數(shù)字圖像處理圖像編碼.ppt

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7.3.2 LZW編碼,背景：是Lemple、Ziv最早提出，然后由Welch充實(shí)的有專(zhuān)利保護(hù)的LZW算法。 2. 基本思想：去除像素間冗余。,在壓縮過(guò)程中動(dòng)態(tài)地形成一個(gè)字串表(字典)。 (2) (a) 每當(dāng)壓縮掃描圖像發(fā)現(xiàn)一個(gè)字典中沒(méi)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(gè)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(jié)果，除了壓縮圖像外，不需要傳輸壓縮過(guò)程中形成的字典，而在解壓縮時(shí),臨時(shí)恢復(fù)這個(gè)字典。,1. 預(yù)測(cè)編碼的基本思想 通過(guò)僅提取每個(gè)像素中的新信息, 并對(duì)它們編碼來(lái)消除像素間的冗余。 一個(gè)像素的新信息定義為該像素的當(dāng)前值與預(yù)測(cè)值的差。 正是由于像素間有相關(guān)性，所以才使預(yù)測(cè)成為可能。,7.3.4 無(wú)損預(yù)測(cè)編碼,2. 無(wú)損預(yù)測(cè)編碼 無(wú)損預(yù)測(cè)編解碼系統(tǒng),壓縮圖像,en,en, fn,解碼,編碼,7.3.4 無(wú)損預(yù)測(cè)編碼,7.3.4 無(wú)損預(yù)測(cè)編碼,1. 有損壓縮概述： 有損壓縮是： 犧牲圖像復(fù)原的準(zhǔn)確度以換取壓縮能力的增加。 如果產(chǎn)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(shí)，仍然能夠重構(gòu)圖像。 在圖像壓縮比為10:1到20:1時(shí)，重構(gòu)圖像與原圖幾乎沒(méi)有差別。 無(wú)損壓縮的壓縮比很少有能超過(guò)3:1的。 有損壓縮和無(wú)損壓縮的根本差別在于有沒(méi)有量化模塊。,7.4 有損壓縮,有損預(yù)測(cè)編碼和變換編碼都是有損壓縮。 有損預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)：直接對(duì)像素在圖像空間進(jìn)行操作, 稱(chēng)為空域方法。 變換編碼：基于圖像變換的編碼方法，稱(chēng)為變換域（頻域）方法。,7.4.1 有損預(yù)測(cè)編碼,2 有損預(yù)測(cè)的基本思想 對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化，通過(guò)消除視覺(jué)心理冗余，達(dá)到對(duì)圖像進(jìn)一步壓縮的目的。,3 算法的演變 a) 無(wú)損預(yù)測(cè)壓縮的基礎(chǔ)是： 原圖像值fn與預(yù)測(cè)值 之間的誤差en。有公式： 解碼與編碼使用相同的預(yù)測(cè)器 b) 有損預(yù)測(cè)編碼的演變引入量化,4 有損預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng),7.4.1 有損預(yù)測(cè)編碼, 量化器插在符號(hào)編碼器和預(yù)測(cè)誤差產(chǎn)生處之間，把原來(lái)無(wú)損編碼器中的整數(shù)舍入模塊吸收了進(jìn)來(lái) 量化器將預(yù)測(cè)誤差映射到輸出 中， 確定了有損預(yù)測(cè)編碼中的壓縮量和失真量 反饋環(huán)的輸入是過(guò)去預(yù)測(cè)和與其對(duì)應(yīng)的量化誤差的函數(shù), 基于圖像變換的編碼方法。 用一個(gè)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(duì)該系數(shù)集合進(jìn)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(jì)，且僅以較小的圖像失真為代價(jià)。 雖然失真很小，信息仍然不能完全復(fù)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(gòu)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(guò)變換這些子圖像，得到(N/n)2個(gè)n n的子圖像變換數(shù)組。 正向變換：目的是解除每個(gè)子圖像內(nèi)部像素之間的相關(guān)性，或?qū)⒈M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?yàn)樗鼈儗?duì)重建的子圖像的質(zhì)量影響最小。 符號(hào)編碼：對(duì)量化的系數(shù)進(jìn)行編碼（常利用變長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)變換壓縮算法的主要問(wèn)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(shí)現(xiàn)變換壓縮算法的主要問(wèn)題,對(duì)變換的評(píng)價(jià) 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(lài)的，計(jì)算量大，因而很少使用。 DFT的塊效應(yīng)嚴(yán)重。常用的是DCT，已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采納，作成芯片。其優(yōu)點(diǎn)有： (1) 基本沒(méi)有塊效應(yīng)。 (2) 信息封裝能力強(qiáng)，把最多的信息封裝在最少的系數(shù)中。,7.4.2.3 實(shí)現(xiàn)變換壓縮算法的主要問(wèn)題,7.4.2.3 實(shí)現(xiàn)變換壓縮算法的主要問(wèn)題,2. 子圖像尺寸的選擇 子圖像尺寸的選擇有兩個(gè)原則： 子圖的長(zhǎng)和寬n應(yīng)該是2的整數(shù)次冪，為便于降低計(jì)算復(fù)雜度。 n一般選為88或1616。