的0.045。 即0.36bit/pixel。存储： 1张CD可存640M 如果不进行压缩，1张CD则仅可以存放2.89秒的数据。 存2小时的信息则需要压缩到原来数据量的0.0004,即：0.003bit/pixel。 2.传真如果只传送2值图像，以200dpi的分辨率传输，一张A4稿纸的数据量为：

2、1654*2337*1=3888768bit 按目前14.4K的电话线传输速率，需要传送的时间是：270秒（4.5分）由于通信方式和通信对象的改变带来的最大问题是： 传输带宽、速度、存储器容量的限制。给我们带来的一个难题，也给了我们一个机会： 如何用软件的手段来解决硬件上的物理限制。图像数据是高度相关的， 或者说存在冗余（Redundancy）信息，去掉这些冗余信息后可以有效压缩图像。 空间冗余：图像内部相邻像素之间存在较强的相关性所造成的冗余。时间冗余： 视频图像序列中的不同帧之间的相关性所造成的冗余。 视觉冗余： 是指人眼不能感知或不敏感的那部分图像信息。信息熵冗余： 也称编码冗余，如果图

3、像中平均每个像素使用的比特数大于该图像的信息熵，则图像中存在冗余，这种冗余称为信息熵冗余。结构冗余： 是指图像中存在很强的纹理结构或自相似性。知识冗余： 是指在有些图像中还包含与某些先验知识有关的信息。图像通信系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熵编码：熵编码是纯粹基于信号统计特性的编码技术， 是一种无损编码。熵编码的基本原理是给出现概率较大的符号赋予一个短码字，而给出现概率较小的符号赋予一个长码字， 从而使得最终的平均码长很小。常见的熵编码方法有行程编码（Run Length Encoding）、哈夫曼编码和算术编码。 预测编码：预测编

4、码是基于图像数据的空间或时间冗余特性，用相邻的已知像素（或像素块）来预测当前像素（或像素块）的取值，然后再对预测误差进行量化和编码。预测编码可分为帧内预测和帧间预测，常用的预测编码有差分脉码调制（Differential Pulse Code Modulation， DPCM）和运动补偿法。变换编码：变换编码通常是将空间域上的图像经过正交变换映射到另一变换域上，使变换后的系数之间的相关性降低。图像变换本身并不能压缩数据，但变换后图像的大部分能量只集中到少数几个变换系数上，采用适当的量化和熵编码就可以有效地压缩图像。 混合编码：混合编码是指综合了熵编码、变换编码或预测编码的编码方法，如JPEG标

5、准和MPEG标准。 图像编码新技术 图像编码已经发展了几十年，人们不断提出新的压缩方法。如， 利用人工神经网络（Artificial Neural Network， ANN）的压缩编码、 分形编码（Fractal Coding）、 小波编码（Wavelet Coding）、基于对象的压缩编码（Object Based Coding）和基于模型的压缩编码（Model Based Coding）等等。 编码图像的质量 图像质量评价可分为客观质量评价和主观质量评价。最常用的客观质量评价指标是均方误差（MSE）和峰值信噪比（PSNR），其定义如下： 主观质量评价是指由一批观察者对编码图像进行观察并打分

6、，然后综合所有人的评判结果，给出图像的质量评价。客观质量评价能够快速有效地评价编码图像的质量，但符合客观质量评价指标的图像不一定具有较好的主观质量。主观质量评价能够与人的视觉效果相匹配，但其评判过程缓慢费时。 算法的复杂度 算法的复杂度即指完成图像压缩和解压缩所需的运算量和硬件实现该算法的难易程度。优秀的压缩算法要求有较高的压缩比，压缩和解压缩快，算法简单，易于硬件实现，还要求解压缩后的图像质量较好。图像的压缩编码像素编码变换编码预测编码位平面编码增量调制熵编码算术编码DCT变换DPCM调制第一代压缩编码其他编码行程编码Huffman 编码的基本原理为了达到大的压缩率，提出了一种方法就是将在图

7、像中出现频度大的像素值,给一个比较短的编码，将出现频度小的像数值,给一个比较长的编码。Image CompressionImage Compression平均码长：编码效率Huffman 编码方法首先求出图像中灰度分布的灰度直方图；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；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，构造一个称为“Huffman树”的二叉树；对这个二叉树进行编码，就获得了Huffman编码码字。Image CompressionImage CompressionImage CompressionImage Compression行程编码(RLE编码)

8、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。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计思想非常明确，所以在图像编码方法中都会将其作为一种典型的方法来介绍。 行程编码的基本原理通过改变图像的描述方式，来实现图像的压缩。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。行 程 编 码 行程编码又称行程长度编码（Run Length Encoding， RLE）， 是一种熵编码，其编码原理相当简单，即将具有相同值的连续串用其串长和一个代表值来代替， 该连续串就称为行程，串长称为行程长度。例如，有一字符串“aabbbcddddd”， 则经

9、行程长度编码后， 该字符串可以只用“2a3b1c5d”来表示。 Image CompressionDCT变换编码DCT变换编码的设计思想： DCT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。 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，分别按照不同的数据承载方式进行表述。DCT变换编码正变换：逆变换：其中：混合编码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：1）行程编码： 擅长于重复数字的压缩。2）Huffman编码：擅长于像素个数分布不均匀情 况下的编码。3）DCT变换： 擅长分离视觉敏感与不敏感的 部分。JPEG压缩编码算法的主要计算步骤如下：正向离散余弦变换(FDCT)。 量化(quantization)。 Z字形编码(zigzag scan)。 使用差分脉冲编码调制(differential pulse code modulation，DPCM)对直流系数(DC)进行编码。 使用行程长度编码(run-length encodin