第4章圖像壓縮編碼0

1、數(shù)字電視原理數(shù)字電視原理第四章第四章 圖像壓縮編碼圖像壓縮編碼信息工程系22022-7-3第四章第四章 圖像壓縮編碼圖像壓縮編碼 4.1圖像壓縮編碼概述圖像壓縮編碼概述圖像圖像壓縮編碼壓縮編碼技術(shù)是學(xué)習(xí)數(shù)字電視的重點(diǎn)內(nèi)容技術(shù)是學(xué)習(xí)數(shù)字電視的重點(diǎn)內(nèi)容1.為什么要進(jìn)行圖像壓縮？（圖像壓縮的目的）為什么要進(jìn)行圖像壓縮？（圖像壓縮的目的）一路彩色電視未經(jīng)壓縮時(shí)的數(shù)據(jù)量為：一路彩色電視未經(jīng)壓縮時(shí)的數(shù)據(jù)量為：Y 13.5MHz8bit=108Mb/sU 6.75MHz8bit=54Mb/sV 6.75MHz8bit=54Mb/s 合計(jì)合計(jì)=216Mb/s此速率已經(jīng)超過四次群的傳輸速率，相當(dāng)于此速率已經(jīng)超過

2、四次群的傳輸速率，相當(dāng)于3000多個(gè)話路多個(gè)話路圖像信號(hào)是有必要也有可能被壓縮圖像信號(hào)是有必要也有可能被壓縮信息工程系32022-7-34.1.1 圖像數(shù)據(jù)壓縮基理圖像數(shù)據(jù)壓縮基理1.圖像數(shù)據(jù)壓縮基理來(lái)自兩個(gè)方面：圖像數(shù)據(jù)壓縮基理來(lái)自兩個(gè)方面：n圖像信號(hào)中存在大量圖像信號(hào)中存在大量冗余度冗余度可供壓縮，可供壓縮，并且這種冗余度在解碼后還可并且這種冗余度在解碼后還可無(wú)失真無(wú)失真地地恢復(fù)恢復(fù)n利用人的利用人的視覺特性視覺特性，在不被主觀視覺察，在不被主觀視覺察覺的容限內(nèi)，通過減少表示信號(hào)的精度，覺的容限內(nèi)，通過減少表示信號(hào)的精度，以一定的以一定的客觀失真客觀失真換取數(shù)據(jù)壓縮。換取數(shù)據(jù)壓縮。信息工程

3、系42022-7-34.1.1 圖像數(shù)據(jù)壓縮機(jī)理圖像數(shù)據(jù)壓縮機(jī)理2.圖像信號(hào)的冗余度圖像信號(hào)的冗余度圖像信號(hào)的冗余度存在于結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)兩方面。圖像信號(hào)的冗余度存在于結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)兩方面。圖像信號(hào)的結(jié)構(gòu)冗余度圖像信號(hào)的結(jié)構(gòu)冗余度w圖像信號(hào)結(jié)構(gòu)上的冗余度表現(xiàn)為很強(qiáng)的圖像信號(hào)結(jié)構(gòu)上的冗余度表現(xiàn)為很強(qiáng)的空間空間(幀內(nèi)的幀內(nèi)的)和和時(shí)間時(shí)間(幀間的幀間的)相關(guān)性相關(guān)性幀內(nèi)相鄰點(diǎn)的相關(guān)性幀內(nèi)相鄰點(diǎn)的相關(guān)性幀間相鄰點(diǎn)的相關(guān)性幀間相鄰點(diǎn)的相關(guān)性信息工程系52022-7-34.1.1 圖像數(shù)據(jù)壓縮機(jī)理圖像數(shù)據(jù)壓縮機(jī)理n圖像信號(hào)幀內(nèi)相關(guān)性圖像信號(hào)幀內(nèi)相關(guān)性8倍倍信息工程系62022-7-34.1.1 圖像數(shù)據(jù)壓縮機(jī)理圖

