1、第六章 图像编码与压缩6.1 概述概述6.2 图像保真度准则图像保真度准则6.3 图像编码的基本知识图像编码的基本知识6.4 统计编码方法统计编码方法6.5 预测压缩技术预测压缩技术6.6 变换压缩技术变换压缩技术6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG6.1 概述6.1.1 6.1.1 图像数据压缩的必要性与可行性图像数据压缩的必要性与可行性 数据压缩主要研究数据的表示、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。 图像编码与压缩就是对图像数据按一定的规则进行变换和组合，达到以尽可能少的代码（符号）来表示尽可能多的信息。 1）图像编码压缩的必要性）图像
2、编码压缩的必要性512 512 8256122340 3240 1210lenabitKBbitbitMB对于图象，其字节对于卫星图象，一般采用灰度级而遥感图象通常又为多频谱图象而对于视频，每秒30帧 在现代通信中，图像传输已成为重要内容。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碰到很大困难。 目的：目的：节省图像存储容量；减少传输信道容量；缩短图像加工处理时间。 2）图像编码压缩的可行性）图像编码压缩的可行性 从信息论观点看，描述图像信源的数据由从信息
3、论观点看，描述图像信源的数据由有效数据和冗余数据两部分组成。有效数据和冗余数据两部分组成。冗余数据有：编码冗余、象素间冗余、心理视觉冗余冗余数据有：编码冗余、象素间冗余、心理视觉冗余3种。种。 如果一个图像的灰度级编码，使用了多于实际需要的编如果一个图像的灰度级编码，使用了多于实际需要的编码符号，就称该图像包含了编码冗余。码符号，就称该图像包含了编码冗余。 图像像素之间、行之间、帧之间有较强的相关性。利用图像像素之间、行之间、帧之间有较强的相关性。利用某种编码方法在一定程度上消除这些相关性，就可以实某种编码方法在一定程度上消除这些相关性，就可以实现图像信息的数据压缩。现图像信息的数据压缩。 有
4、些信息在通常的视觉过程中与另外一些信息相比并不有些信息在通常的视觉过程中与另外一些信息相比并不那么重要，这些信息被认为是心理视觉冗余的，去除这那么重要，这些信息被认为是心理视觉冗余的，去除这些信息并不会明显降低图像质量。些信息并不会明显降低图像质量。 如果能减少或消除其中的一种或多种冗余，就如果能减少或消除其中的一种或多种冗余，就能取得数据压缩的效果。因此图像信息的压缩是可能取得数据压缩的效果。因此图像信息的压缩是可能的。能的。 但到底能压缩多少，除了和图像本身存在的冗但到底能压缩多少，除了和图像本身存在的冗余度大小有关外，很大程度取决于对图像质量的要余度大小有关外，很大程度取决于对图像质量的
5、要求。求。 广播电视广播电视 压缩比压缩比31 31 可视电话可视电话 压缩比压缩比15001 15001 目前高效图像压缩编码技术已能用硬件实现实目前高效图像压缩编码技术已能用硬件实现实时处理，在广播电视、工业电视、电视会议、可视时处理，在广播电视、工业电视、电视会议、可视电话、传真和互连网、遥感等多方面得到应用。电话、传真和互连网、遥感等多方面得到应用。 6.1.26.1.2图像编码压缩的分类图像编码压缩的分类 根据解压重建后的图像和原始图像之间是否具有误差，图根据解压重建后的图像和原始图像之间是否具有误差，图像编码压缩分为像编码压缩分为无误差无误差（亦称无失真、无损、信息保持）编码（亦称
6、无失真、无损、信息保持）编码和和有误差有误差（有失真或有损）编码两大类。（有失真或有损）编码两大类。 一般分为两类：一般分为两类： 无损压缩：在压缩和解压缩过程中没有信息损失，压无损压缩：在压缩和解压缩过程中没有信息损失，压缩比较低，一般不超过缩比较低，一般不超过3：1， 有损压缩：主要利用人眼的视觉特性，在允许条件下有损压缩：主要利用人眼的视觉特性，在允许条件下或一定的保真度准则下，最大限度的压缩图像，能取得较或一定的保真度准则下，最大限度的压缩图像，能取得较高的压缩比，但压缩后不能通过解压缩恢复原状。高的压缩比，但压缩后不能通过解压缩恢复原状。图像压缩图像压缩无损编码无损编码有损编码有损编
