数字视频图像技术 第6章 第2部分 压缩标准

6.6

压缩标准6.6.1压缩标准简介6.6.2连续调图像压缩标准6.6.3二值图像压缩标准6.6.1压缩标准简介制定图像标准的国际组织：

ISO（国际标准化组织）CCITT（国际电报电话咨询委员会）联合组织下进行制定的标准的类型（三类）：

(1)二值图像压缩标准：面向传真而设计连续调图像压缩标准：(2)静止帧黑白、彩色压缩：面向静止的单幅图像(3)连续帧黑白、彩色压缩：面向连续的视频影像6.6.2压缩标准:连续调图像压缩连续调图像压缩标准静止帧黑白、彩色压缩（JPEG）连续帧单色、彩色压缩（MPEG）6.6.2压缩标准:连续调图像压缩静止帧黑白、彩色压缩（JPEG）JPEG标准简述JPEG压缩流程JPEG压缩算法的实现颜色变换 零偏置转换频域变换 系数量化符号编码JPEG压缩举例6.6.2压缩标准:连续调图像压缩JPEG标准简述有三种压缩系统：（1）基线编码系统：面向大多数有损压缩的应用， 采用DCT变换压缩。（2）扩展编码系统：面向递进式应用，从低分辨 率到高分辨率逐步递进传递的应用（3）独立编码系统：面向无损压缩的应用，采用无损 预测压缩，符号编码采用哈夫曼或算术编码一个产品或系统必须包括对基线系统的支持6.6.2压缩标准:连续调图像压缩JPEG压缩流程符号解码器DCT逆向变换量化器DCT正向变换构造8x8的子图输入图像NxN符号编码器压缩图像压缩的图像合成8x8的子图解压图像颜色空间转换零偏置转换颜色空间转换零偏置转换6.6.2压缩标准:连续调图像压缩构造子图像 子图像尺寸：8x8颜色空间转换

人眼对亮度更敏感，提取亮度特征，将RGB转换为YCbCr模型，编码时对亮度采用特殊编码：

Y=0.299R+0.5870G+0.1140B Cb=–0.1787R–0.3313G+0.5000B+128 Cr=0.5000R–0.4187G–0.0813B+128颜色解码：

R=Y+1.40200(Cr–128) G=Y–0.34414(Cb–128)–0.71414(Cr–128) B=Y+1.77200(Cb–128)6.6.2压缩标准:连续调图像压缩零偏置转换对于灰度级是2n的像素，通过减去2n-1，替换像素本身对于n=8，即将0~255的值域，通过减去128，转换为值域在-128~127之间的值目的：使像素的绝对值出现3位10进制的概率大大减少6.6.2压缩标准:连续调图像压缩

用8x8的JEPG基线标准，压缩并重构下列子图52 55 61 66 70 61 64 7363 59 66 90 109 85 69 7262 59 68 113 144 104 66 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 78 946.6.2压缩标准:连续调图像压缩0偏置转换后-76 -73 -67 -62 -58 -67 -64 -55-65 -69 -62 -38 -19 -43 -59 -56-66 -69 -60 -15 16 -24 -62 -55-65 -70 -57 -6 26 -22 -58 -59-61 -67 -60 -24 -2 -40 -60 -58-49 -63 -68 -58 -51 -65 -70 -53-43 -57 -64 -69 -73 -67 -63 -45-41 -49 -59 -60 -63 -52 -50 -346.6.2压缩标准:连续调图像压缩频域变换频域变换产生64个系数第一个系数称为直流系数（DC系数）其余的63个系数称为交流系数（AC系数）6.6.2压缩标准:连续调图像压缩正向DCT变换（N=8）后变成-415 -29 -62 25 55 -20 -1 37 -21 -62 9 11 -7 -6 6-46 8 77 -25 -30 10 7 -5-50 13 35 -15 -9 6 0 311 -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 -16.6.2压缩标准:连续调图像压缩系数量化采用阈值作为子图系数位置函数的量化方式

