第11章 圖像壓縮與編碼.ppt

1、1,圖像編碼與壓縮,研究課題 在保證一定圖像質(zhì)量的前提下，采取某種編碼方式，以盡量減少圖像的比特?cái)?shù),2,主要內(nèi)容,圖像編碼壓縮引言 游程長(zhǎng)度編碼 統(tǒng)計(jì)編碼 哈夫曼編碼 香農(nóng)編碼 預(yù)測(cè)編碼 變換編碼 靜止圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG,3,1 引言,圖像編碼壓縮的必要性 圖像編碼壓縮的可能性 圖像編碼壓縮的分類(lèi) 圖像編碼壓縮的評(píng)價(jià) 客觀評(píng)價(jià)體系 主觀評(píng)價(jià)體系,4,圖像數(shù)據(jù)的特點(diǎn),5,圖像編碼壓縮的必要性,中(低)等質(zhì)量圖像: 640 x480 x16bits = 5Mb /幀 中(高)等質(zhì)量圖像: 1024x768x24bits = 18Mb /幀 CCIR 601數(shù)字電視: 720 x576x16b

2、itsx25 = 158Mb /s 高清晰度數(shù)字電視: 1280 x720 x24bitsx50= 1.05Gb/s,6,圖像編碼壓縮的必要性,存儲(chǔ)：硬盤(pán) 傳輸 PC機(jī)系統(tǒng)總線：5MB/s（ISA），133MB/s（PCI） CD-ROM 讀出速率：40 x 150KB/s = 6MB/s ETHERNET 傳輸速率：10100Mb1Gb/s 普通電話接入速率：28.8 , 33.3 , 56 Kb/s ADSL速率：512kb2Mb/s FTTH速率：10 2Mb/s,7,圖像編碼壓縮的必要性,圖像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是信息量大。 不經(jīng)過(guò)壓縮編碼，大容量的圖像信息無(wú)法存儲(chǔ)與傳輸。 壓縮編碼的目的： 節(jié)

3、省圖象存儲(chǔ)容量； 減少傳輸信道容量； 縮短圖象加工處理時(shí)間。,8,圖像編碼壓縮的可能性,圖像信息存在很大的冗余度，數(shù)據(jù)之間存在相關(guān)性。 空間相關(guān)性 時(shí)間相關(guān)性 由于人眼是圖像信息的接收端，所以可以利用視覺(jué)對(duì)于邊緣急劇變化不敏感、以及對(duì)圖像的亮度信息敏感、對(duì)顏色分辨率弱等特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的高壓縮比,9,圖像編碼壓縮的分類(lèi),從編碼前后有效信息保持情況分類(lèi)： 無(wú)損壓縮法：哈夫曼編碼、香農(nóng)編碼 有損壓縮法：熵編碼 從具體編碼技術(shù)來(lái)考慮： 預(yù)測(cè)編碼； 變換編碼； 統(tǒng)計(jì)編碼； 輪廓編碼； 模型編碼,10,圖像編碼壓縮的評(píng)價(jià),客觀評(píng)價(jià) 計(jì)算一組與位數(shù)據(jù)流有關(guān)的技術(shù)參數(shù)，以考察編碼的效率與保真度 主觀評(píng)價(jià) 以

4、視覺(jué)生理為基礎(chǔ)，邀請(qǐng)專業(yè)和非專業(yè)人員2030人，對(duì)壓縮圖像進(jìn)行打分、劃分等級(jí),11,客觀評(píng)價(jià)體系,設(shè)圖像灰度級(jí)集合為,其對(duì)應(yīng)的概率分別為,圖像熵定義為：(比特/字符）,圖像熵表示圖像灰度級(jí)集合的比特?cái)?shù)均值，即圖像信息源的平均信息量。,平均碼字長(zhǎng)度為：,12,舉例,假設(shè)一幅圖像有7個(gè)灰度級(jí)： a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7 它們出現(xiàn)的概率是: 0.2, 0.19, 0.18, 0.17, 0.15, 0.1, 0.01 則：,圖像熵-0.2log2(0.2) -0.19log2(0.19) -0.18log2(0.18) -0.17log2(0.17) -0.15log2(