7、码霍夫曼编码霍夫曼编码行程编码行程编码算术编码算术编码预测编码预测编码变换编码变换编码其它编码其它编码 根据编码作用域划分，图像编码为根据编码作用域划分，图像编码为空间域编码空间域编码和和变换域编变换域编码码两大类。两大类。 压缩比压缩比 直接编码一幅图像所需比特数取决于幅面大小及分直接编码一幅图像所需比特数取决于幅面大小及分辨率。辨率。 设设C为采用某种方法编码前后的为采用某种方法编码前后的 压缩比压缩比c 图象直接编码所需比特用某种方法编码所需比特6.2 6.2 图像保真度准则图像保真度准则 描述解码图像相对原始图像偏离程度的测度描述解码图像相对原始图像偏离程度的测度一般称为一般称为保真度
8、保真度。常用的准则可分为两大类：客常用的准则可分为两大类：客观保真度准则和主观保真度准则。观保真度准则和主观保真度准则。6.2.1 客观保真度准则客观保真度准则 最常用的客观保真度准则是原图像和解码图最常用的客观保真度准则是原图像和解码图像之间的均方根误差和均方根信噪比两种。像之间的均方根误差和均方根信噪比两种。 6.2.2 主观保真度准则主观保真度准则 很多解压图最终是供人观看的，一种常用的方法是对一组（不少于20人）观察者显示图像，并将他们对该图像的评分取平均，用来评价一幅图像的主观质量。主观保真度准则主观保真度准则 根据根据ShannonShannon无干扰信息保持编码定理，若对无干扰信
9、息保持编码定理，若对原始图像数据的信息进行信源的无失真图像编码，原始图像数据的信息进行信源的无失真图像编码，压缩后平均码压缩后平均码长长存在一个下限，这个下限是信源信存在一个下限，这个下限是信源信息熵息熵H H。理论上最佳信息保持编码的平均码长可以理论上最佳信息保持编码的平均码长可以无限接近信源信息熵无限接近信源信息熵H H，但总是大于或等于图像的，但总是大于或等于图像的熵熵H H。6.3 图像编码的基本知识12211logMMkkkkkMkkkEntropyPPPHPPkCRRPHR 图象熵：设图象每个灰度级出现的频率对应的概率分别为 ， ，。则图象的熵定义为平均码字长度：设是数字图象第 个
10、码字的长度，则图象的平均码字长度 定义为：编码效率。1）基本概念）基本概念2）变长最佳编码定理和唯一可译代码）变长最佳编码定理和唯一可译代码-121kKi定理：在变长编码中，对出现概率大的信息符号赋予短码字，而对于出现概率小的信息符号赋予长码字。可以证明，如果码字长度严格按概率大小的逆序排列，则平均码字长度一定小于任何其他排列方式。：任何码字不能在其后面添加码元而形成其他码字，称为非续长代码。：任意有限长码字序列，只能唯一地非续长代码单义代码（唯一可分割成一个个码字。其充要条件是。非续长代码一定是单义代码，反译码）之未必。010110101 10010100111010110111WWWW例：
11、是单义码，100110100，则只能被分割场10，0，11，0，10，0不是单义码，0011有两种译法，0，0，1，1或0，01，1不是非续长码，是非续长码，非续长码一定是单义码，反之，不一定。6.4 统计编码方法 6.4.1 6.4.1 霍夫曼编码霍夫曼编码 Huffman Huffman编码是编码是19521952年由年由HuffmanHuffman提出的一种提出的一种编码方法。这种编码方法根据源数据符号发生的编码方法。这种编码方法根据源数据符号发生的概率进行编码。概率进行编码。 在源数据中出现概率越大的符号，编码以后在源数据中出现概率越大的符号，编码以后相应的码长越短；出现概率越小的符号