由實(shí)踐得到： 隨著n的增加，塊效應(yīng)相應(yīng)減少。,7.4.2.3 實(shí)現(xiàn)變換壓縮算法的主要問(wèn)題,1BMP圖像文件格式 不進(jìn)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(fù)數(shù)據(jù)為壓縮對(duì)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(chǔ)方式，用這種方式存儲(chǔ)的圖像可能根本沒(méi)有壓縮，或采用了某種壓縮方法。因此很難為T(mén)IFF圖像文件編制一個(gè)通用的解碼程序。不過(guò)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(jìn)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(guān)的國(guó)際組織 ISO（International Standardization Organization, 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織） ITU（International Telecommunication Union, 國(guó)際電信聯(lián)盟），前身是CCITT（國(guó)際電話電報(bào)咨詢(xún)委員會(huì)） 相關(guān)工作 覆蓋了從二值到灰度（彩色）值的靜止和運(yùn)動(dòng)圖像。 采用的大部分基本技術(shù)前面已經(jīng)介紹，主要包括預(yù)測(cè)和變換編碼技術(shù),7.6 圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn), 可分成下面幾個(gè)系列： 用于壓縮二值圖像（ 面向傳真而設(shè)計(jì)） 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(yùn)動(dòng)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(gè)組織還在制定一些新的標(biāo)準(zhǔn)，其中一些已經(jīng)超出純圖像編碼的范圍。,7.6 圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn), G3和G4 這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是由CCITT的兩個(gè)小組(Group 3和Group 4)負(fù)責(zé)制定的。 最初是CCITT為傳真應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，現(xiàn)也用于其它方面。 G3采用了非自適應(yīng)、1-D行程編碼技術(shù)。對(duì)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(jiǎn)化版本，其中只使用2-D編碼。,7.6.1 二值圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn), CCITT在制定標(biāo)準(zhǔn)期間曾選擇了1組共8幅具有一定代表性的“試驗(yàn)”圖用來(lái)評(píng)判各種壓縮方法。 它們既包括打印的文字，也包括用幾種語(yǔ)言手寫(xiě)的文字，另外還有少量的線繪圖。 G3對(duì)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(biāo)準(zhǔn),由ISO和CCITT兩個(gè)組織的灰度圖像聯(lián)合專(zhuān)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(kāi)算法,于1991年開(kāi)始使用。它定義了三種編碼系統(tǒng)：,7.6.2 靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),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(yīng)用場(chǎng)合。壓縮比一般可達(dá)到25:1。 2) 擴(kuò)展編碼系統(tǒng)(Extended System) 面向遞進(jìn)式應(yīng)用，從低分辨率到高分辨率逐步遞進(jìn)傳遞的應(yīng)用，即用于高壓縮比、高精確度或漸進(jìn)重建應(yīng)用的擴(kuò)展編碼系統(tǒng)。,7.6.2 靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),3) 無(wú)失真編碼系統(tǒng)（獨(dú)立編碼系統(tǒng)，Lossless System） 面向無(wú)損壓縮的應(yīng)用，采用無(wú)損預(yù)測(cè)壓縮，符號(hào)編碼采用哈夫曼或算術(shù)編碼。 一個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)必須包括對(duì)基線系統(tǒng)的支持。,7.6.2 靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn), JPEG基本系統(tǒng)編碼器框圖, 壓縮過(guò)程 DCT計(jì)算 量化 變長(zhǎng)碼賦值,7.6.2 靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn), 具體壓縮過(guò)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(shè)2n是圖像灰度值的最大級(jí)數(shù)，則其中的64個(gè)像素都通過(guò)減去2n-1進(jìn)行灰度平移（零偏置轉(zhuǎn)換）。 再計(jì)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(gè)1維的量化序列。