1、第第6章章 图像编码（压缩）图像编码（压缩）Image Coding第2页第6章 图像编码动机动机/原因：表达数字图像所需数据量通常很大原因：表达数字图像所需数据量通常很大图像编码：图像编码：n采用对图像的新的表达方法以减小所需的数据量采用对图像的新的表达方法以减小所需的数据量n数据和信息：数据是信息的载体数据和信息：数据是信息的载体对给定量的信息可用不同的数据量来表示对给定量的信息可用不同的数据量来表示 对给定量的信息，设法减少表达这些信息的数对给定量的信息，设法减少表达这些信息的数据量称为数据压缩据量称为数据压缩n图像压缩（编码）和图像解压缩（解码）图像压缩（编码）和图像解压缩（解码）第3
2、页第6章 图像编码n图像压缩方法的分类图像压缩方法的分类 ：信息保存型：信息保存型：在压缩和解压缩过程中没有信息损失在压缩和解压缩过程中没有信息损失压缩率一般在压缩率一般在2 10之间之间信息损失型：信息损失型：常能取得较高的压缩率（几十常能取得较高的压缩率（几十几百）几百）压缩后并不能经解压缩恢复原状压缩后并不能经解压缩恢复原状第4页第6章 图像编码 6.1 基本概念基本概念 6.2 基础理论基础理论 6.3 无损编码无损编码 6.4 有损编码有损编码 6.5 国际标准国际标准 第5页第6章 图像编码 6.1.1 数据冗余数据冗余 6.1.2 图像保真度和质量图像保真度和质量 6.1.3 图
3、像编码模型图像编码模型第6页第6章 图像编码n 数据冗余的概念数据冗余的概念数据是信息的载体数据是信息的载体同量的数据可表达不同量的信息同量的数据可表达不同量的信息同量的信息可用不同量的数据表达同量的信息可用不同量的数据表达冗余冗余数据表达了无用的信息数据表达了无用的信息数据表达了已表达的信息数据表达了已表达的信息第7页第6章 图像编码n相对数据冗余相对数据冗余数据冗余可定量描述数据冗余可定量描述，相对冗余：相对冗余：压缩率：压缩率： , CR 在开区间在开区间 (0, ) 中取值中取值n1 和和 n2 代表代表2个数据集合中的信息载体单位的个数个数据集合中的信息载体单位的个数n1 相对于n2
4、CRRD对应的情况n1 = n210第1种表达相对第2种表达不含冗余数据n 1 n2 1第1个数据集合含相当多的冗余数据n 1 0 DM方法得到的码率是方法得到的码率是1比特比特/像素像素1 nnfaf 其它其它对对cecenn0 第60页第6章 图像编码 其它其它对对cecenn0 6.4.1 预测编码预测编码DM编码中的失真示例编码中的失真示例1 nnfafa=1C=6.5输入序列：输入序列：14,15,14,15,13,15,15,14,20,26,27,28,27,27,29,37,47,62,75,77,78,79,80,81,81,82,82nnnfef nnffe 第61页第6章
5、 图像编码6.4.1 预测编码预测编码ff.颗粒噪声024681012斜率过载n14161820222426ff,.20604080失真问题：失真问题：1 1）颗粒噪声：当）颗粒噪声：当c远大于输入中的最小变化时，如远大于输入中的最小变化时，如n1、n7等等2）斜率过载：当斜率过载：当c远小于输入中的最大变化时，如远小于输入中的最大变化时，如n14到到n19第62页第6章 图像编码6.4.1 预测编码预测编码n误差问题误差问题 上例中的两种失真问题是有损预测编码面临的共同问题上例中的两种失真问题是有损预测编码面临的共同问题 失真的严重程度与量化和预测方法及它们间的相互作用失真的严重程度与量化和
6、预测方法及它们间的相互作用有关有关 但预测器和量化器往往是独立设计。预测器在设计中认但预测器和量化器往往是独立设计。预测器在设计中认为量化器没有误差，而量化器在设计中只是考虑最小化自身为量化器没有误差，而量化器在设计中只是考虑最小化自身的误差的误差第63页第6章 图像编码6.4.1 预测编码预测编码（1）最优预测）最优预测 最小化编码器的均方预测误差最小化编码器的均方预测误差差值脉冲码调制法差值脉冲码调制法 （DPCM）nnnnnnffefef miininfaf 1 2 2nnnffEeE 2 12 miininnfafEeE第64页第6章 图像编码6.4.1 预测编码预测编码（1）最优预测