12、，其码长相应的码长越短；出现概率越小的符号，其码长越长，从而达到用尽可能少的码符表示源数据。越长，从而达到用尽可能少的码符表示源数据。它在无损变长编码方法中是最佳的。它在无损变长编码方法中是最佳的。 设输入编为设输入编为 ，其频率，其频率分布分别为分布分别为P(xP(x1 1)=0.4)=0.4 ，P(xP(x2 2)=0.3)=0.3，P(xP(x3 3)=0.1)=0.1，P(xP(x4 4) =0.1) =0.1，P(xP(x5 5)=0.06)=0.06，P(xP(x6 6)=0.04)=0.04。求其最佳霍求其最佳霍夫曼编码。夫曼编码。 654321,Xxxxxxx654321,ww
13、wwwwW 编码方法编码方法是：是：把输入元素按概率从大到小排列起来把输入元素按概率从大到小排列起来, ,然后把概然后把概率最小的两个元素概率加起来率最小的两个元素概率加起来; ;把它同其余元素概率由大到小排序把它同其余元素概率由大到小排序, ,然后把两个然后把两个最小概率加起来最小概率加起来, ,再重新排队再重新排队; ;重复重复, ,直到最后只剩下两个概率为止。直到最后只剩下两个概率为止。 在上述工作完毕之后，从最后两个概率开始在上述工作完毕之后，从最后两个概率开始逐步向前进行编码。对于概率大的消息赋予逐步向前进行编码。对于概率大的消息赋予0 0，小的赋予小的赋予1 1。元 素xi概率P(
14、xi)编 码wix1x2x3x4x5x60.40.30.10.10.060.041000110100 0101001011计算该信源的熵、编码后的平均码长，并思考对计算该信源的熵、编码后的平均码长，并思考对于同一图象采用于同一图象采用HuffmanHuffman编码，编码是否唯一？编码，编码是否唯一？ Huffman编码讨论编码讨论（1） Huffman编码是唯一可译码。短的码不会成编码是唯一可译码。短的码不会成为更长码的启始部分；为更长码的启始部分；（2） Huffman编码的平均码长接近于熵；编码的平均码长接近于熵；（3）缺点：需要多次排序，耗费时间。）缺点：需要多次排序，耗费时间。622
15、22122261log0.4log 0.40.3log 0.30.1log 0.10.1log 0.1 0.06log 0.060.04log 0.042.14350.4 1 0.3 20.1 30.1 40.06 50.04 52.2iiiiiiHppbitRpbit 6.4.2香农编码法（香农编码法（Fano-Shannon）输入概率w1w2w3w4w5w60.40.30.10.10.060.0401010100110101100110111101111111111:2:013:14:31-nknkkniiii kFanoShannonStepwwwwwwppStepStepStepSte
16、pStepwFano Shannon 压缩编码步骤：把概率按大小从上到下排序，然后将分成两组，和，使；将两个子集分别编码 和 ；将两个子集重复，同样上面子集编码0，下面编码1；重复，直到每个子集只有 个 为止。最后将编码依次排出，得到编码。Fano-Shannon编码讨论编码讨论 （1） Fano-Shannon编码是唯一可译码。短的码不编码是唯一可译码。短的码不会成为更长码的启始部分；会成为更长码的启始部分； （2） Fano-Shannon编码的平均码长接近于熵；编编码的平均码长接近于熵；编码效率略低于码效率略低于Huffman编码。编码。62222122261log0.4log 0.40
17、.3log 0.30.1log 0.10.1log 0.1 0.06log 0.060.04log 0.042.14350.4 1 0.3 20.1 40.1 40.06 40.04 42.2iiiiiiHppbitRpbit 6.4.3 其它不等长码字的熵编码法其它不等长码字的熵编码法 B码码：适用于输入灰度级概率服从：适用于输入灰度级概率服从幂律分布幂律分布的图像。的图像。B码是一种非等长码，由两部分组成，一部分叫“”，一部分叫“”。延续比特的作用是标注一个码字究竟延续多长，信息比特的作用是表 示不同的信息符号。其中信息码是按二进制的长度及数的顺序排列的，即0，1，00，01，10，11，
