圖像編碼課件

1、第3章圖像編碼 3.1 圖像編碼基礎(chǔ)3.2 信息論基礎(chǔ)與熵編碼3.3 預(yù)測編碼3.4 變換編碼3.1 圖像編碼基礎(chǔ) 3.1.1 圖像壓縮編碼的必要性3.1.2 圖像壓縮編碼的可能性3.1.3 圖像壓縮編碼的分類3.1.4 圖像壓縮編碼的評價(jià)3.1.1 圖像壓縮編碼的必要性 圖像編碼與壓縮從本質(zhì)上來說就是對要處理的圖像源數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則進(jìn)行變換和組合，從而達(dá)到以盡可能少的代碼（符號）來表示盡可能多的數(shù)據(jù)信息。 壓縮通過編碼來實(shí)現(xiàn)，或者說編碼帶來壓縮的效果，所以一般把此項(xiàng)處理稱為壓縮編碼。3.1.3 圖像壓縮編碼的分類 圖像編碼壓縮的方法目前有很多，其分類方法根據(jù)出發(fā)點(diǎn)不同而有差異。 （1）根據(jù)解

2、壓重建后的圖像和原始圖像之間是否有誤差，圖像編碼壓縮分為無損（亦稱無失真、無誤差、信息保持型）編碼和有損（有失真、有誤差、信息非保持型）編碼兩大類。 （2）根據(jù)編碼原理，圖像壓縮編碼分為熵編碼、預(yù)測編碼、變換編碼和混合編碼等。 （3）根據(jù)圖像的光譜特征，圖像壓縮編碼分為單色圖像編碼、彩色圖像編碼和多光譜圖像編碼。 （4）根據(jù)圖像的灰度，圖像壓縮編碼分為多灰度編碼和二值圖像編碼。3.1.4 圖像壓縮編碼的評價(jià) 對于圖像編碼的質(zhì)量評價(jià)主要體現(xiàn)在基于壓縮編碼參數(shù)的評價(jià)、基于保真度（逼真度）標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)、算法的適用范圍、算法的復(fù)雜度4個(gè)方面。1基于壓縮編碼參數(shù)的評價(jià)（1）信息量、圖像的熵與平均碼字長度（

3、3）壓縮比 常用的準(zhǔn)則可分為兩大類：客觀保真準(zhǔn)則和主觀保真準(zhǔn)則。2基于保真度（逼真度）準(zhǔn)則的評價(jià)（1）客觀保真度準(zhǔn)則表3-2分組優(yōu)度標(biāo)準(zhǔn)序 號評 估 結(jié) 果組內(nèi)最好比本組中等好比本組中等稍好本組中等比本組中等稍差比本組中等差組內(nèi)最差 特定的圖像編碼算法具有相應(yīng)的適用范圍，并不對所有的圖像都有效。 一般來說，大多數(shù)基于圖像信息統(tǒng)計(jì)特性的壓縮算法具有較廣的適用范圍，而一些特定的編碼算法的適用范圍較窄。 3算法的適用范圍3.2 信息論基礎(chǔ)與熵編碼 3.2.1 赫夫曼編碼3.2.2 香農(nóng)編碼3.2.3 算術(shù)編碼3.2.4 行程編碼 3.2.1 赫夫曼編碼 赫夫曼（Huffman）編碼是1952年提出的

4、，是一種比較經(jīng)典的信息無損熵編碼，該編碼依據(jù)變長最佳編碼定理，應(yīng)用Huffman算法而產(chǎn)生。 Huffman編碼是一種基于統(tǒng)計(jì)的無損編碼。 設(shè)信源的信源空間為 從Huffman算法可以看出，Huffman編碼具有如下特點(diǎn)。 （1）Huffman編碼構(gòu)造程序是明確的，但編出的碼不是唯一的。 （2）Huffman編碼結(jié)果碼字不等長。 （3）Huffman編碼的信源概率是2的負(fù)冪時(shí)，效率達(dá)100%；但是對等概率分布的信源卻產(chǎn)生定長碼，效率最低。 （4）Huffman編碼只能用近似的整數(shù)而不是理想的小數(shù)來表示單個(gè)符號，這也是Huffman編碼無法達(dá)到最理想的壓縮效果的原因。3.2.2 香農(nóng)編碼 算術(shù)編

5、碼具有以下特點(diǎn)。 （1）由于實(shí)際的計(jì)算機(jī)的精度不可能無限長，因此運(yùn)算中會(huì)出現(xiàn)溢出問題。 （2）算術(shù)編碼器對整個(gè)消息只產(chǎn)生一個(gè)碼字，這個(gè)碼字是在之間的一個(gè)實(shí)數(shù)，因此譯碼器必須在接收到這個(gè)實(shí)數(shù)后才能譯碼。3.2.4 行程編碼行程編碼（Run Length Encoding，RLE）是一種利用空間冗余度壓縮圖像的方法，對某些相同灰度級成片連續(xù)出現(xiàn)的圖像，行程編碼也是一種高效的編碼方法，特別是對二值圖像，效果尤為顯著。圖3-6 一行圖像的行程編碼圖3.3 預(yù)測編碼 3.3.1 DPCM原理3.3.2 最佳線性預(yù)測編碼3.3.3 自適應(yīng)預(yù)測編碼 3.3.1 DPCM原理1差值圖像的統(tǒng)計(jì)特性 由圖像的統(tǒng)計(jì)