所有子图使用同一个全局阈值模板，但阈值的取值，与系数的位置相关，阈值模板给出了，不同位置上系数的相应阈值。对于亮度和颜色使用不同的量化阈值模板，并取整6.6.2压缩标准:连续调图像压缩系数量化1）正向量化：

Squv=round(Suv/Quv)

其中：Suv是DCT系数，Quv量化模板系数2）逆向量化：

Ruv=SquvQuv例：Sq(0,0)=round[-415/16] =round[-25.9]=-26

Ruv(0,0)=-26*16=-4166.6.2压缩标准:连续调图像压缩

亮度的量化模板系数1611 10 16 24 40 51 6112 12 14 19 26 58 60 5514 13 16 24 40 57 69 5614 17 22 29 51 87 80 6218 22 37 56 68 109 103 7724 35 55 64 81 104 113 9249 64 78 87 103 121 120 10172 92 95 98 112 100 103 996.6.2压缩标准:连续调图像压缩

颜色的量化模板系数1718 24 47 99 99 99 9918 21 26 66 99 99 99 9924 26 56 99 99 99 99 9947 66 99 99 99 99 99 9999 99 99 99 99 99 99 9999 99 99 99 99 99 99 9999 99 99 99 99 99 99 9999 99 99 99 99 99 99 996.6.2压缩标准:连续调图像压缩量化变换后的数组，比例化并消去系数-26 -3 -6 2 2 0 0 01 -2 -4 0 0 0 0 0-3 1 5 -1 -1 0 0 0-4 1 2 -1 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 06.6.2压缩标准:连续调图像压缩符号编码将量化后的系数，按之字形重新排序成矢量，全零结尾用特殊符号EOB[-26-31-3-2-62-41-41150200-1200000-1-1EOB]DC和AC用不同的方式分别编码DC的编码方式（预测+统计）：编码由两部分组成：区间号编码(SSSS)+系数预测误差本身编码(VVVV)6.6.2压缩标准:连续调图像压缩DC的编码方式（预测+统计）第一步：求DPCM(差分脉冲调制码)，用当前的DC，减去前一个子图的DC

VVVV：

DIFF=DC–PRE_DC第二步：根据DIFF求出区间号：SSSS通过DIFF查区间编号表得出区间号SSSS根据SSSS查哈夫曼编码表得出SSSS的哈夫曼编码第三步：对VVVV编码，正数是自己，负数用补码（求反）6.6.2压缩标准:连续调图像压缩DC的编码方式（预测+统计）区间表

范围 DC差区间AC区间

0 0 N/A -1，1 1 1 -3，-2，2，322-7,…,-4，4,…,7 33-15,…,-8，8,…,15 44-31,…,-16，16,…,31 55-63,…,-32，32,…,63 666.6.2压缩标准:连续调图像压缩DC的编码方式（预测+统计）区间DC哈夫曼编码表区间 编码长度区间 编码长度

0010361110101011471111012210058111110143005911111101641017A111111101851108B111111110206.6.2压缩标准:连续调图像压缩DC的编码方式（预测+统计）例子：DC=-26 PRE_DC=-17 DIFF=-26-（-17）=-9

用-9查区间表得：SSSS=4

用4查哈夫曼编码表得：哈夫曼编码：101

VVVV=-9

二进制编码为:1001

求反: 1001=0110

最后的编码为:101+0110=1010110长度为7位解码时如果VVVV部分首位为0为负数PreDC-17DC-266.6.2压缩标准:连续调图像压缩符号编码AC的编码方式编码由两部分组成：区间号编码(RRRR/SSSS)+系数本身(VVVV)第一部分：

SSSS：区间号

RRRR：该系数前值为0的系数的个数。第二部分：

VVVV：系数本身编码6.6.2压缩标准:连续调图像压缩AC的编码方式区间AC哈夫曼编码表行程/区间编码长度行程/区间编码长度

0/01010(=EOB)40/6111000120/10030/71111000140/20140/81111110110180/310060/911111111100000100/4101180/A 11111111100000110/511010101/11100 5