18、000，001，。延续码C是在编码过程中确定的，可将C=0赋予前一个码字，将C=1赋予后一个码字，再将C=0赋予下一个码字。B1码的编码：设W1,W8,W5分别为0, 001, 10B1码：001010110100 001110000001 两种不同的形式B1码中的C以以B1码为例 移位码（移位码（S码）码）：对具有：对具有单调减小概率单调减小概率的输入信号有效，也的输入信号有效，也 易于实现。易于实现。S2码由2bit长的码字组成，总共包含四 个不同的码字：C1=00，C2=01，C3=10， C4=11， C4的个数用来表示该符号的序数 超过3的次数。符号编码： C1，C2，C3，C4C1
19、，C4C2，C4C3，C4C4C1 ，C4C4C2，C4C4C3， 这种编码方法更简单行程长度编码(Run Length Encoding,RLE) 编码原理：将具有相同值的连续串用其串长和一编码原理：将具有相同值的连续串用其串长和一个代表值来代替，该连续串就称为行程，串长称为行个代表值来代替，该连续串就称为行程，串长称为行程长度。程长度。 行程编码适合于二值图像的编码，二值图像的扫行程编码适合于二值图像的编码，二值图像的扫描行，是由若干段连着的黑像素和连着的白保素组成，描行，是由若干段连着的黑像素和连着的白保素组成，分别称其为分别称其为“黑长黑长”和和“白长白长”。 例：例：00010011
20、00 w3,b1,w2,b2,w2 假设都以假设都以0开始：开始：31222 可用于量化后大量零系数连续的场合，例如可用于量化后大量零系数连续的场合，例如JPEG中。中。 6.5 预测压缩技术预测压缩技术1）基本思想）基本思想2）预测误差的熵编码）预测误差的熵编码3）DPCM预测编码预测编码4）最佳线性预测）最佳线性预测5）有失真预测编码）有失真预测编码6.5 预测压缩技术预测压缩技术1）基本思想）基本思想 预测编码是根据图像数学模型利用以往的样本值对预测编码是根据图像数学模型利用以往的样本值对于新样本值进行预测，然后将样本的实际值与其预于新样本值进行预测，然后将样本的实际值与其预测值相减得到
21、一个误差值，对这一误差值进行编码。测值相减得到一个误差值，对这一误差值进行编码。 如果模型足够好且样本序列在时间上相关性较强，如果模型足够好且样本序列在时间上相关性较强，那么误差信号的幅度将远远小于原始信号，从而可那么误差信号的幅度将远远小于原始信号，从而可以用较少的数据对其差值量化得到较好的数据压缩以用较少的数据对其差值量化得到较好的数据压缩效果效果。6.5 预测压缩技术预测压缩技术2）预测误差的熵编码）预测误差的熵编码 对比一幅图像和其差分图像的标准差和熵。对比一幅图像和其差分图像的标准差和熵。25520log47.94,7.456.94,4iiiHp Dp DLennaHLennaH 图
22、象的标准差 差分图象的标准差 .566.5 预测压缩技术预测压缩技术基本原理：设 为一行上的相邻的n个象素则用对 进行预测，预测误差为：例： nxxx,.,21nnnxxxx.221111nx111nnnxxe lena=imread(lena.bmp,bmp); lena(132:140,32) ：118，120，115，114， 115， 113，114，114，118 n = -1 0 1 2 3 4 5 6 7预测器：X(n+1)=0.5*X(n-1)+0.5*X(n)，X(-1)=118, X(0)=120;预测值： 119, 117.5, 114.5,114.5, 114, 113
23、.5, 114误差： -4, -3.5, 0.5, -1.5, 0, 0.5, 4 nxxx,.,21 预测法分类 预测编码就是要对误差进行编码。 目前用得较多的是线性预测方法，全称为差值脉冲编码调制(DPCM:Differential Pulse Code Modulation)，简称为DPCM。 本节讨论线性预测法DPCM的基本原理：非线性预测差值脉冲编码调制法线性预测)(:DPCM6.5 预测压缩技术预测压缩技术3）DPCM预测编码预测编码 预测器的阶数预测器的阶数 对当前像素进行预测的像素集合中的像素个数，称为预测对当前像素进行预测的像素集合中的像素个数，称为预测器的阶数。器的阶数。