5、0.15) -0.1log2(0.1) -0.01log2(0.01) 2.61,如果每一個(gè)灰度級(jí)使用3個(gè)二進(jìn)位表示，則： 平均碼子長(zhǎng)度 3,13,客觀評(píng)價(jià)體系,編碼效率:,編碼效率為100%為最佳,壓縮比衡量數(shù)據(jù)壓縮程度的指標(biāo)之一,分別為源代碼長(zhǎng)度與壓縮后代碼長(zhǎng)度,14,客觀評(píng)價(jià)體系,15,主觀評(píng)價(jià)法(MOS),受評(píng)價(jià)者的經(jīng)驗(yàn)、愛(ài)好、觀察圖像的內(nèi)容、觀察條件等影響,16,2 游程長(zhǎng)度編碼 (RLC),思想：檢測(cè)符號(hào)序列中連續(xù)重復(fù)出現(xiàn)的符號(hào)，并使用其長(zhǎng)度（run length）進(jìn)行表示。 例：壓縮前28位： 0 0 0 3 3 7 7 7 7 0 0 0 0 0 0 0 0 5 6 6 6 6

6、 6 0 0 0 0 0 壓縮后14位： 3 0 2 3 4 7 8 0 1 5 5 6 5 0 分析：僅僅在游程長(zhǎng)度3時(shí)才有效益 1 2 3 4 5 6 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 1 2 2 3 3 4 4 5 52 1 2 2 2 3 2 4 2 5,17,RLC的應(yīng)用,適用于：二值圖像的編碼，如 000011001111100011100000 4225335 黑白文稿 工程圖紙 傳真機(jī)（FAX） RLCHuffman,18,RLC的分析,方法直觀，簡(jiǎn)單，速度快。 是一種無(wú)損壓縮技術(shù)。 壓縮比取決于圖像本身的特點(diǎn)： 如果圖像中具有相同顏色的圖像塊越大，且圖像塊數(shù)

7、目越少，獲得的壓縮比就越高。反之，壓縮比就越小。 特別適合于掃描產(chǎn)生的黑白文稿和工程圖紙，對(duì)顏色豐富的自然圖像效果較差。 不僅用于圖像數(shù)據(jù)的壓縮，也可應(yīng)用于其他數(shù)字媒體的壓縮。,19,3 統(tǒng)計(jì)編碼,基本原理 哈夫曼編碼 香農(nóng)編碼,20,基本原理,21,哈夫曼編碼,原理 出現(xiàn)概率大的符號(hào)用短字長(zhǎng)碼，出現(xiàn)概率小的符號(hào)用長(zhǎng)碼，碼字長(zhǎng)度與概率嚴(yán)格逆序排列，即可獲得“最佳碼”。 過(guò)程,22,哈夫曼編碼過(guò)程,（1） 首先統(tǒng)計(jì)信源中各符號(hào)出現(xiàn)的概率， 按符號(hào)出現(xiàn)的概率從大到小排序。 （2） 把最小的兩個(gè)概率相加合并成新的概率， 與剩余的概率組成新的概率集合。 （3）對(duì)新的概率集合重新排序， 再次把其中最小的

8、兩個(gè)概率相加， 組成新的概率集合。如此重復(fù)進(jìn)行， 直到最后兩個(gè)概率的和為1。 （4） 分配碼字。碼字分配從最后一步開(kāi)始反向進(jìn)行， 對(duì)于每次相加的兩個(gè)概率，給大的賦“0”， 小的賦“1”,23,Huffman 編碼舉例,例：設(shè)有7個(gè)符號(hào)： a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7 出現(xiàn)的概率是: 0.2, 0.19, 0.18, 0.17, 0.15, 0.1, 0.01,a1 10,a2 11,a3 000,a4 001,a5 010,a6 0110,a7 0111,24,兩種Huffman 編碼的比較,例：設(shè)有5個(gè)符號(hào)： a1, a2, a3, a4, a5, 出現(xiàn)的概率是: 0