7、）最优预测 4阶线性预测器阶线性预测器 )1, 1(), 1()1, 1()1,(),(4321 yxfayxfayxfayxfayxf)1,(97. 0),(1 yxfyxf), 1(5 . 0)1,(5 . 0),(2yxfyxfyxf )1, 1(5 . 0), 1(75. 0)1,(75. 0),(3 yxfyxfyxfyxf 其它其它如如), 1(97. 0)1, 1()1,()1, 1(), 1( )1,(97. 0),(4yxfyxfyxfyxfyxfyxfyxf2 1 4 3 C 四个例子：四个例子：第65页第6章 图像编码6.4.1 预测编码预测编码n例：采用例：采用4种预测
8、器的种预测器的DPCM预测效果比较预测效果比较一阶一阶 二阶二阶 三阶三阶预测后的预测后的解码图解码图误差误差采用德尔塔采用德尔塔2 2级量化器级量化器第66页第6章 图像编码6.4.1 预测编码预测编码（2）最优量化）最优量化tt=qtst1(2ts12sssLt输入输出( )s1L/2/2L(L/2) 1/2)-)(sqt 判别判别重建重建量化函数量化函数第67页第6章 图像编码6.4.1 预测编码预测编码（2）最优量化）最优量化 输入概率密度函数输入概率密度函数p(s) 最小均方量化误差准则最小均方量化误差准则 重建电平是曲线下面积的重心重建电平是曲线下面积的重心 判别值为判别值为2个重
9、建值的中值个重建值的中值 量化器称为量化器称为L级级 LloydMax量化器量化器 iiissLisspts12/ , , 2 , 10d)()( 2/12/ , , 2 , 12001LiLittisiiiiiiittss q(s)奇函数奇函数输入概率密度输入概率密度函数，偶函数函数，偶函数tt=qtst1(2ts12sssLt输入输出( )s1L/2/2L(L/2) 1/2)-第68页第6章 图像编码6.4.1 预测编码预测编码n量化器及比较量化器及比较第69页第6章 图像编码6.4.1 预测编码预测编码nDPCM编码中不同量化器的效果比较编码中不同量化器的效果比较（a）5 5级级（b）9
10、 9级级（c）1717级级（d）图图（a）的误差图的误差图（e）图图（b）的误差图的误差图第70页第6章 图像编码6.4.2 变换编码变换编码 图像变换后形成的系数大多数比较小图像变换后形成的系数大多数比较小 频域方法，信息失真型频域方法，信息失真型 主要内容：主要内容： 1、 变换编码系统变换编码系统 2、 变换选择变换选择 3、 子图像尺寸选择子图像尺寸选择 4、 比特分配比特分配第71页第6章 图像编码6.4.2 变换编码变换编码1、变换编码（、变换编码（Transform Coding）系统）系统图像分解：减少变换的计算复杂度图像分解：减少变换的计算复杂度图像变换：解除每个子图像内部像
11、素之间的相关性，或者说图像变换：解除每个子图像内部像素之间的相关性，或者说将尽可能多的信息集中到尽可能少的变换系数上将尽可能多的信息集中到尽可能少的变换系数上压缩不是在变换中而是在量化变换系数时及编码取得的压缩不是在变换中而是在量化变换系数时及编码取得的输入图象压缩图象解压图象正变换量化符号编码符号解码反变换构造子图象合并子图象压缩图象第72页第6章 图像编码6.4.2 变换编码变换编码2、变换选择、变换选择n一个能把最多的信息集中到最少的系数上去的变换所产生一个能把最多的信息集中到最少的系数上去的变换所产生的重建均方误差最小的重建均方误差最小 n不同变换的信息集中能力不同不同变换的信息集中能
12、力不同 正弦类变换（如正弦类变换（如DFT和和DCT）较优）较优非正弦类变换（如非正弦类变换（如WHT: Walsh-Hadamard）实现简单）实现简单小波变换计算快且有局部性质（不需分解）小波变换计算快且有局部性质（不需分解）第73页第6章 图像编码6.4.2 变换编码变换编码n常用的变换：常用的变换：DFT，WHT，DCT 都是正交和可分离变换都是正交和可分离变换n 集中能力：集中能力： DCT DFT WHTn 所需计算量：所需计算量：DCT DFT WHTn DCT是较好的（综合）选择是较好的（综合）选择第74页第6章 图像编码n比较比较对对512512的单色图的单色图的的3种近似。