24、理论上预测器的阶数越大越好，当阶数大于理论上预测器的阶数越大越好，当阶数大于3时其性能的时其性能的改变非常有限。改变非常有限。 预测器的系数预测器的系数 如一个如一个3阶预测器中，各像素的权重称为预测器的系数。阶预测器中，各像素的权重称为预测器的系数。其既可以固定不变，也可以变化。其既可以固定不变，也可以变化。1230.750.750.5nnnnxxxx如何预测如何预测? ?6.5 预测压缩技术预测压缩技术 最常用的一阶最常用的一阶DPCM编码器编码器 在实际中最常用的是一阶在实际中最常用的是一阶DPCM编码器，此时有唯一的一编码器，此时有唯一的一个预测系数个预测系数1。前一象前一象素素当前象
25、素当前象素预测误差预测误差预测误差预测误差前一象前一象素素当前象素当前象素6.5 预测压缩技术预测压缩技术 采用同一扫描行中前几个像素值进行预测，称为一采用同一扫描行中前几个像素值进行预测，称为一维预测；维预测； 采用同一行或前几行像素值进行预测，称为二维预采用同一行或前几行像素值进行预测，称为二维预测；测； 采用前几行和前几帧像素值进行预测，称为三维预采用前几行和前几帧像素值进行预测，称为三维预测。测。4 预测压缩技术预测压缩技术 为实现无失真编码，通常对差分图像进行熵编码为实现无失真编码，通常对差分图像进行熵编码（通常是（通常是Huffman编码）；编码）； 预测误差熵编码的步骤：建立码表
26、和编码。通常采预测误差熵编码的步骤：建立码表和编码。通常采用一个通用码表，节省建立专用码表时间，由此带用一个通用码表，节省建立专用码表时间，由此带来压缩比损失较小；来压缩比损失较小； 编码：若对差分图像所有灰度建立码表，则项数较编码：若对差分图像所有灰度建立码表，则项数较多。通常对多。通常对1616采用采用Huffman编码，其他直接编码，其他直接用前缀实际灰度值。用前缀实际灰度值。6.5 预测压缩技术预测压缩技术4）最佳线性预测）最佳线性预测 目的：寻找使预测器的某种误差函数为最小的线性目的：寻找使预测器的某种误差函数为最小的线性预测器；预测器； 准则：均方预测误差最小化。准则：均方预测误差
27、最小化。212010,0,00,10,1,001,01,11,1,11,01,11,1120NNNNiiiNNNiNiiiii jijNNNNNNNNNExxExc xExxE xxc xcRE x xRRRRcRRRRcRRRc 1,1N NR6.5 预测压缩技术预测压缩技术5）有失真预测编码）有失真预测编码 由于预测误差的方差远比像素取样值小，因此需要由于预测误差的方差远比像素取样值小，因此需要对预测误差重新量化。对预测误差重新量化。量化器编码器信道预测器解码器预测器输入输出+-+XYZ6.5 预测压缩技术预测压缩技术 由于量化器存在量化误差，因此带量化器的由于量化器存在量化误差，因此带量
28、化器的DPCM系统是有失真预测编码。系统是有失真预测编码。1:2:;3:4:NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNStepXNXXStepeXXqeeStepXXeStepXXXXeXXeeeq输入是第 个象素的灰度值， 是的预测值；误差信号，量化误差接收端输出为；接收端复原的象素值与发送端的原象素值的误差为6.6 变换压缩技术变换压缩技术1）基本概念）基本概念 图像变换编码的基本概念：指将给定的图像数据变图像变换编码的基本概念：指将给定的图像数据变换（如正交变换）到另一个数据域（如频域）上，换（如正交变换）到另一个数据域（如频域）上，然后进行量化、编码和传输，使得大量的信息能用然后进
29、行量化、编码和传输，使得大量的信息能用较少的数据来表示。较少的数据来表示。 在变换域里，首先降低了图像的相关性；以傅氏变在变换域里，首先降低了图像的相关性；以傅氏变换为例，变换后的大的频谱系数换为例，变换后的大的频谱系数90集中在低频，集中在低频，可以压缩低频，忽略高频。其次通过某种图像处理可以压缩低频，忽略高频。其次通过某种图像处理（如频域的二维滤波）以及熵编码，则可进一步压（如频域的二维滤波）以及熵编码，则可进一步压缩图像的编码比特率。缩图像的编码比特率。6.6 变换压缩技术变换压缩技术2）变换压缩原理框图）变换压缩原理框图变换量化编码器解码器逆变换信道输入输出GAAUUG:GGUUAA输
