1、2018年10月9日11时7分,1,第7章 图象编码与压缩,主要内容：1.图象编码的必要性2.图象编码的分类3.图象编码中的保真度准则4.编码的性能参数5.统计编码6.预测编码7.变换编码8.图象编码的国际标准,2018年10月9日11时7分,2,1.图象编码的必要性,图象编码与压缩,图象编码与压缩，本质上来说，就是对图象源数据按一定的规则进行变换和组合，从而达到以尽可能少的代码来表示尽可能多的数据信息。压缩通过编码来实现，或者说编码带来压缩的效果，所以，一般把此项处理称之为压缩编码。,编码的必要性,一幅模拟图象必须经过脉码调制（PCMPulse Code Modulation)才能变成数字图
2、象。（PCM有时也指对信号进行采样、量化并以适当码字将其编码的各个过程的总称）,2018年10月9日11时7分,3,模拟图象,空间采样,PCM的过程：,中间体,幅值量化,中间体,数字图象,编码,例1设一幅活动图象的空间分辨率为N,灰度分辨率为b, 时间分辨率为fB, 则在实时传输过程中，该图象在传输通道里的传输率至少应该为=NbfB,若N=512512, b=8, fB=25, 则=52.4Mbps,2018年10月9日11时7分,4,例2地球资源卫星(LANDSAT)一帧图象(4幅)的数据量为 2340 2340 7 4 = 153,316,800 153Mb卫星每天要获取很多幅图象，这些数
3、据都先暂时存储在卫星体内的磁性存储器中，当卫星飞过地面接收站的有效接收区域时，迅速将这些数据全部送到地面。,2018年10月9日11时7分,5,图象编码的目的：节省存储空间；减少传输时间；利于处理，降低处理成本。,图象数据经过编码压缩、传输、解码以及重建图象数据的流程如下图所示：,原始图象数据,编码器,被压缩的图象数据流,重建图象数据,解码器,被压缩的图象数据流,信道,信源编(解)码,信道编(解)码,2018年10月9日11时7分,6,2.图象编码压缩分类,a)从应用角度分类,静止图象编码，活动图象编码，二值图象编码,b)从信息保持程度角度分类,有损压缩（保真度编码，特征抽取编码）无损压缩（信
4、息保持压缩，熵保持压缩）,c)从具体的编码技术角度分类,空域法，变换域法,预测编码，变换编码，统计编码，等,2018年10月9日11时7分,7,3.图象编码中的保真度准则,图象品质的核心问题是逼真度问题。经过处理的图象（包括经过压缩编码后的图象）与一个标准图象之间的偏差可以作为图象逼真度（保真度）的度量。这一偏差，包括亮度，色度，分辨率以及某些心理物理学参数。,a)客观保真度准则,设f(x,y)是输入图象，f(x,y)是输出图象, 定义偏差e(x,y)=f(x,y)-f(x,y),则以下的参数可作为保真度准则：,2018年10月9日11时7分,8,b)主观保真度准则,挑选一定数量的观察者,20
5、18年10月9日11时7分,9,4.编码的性能参数,图象信息熵与平均码字长度,令,是图象象素灰度级集合,其对应的频率为,定义,（单位：比特/象素）,令,是对应象素灰度级的编码长度,定义,（单位：比特/象素）,问题：如何度量编码方法的优劣？,2018年10月9日11时7分,10,称H(d)为该图象的平均信息熵，R(d)为平均编码长度。,编码效率,冗余度,冗余大致分为三类1）编码冗余 符号序列码字（码字长度）,2018年10月9日11时7分,11,2）象素间相关性冗余 帧间象素信息冗余，帧内象素信息冗余3）视觉冗余 人眼对所有视觉信息并不是都具有相同的敏感度； 人眼的空间分辨率，时间分辨率。,消除