6、特性可知，相鄰像素之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，即相鄰像素的灰度值相同或相近，因此，某像素的值可根據(jù)以前已知的幾個(gè)像素值來估計(jì)、猜測。 預(yù)測編碼的基本思想是通過僅提取每個(gè)像素中的新信息并對它們編碼來消除像素間的冗余，這里一個(gè)像素的新信息定義為該像素的當(dāng)前或現(xiàn)實(shí)值與預(yù)測值的差，即如果已知圖像一個(gè)像素離散幅度的真實(shí)值，利用其相鄰像素的相關(guān)性，預(yù)測它的可能數(shù)值，再求兩者差；或者說利用這種具有預(yù)測性質(zhì)的差值，再量化、編碼傳輸，其效果更佳，這一方法就稱為DPCM法。 2預(yù)測編碼的基本原理圖3-10 DPCM系統(tǒng)原理框圖3預(yù)測編碼的類型圖3-11 二維預(yù)測示意圖3.3.2 最佳線性預(yù)測編碼3.3.3 自適應(yīng)預(yù)測編碼

7、 線性預(yù)測編碼忽略了像素的個(gè)性，它存在以下缺點(diǎn)，從而影響圖像質(zhì)量。 對灰度有突變的地方，會(huì)有較大的預(yù)測誤差，致使重建圖像的邊緣模糊，分辨率降低。 對灰度變化緩慢區(qū)域，其差值信號應(yīng)為零，但因其預(yù)測值偏大而使重構(gòu)圖像有顆粒噪聲。3.4 變換編碼 3.4.1 變換選擇3.4.2 子圖像尺寸選擇3.4.3 比特分配3.4.4 DCT編碼的MATLAB示例 圖3-13是一個(gè)典型的變換編碼系統(tǒng)。 編碼器執(zhí)行4個(gè)步驟：子圖像分割、變換、量化和編碼。圖3-13 變換編碼系統(tǒng) 從圖3-13可見，變換編碼并不是一次對整幅圖像進(jìn)行變換和編碼，而是將圖像分成（常用的為8或16）個(gè)子圖像后分別處理。 這是因?yàn)椋?（1）

8、小塊圖像的變換計(jì)算容易。 （2）距離較遠(yuǎn)的像素之間的相關(guān)性比距離近的像素之間的相關(guān)性小。3.4.1 變換選擇 傅立葉變換僅次于最佳變換。 而且可以證明它漸進(jìn)地等價(jià)于KL變換。 當(dāng)趨向無窮大時(shí)，傅立葉變換系數(shù)趨于非相關(guān)。 也就是說，如果圖像尺寸大于像素之間的相關(guān)距離，則傅立葉變換的壓縮性能與KL變換將沒有多大差別。1基于FFT的圖像壓縮技術(shù)（1）blkproc函數(shù)。 它能夠?qū)D像塊排列成向量，其語法格式為： b=im2col(a, m n, block_type) 其功能是將圖像a的每一個(gè)mn塊轉(zhuǎn)換成一列，重新組合成矩陣b。 block_type指定排列的方式，當(dāng)block_type為disti

9、nct時(shí)，圖像塊不重疊；當(dāng)block_type為sliding時(shí)，圖像塊滑動(dòng)。（2）im2col函數(shù)。 它用于將向量重新排列成圖像塊，其語法格式為： b=col2im(a, m n,mm nn, block_type) 其功能是將圖像a的每一列重新排列成mn的圖像塊。 block_type指定排列的方式，當(dāng)block_type為distinct時(shí)，圖像塊不重疊；當(dāng)block_type為sliding時(shí)，圖像塊滑動(dòng)，并用這些圖像塊組合成mmnn圖像。（3）col2im函數(shù)。 它用于計(jì)算圖像x的二維快速傅立葉變換，輸出矩陣的大小與其輸入的圖像x相同。（5）ifft2(x)函數(shù)。 它用于計(jì)算圖像x的

10、二維快速傅立葉逆變換。（4）fft2(x)函數(shù)。 圖像的DCT（離散余弦變換）。 DCT具有把高度相關(guān)數(shù)據(jù)能量集中的能力，這一點(diǎn)和傅立葉變換相似，但DCT得到的變換系數(shù)是實(shí)數(shù)，因此廣泛應(yīng)用于圖像壓縮。2基于DCT的圖像壓縮技術(shù)3基于哈達(dá)瑪變換的圖像壓縮技術(shù)3.4.2 子圖像尺寸選擇 實(shí)踐證明，子圖像尺寸取4像素4像素、8像素8像素、16像素16像素適合圖像的壓縮，這是因?yàn)椋?（1）如果子圖像尺寸取得太小，雖然計(jì)算速度快，實(shí)現(xiàn)簡單，但壓縮能力有限。 （2）如果子圖像尺寸取得太大，雖然去相關(guān)效果好（因?yàn)镈FT、DCT等正弦類變換均漸近最佳性，但也漸趨飽和），但由于圖像本身的相關(guān)性很小，反而使其壓縮效果不明顯，而且增加了計(jì)算的復(fù)雜性。3.4.3 比特分配 在大多數(shù)變換編碼中，選擇要保留的系數(shù)時(shí)有以下2種方法。 （1）根據(jù)最大方差進(jìn)行選擇，稱為區(qū)域編碼。 （2）根據(jù)最大值的量級選擇，稱為閾值編碼。 對變