30、入数字图象逆变换后的复原图象二维正交变换二维正交逆变换变换域中的变换系数量化后的变换系数3）常用图像变换）常用图像变换 傅氏变换 WalshHadamard变换 正弦变换 余弦变换应用最广 斜变换 哈尔变换 KL变换6.6 变换压缩技术变换压缩技术4）常用图像变换技术讨论）常用图像变换技术讨论 傅立叶变换和余弦变换傅立叶变换和余弦变换 傅立叶变换及频谱移中后，其能量集中在中心附近。傅立叶变换及频谱移中后，其能量集中在中心附近。中心数据又称为直流分量，代表全图数值的算术平中心数据又称为直流分量，代表全图数值的算术平均值。均值。 其编码误差来源有：变换系数经过量化器而引起的其编码误差来源有：变换系
31、数经过量化器而引起的量化误差。常使高频分量为量化误差。常使高频分量为0，导致图像模糊。，导致图像模糊。二维付立叶变换编码Lena图的FFT变换 在理论上，K-L变换是最优的正交变换，但不确定性使得K-L变换使用起来非常不方便，所以一般只将它作为理论上的比较标准。 DCT变换是在实际中用的最多的变换编码，其性能接近于K-L变换，是变换法的主流。 傅立叶变换是应用最早的变换之一，也有快速算法，但它的不足之处在于子图像的变换系数在边界处的不连续而造成恢复的子图像在其边界也不连续。 沃尔什变换与DCT变换相比，其算法简单（只有加法和减法），因而运算速度快，适用于高速实时系统，而且也容易硬件实现，但性能
32、比DCT变换要差一些。 变换块大小的选择也十分重要，一般图像典型变换块大小为88或1616。5）变换编码的方法 变换区域编码：根据变换系数集中在变换域左上角低频区域的特点，对该区域的变换系数进行量化、编码、传输，对右下角高频区域既不变换也不传输。 变换阈值编码：实现设定一个阈值，只对变换系数的幅值大于此阈值的编码，不仅低频保留，某些高频成分也保留。如能根据子象块自动调整阈值，就属于自适应。 由国际标准化组织和CCITT联合发起的联合图像专家组（JPEG），建立了静态图像压缩的公开算法。在视觉效果不受到损失的前提下，算法可以达到15到20的压缩比。如果在图像质量上稍微牺牲一点的话，可以达到40：
33、1或更高的压缩比。6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEGJPEG算法简介 如果处理的是彩色图像，JPEG算法首先将RGB分量转化成亮度分量和色差分量，同时丢失一半的色彩信息（空间分辨率减半）。然后，进行DCT变换，对系数进行量化以减小数据量。最后，使用RLE和Huffman编码来完成压缩任务。6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG1）数据分块）数据分块2）FDCT和和IDCT3）量化与反量化量化与反量化4）对量化系数的处理和组织）对量化系数的处理和组织5）熵编码）熵编码6）应用举例）应用举例6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEGJPEG算法
34、过程算法过程1）以）以8*8的图像块为基本单位进行编码；将的图像块为基本单位进行编码；将RGB转换为亮转换为亮度度-色调色调-饱和度系统，并重新采样；饱和度系统，并重新采样；图象分割FDCT量化系数编码量化表码表图象拼接IDCT反量化系数解码量化表码表色彩转换和重采样6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG YIQ（NTSC制）与制）与YUV（PAL制）制） Y：指颜色的明视度、亮度、灰度值；指颜色的明视度、亮度、灰度值；I或或U：指指色调；色调；Q或或V：指饱和度。指饱和度。 Y=0.299R+0.587G+0.114B I=0.596R-0.247G-0.322B Q=0.