4、像數(shù)據(jù)壓縮機(jī)理信號(hào)統(tǒng)計(jì)上的冗余度來(lái)源于被編碼信號(hào)概率密信號(hào)統(tǒng)計(jì)上的冗余度來(lái)源于被編碼信號(hào)概率密度分布的不均勻度分布的不均勻n預(yù)測(cè)編碼：不直接傳送圖像信號(hào)，而傳送圖象預(yù)測(cè)編碼：不直接傳送圖像信號(hào)，而傳送圖象信號(hào)之間的信號(hào)之間的差值差值。這種差值呈。這種差值呈拉普拉斯分布拉普拉斯分布。幀內(nèi)相鄰點(diǎn)的相關(guān)性幀內(nèi)相鄰點(diǎn)的相關(guān)性信息工程系72022-7-34.1.1 圖像數(shù)據(jù)壓縮機(jī)理圖像數(shù)據(jù)壓縮機(jī)理n預(yù)測(cè)編碼時(shí)，對(duì)出現(xiàn)概率高的預(yù)測(cè)誤差信號(hào)預(yù)測(cè)編碼時(shí)，對(duì)出現(xiàn)概率高的預(yù)測(cè)誤差信號(hào)(0及及小誤差小誤差) 用短碼，對(duì)概率低的大預(yù)測(cè)誤差用長(zhǎng)碼，用短碼，對(duì)概率低的大預(yù)測(cè)誤差用長(zhǎng)碼，使總的平均碼長(zhǎng)要比用固定碼長(zhǎng)編碼短很

5、多。使總的平均碼長(zhǎng)要比用固定碼長(zhǎng)編碼短很多。信息工程系82022-7-34.1.1 圖像數(shù)據(jù)壓縮機(jī)理圖像數(shù)據(jù)壓縮機(jī)理3.利用人眼的視覺特性進(jìn)行壓縮利用人眼的視覺特性進(jìn)行壓縮n人眼對(duì)圖像的人眼對(duì)圖像的細(xì)節(jié)分辨率細(xì)節(jié)分辨率、運(yùn)動(dòng)分辨率運(yùn)動(dòng)分辨率和和對(duì)比度分辨率對(duì)比度分辨率都有一定的限度都有一定的限度信息工程系92022-7-34.1.2 圖像編碼過程圖像編碼過程圖像編碼過程分三步完成圖像編碼過程分三步完成:映射：即變換一下描寫信號(hào)的方式。映射：即變換一下描寫信號(hào)的方式。目的：去除相關(guān)性，降低圖像的結(jié)構(gòu)冗目的：去除相關(guān)性，降低圖像的結(jié)構(gòu)冗余度。余度。量化：在滿足對(duì)圖像質(zhì)量一定要求的前量化：在滿足對(duì)圖

6、像質(zhì)量一定要求的前提下，減小表示信號(hào)的精度提下，減小表示信號(hào)的精度目的：利用人眼主觀視覺特性壓縮圖像目的：利用人眼主觀視覺特性壓縮圖像統(tǒng)計(jì)編碼統(tǒng)計(jì)編碼目的：消除圖像的統(tǒng)計(jì)冗余度。目的：消除圖像的統(tǒng)計(jì)冗余度。信息工程系102022-7-34.1.2 圖像編碼過程圖像編碼過程信息工程系112022-7-34.1.3 圖像編碼算法的分類圖像編碼算法的分類1.傳統(tǒng)的圖像編碼技術(shù)傳統(tǒng)的圖像編碼技術(shù) 脈碼調(diào)制脈碼調(diào)制量化法量化法空間和時(shí)間子抽樣編碼空間和時(shí)間子抽樣編碼 預(yù)測(cè)編碼預(yù)測(cè)編碼變換編碼變換編碼熵編碼熵編碼 矢量量化矢量量化 子帶編碼子帶編碼 塔型編碼塔型編碼 n 混合編碼方案混合編碼方案（MPEG