6、冗余能达到数据压缩的效果。,Kunt的观点：1948-1988年40年研究的以去除冗余为基础的编码方法为第一代编码方法。（PCM, DPCM, 经典变换编码，统计编码等）,2018年10月9日11时7分,12,80年代以后发展的许多新方法，是第二代编码方法。基于神经网络理论，小波变换理论，分形理论等开发的编码技术，大多属于这一类。,从实用方案角度来分，可分为三大类：预测编码，统计编码，变换编码。,5.统计编码,根据图象像素灰度值出现的概率的分布特性而进行的压缩编码叫统计编码。,2018年10月9日11时7分,13,熵与平均码字长度,1）H(d) R(d)时，一定可以设计出某种平均码字 长更短的
7、无失真编码方法。2）平均码字长小于H(d)的无失真编码方法不存在,熵编码,使编码后的图象的平均码字长度尽可能接近图象的熵H。基本思路是：概率大的灰度级用短码字，概率小的，用长码字。,2018年10月9日11时7分,14,编码技术中的几个常用的概念,码，码字（字符集）变长码 等长码单一性代码任意一个有限长度的码字序列，只有一个有意义的分割。 00，10，001，101 0，01，1，11 非续长代码 前缀码；任意一个码字都不是另一个的续长。 0，10，11 0，01，11 ,2018年10月9日11时7分,15,即时码最佳编码 平均码长最接近于熵的无损编码。,2018年10月9日11时7分,16
8、,Huffman编码,基本哈夫曼编码系统框图,2018年10月9日11时7分,17,算法1）将灰度等级按概率大小进行排序（降序）， 每个灰度等级作为一个叶子结点，形成一棵树；2）将两个根节点概率最小的树，合并（规则：这 两个结点构造一个双亲结点，双亲结点的概率 大小是两者之和）；重复1) 2), 直到只有一个树为止；3）设所有左后代为0，右后代为1,2018年10月9日11时7分,18,特点优点：即时码；最优码缺点：当需要对大量符号进行编码时，构造最优哈 夫曼码的计算量会很大。,2018年10月9日11时7分,19,例3,x8:0.04,x7:0.05,0.9,x6:0.06,x5:0.07,
9、0.13,x4:0.10,x3:0.10,0.19,0.23,x2:0.18,0.37,0.60,x1:0.40,0.10,黄色连线表示0，红色连线表示1,x1:0x2:100x3:110x4:1011x5:1111x6:1110x7:10101x8:10100,2018年10月9日11时7分,20,平均码长：,信息熵：,编码效率：,2018年10月9日11时7分,21,Shannon-Fano编码,算法1）将消息非递增排序2）按概率之和相近或相等原则将消息集一分为二3）将以上分割准则递归地应用到消息子集，直止 最终 子集只有一个消息为止4）在分割过程中，分别给所分得的两个子集赋予0和1,20
10、18年10月9日11时7分,22,例4,x1:00x2:01x3:100x4:101x5:1100x6:1101x7:1110x8:1111,2018年10月9日11时7分,23,平均码长：,信息熵：,编码效率：,2018年10月9日11时7分,24,6.预测编码,预测编码（Predictive Coding)，就是根据“过去”的时刻的像素值，运用一种模型，预测当前的像素值，预测编码通常不直接对信号编码，而是对预测误差进行编码。当预测比较准确，误差较小时，即可达到编码压缩的目的。,原理：对图象的一个像素的离散幅度的真实值，利用其相邻象素的相关性，预测它的下一个象素的可能值，再求两者差，对这种具
11、有预测性质的差值，量化，编码，就可以达到压缩的目的。,2018年10月9日11时7分,25,输入图象,预测器,n,量化器,编码器,n,解码器,传输,n,输出图象,预测器,预测编码示意图,2018年10月9日11时7分,26,预测器：,是根据前面几个像素的亮度值,预测而得,量化器：对n进行舍入，整量化,编码器：可采用成熟的编码技术，如Huffman编码等,解码器：编码器的逆,线性预测器：,2018年10月9日11时7分,27,例5,246884210,24357863,24331447,246884210,f,预测器,2018年10月9日11时7分,28,在预测编码中，最常用的是差分脉码调制（D