,7.6.2 靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn), 具體壓縮過(guò)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(zhǎng)行程 非零交流分量（AC）用變長(zhǎng)碼編碼，這個(gè)變長(zhǎng)碼確定了系數(shù)的值和處在前面位置的零的個(gè)數(shù) 而直流分量（DC）系數(shù)用相對(duì)于先前子圖的DC系數(shù)的差值進(jìn)行編碼,7.6.2 靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),* JPEG 2000 由ISO和CCITT的灰度圖聯(lián)合專(zhuān)家組于1997年開(kāi)始征集提案的，并準(zhǔn)備將現(xiàn)有JPEG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更新?lián)Q代的一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)。 JPEG 2000不僅能提高對(duì)圖像的壓縮質(zhì)量，尤其是低碼率時(shí)的壓縮質(zhì)量，而且還將得到許多增加了的功能，包括根據(jù)圖像質(zhì)量、視覺(jué)感受和分辨率進(jìn)行漸進(jìn)傳輸，對(duì)碼流的隨機(jī)存取和處理，開(kāi)放結(jié)構(gòu)，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(biāo)準(zhǔn)于2000年問(wèn)世。,7.6.2 靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),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(chēng)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(gè)時(shí)間軸，成為三維信號(hào)，因此連續(xù)幀圖像也被稱(chēng)為三維圖像。,7.6.3 運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)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(shè)： 在各連續(xù)幀之間存在簡(jiǎn)單的相關(guān)性平移運(yùn)動(dòng)。 一個(gè)特定畫(huà)面上的像素量值： 1）可以根據(jù)同幀附近像素來(lái)加以預(yù)測(cè)，被稱(chēng)為： 幀內(nèi)編碼技術(shù) 2）可以根據(jù)附近幀中的像素來(lái)加以預(yù)測(cè)，被稱(chēng)為： 幀間編碼技術(shù),7.6.3 運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn), 通過(guò)減少幀間圖像數(shù)據(jù)冗余，來(lái)達(dá)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(yù)測(cè)幀，用參考幀來(lái)對(duì)預(yù)測(cè)幀進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后對(duì)幀差圖像進(jìn)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(dá)到很高的壓縮比。,7.6.3 運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),3 幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)編碼技術(shù) 幀間預(yù)測(cè)編碼,7.6.3 運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),7.6.3 運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),7.6.3 運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),MPEG幀的分類(lèi)： I 幀（Intra-picture） 不進(jìn)行預(yù)測(cè)、進(jìn)行幀內(nèi)編碼的編碼幀（參考幀，不需要參考其它畫(huà)面，而獨(dú)立進(jìn)行壓縮編碼的畫(huà)面） P幀（Predicted-picture） 通過(guò)向前預(yù)測(cè)得到的誤差編碼幀（參考前面已編碼的I或P畫(huà)面進(jìn)行預(yù)測(cè)編碼的畫(huà)面） B幀（Bidirectional-picture） 通過(guò)雙向預(yù)測(cè)得到的誤差編碼幀 因圖像序列存放在存儲(chǔ)器中，可以使用下一幀 （既參考前面的I或P畫(huà)面、又參考后面的I或P畫(huà)面進(jìn)行雙向預(yù)測(cè)編碼的畫(huà)面）,將畫(huà)面一般劃分成一些不連接的像素塊(在MPEGl和MPEG2標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)像素塊為1616像素)，對(duì)于每一個(gè)這樣的像素塊，只估計(jì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量 一個(gè)來(lái)自參考幀的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)像素塊，就能給出一個(gè)當(dāng)前像素塊的很好預(yù)測(cè)。所以預(yù)測(cè)誤差和運(yùn)動(dòng)矢量一同參與編碼。,7.6.3 運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),舉例：常用的基于塊的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償塊匹配法,7.6.3 運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),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(xiàn),