35、211R-0.523G+0.312B U=0.148R-0.289G+0.473B V=0.615R-0.515G-0.1B6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG 思想：人对亮度比对色彩敏感，在光线不足的情况思想：人对亮度比对色彩敏感，在光线不足的情况下，所观察物体都是黑白的。因此可以对色调和饱下，所观察物体都是黑白的。因此可以对色调和饱和度做粗略处理。和度做粗略处理。 方法：对方法：对8*8图像块矩阵，图像块矩阵，Y成分采样率不变，成分采样率不变，U、V成分采样率为原来成分采样率为原来1/4。称为。称为YUV411系统。系统。 除此除此,还有还有YUV422, 421, 4
36、20等系统等系统.6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG2）FDCT与与IDCT 根据根据8*8的二维的二维DCT定义定义 7700770021211,coscos4161621211,coscos416161021xyuvxuyvF u vC u C vf x yuxvyf x yF u v C u C vwC w其中当其他称称F（0,0）为直流系数，其他为交流系数。为直流系数，其他为交流系数。6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG3）量化与反量化）量化与反量化 思想：将每个思想：将每个DCT系数除以各自量化步长并四舍五系数除以各自量化步长并四舍五入后取整
37、，得到量化系数。入后取整，得到量化系数。 JPEG系统分别规定了亮度分量和色度分量的量化系统分别规定了亮度分量和色度分量的量化表，显然色度分量相应的量化步长比亮度分量大。表，显然色度分量相应的量化步长比亮度分量大。 将人类的视觉特性结合进压缩的过程中，人眼对低将人类的视觉特性结合进压缩的过程中，人眼对低频分量比对高频分量敏感。对于低频分量量化步长频分量比对高频分量敏感。对于低频分量量化步长小一点，对于高频分量量化步长大一点。小一点，对于高频分量量化步长大一点。 亮度量化表色度量化表 6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG4）对量化系数的处理和组织）对量化系数的处理和组织 思想
38、：思想：JPEG采用定长和变长相结合的编码方法。采用定长和变长相结合的编码方法。 直流系数：通常相邻直流系数：通常相邻8*8图像块的图像块的DC分量很接近，分量很接近，因此因此JPEG对量化后的直流分量采用无失真对量化后的直流分量采用无失真DPCM编编码。通常码。通常JPEG要保存所需比特数和实际差值。要保存所需比特数和实际差值。 交流系数：经过量化后，交流系数：经过量化后，AC分量出现较多的分量出现较多的0。JPEG采用对采用对0系数的行程长度编码。而对非系数的行程长度编码。而对非0值，则值，则要保存所需比特数和实际值。要保存所需比特数和实际值。10,00,00,0iiFFF6.7 静止图像
39、编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG ZIG-ZAG排序：为使连续的排序：为使连续的0个数增多，采用个数增多，采用Z形形编码。编码。6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG5）熵编码）熵编码 对于直流系数的差值，采用对于直流系数的差值，采用Huffman编码。编码。JPEG标准为亮度和色度分量分别拟定了标准为亮度和色度分量分别拟定了Huffman码表。码表。 对于交流对于交流0系数的行长，采用系数的行长，采用Huffamn编码。同样编码。同样JPEG标准为亮度和色度分量分别拟定了标准为亮度和色度分量分别拟定了Huffman码表。码表。6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码
40、国际标准JPEG6）应用举例）应用举例 Lenna图像的一个图像的一个8*8方块方块139144149153155155155155144151153156159156156156150155160163158156156156159161 162160160159159159,159160161 162162155155155161161161161 160157157157162162161163162157157157162162161161163158158158f x y只举亮度块为例.6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG 经过经过FDCT后的变换系数矩阵后的变换
41、系数矩阵126011252231231763300111922011072011000,11120111202011111001021132422110F u v6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG 根据亮度量化表量化后得到的量化系数矩阵根据亮度量化表量化后得到的量化系数矩阵790100000210000001100000000000000,00000000000000000000000000000000F u v6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG 假设上一编码块的直流量化系数为假设上一编码块的直流量化系数为77，则直流差值，则直流差值为为2。 则该图