13、先分割成种近似。先分割成 88的子图像，变换的子图像，变换后截去后截去50的系数，再的系数，再逆变换。逆变换后图像逆变换。逆变换后图像对应的均方误差较小。对应的均方误差较小。第75页第6章 图像编码6.4.2 变换编码变换编码3、子图像尺寸选择、子图像尺寸选择n影响变换编码误差和计算复杂度影响变换编码误差和计算复杂度（压缩量和计算复杂度都随子图像尺寸的增加而增加（压缩量和计算复杂度都随子图像尺寸的增加而增加 ）n两个条件：两个条件： 相邻子图像之间的相关（冗余）减少到某个可相邻子图像之间的相关（冗余）减少到某个可接受的水平；接受的水平； 子图像的长和宽都是子图像的长和宽都是2的整数次幂的整数次
14、幂n最常用的子图像尺寸：最常用的子图像尺寸：8 8和和16 16第76页第6章 图像编码变换编码重建误差与子图像尺寸的关系变换编码重建误差与子图像尺寸的关系第77页第6章 图像编码n例：子图像尺寸的影响例：子图像尺寸的影响保留保留20的的DCT系数。系数。右图依次为：重构图；误差图；右图依次为：重构图；误差图；放大原局部图；放大原局部图；22的结果；的结果；44的结果；的结果；88的结果的结果22图有块效应图有块效应第78页第6章 图像编码4、比特分配（、比特分配（Bit Allocation）n比特分配：对变换子图像的系数截断、量化和编码的全过比特分配：对变换子图像的系数截断、量化和编码的全
15、过程程n截断误差截断误差 截除的变换系数的数量和相对重要性截除的变换系数的数量和相对重要性 用来表示所保留系数的精度（量化）用来表示所保留系数的精度（量化）n保留系数的保留系数的2个准则个准则 最大方差准则，称为最大方差准则，称为分区编码分区编码 最大幅度准则，称为最大幅度准则，称为阈值编码阈值编码第79页第6章 图像编码（1）分区编码）分区编码 系数保留：具有最大方差的变换系数带有最多的图像信系数保留：具有最大方差的变换系数带有最多的图像信息，事先确定模板，保留一定的系数息，事先确定模板，保留一定的系数 系数量化采用两种方式：系数量化采用两种方式： （a）按系数变化区间均匀量化）按系数变化区
16、间均匀量化 （b）对每个系数设计量化器，如）对每个系数设计量化器，如Lloyd Max量化器量化器 系数编码：系数编码： （a）相同的比特数）相同的比特数 （b）给不同系数分别分配固定数量的比特）给不同系数分别分配固定数量的比特第80页第6章 图像编码典型模板与比特分配典型模板与比特分配第81页第6章 图像编码（2）阈值编码）阈值编码 根据子图像特性自适应选择保留系数将系数排队，与阈根据子图像特性自适应选择保留系数将系数排队，与阈值比较确定去舍。值比较确定去舍。 对任意子图像，值最大的变换系数对重建子图像的质量对任意子图像，值最大的变换系数对重建子图像的质量贡献最大。贡献最大。 最大系数的位置
17、随子图像发生变化，需要对截断后的系最大系数的位置随子图像发生变化，需要对截断后的系数重新排列，一般的方法是使系数排列成数重新排列，一般的方法是使系数排列成1D序列，编码时序列，编码时采用采用游程码游程码编码。编码。第82页第6章 图像编码典型的阈值模板和系数排列次序典型的阈值模板和系数排列次序第83页第6章 图像编码（2）阈值编码）阈值编码随子图像不同而保留不同位置的变换系数随子图像不同而保留不同位置的变换系数常用三种对变换子图像取阈值的方法：常用三种对变换子图像取阈值的方法：(a) 对所有子图像用一个全局阈值对所有子图像用一个全局阈值压缩的程度随（不同）图像而异，取决于超过全压缩的程度随（不
18、同）图像而异，取决于超过全局阈值的系数的数量局阈值的系数的数量 (b) 对各个子图像分别用不同的阈值对各个子图像分别用不同的阈值舍去同数量系数，码率是个常数舍去同数量系数，码率是个常数 (c) 根据子图像中系数的位置选取阈值根据子图像中系数的位置选取阈值将取阈值和量化结合起来将取阈值和量化结合起来第84页第6章 图像编码 6.1 基本概念基本概念 6.2 基础理论基础理论 6.3 无损编码无损编码 6.4 有损编码有损编码 6.5 国际标准国际标准 第85页第6章 图像编码 n二值图像压缩标准二值图像压缩标准 G3和和G4：CCITT（国际电报电话咨询委员会（国际电报电话咨询委员会 ）的两个小