7、-1，MPEG-2） 空間和時(shí)間子抽樣空間和時(shí)間子抽樣 統(tǒng)計(jì)編碼統(tǒng)計(jì)編碼 基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償?shù)幕谶\(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償?shù)腄PCM 游程長(zhǎng)度編碼游程長(zhǎng)度編碼 二維二維DCT信息工程系122022-7-34.1.3 圖像編碼算法的分類圖像編碼算法的分類2.新一代編碼壓縮算法新一代編碼壓縮算法 模型基編碼模型基編碼 分形編碼分形編碼 小波變換編碼小波變換編碼 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼信息工程系132022-7-34.1.3 圖像編碼算法的分類圖像編碼算法的分類3.總結(jié)總結(jié)n無(wú)損壓縮無(wú)損壓縮方法僅僅刪除圖像數(shù)據(jù)中的冗方法僅僅刪除圖像數(shù)據(jù)中的冗余信息，回放壓縮文件時(shí)，能夠準(zhǔn)確無(wú)余信息，回放壓縮文件時(shí)，能夠準(zhǔn)確

8、無(wú)誤地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。它可分為兩大類誤地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。它可分為兩大類:基基于統(tǒng)計(jì)概率的方法和基于字典方法。于統(tǒng)計(jì)概率的方法和基于字典方法。n有損壓縮有損壓縮算法靠丟掉大量冗余信息來(lái)降算法靠丟掉大量冗余信息來(lái)降低數(shù)字圖像所占的空間，回放時(shí)也不能低數(shù)字圖像所占的空間，回放時(shí)也不能完整地恢復(fù)原始圖像，而將有選擇地?fù)p完整地恢復(fù)原始圖像，而將有選擇地?fù)p失一些細(xì)節(jié)，損失多少信息由需要多高失一些細(xì)節(jié)，損失多少信息由需要多高的壓縮率決定。的壓縮率決定。信息工程系142022-7-34.1.3 圖像編碼算法的分類圖像編碼算法的分類信息工程系152022-7-34.2 熵編碼熵編碼n熵編碼的熵編碼的基本原理基本原理

9、是給出現(xiàn)概率較大的符號(hào)一是給出現(xiàn)概率較大的符號(hào)一個(gè)短碼字，而給出現(xiàn)概率較小的符號(hào)一個(gè)長(zhǎng)碼個(gè)短碼字，而給出現(xiàn)概率較小的符號(hào)一個(gè)長(zhǎng)碼字字n熵編碼的目的：使得最終的熵編碼的目的：使得最終的平均碼長(zhǎng)平均碼長(zhǎng)最短最短n常用的熵編碼方法：常用的熵編碼方法：游程編碼游程編碼RLE(run-length coding)Huffman編碼編碼算術(shù)編碼算術(shù)編碼信息工程系162022-7-34.2.1 前綴碼前綴碼設(shè)有一個(gè)由設(shè)有一個(gè)由K個(gè)信源符號(hào)個(gè)信源符號(hào)(以下簡(jiǎn)稱符號(hào)以下簡(jiǎn)稱符號(hào))組成的離散、組成的離散、無(wú)記憶符號(hào)集無(wú)記憶符號(hào)集:其中每一符號(hào)通過一個(gè)二進(jìn)制碼字其中每一符號(hào)通過一個(gè)二進(jìn)制碼字(代碼代碼)表示，但字長(zhǎng)

10、表示，但字長(zhǎng)不等。各符號(hào)出現(xiàn)的概率分別為不等。各符號(hào)出現(xiàn)的概率分別為:若符號(hào)若符號(hào) 以個(gè)以個(gè) 碼元碼元(位位)編碼，則在變字長(zhǎng)編碼時(shí)編編碼，則在變字長(zhǎng)編碼時(shí)編碼每個(gè)符號(hào)的平均碼長(zhǎng)為碼每個(gè)符號(hào)的平均碼長(zhǎng)為 ,21Kkaaaa)(,),(,),(),(21KkapapapapKkkkmapm1)(kakm信息工程系172022-7-34.2.1 前綴碼前綴碼n編碼要求：編碼要求：編碼必須是單譯和可逆的編碼必須是單譯和可逆的編碼的平均碼長(zhǎng)最短編碼的平均碼長(zhǎng)最短 碼碼III是前綴碼是前綴碼:0111100可以唯一地解碼為可以唯一地解碼為a1a4a2a1信息工程系182022-7-34.2.1 前綴碼前