12、ifferential Pulse Code Modulation, DPCM)，原理图如下所示：,输入,预测器,n,量化器,编码器,n,解码器,传输,n,预测器,输出,2018年10月9日11时7分,29,收端解码时的预测过程与发端相同，所用预测器也相同，收端输出的信号是发端的近似值，两者的误差是,注意：1）多点预测,x1,x2,x3,x,2018年10月9日11时7分,30,3）预测系数随着不同的图象而不同，但对每幅图象都计算预测系数太麻烦，也不现实，可参考前人得到的数据选择使用。在静止图象压缩的国际标准(JPEG)中，对这种方法的前置点形式以及预测系数有一推荐值可供参考。,2)每行的最开
13、始的几个像素无法预测，这些像素需要用其他方式编码，这是采用预测编码所需要的额外操作,2018年10月9日11时7分,31,7.变换编码,原理：图象数据经过正交变换后，其变换系数具有一定的相互独立性，（例如，对于FT来说，频普系数大的变换系数均集中在低频部分，而高频部分的幅值均很小，因而可以对低频的变换系数量化、编码和传输，对高频部分不处理，这样可以达到图象压缩的目的。,构造子图象,正教变换,量化,编码,解码,反正交变换,合并子图象,变换编码的一般系统框图,输入,输出,2018年10月9日11时7分,32,8.图象编码的国际标准,图象编码标准： JBIG，H.26x，JPEG，MPEG,国际标准
14、化组织（ID）和国际电报电话咨询委员会（CCITT）联合成立的专家组JPEG（Joint Photographic Experts Group）于1991年3月提出了ISO CDIO918号建议草案:多灰度静止图像的数字压缩编码（通常简称为JPEG标准）。这是一个适用于彩色和单色多灰度或连续色调静止数字图像的压缩标准。它包括基于DPCM（差分脉冲编码调制）、DCT（离散余弦变换）和Huffman编码的有损压缩算法两个部分。,JPEG,2018年10月9日11时7分,33,JPEG压缩编码算法的主要计算步骤如下：正向离散余弦变换(FDCT)。 量化(quantization)。 Z字形编码(zi
15、gzag scan)。 使用差分脉冲编码调制(differential pulse code modulation，DPCM)对直流系数(DC)进行编码。 使用行程长度编码(run-length encoding，RLE)对交流系数(AC)进行编码。 熵编码(entropy coding)。,2018年10月9日11时7分,34,2018年10月9日11时7分,35,2018年10月9日11时7分,36,量化DCT系数的序号,2018年10月9日11时7分,37,（源于http:/ MPEG-4：针对多媒体应用的图像编码标准。 MPEG-7：基于内容表示的标准，应用于多媒体信息的搜索， 过滤，
16、组织和处理。,MPEG,MPEG（Moving Pictures Experts Group）是 ISO/IEC/JTC/SC2/WG11的一个小组。它的工作兼顾了JPEG标准和CCITT专家组的H.261标准，于1990年形成了一个标准草案。,MPEG标准分成两个阶段:第一个阶段（MPEG-I）是针对传输速率为 lMb/s到l.5Mb/s的普通电视质量的视频信号的压缩；第二个阶段（MPEG-2）目标则是对每秒30帧的720x572分辨率的视频信号进行压缩；在扩展模式下，MPEG-2可以对分辨率达1440Xl152高清晰度电视（HDTV）的信号进行压缩。,2018年10月9日11时7分,39,回答问题,2018年10月9日11时7分,40,作业：8.1，8.12,实验四 请编写程序，对BMP格式的图象用Huffman或Shannon-Fano编码方法实现图象的压缩。,
