數(shù)字圖像處理圖像編碼.ppt

7.3.2 LZW編碼,背景：是Lemple、Ziv最早提出，然后由Welch充實的有專利保護的LZW算法。 2. 基本思想：去除像素間冗余。,在壓縮過程中動態(tài)地形成一個字串表(字典)。 (2) (a) 每當壓縮掃描圖像發(fā)現(xiàn)一個字典中沒有的 字符序列，就把該字符序列存到字典中。 (b) 并用字典的地址（編碼）作為這個字符序 列的代碼，替換原圖像中的字符序列。 (c) 下次再碰到相同的字符序列，就用字典的 地址代替字符序列。,7.3.2 LZW編碼,3 LZW編碼例子：,7.3.2 LZW編碼,壓縮的結果，除了壓縮圖像外，不需要傳輸壓縮過程中形成的字典，而在解壓縮時,臨時恢復這個字典。,1. 預測編碼的基本思想 通過僅提取每個像素中的新信息, 并對它們編碼來消除像素間的冗余。 一個像素的新信息定義為該像素的當前值與預測值的差。 正是由于像素間有相關性，所以才使預測成為可能。,7.3.4 無損預測編碼,2. 無損預測編碼 無損預測編解碼系統(tǒng),壓縮圖像,en,en, fn,解碼,編碼,7.3.4 無損預測編碼,7.3.4 無損預測編碼,1. 有損壓縮概述： 有損壓縮是： 犧牲圖像復原的準確度以換取壓縮能力的增加。 如果產生的失真可以容忍，則壓縮能力的增加是有效的。 有損壓縮方法的壓縮比： 在圖像壓縮比大于30:1時，仍然能夠重構圖像。 在圖像壓縮比為10:1到20:1時，重構圖像與原圖幾乎沒有差別。 無損壓縮的壓縮比很少有能超過3:1的。 有損壓縮和無損壓縮的根本差別在于有沒有量化模塊。,7.4 有損壓縮,有損預測編碼和變換編碼都是有損壓縮。 有損預測編碼系統(tǒng)：直接對像素在圖像空間進行操作, 稱為空域方法。 變換編碼：基于圖像變換的編碼方法，稱為變換域（頻域）方法。,7.4.1 有損預測編碼,2 有損預測的基本思想 對預測誤差進行量化，通過消除視覺心理冗余，達到對圖像進一步壓縮的目的。,3 算法的演變 a) 無損預測壓縮的基礎是： 原圖像值fn與預測值 之間的誤差en。有公式： 解碼與編碼使用相同的預測器 b) 有損預測編碼的演變引入量化,4 有損預測編碼系統(tǒng),7.4.1 有損預測編碼, 量化器插在符號編碼器和預測誤差產生處之間，把原來無損編碼器中的整數(shù)舍入模塊吸收了進來 量化器將預測誤差映射到輸出 中， 確定了有損預測編碼中的壓縮量和失真量 反饋環(huán)的輸入是過去預測和與其對應的量化誤差的函數(shù), 基于圖像變換的編碼方法。 用一個可逆的、線性的變換（如傅立葉變換），把圖像映射到變換系數(shù)集合，然后對該系數(shù)集合進行量化和編碼。 大多數(shù)圖像變換得到的系數(shù)值都很小，這些系數(shù)可以較粗地量化，或忽略不計，且僅以較小的圖像失真為代價。 雖然失真很小，信息仍然不能完全復原，所以還是有損壓縮。,7.4.2 變換編碼 7.4.2.1 變換編碼的基本思想,7.4.2.1 變換編碼的基本思想,變換編碼系統(tǒng),7.4.2.2 變換編碼系統(tǒng), 構造子圖像：一幅NN圖像先被分解成尺寸為n n的子圖像，通過變換這些子圖像，得到(N/n)2個n n的子圖像變換數(shù)組。 正向變換：目的是解除每個子圖像內部像素之間的相關性，或將盡可能多的信息集中到盡可能少的變換系數(shù)上。 量化：有選擇地消除或較粗糙地量化攜帶信息最少的系數(shù)，因為它們對重建的子圖像的質量影響最小。 符號編碼：對量化的系數(shù)進行編碼（常利用變長碼）。,7.4.2.2 變換編碼系統(tǒng), 變換的選擇 子圖尺寸的選擇 位分配,7.4.2.3 實現(xiàn)變換壓縮算法的主要問題,1. 變換的選擇 可以選擇的變換 1）Karhunen-Loeve變換(KLT) 2）離散傅立葉變換（DFT） 3）離散余弦變換（DCT） 4）Walsh-Hadamard變換（WHT） 5）小波變換等,7.4.2.3 實現(xiàn)變換壓縮算法的主要問題,對變換的評價 按信息封裝能力排序： KLT，DCT，DFT，WHT 但KLT的基圖像是數(shù)據(jù)依賴的，計算量大，因而很少使用。 