【大學(xué)課件】圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)

圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)歡迎來到圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)課程。本課程將介紹圖像和視頻壓縮的基本原理、常用算法和主要標(biāo)準(zhǔn)。什么是圖像壓縮1定義圖像壓縮是減少數(shù)字圖像所需存儲(chǔ)空間的過程。2原理通過去除冗余信息和不重要細(xì)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。3目標(biāo)在保持可接受圖像質(zhì)量的同時(shí)，最小化文件大小。圖像壓縮的目的和應(yīng)用節(jié)省存儲(chǔ)空間減少圖像文件大小，提高存儲(chǔ)效率。加快傳輸速度縮短網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，提升用戶體驗(yàn)。移動(dòng)設(shè)備優(yōu)化適應(yīng)移動(dòng)設(shè)備有限的存儲(chǔ)和帶寬。無損壓縮和有損壓縮無損壓縮保留所有原始數(shù)據(jù)，可完全恢復(fù)。適用于文本和醫(yī)學(xué)圖像。有損壓縮刪除部分?jǐn)?shù)據(jù)，無法完全恢復(fù)。適用于照片和視頻，可達(dá)到更高壓縮比。無損壓縮算法游程編碼壓縮連續(xù)重復(fù)的數(shù)據(jù)。熵編碼基于數(shù)據(jù)概率分布進(jìn)行編碼。字典編碼用短碼替換重復(fù)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模式。游程編碼(Run-LengthEncoding,RLE)1原理用"值+重復(fù)次數(shù)"替代連續(xù)重復(fù)的數(shù)據(jù)。2示例"AAAABBBCCC"編碼為"4A3B3C"。3應(yīng)用適用于簡(jiǎn)單圖形和圖標(biāo)，如傳真圖像。熵編碼定義基于數(shù)據(jù)出現(xiàn)概率進(jìn)行編碼的方法。原理頻繁出現(xiàn)的符號(hào)用短碼表示，罕見符號(hào)用長(zhǎng)碼表示。效果減少整體數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)壓縮。哈夫曼編碼1構(gòu)建哈夫曼樹2分配二進(jìn)制碼3編碼數(shù)據(jù)4解碼數(shù)據(jù)哈夫曼編碼是一種常用的熵編碼方法，通過構(gòu)建二叉樹來分配變長(zhǎng)編碼。算術(shù)編碼1初始化區(qū)間2細(xì)分區(qū)間3選擇子區(qū)間4輸出編碼算術(shù)編碼將整個(gè)消息編碼為區(qū)間內(nèi)的一個(gè)數(shù)，通常比哈夫曼編碼更有效。有損壓縮算法量化減少數(shù)據(jù)精度，如顏色深度降低。變換編碼將圖像轉(zhuǎn)換到頻域，如DCT變換。預(yù)測(cè)編碼編碼像素值與預(yù)測(cè)值的差異。量化(Quantization)1定義級(jí)別確定量化的精度級(jí)別。2映射值將原始值映射到最近的量化級(jí)別。3編碼使用較少的位數(shù)表示量化后的值。4解碼解碼時(shí)，使用量化級(jí)別的中心值近似原始值。變換編碼空間域到頻域?qū)D像從空間域轉(zhuǎn)換到頻域，集中能量到少數(shù)系數(shù)。常用變換離散余弦變換(DCT)、離散小波變換(DWT)等。離散余弦變換(DCT)原理將圖像分解為不同頻率的余弦函數(shù)。特點(diǎn)能量集中在低頻區(qū)域，便于壓縮。應(yīng)用JPEG標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)。JPEG標(biāo)準(zhǔn)1發(fā)布1992年由聯(lián)合圖像專家組(JPEG)制定。2特點(diǎn)基于DCT的有損壓縮，支持可調(diào)壓縮比。3應(yīng)用廣泛用于數(shù)碼相機(jī)、網(wǎng)絡(luò)圖像等。JPEG編碼流程顏色空間轉(zhuǎn)換RGB轉(zhuǎn)YCbCrDCT變換8x8塊DCT量化頻率系數(shù)量化熵編碼Huffman或算術(shù)編碼JPEG量化和熵編碼量化使用量化表對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化，丟棄高頻信息。熵編碼對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行zigzag掃描，然后進(jìn)行熵編碼。JPEG文件格式文件頭包含JPEG標(biāo)識(shí)符和文件信息。量化表存儲(chǔ)用于解碼的量化矩陣。Huffman表包含用于解碼的Huffman編碼表。壓縮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)際的壓縮圖像數(shù)據(jù)。小結(jié):JPEG的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)高壓縮比廣泛支持可調(diào)壓縮級(jí)別缺點(diǎn)有損壓縮不適合文本圖像高壓縮時(shí)出現(xiàn)塊狀偽影視頻壓縮算法空間冗余利用幀內(nèi)像素相關(guān)性。時(shí)間冗余利用幀間相似性。編碼冗余利用統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行編碼。幀間編碼1原理利用相鄰幀之間的相似性進(jìn)行壓縮。2方法編碼當(dāng)前幀與參考幀之間的差異。3優(yōu)勢(shì)大幅減少數(shù)據(jù)量，提高壓縮效率。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)估計(jì)尋找當(dāng)前塊在參考幀中的最佳匹配。運(yùn)動(dòng)向量記錄最佳匹配塊的位置偏移。殘差編碼編碼預(yù)測(cè)塊與實(shí)際塊的差異。H.26x標(biāo)準(zhǔn)1H.2611988年，用于視頻會(huì)議。2H.2631995年，改進(jìn)低比特率性能。3H.264/AVC2003年，大幅提高壓縮效率。4H.265/HEVC2013年，進(jìn)一步提高壓縮率。MPEG標(biāo)準(zhǔn)定義運(yùn)動(dòng)圖像專家組(MPEG)制定的一系列視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。特點(diǎn)結(jié)合了圖像壓縮和音頻壓縮技術(shù)。應(yīng)用廣泛用于數(shù)字電視、DVD、流媒體等領(lǐng)域。MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4MPEG-11993年，用于VCD，比特率1.5Mbps。MPEG-21995年，用于DVD和數(shù)字電視，支持高分辨率。MPEG-41998年，支持低比特率，適用于流媒體和移動(dòng)設(shè)備。幀類型:I幀、P幀和B幀I幀幀內(nèi)編碼，獨(dú)立解碼的關(guān)鍵幀。P幀前向預(yù)測(cè)幀，依賴前面的I幀或P幀。B幀雙向預(yù)測(cè)幀，依賴前后的I幀或P幀。視頻編碼性能評(píng)估1壓縮比壓縮前后文件大小的比值。2比特率每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。3質(zhì)量評(píng)估包括客觀指標(biāo)和主觀指標(biāo)。4編碼速度實(shí)時(shí)性能的重要指標(biāo)。客觀指標(biāo):PSNR定義峰值信噪比，衡量重建圖像與原始圖像的相似度。計(jì)算基于均方誤差(MSE)計(jì)算。單位分貝(dB)，值越高表示質(zhì)量越好。主觀指標(biāo):MOS1定義評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)2選擇測(cè)試者3進(jìn)行主觀評(píng)測(cè)4統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果平均意見分?jǐn)?shù)(MOS)是一種常用的主觀質(zhì)量評(píng)估方法，通過人眼直接評(píng)價(jià)視頻質(zhì)量。視頻編碼未來發(fā)展趨勢(shì)更高效率追求更高的壓縮比。智能編碼利用AI技術(shù)優(yōu)化編碼。低延遲