第7讲 图像编码概述

数字图像处理技术-2016-01数字图像处理技术Digital

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Processing任课教师吴媛媛E_mail:

yuanyuanwu29@163.com第7讲图像编码数字图像处理技术-2016-017.1图像编码概述7.2图像编码系统评价标准（保真度）7.3

PCM编码（本章重点）

图像压缩编码的必要性

数据量大，为其存储、传输带来困难，需压缩。例1：电话线传输速率一般为56kbit/s（波特率）

一幅彩色图像640×480×24bit=7Mbit大小

传输一幅图像：时间约2分钟左右，如压缩20倍，传一幅图6s左右，可以接受，实用。

例2：如多媒体中的海量图像数据，不进行编码压缩处理，一张600M字节的光盘，只能存放20秒左右的640×480像素的视频。数字图像处理技术-2016-017.1图像编码概述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

图像压缩编码的必要性在现代通信中，图像传输已成为重要内容之一。采用编码压缩技术，减少传输数据量，是提高通信速度的重要手段。可见，没有图像编码与压缩技术的发展，大容量图像信息的存储与传输是难以实现的，多媒体、信息高速公路等新技术在实际中的应用会遇到很大困难。数字图像处理技术-2016-01图像压缩

7.1图像编码概述实现编码技术

图像压缩(ImageCompression)的概念

数据压缩的研究内容包括数据的表示、传输、变换和编码方法，目的是减少存储数据所需的空间和传输所用的时间。图像压缩是通过编码实现的。

数字图像处理技术-2016-01二值图像传真、静态图像传输、可视电话、会议电视、VCD、DVD、常规数字电视、高清晰度电视、多媒体可视通信、多媒体视频点播与传输等…...

图像压缩(ImageCompression)的概念7.1图像编码概述

图像数据压缩的可能性

从信息论观点看，描述图像信源的数据由有用数据和冗余数据两部分组成。信息量数据量冗余量

冗余量是可以压缩的，在实际应用中应尽量保证去除冗余量而不会减少信息量，即压缩数据在一定条件可以近似恢复。数字图像处理技术-2016-017.1图像编码概述数据冗余(DataRedundancy)

编码冗余(CodingRedundancy)等长编码平均码长为3变长编码平均码长为2.7数字图像处理技术-2016-01

像素间冗余(InterpixelRedundancy)

图像是由按一定规则排列起来的像素组成，图像中相邻像素的灰度往往相同或相近，这就称为像素间冗余或空间冗余。数字图像处理技术-2016-01

心理视觉冗余(PsychovisualRedundancy)

175K

1.46M

受生理和心理上的影响，人眼对黑白和彩色信息的分辨率是有限的。光学上不一致的图像在视觉上可能是一样。数字图像处理技术-2016-01图像压缩系统模型信源信源编码器信道编码器通信线路或存储介质信源解码器信道解码器信宿压缩的有效性编码的可靠性数字图像处理技术-2016-01数字图像处理技术-2016-011、客观保真度：均方误差均方信噪比7.2图像压缩系统评价标准2、主观保真度：主观评价

图像处理的结果，绝大多数场合是给人观看，由研究人员来解释的，因此，图像质量的好坏与否，既与图像本身的客观质量有关，也与人的视觉系统的特性有关。把图像显示给观察者，然后把评价结果加以平均，以此来评价一幅图像的主观质量。采用成对比较法，也就是同时出示两幅图像，让观察者表示更喜欢哪一幅图像，借此排出图像质量的等级。数字图像处理技术-2016-01图像压缩系统评价

图像压缩编码分为有损压缩和无损压缩。无损压缩无信息损失，解压缩时能够从压缩数据精确地恢复原始图像；有损压缩不能精确重建原始图像，存在一定程度的失真。根据编码原理将图像编码分为：（1）熵编码：无损编码，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。数字图像处理技术-2016-01图像压缩编码分类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（StatisticalCoding）根据像素灰度值出现概率的分布特性而进行的压缩编码叫统计编码。

预测编码（PredictCoding）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。变换编码（Transformcoding）将空间域上的图像变换到另一变换域上，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。

数字图像处理技术-2016-01图像压缩编码分类冗余度压缩（RedundancyReduction）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缩前的原数据完全一致，可逆压缩又称无失真编码,用于文本、程序等。2．按压缩过程的可逆性进行分类熵压缩（EntropyCompression）不可逆，在其压缩过程中，会失掉一部分信息，又叫有损压缩数字图像处理技术-2016-013．按压缩方法进行分类

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）数字图像处理技术-2016-014．按失真与否进行分类

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<2

有限失真压缩：单帧（静）4～20倍。图像序列（x、y、t）50～200倍数字图像处理技术-2016-017．从处理图像的维数出发行内编码帧内编码帧间编码5．从图像的光谱特征出发单色图像编码彩色图像编码多光谱图像编码6．从图像的灰度层次上多灰度编码二值图像编码数字图像处理技术-2016-01像素编码变换编码预测编码

轮廓编码方块编码增量调制统计编码算术编码Fourier变换Walsh-Hadamard变换DPCM调制第一代压缩编码其他编码行程编码数字图像处理技术-2016-01第一代压缩编码