9、.4, 0.2, 0.2, 0.1, 0.1,25,哈夫曼編碼,26,哈夫曼編碼,27,香農(nóng)編碼,類(lèi)似于哈夫曼編碼 編碼過(guò)程 首先統(tǒng)計(jì)出每個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率； 從左到右對(duì)上述概率從大到小排序； 從這個(gè)概率集合中的某個(gè)位置將其分為兩個(gè)子集合，并盡量使兩個(gè)子集合的概率和近似相等，給前面一個(gè)子集合賦值為0， 后面一個(gè)子集合賦值為1； 重復(fù)步驟3，直到各個(gè)子集合中只有一個(gè)元素為止； 將每個(gè)元素所屬的子集合的值依次串起來(lái)，即可得到各個(gè)元素的香農(nóng)-范諾編碼。,28,Shannon-Fano編碼舉例,29,4 預(yù)測(cè)編碼,原理: 1 利用相鄰象素之間的相關(guān)性進(jìn)行預(yù)測(cè)： 預(yù)測(cè)值=a1*A+a2*B+a3*C 2

10、計(jì)算預(yù)測(cè)誤差，預(yù)測(cè)誤差當(dāng)前象素?cái)?shù)值預(yù)測(cè)值 3 對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行編碼,30,預(yù)測(cè)編碼,31,預(yù)測(cè)編碼,32,5 變換編碼,基本原理 正交變換 88圖像的DCT變換 基于DCT的變換編碼,33,基本原理,原始圖象從空間域（圖象）變換到頻率域，使得信號(hào)中最重要的部分(例如包含最大能量的一些系數(shù))在變換域中易于識(shí)別，并集中出現(xiàn)，從而可以重點(diǎn)處理；使能量較少的部分可以進(jìn)行粗略的處理。 圖像的大部分信息都是低頻信號(hào)；高頻信號(hào)人眼不太敏感，因此可以區(qū)別對(duì)待，達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的。 設(shè): 原始圖象為X, 變換矩陣為T(mén), 則: Y = T * X, Y就是變換后的圖象. 變換編碼是一種有失真的編碼，常用的有DCT、

11、K-L等。,34,舉例,35,正交變換,36,正交變換,37,88圖像的DCT變換,38,88圖像的DCT變換,39,DCT變換舉例,原始圖像塊 f(i, j),頻域圖像塊 F(u,v),40,實(shí)例,41,基于DCT的變換編碼,42,比較,43,6 靜止圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG,引言 JPEG無(wú)損編碼模式 基于DCT的順序編碼 基于DCT的累進(jìn)編碼 基于DCT的層次編碼,44,引言,JPEG應(yīng)滿足下列需求： 可處理各種連續(xù)色調(diào)的彩色（黑白）圖象 算法先進(jìn)，圖象質(zhì)量可達(dá)“very good /excellent” 壓縮比及圖象質(zhì)量可選擇（控制） （以CCIR601型測(cè)試圖像為例，JPEG算法能達(dá)

12、到的典型壓縮比率為24:1,幾乎沒(méi)有視覺(jué)效果上的差異） 復(fù)雜度適中（軟件方面，不到1000行的程序即可實(shí)現(xiàn)基本系統(tǒng)；硬件方面，專用芯片能實(shí)現(xiàn)JPEG算法） 算法是完全對(duì)稱的,45,引言,46,JPEG無(wú)損編碼模式,效果 無(wú)失真 壓縮比為23倍 8種預(yù)測(cè)公式適用于不同類(lèi)型圖象,47,JPEG無(wú)損編碼模式,預(yù)測(cè)值=A*Xa+B*Xb+C*Xc Mode ABC 0 00 0 1 10 0 2 01 0 3 00 1 4 11-1 5 10.5-0.5 6 0.51-0.5 7 00.5 0,48,基于DCT的順序編碼,49,預(yù)處理和FDCT,把每個(gè)圖象分量均劃分為若干8*8的子塊 將RGB顏色空間