42、像块编码为则该图像块编码为790211100102,21/2, 20/1, 10/1, 10/1, 12/1, 1011,1011011,0100,000,000,011100,01010EOBeob 是一个结束标记, 表示后面都是 0 了 6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG 反量化反量化1264010000002412000000141300000000000000,00000000000000000000000000000000F u v6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG 反变换反变换1441461491521541561561561481501
43、52154156156156156155156157158158157156155160161161 162161 159157155,163163164163162160158156163163164164162160158157160161 162162162161159158158159161161 162161159158f x y6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG 编码比特率与质量因子编码比特率与质量因子 通常在图像传输时要求固定比特率，通常在图像传输时要求固定比特率，JPEG通过设通过设定一个质量控制因子定一个质量控制因子Q，在量化时用该因子与量化在量化时用该
44、因子与量化表中的量化步长相乘作为实际的量化步长。表中的量化步长相乘作为实际的量化步长。 则要求较高比特率时，则要求较高比特率时，Q取较小值如取较小值如0.1；否则取大；否则取大值。值。Q与比特流一起传送给解码端。与比特流一起传送给解码端。6.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG压缩率压缩率9.26.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG压缩率压缩率18.46.7 静止图像编码国际标准静止图像编码国际标准JPEG压缩率压缩率51.67 图像压缩编码新进展图像压缩编码新进展H.261：用于电视电话和电视会议；码率用于电视电话和电视会议；码率128kbps384kbps
45、；MPEG1：用于数字存储媒体（如用于数字存储媒体（如VCD），码率为），码率为11.5Mbps，适合通讯网络；适合通讯网络；MPEG2：用于数字电视和高清晰度电视（如用于数字电视和高清晰度电视（如CCTV Ch 5），），码码率为率为1.530Mbps；MPEG4：用于用于64Kbps以下带宽的音视编码，实现基于内容的编以下带宽的音视编码，实现基于内容的编码；码；其他编码方法：子带编码、小波编码其他编码方法：子带编码、小波编码JPEG2000、分形编码和基、分形编码和基于模型的编码等。于模型的编码等。要点总结要点总结 掌握基本压缩技术的分类和他们各自的基本原理；掌握基本压缩技术的分类和他们各
46、自的基本原理； 掌握熵编码的掌握熵编码的Huffman和香农编码方法；和香农编码方法； 掌握行程长度编码；掌握行程长度编码； 了解预测编码技术，及无失真和有失真预测编码的区了解预测编码技术，及无失真和有失真预测编码的区别；别； 了解变换编码技术；了解变换编码技术； 了解了解JPEG标准的基本步骤，并能解释。标准的基本步骤，并能解释。习题习题 1）设某一幅图像共有）设某一幅图像共有8个灰度级，各灰度级出现概率个灰度级，各灰度级出现概率分别为：分别为： 试对此图像进行试对此图像进行Huffman编码和香农编码。并比较编码和香农编码。并比较两种编码方法的效率。两种编码方法的效率。123456780.
47、500.010.030.050.050.070.190.10PPPPPPPP习题习题 2）设有一幅）设有一幅88图像，其灰度级分布见图所示图像，其灰度级分布见图所示。 （1）对该图像进行）对该图像进行Huffman编码，并计算编码效率和压缩比；编码，并计算编码效率和压缩比； （2）对该图像的差分图像进行）对该图像的差分图像进行Huffman编码，并计算编码效编码，并计算编码效率和压缩比；率和压缩比； （3）比较（）比较（1）（）（2）的结果。）的结果。4444444045555540456665404567654045676540455555404444444044444440 压缩比压缩比 直接编码一幅图像所需比特数取决于幅面大小及分直接编码一幅图像所需比特数取决于幅面大小及分辨率。辨率。 设设C为采用某种方法编码前后的为采用某种方法编码前后的 压缩比压缩比c 图象直接编码所需比特用某种方法编码所需比特