M.Kunt把1948年至1988年这四十年中研究的以去除冗余为基础的编码方法称为第一代编码。子带编码模型编码分层编码分型编码第二代压缩编码第二代压缩编码

较新的编码方法，结合分形、模型基、神经网络、小波变换等数学工具，充分利用视觉系统生理心理特性和图像信源的各种特性对图像进行数据压缩。数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码PCM编码-脉冲编码调制对连续图像信号的空间进行采样、幅值量化并用适当码字将其量化编码。编码方法有等长和变长编码两种。将模拟图像信号变为数字图像信号的基本手段数字图像处理技术-2016-01PCM编码的基本原理脉冲编码调制（PulsecodingModulation—PCM）是将模拟图像信号变为数字信号的基本手段。图像信号的PCM编码与语音信号PCM编码相比并没有原则上的区别。但是，图像信号，特别是电视信号占的频带宽，要求响应速度快，因此，电路设计与实现上有较大的难度。数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码图像低通滤波取样保持编码传输信道解码低通滤波解码图像量化图PCM编、译码原理方框图限制频带,防止折叠误差时间离散化幅度离散化多值变多比特多比特变多值内插及平滑PCM编码的量化噪声

量化是对时间离散的模拟信号进行幅度离散化的过程，这个过程是去零取整的过程。量化后的样值与原信号相比大部分是近似关系。这样，把连续的数值限制在固定的台阶式的变化之下必然会带来畸变。这种畸变在接收端是无法克服的，只能使其尽量减小。数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码

由量化带来的噪声可分为量化噪声和过载噪声。以正弦波输入为例，输入幅度较大和输入幅度较小时的量化噪声如图所示。

(a)是输入信号超过编码范围时的量化噪声和过载噪声的形成；

(b)是信号未超过编码范围，只有量化噪声的情况。数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码量化噪声与过载噪声的形成数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码

在PCM编码中，量化噪声主要取决于码的位数，码位数越多（即量化阶数多）量化噪声的功率越小。一个量化阶的电压可由下式表示：式中：V为输入信号电压；n为样值用二进制数表示的比特数。数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码

如果在整个输入幅度内量化阶是一个常数，就称这个量化为均匀量化，否则就是非均匀量化。线性PCM

编码中均采用均匀量化法。在均匀量化中，设量化阶为△，量化噪声在内可看成是均匀分布的，因此，其功率可由下式表示：数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码

(5—8)

对于过载噪声，当量化特性输入过载点为V时，由下式表示

(5—9)数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码式中Ns

为过载噪声，x是输入信号值，p(x)为输入幅度的概率密度。如果用信噪比作为客观保真度准则的话，可推得PCM编码在均匀量化下的量化信噪比如下：数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码因为

所以

(5—10)数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码由信噪比的概念，则：

（5—11）数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码

由式(5—11)可见，每增加一位码可得到6dB的信噪比得益。

值得注意的是量化噪声不同于其他噪声，它的显著特点是仅在有信号输入时才出现，所以它是数字化中特有的噪声。一般情况下，直接测量比较困难。数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码编码器、译码器

编码器的任务是把一个多值的数字量用多比特的二进制量来表示。如果量化器输出M个值，那么，对应于Ｍ个值中的任何一个值编码器将给定一个二进制码字。这个码字将由m个二进制数组成。通常情况下M=2m

。编码器的输入与输出关系是一一对应的，其过程是可逆的，因此，不会引入任何误差。数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码

线性PCM编码

一般采用等长码，也就是说每一个码字都有相同的比特数。其中用得最为普遍的是自然二进码，也有用格雷码的。以M=8为例的自然二进码和格雷码列入表(5—2)。数字图像处理技术-2016-017.3ＰＣＭ编码表5.2M=8的自然二进码和格雷码输入自然二进码格雷码000000001001010011011010100110101111110101111100数字图像处理技术-2016-01

(a)(b)数字图像处理技术-2016-01

(c)(d)数字图像处理技术-2016-01

(e)(f)

图5—4编码位数对画面质量的影响数字图像处理技术-2016-01非线性PCM编码

在线性PCM编码中，量化阶是均匀的。这样，在小信号输入的情况下信噪比较低，在大信号输入的情况下信噪比较高。为了改善小信号在量化过程中的信噪比，采用一种瞬时压缩扩张技术。瞬时压扩技术基本有两种方案。数字图像处理技术-2016-01量化压缩取样编码扩张译码输出方案一：在这种方案中，首先将取样后的PAM信号进行非线性压缩，然后对压缩后的PAM信号进行线性编码。在接收端，首先进行线性译码，然后再送入瞬时扩张器进行非线性扩张，恢复原来的PAM信号。

数字图像处理技术-2016-01

该方案一般采用二极管电压、电流的非线性特性来实现。通常采用图5—8所示的修正的对数特性。在图5—8中，对于压缩器来说，X表示输入，Y表示输出。对于扩张器来说，Y表示输入，Ｘ表示输出。参变量是表示压缩或扩张程度的量。显然，当μ=0时就是线性编码了。数字图像处理技术-2016-01数字图像处理技术-2016-01量化采样低通编码及压缩低通译码及扩张输出数字图像处理技术-2016-01方案二：数字化非线性压扩技术，这种方案是把编码与压缩，译码与扩张都分别在编码和译码中一次完成。式中A是一常数，不同的A值可决定一条不同的曲线。在原点处的斜率由下式表示

(5—16)数字图像处理技术-2016-01数字式非线性编码的压扩特性有μ特性、A特性等等。根据CCITT1970年的建议，通常采用13折线(A=87.6)的压扩特性。

如果令，上述13折线可用下式近似表示

(5—14)(5—15)数字图像处理技术-2016-01当原点处的斜率为16时，则

可求得A=87.6。图5—10所示的折线就是A=87.6的13折线压缩特性。数字图像处理技术-2016-011

7/85/84/83/82/82/8

（1）

（2）

（3)（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

图5—1013折线压扩特性(信号为正时的八段)6/8数字图像处理技术-2016-01

表