DFT的塊效應嚴重。常用的是DCT，已被國際標準采納，作成芯片。其優(yōu)點有： (1) 基本沒有塊效應。 (2) 信息封裝能力強，把最多的信息封裝在最少的系數(shù)中。,7.4.2.3 實現(xiàn)變換壓縮算法的主要問題,7.4.2.3 實現(xiàn)變換壓縮算法的主要問題,2. 子圖像尺寸的選擇 子圖像尺寸的選擇有兩個原則： 子圖的長和寬n應該是2的整數(shù)次冪，為便于降低計算復雜度。 n一般選為88或1616。由實踐得到： 隨著n的增加，塊效應相應減少。,7.4.2.3 實現(xiàn)變換壓縮算法的主要問題,1BMP圖像文件格式 不進行任何壓縮。 2PCX圖像文件格式編碼形式 圖像數(shù)據(jù)以壓縮的方式存放，采用掃描線游程壓縮編碼。以重復數(shù)據(jù)為壓縮對象。,7.5 靜態(tài)圖像的一些主要數(shù)據(jù)文件壓縮方式,3TIFF圖像文件格式編碼形式 TIFF不是一種采用固定壓縮方法的圖像存儲方式，用這種方式存儲的圖像可能根本沒有壓縮，或采用了某種壓縮方法。因此很難為TIFF圖像文件編制一個通用的解碼程序。不過TIFF文件大部分使用游程編碼或使用哈夫曼編碼及其變種或不壓縮。 4GIF圖像文件格式 GIF使用LZW 壓縮原理進行編碼。 5JPG圖像文件格式 使用JPEG壓縮方法。,7.5 靜態(tài)圖像的一些主要數(shù)據(jù)文件壓縮方式, 相關的國際組織 ISO（International Standardization Organization, 國際標準化組織） ITU（International Telecommunication Union, 國際電信聯(lián)盟），前身是CCITT（國際電話電報咨詢委員會） 相關工作 覆蓋了從二值到灰度（彩色）值的靜止和運動圖像。 采用的大部分基本技術前面已經(jīng)介紹，主要包括預測和變換編碼技術,7.6 圖像壓縮標準, 可分成下面幾個系列： 用于壓縮二值圖像（ 面向傳真而設計） 用于壓縮靜止圖像（面向靜止的單幅圖像） 包括靜止幀灰度和彩色圖像（JPEG） 用于壓縮運動圖像（面向連續(xù)的視頻影像) 包括連續(xù)幀灰度和彩色圖像（MPEG） 上述兩個組織還在制定一些新的標準，其中一些已經(jīng)超出純圖像編碼的范圍。,7.6 圖像壓縮標準, G3和G4 這兩個標準是由CCITT的兩個小組(Group 3和Group 4)負責制定的。 最初是CCITT為傳真應用而設計的，現(xiàn)也用于其它方面。 G3采用了非自適應、1-D行程編碼技術。對每組N行（N=2或N=4）掃描線中的后N-1行也可以用2-D方式編碼。 G4是G3的一種簡化版本，其中只使用2-D編碼。,7.6.1 二值圖像壓縮標準, CCITT在制定標準期間曾選擇了1組共8幅具有一定代表性的“試驗”圖用來評判各種壓縮方法。 它們既包括打印的文字，也包括用幾種語言手寫的文字，另外還有少量的線繪圖。 G3對它們的壓縮率約為15:1。 G4的壓縮率一般比G3高1倍。,7.6.1 二值圖像壓縮標準,由ISO和CCITT兩個組織的灰度圖像聯(lián)合專家組JPEG（Joint Picture Expert Group）建立的靜態(tài)灰度（或彩色）圖像壓縮的公開算法,于1991年開始使用。它定義了三種編碼系統(tǒng)：,7.6.2 靜止圖像壓縮標準,DCT有損編碼系統(tǒng)（基本編碼系統(tǒng)或基線編碼系統(tǒng)，Baseline System） 基于DCT的有損編碼基本系統(tǒng)，可用于絕大多數(shù)壓縮應用場合。壓縮比一般可達到25:1。 2) 擴展編碼系統(tǒng)(Extended System) 面向遞進式應用，從低分辨率到高分辨率逐步遞進傳遞的應用，即用于高壓縮比、高精確度或漸進重建應用的擴展編碼系統(tǒng)。,7.6.2 靜止圖像壓縮標準,3) 無失真編碼系統(tǒng)（獨立編碼系統(tǒng)，Lossless System） 面向無損壓縮的應用，采用無損預測壓縮，符號編碼采用哈夫曼或算術編碼。 