6.6.2压缩标准:连续调图像压缩AC的编码方式举例：0–7 RRRR=1

查表得区间号：SSSS=3 RRRR/SSSS=1/3查表得:1111001

编码长度10位

VVVV=-7 111求反得:000

最后编码: 11110010006.6.2压缩标准:连续调图像压缩符号编码

完成后的编码数组（重排的）是：10101100100001010001011000010110100011001100011001001100101111001101101100110111101000001010其中空格是为了可阅读性而插入的完成编码的重排数组的总位数是92，不压缩需要8x8x8=512位。结果的压缩率是512/92，或5.6:1。6.6.2压缩标准:连续调图像压缩连续帧单色、彩色压缩连续帧图像的定义连续帧图像压缩的基本思想帧间运动补偿预测编码技术H.261标准MPEG1/2/4/7标准6.6.2压缩标准:连续调图像压缩连续帧图像的定义由多幅尺寸相同的静止图像组成的图像序列，被称为连续帧图像。与静止帧图像相比，连续帧图像多了一个时间轴，成为三维信号，因此连续帧图像也被称为三维图像。6.6.2压缩标准:连续调图像压缩连续帧图像压缩的基本思想基于如下基本假设：在各连续帧之间存在简单的相关性平移运动。一个特定画面上的像素量值：1）可以根据同帧附近像素来加以预测，被称为：帧内编码技术2）可以根据附近帧中的像素来加以预测，被称为：帧间编码技术6.6.2压缩标准:连续调图像压缩连续帧图像压缩的基本思想通过减少帧间图像数据冗余，来达到减少数据量、压缩连续帧图像体积的目的将连续帧图像序列，分为参考帧和预测帧，参考帧用静止图像压缩方法进行压缩，预测帧对帧差图像进行压缩由于帧差图像的数据量大大小于参考帧的数据量，从而可以达到很高的压缩比6.6.2压缩标准:连续调图像压缩帧间运动补偿预测编码技术帧间预测编码+-熵编码帧间预测器运动补偿压缩图像块输入图像块enfnfn运动补偿预测帧间误差图像运动补偿预测图像6.6.2压缩标准:连续调图像压缩帧间运动补偿预测编码技术帧间预测编码向前预测双向预测前一帧当前帧前一帧当前帧下一帧6.6.2压缩标准:连续调图像压缩帧间运动补偿预测编码技术帧间预测编码I帧不进行预测、进行帧内编码的编码帧（参考帧）P帧通过向前预测得到的误差编码帧B帧通过双向预测得到的误差编码帧因图像序列存放在存储器中，可以使用下一帧6.6.2压缩标准:连续调图像压缩帧间运动补偿预测编码技术编码中的运动补偿运动补偿概念是以对帧间运动的估算为基础的，若物体均在空间上有一位移，那么用有限的运动参数来对帧间的运动加以描述，如对于像素的平移运动，可用运动矢量来描述一个来自前一编码帧的运动补偿预测像素，就能给出一个当前像素的最佳预测。预测误差和运动矢量一同参与编码6.6.2压缩标准:连续调图像压缩帧间运动补偿预测编码技术编码中的运动补偿由于一些运动矢量之间的空间相关性通常较高，因此，一个像素的运动矢量，可以代表一个相邻像素块的运动实现中，画面一般划分成一些不连接的像素块(在MPEGl和MPEG2标准中一个像素块为16×16像素)，对于每一个这样的像素块，只估算一个运动矢量6.6.2压缩标准:连续调图像压缩帧间运动补偿预测编码技术编码中的运动补偿举例：常用的基于块的运动估算和补偿——块匹配法K帧K+l帧块查找窗口6.6.2压缩标准:连续调图像压缩H.261\263标准H.261\263标准是由CCITT制定的ccitt国际电话与电报咨询委员会，它现在被称为itu-t（国际标准化组织电讯标准化分部），是世界上主要的制定和推广电讯设备和系统标准的国际组织.它位于瑞士的geneva.6.6.2压缩标准:连续调图像压缩H.261标准应用范围：ISDN的视频会议主要编码技术：DCT变换向前运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码IPPPPPPIPPP.....6.6.2压缩标准:连续调图像压缩H.263标准应用范围：可视电话主要编码技术：DCT变换双向运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码IBBPBBPBBIBBP....6.6.2压缩标准:连续调图像压缩MPEG1/2/4/7标准MPEG1/2/4/7标准由ISO/IEC制定的ISO是国际标准化组织IEC是国际电工委员会，是非政府性国际组织，是世界上成立最早的专门国际标准化机构。