11、綴碼n前綴碼的定義前綴碼的定義:在碼表中沒有碼字與任何一個(gè)比它長(zhǎng)的碼字的前綴在碼表中沒有碼字與任何一個(gè)比它長(zhǎng)的碼字的前綴(碼碼頭頭)相同，即不存在能在短碼字后面續(xù)加若干碼元構(gòu)成相同，即不存在能在短碼字后面續(xù)加若干碼元構(gòu)成的長(zhǎng)碼字，所以前綴碼又稱非續(xù)長(zhǎng)碼。的長(zhǎng)碼字，所以前綴碼又稱非續(xù)長(zhǎng)碼。前綴碼的碼樹前綴碼的碼樹:根010101第一節(jié)點(diǎn)第二節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)端點(diǎn)a1a2a3a4010110111信息工程系192022-7-34.2.2離散無(wú)記憶信源的信息量離散無(wú)記憶信源的信息量n離散無(wú)記憶信源離散無(wú)記憶信源離散：信源產(chǎn)生信號(hào)是不連續(xù)的，某一時(shí)刻離散：信源產(chǎn)生信號(hào)是不連續(xù)的，某一時(shí)刻只產(chǎn)生一個(gè)符號(hào)只產(chǎn)生一個(gè)

12、符號(hào)無(wú)記憶：某符號(hào)在某時(shí)刻出現(xiàn)的概率與在此無(wú)記憶：某符號(hào)在某時(shí)刻出現(xiàn)的概率與在此之前信源的狀態(tài)無(wú)關(guān)之前信源的狀態(tài)無(wú)關(guān) n符號(hào)符號(hào)ak的信息量的信息量I(ak)： 單位為單位為bit p(ak)為為ak出現(xiàn)的概率出現(xiàn)的概率)(log)(2kkapaI信息工程系202022-7-34.2.2離散無(wú)記憶信源的信息量離散無(wú)記憶信源的信息量n一個(gè)離散、無(wú)記憶信源產(chǎn)生的一個(gè)符號(hào)的平均一個(gè)離散、無(wú)記憶信源產(chǎn)生的一個(gè)符號(hào)的平均信息量信息量 H(U)被稱做信源的被稱做信源的熵熵 KkKkkkkkapapaIapUH112)(log)()()()(信息工程系212022-7-34.2.3無(wú)失真信源編碼定理無(wú)失真信

13、源編碼定理n無(wú)失真信源編碼定理：無(wú)失真信源編碼定理：設(shè)單符號(hào)、離散、無(wú)記憶信源的熵為設(shè)單符號(hào)、離散、無(wú)記憶信源的熵為H(U)，若，若用二進(jìn)制碼對(duì)其作變字長(zhǎng)、非續(xù)長(zhǎng)編碼，一定用二進(jìn)制碼對(duì)其作變字長(zhǎng)、非續(xù)長(zhǎng)編碼，一定可以找到一種編碼方式，其平均碼長(zhǎng)滿足：可以找到一種編碼方式，其平均碼長(zhǎng)滿足：H(U) H(U)+1即：如果符號(hào)即：如果符號(hào)ak用等于其信息量的碼長(zhǎng)編碼用等于其信息量的碼長(zhǎng)編碼則可以使平均碼長(zhǎng)達(dá)到其下限則可以使平均碼長(zhǎng)達(dá)到其下限-熵熵 m)(log2kkapmKkkkKkkkUHapapmapm121)()(log)()(信息工程系222022-7-34.2.4 Hufman碼碼nHuf

14、fman碼是冗余度最小碼是冗余度最小(平均碼長(zhǎng)平均碼長(zhǎng) 最小最小)的編碼的編碼ma1a2a3a4a5a60.250.250.200.150.100.50.250.250.200.150.150.300.250.250.200.450.300.250.550.451100100111110111000000011111信息工程系232022-7-34.2.4 Hufman碼碼對(duì)于圖對(duì)于圖4.2.2中所給的例子，計(jì)算中所給的例子，計(jì)算 平均碼長(zhǎng)平均碼長(zhǎng) = 2. 45bit/符號(hào)符號(hào) 熵熵 H(U) = 2.42bit/符號(hào)符號(hào)經(jīng)經(jīng)Huffman編碼后，剩余的冗余度編碼后，剩余的冗余度 = 0.03bit/符號(hào)符號(hào)m)(UHmRH信息工程系242022-7-