19、）的两个小组组Group3和和Group4（1）G3：采用：采用1D游程编码技术游程编码技术 G4：采用：采用2 D游程编码技术游程编码技术（2）压缩率：）压缩率：G3约为约为15：1，G4高高G3一倍左右一倍左右 JBIG（1）ISO和和ITU（国际电信联盟（国际电信联盟 ）联合组）联合组(Joint bilevel imaging group)（2）方法：自适应性、多分辨率）方法：自适应性、多分辨率（3）压缩比大约为）压缩比大约为230倍倍第86页第6章 图像编码n静止图像压缩标准静止图像压缩标准 JPEG（Joint picture expert group）（1）ISO和和CCITT两
20、个组织在两个组织在1991年制成草案，年制成草案，1994年成年成为标准为标准（2）特点：）特点： 基于基于DCT的有损编码；基于分层递增模式，适用于高的有损编码；基于分层递增模式，适用于高压缩、渐进重建应用；基于压缩、渐进重建应用；基于DPCM的无损预测编码的无损预测编码（3）一般压缩）一般压缩1050倍倍第87页第6章 图像编码 JPEG2000 大压缩比时质量优于大压缩比时质量优于JPEG；编码变换采用小波变换等；编码变换采用小波变换等n运动图像压缩标准运动图像压缩标准 H.261 CCITT1990年制定，主要用于电视会议和可视会议。年制定，主要用于电视会议和可视会议。 扩展了扩展了D
21、CT编码方式。对图像序列分组，组内第编码方式。对图像序列分组，组内第1帧采帧采用帧内编码，剩余帧采用帧间编码。用帧内编码，剩余帧采用帧间编码。第88页第6章 图像编码 MPEG1 （Moving Picture Expert Group）, 成立于成立于1986年年 MPEG-1标准标准: 1991.11, 压缩压缩320240全运动广播视全运动广播视频频, 用于多媒体和广播电视用于多媒体和广播电视,数据率要求数据率要求1.5Mbps MPEG2 MPEG-2/H.262标准标准，1993.11，共同作为，共同作为ISO/IEC13818标准草案；压缩标准草案；压缩720480全运动广播视频全
22、运动广播视频, 数据率要求数据率要求4-10Mbps第89页第6章 图像编码 MPEG-4:1999年完成第三版，是又一个新的视频和音频年完成第三版，是又一个新的视频和音频编码国际标准。编码国际标准。特点是它是基于对象的编码方式以及它能对合成特点是它是基于对象的编码方式以及它能对合成对象的编码能力。对象的编码能力。支持固定和可变速率视频编码支持固定和可变速率视频编码（低速：（低速：64kbps; 中速：中速：64384kbps; 高速高速：384kbps4Mbps）。）。目的在于提供适合用于交互多媒体环境下应用的目的在于提供适合用于交互多媒体环境下应用的核心技术，解决视频信号的有效存储和传输问
23、题核心技术，解决视频信号的有效存储和传输问题 主要技术：基于目标的编码和基于模型的编码主要技术：基于目标的编码和基于模型的编码第90页第6章 图像编码 H.264/AVC 面向未来面向未来IP 和无线环境下的视频压缩和无线环境下的视频压缩 MPEG4将其纳入第将其纳入第10部分：部分：AVC（先进视频编码）（先进视频编码）第91页第6章 图像编码n图像压缩的必要性和可能性图像压缩的必要性和可能性n图像信息与压缩的一些概念图像信息与压缩的一些概念n无损压缩方法无损压缩方法 LZW 变长（哈夫曼、香农等编码）变长（哈夫曼、香农等编码） 位平面编码位平面编码n有损压缩方法有损压缩方法 预测编码预测编码 变换编码变换编码第92页第6章 图像编码n9.1、假设将一幅图像从左向右，从上向下扫描得到、假设将一幅图像从左向右，从上向下扫描得到的序列为的序列为0，255，0，255，255，0，255，0，255，0，0，0，0，0，0，0。用。用LZW编码得到的输出码编码得到的输出码字是什么？字是什么？n9.2、说明预测编码和变换编码中起数据压缩作用的、说明预测编码和变换编码中起数据压缩作用的主要步骤。主要步骤。