正式成立于1906年。6.6.2压缩标准:连续调图像压缩MPEG1标准应用范围：视频CD_ROM存储、视频消费主要编码技术：DCT变换前向、双向运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码、算术编码每15帧至少要有一个I帧IBBPBBPBBIBBP....6.6.2压缩标准:连续调图像压缩MPEG2标准应用范围：数字电视、高质量视频、有线电视、视频编辑、视频存储主要编码技术：DCT变换前向、双向运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码、算术编码每15帧至少要有一个I帧IBBPBBPBBIBBP....6.6.2压缩标准:连续调图像压缩MPEG4标准应用范围：互联网、交互视频、移动通信主要编码技术：DCT变换、小波变换前向、双向运动补偿预测Zig-zag排序脸部动画、背影编码霍夫曼编码、算术编码每15帧至少要有一个I帧IBBPBBPBBIBBP....6.6.2压缩标准:连续调图像压缩MPEG7标准下节课介绍6.6.3压缩标准：二值图像压缩二值图像压缩标准基本思想一维压缩二维压缩CCITTGroup3CCITTGroup46.6.3压缩标准：二值图像压缩基本思想：采用行程编码与静态的哈夫曼编码相结合由于是二值图像，不用为灰度值编码。只给行程长度编码，且黑和白的长度分别使用不同的编码。按行压缩CCITTGroup3采用一维编码与二维编码结合CCITTGroup4采用二维编码6.6.3压缩标准：二值图像压缩一维压缩基本思想：1）每一行行首、尾编码行首：用一个白行程码开始。如果行首是黑像素，则 用零长度的白00110101开始。行尾：用行尾编码字(EOL)000000000001结束。2）图像首、尾编码图像首行：用一个EOL开始。图像结尾：用连续6个EOL结束。3）图像内部编码内部编码：长度小于63的用哈夫曼编码，大于63的用组合编码：大于63的长度编码+小于63的余长度编码6.6.3压缩标准：二值图像压缩长度小于63的哈夫曼编码行程长度白编码 黑编码0 00110101 00001101111 000111 0102 0111 113 1000 104 1011 0115 1100 001161 00110010 00000101101062 00110011 00000110011063 00110100 0000010110116.6.3压缩标准：二值图像压缩长度大于63的组合编码

行程长度白编码 黑编码64 11011 0000001111128 10010 000011001000192 010111 000011001001256 0110111 000001011011320 00110110 000000110011384 00110111 0000001101001600 010011010 00000010110111664 011000 00000011001001728 010011011 00000011001016.6.3压缩标准：二值图像压缩二维压缩

1)基本思想：利用上一行相同改变元素的位置，来为当前行编码假设相临两行改变元素位置相似的情况很多且上一行改变元素距当前行改变元素的距离，小于行程的长度，从而可以降低编码长度a0b1b2a1a2参考行当前行6.6.3压缩标准：二值图像压缩2)定义几个重要符号：参考行：当前处理行的前一行。改变元素：与前一个像素值不同的像素参考元素：一共有5个（当前行3个，参考行2个）：a0：当前处理行上，与前一个像素值不同的像素。 行首元素是本行的第一个a0a1：a0右边下一个改变元素。a2：a1右边下一个改变元素。b1：参考行上在a0右边，且与a0值相反的改变元素b2：b1右边下一个改变元素。a0b1b2a1a2参考行当前行6.6.3压缩标准：二值图像压缩3)编码方法：对三种情况的三种编码方式：（1）通过编码方式：