13、轉(zhuǎn)換為YCbCr空間 多個(gè)圖象分量(彩色圖象)可以有2種處理方式: interleaved non interleaved 變換前, 需對(duì)象素值進(jìn)行電平偏移,即 0, 2P-1 - 2P-1 , 2P-1 -1 ( p= 8 or 12 ) 變換后, 得到的F(u,v)其動(dòng)態(tài)范圍是: - 2P+2 -1 , 2P+2 -1,50,DCT系數(shù)的量化,量化表 16 11 10 16 24 40 51 61 17 18 24 47 99 99 99 99 12 12 14 19 26 58 60 55 18 21 26 66 99 99 99 99 14 13 16 24 40 57 69 56 2

14、4 26 56 99 99 99 99 99 14 17 22 29 51 87 80 62 47 66 99 99 99 99 99 99 18 22 37 56 68 109 103 77 99 99 99 99 99 99 99 99 24 35 55 64 81 104 113 92 99 99 99 99 99 99 99 99 49 64 78 87 103 121 120 101 99 99 99 99 99 99 99 99 72 92 95 98 112 100 103 99 99 99 99 99 99 99 99 99,量化處理 F(u,v) / Q(u,v) +0.5

15、當(dāng)F(u,v) = 0 F(u,v) / Q(u,v) - 0.5 當(dāng)F(u,v) 0 (其中, Qu,v = (Q/50)*Vu,v , Q越小，CR越低，圖像質(zhì)量越好),51,FDCT的例子,源圖像樣本,FDCT系數(shù),量化后的系數(shù),52,直流系數(shù)DCi的處理,FQ(0,0)是子圖象塊的直流系數(shù),一幅圖象的所有直流系數(shù)使用DPCM編碼, 即: DCi = DCi+1 - DCi,53,交流系數(shù)AC的處理,將FQ(u,v)按“Z”字形排成一個(gè)一維數(shù)組 ZZ(1.63)：,54,交（直）流系數(shù)的VLI編碼,對(duì)ZZ(1.63)中的“0”進(jìn)行游程編碼,從而產(chǎn)生如下一串符號(hào)對(duì)：,55,符號(hào)1的哈夫曼編

16、碼,直流系數(shù)符號(hào)1的Huffman碼表 亮度分量 色度分量 SSSS 碼長(zhǎng) 代碼 碼長(zhǎng) 代碼 0 2 00 2 00 1 3 010 2 01 2 3 011 2 10 3 3 100 3 110 4 3 101 4 1110 5 3 110 5 11110 6 4 1110 6 111110 7 5 11110 7 1111110 8 6 111110 8 11111110 9 7 1111110 9 111111110 10 8 11111110 10 1111111110 11 9 111111110 11 11111111110 交流系數(shù)符號(hào)1的Huffman碼表（略）,56,JPEG壓縮編碼過(guò)程圖解,57,4x4子圖像塊編碼實(shí)例,58,4x4子圖像塊編碼實(shí)例,59,Examples,60,基于DCT的累進(jìn)編碼,61,累進(jìn)編碼實(shí)例,62,基于DCT的層次編碼,目的:高分辨率圖像在任意分辨率設(shè)備上輸出(scalable). 算法： 1.把原始圖象分辨率逐級(jí)降低(subsampling)，得到一組分辨率由低到高的圖象; 2.把分辨率最低的圖象進(jìn)行JPEG壓縮編碼; 3.解碼，重建該圖象。然后用插值方法提高其分辨率，作為高一級(jí)分辨率原始圖象的預(yù)測(cè)圖象; 4.求出預(yù)測(cè)圖象與相