一個產品或系統(tǒng)必須包括對基線系統(tǒng)的支持。,7.6.2 靜止圖像壓縮標準, JPEG基本系統(tǒng)編碼器框圖, 壓縮過程 DCT計算 量化 變長碼賦值,7.6.2 靜止圖像壓縮標準, 具體壓縮過程 先把圖像分解成一系列88的子塊，然后按從左向右從上向下的次序處理 設2n是圖像灰度值的最大級數(shù)，則其中的64個像素都通過減去2n-1進行灰度平移（零偏置轉換）。 再計算各子塊的2維的DCT變換并量化，并利用之字形掃描重新排序，以組成一個1維的量化序列。,7.6.2 靜止圖像壓縮標準, 具體壓縮過程（續(xù)） 該系列是根據(jù)頻率的增加順序排列的，JPEG編碼技巧充分利用了由于重新排序而造成的值為零的長行程 非零交流分量（AC）用變長碼編碼，這個變長碼確定了系數(shù)的值和處在前面位置的零的個數(shù) 而直流分量（DC）系數(shù)用相對于先前子圖的DC系數(shù)的差值進行編碼,7.6.2 靜止圖像壓縮標準,* JPEG 2000 由ISO和CCITT的灰度圖聯(lián)合專家組于1997年開始征集提案的，并準備將現(xiàn)有JPEG標準進行更新?lián)Q代的一個新標準。 JPEG 2000不僅能提高對圖像的壓縮質量，尤其是低碼率時的壓縮質量，而且還將得到許多增加了的功能，包括根據(jù)圖像質量、視覺感受和分辨率進行漸進傳輸，對碼流的隨機存取和處理，開放結構，向下兼容等。 JPEG 2000于1999年3月形成工作草案，其中的編碼變換采用了小波變換。 新標準于2000年問世。,7.6.2 靜止圖像壓縮標準,1 連續(xù)幀圖像的定義 由多幅尺寸相同的靜止圖像組成的圖像序列，被稱為連續(xù)幀圖像。 與靜止幀圖像相比，連續(xù)幀圖像多了一個時間軸，成為三維信號，因此連續(xù)幀圖像也被稱為三維圖像。,7.6.3 運動圖像壓縮標準連續(xù)幀單色、彩色壓縮(MPEG),2 連續(xù)幀圖像壓縮的基本思想 基于如下基本假設： 在各連續(xù)幀之間存在簡單的相關性平移運動。 一個特定畫面上的像素量值： 1）可以根據(jù)同幀附近像素來加以預測，被稱為： 幀內編碼技術 2）可以根據(jù)附近幀中的像素來加以預測，被稱為： 幀間編碼技術,7.6.3 運動圖像壓縮標準, 通過減少幀間圖像數(shù)據(jù)冗余，來達到減少數(shù)據(jù)量、壓縮連續(xù)圖像的目的。 將連續(xù)幀圖像序列，分為參考幀和預測幀，用參考幀來對預測幀進行預測，然后對幀差圖像進行壓縮。 由于幀差圖像的數(shù)據(jù)量大大小于原始幀的數(shù)據(jù)量，從而可以達到很高的壓縮比。,7.6.3 運動圖像壓縮標準,3 幀間運動補償預測編碼技術 幀間預測編碼,7.6.3 運動圖像壓縮標準,7.6.3 運動圖像壓縮標準,7.6.3 運動圖像壓縮標準,MPEG幀的分類： I 幀（Intra-picture） 不進行預測、進行幀內編碼的編碼幀（參考幀，不需要參考其它畫面，而獨立進行壓縮編碼的畫面） P幀（Predicted-picture） 通過向前預測得到的誤差編碼幀（參考前面已編碼的I或P畫面進行預測編碼的畫面） B幀（Bidirectional-picture） 通過雙向預測得到的誤差編碼幀 因圖像序列存放在存儲器中，可以使用下一幀 （既參考前面的I或P畫面、又參考后面的I或P畫面進行雙向預測編碼的畫面）,將畫面一般劃分成一些不連接的像素塊(在MPEGl和MPEG2標準中一個像素塊為1616像素)，對于每一個這樣的像素塊，只估計一個運動矢量 一個來自參考幀的運動補償預測像素塊，就能給出一個當前像素塊的很好預測。所以預測誤差和運動矢量一同參與編碼。,7.6.3 運動圖像壓縮標準,舉例：常用的基于塊的運動估計和補償塊匹配法,7.6.3 運動圖像壓縮標準,數(shù)字圖像處理（第二版）， R.C.Gonzalez ， Richard E.Woods著，阮秋琦，阮宇智等譯，電子工業(yè)出版社，第8章,參考文獻,