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1、 多媒体编码技术 数字媒体技术基础第四讲 2/193 课程内容及安排 第一部分：数字媒体导论 第二部分：数字媒体基础 数字彩色图像基础 图像/视频处理基础 第三部分：数字媒体关键技术 多媒体压缩编码技术 多媒体通信技术 数字版权管理技术 媒体内容分析与检索技术 第四部分：课程设计 3/193 本章内容提要 图像压缩编码（4） 图像压缩的基本概念 图像压缩方法 图像压缩标准 视频压缩编码（2） 运动估计 编码结构 视频编码标准 三维电视编码技术（2） 4/193 第一节 图像压缩编码 引言 基本概念 图像压缩概念及分类 图像冗余 图像压缩模型 图像保真度准则 图像压缩方法 统计编码、预测编码、变
2、换编码 图像压缩标准 JPEG标准 5/193 图像压缩的必要性 图像数据的特点之一是数据量庞大。这给存储和传输带来 许多困难 一幅低分辨率彩色图像640 480, 24bit/pixel， 该图像数据量： l640 480 3=921,600Byte=0.92MB 连续视频信号640 480像素/帧，若30f/s，若不进行压缩处理，则1 秒钟的数据量=0.9 30=27MB，一张600MB字节的光盘，能存放 600/2720秒左右视频信号，一个电影需要200张光盘。 HDTV系统中，每个画面720 1280点，24bit真彩色，60帧/s，具有 6倍于传统电视系统的空间分辨率和画面动感。每秒
3、数据量 l720 1280 3 60=166MB=1.33Gb 目前数字传输能力，6MHz带宽，只有20Mb/s的传输速率，需要压 缩比: l1330/20=66.4 6/193 图像压缩的可能性 从信息论的观点看，描述信源的数据由有用数据和冗余数 据组成。例： “你的妻子，Helen，将于明天晚上6点零5分在波士顿的Logan机场 接你” “你的妻子将于明晚6点零5分在Logan机场接你” “Helen将于明晚6点在Logan接你” 数量可观的冗余信息及不相关信息，为数据压缩技术提供 可能。如果能够消除一种或多种冗余，就可取得数据压缩 效果。 图像压缩的可能性 图像中存在很大的冗余度。 用户
4、通常允许图像失真。 7/193 图像压缩的主要应用 很多领域，都会遇到对大量图像数据进行传输和存储的问 题,没有图像压缩技术的发展，大容量图像数据的存储与传 输难以实现。 多媒体 电视会议、数字电视，可视电话 遥感图像 医学图像教育商业管理等图文资料 存储：在存储时压缩原始数据，而在使用时再解压缩，这 样能够大大增加存储介质的存储量。 传输：在发送端压缩原始数据，在接收端将压缩数据解码 ，减少传输时间 在现代通信中，图像传输已成为重要内容之一。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。 8/193 图像压缩的基本概念 图像压缩概念及分类 图像冗余 编码冗余 像素间冗余 心理
5、视觉冗余 图像压缩模型 图像保真度准则 9/193 图像压缩概念及其分类 数据压缩： 数据压缩是信息论的一个重要研究内容，称信源编码。 以尽可能少的数据表示信源所发出的信号，减少数据所占用的存 储空间。 图像压缩： 数据压缩技术在图像中的应用。 在满足一定图像质量条件下，用尽可能少的比特数来表示原始图 像，以提高图像传输的效率和减少图像存储的容量。 信源编码可分为两大类， 无失真编码无失真编码 有失真编码（有失真编码（或称限失真编码限失真编码） 信源编码与信道编码 10/193 图像压缩分类 根据解压重建后的图像和原始图像之间是否具有误差，图像编码压缩 分为 无损压缩；（亦称无误差编码；无失真
6、、无损、信息保持编码） 有损压缩；（亦称有误差编码；有失真或有损编码） 无损压缩(Lossless compression)：原始数据可完全从压缩数据中恢复 出来，即在压缩和解压缩过程中没有信息损失。压缩比2:1左右 Information preserving Error-free data reconstruction 有损压缩(Lossy compression) ：原始数据不能完全从压缩数据中恢复 出来，即恢复数据只是在某种失真度下的近似。压缩比2:1-1000:1； With loss of information Error is usually measured by mean
7、square error, signal-to-noise ratio, etc. 牺牲解码图像的准确度以换取压缩能力的增加 如果产生的失真可以容忍，则压缩能力的增加是有效的 11/193 压缩比 设：n1和n2是在两个表达相同信息的数据集中，所携 带的单位信息量。 压缩率（压缩比）：描述压缩算法性能 CR = n1 / n2 其中，n1是压缩前的数据量，n2是压缩后的数据量 相对数据冗余： RD = 1 1/CR 例：CR=20; RD = 19/20 12/193 数据冗余 数据与信息 数据是信息的载体，记录和传送信息。 信源数据=有用数据 + 冗余数据 数据冗余 数据是用来表示信息的，相
8、同的信息可以用不同数量的数据来表 示。 如果表示给定的信息使用了不同的数据量，那么使用较多数据量 的方法中，有些数据必然是代表了无用的信息，或者是重复地表 示了其它数据已表示的信息。称为冗余数据 如果能减少或消除冗余数据，就能取得压缩的效果。 能压缩多少，除了与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求。 13/193 三种基本的图像冗余 编码冗余 (Coding redundancy) If the gray level are coded in a way that uses more code symbols than absolutely necessary to
9、 represent each gray level. lVariable-length coding (reversible) 像素间冗余 (Interpixel redundancy) Data redundancy directly related to the interpixel correlations within an image. lRun-length coding (reversible) 心理视觉冗余 (Psychovisual redundancy) Certain information simply has less relative importance tha
10、n other information in normal visual processing. lImproved gray-scale quantization (irreversible) 如果能减少上述一种或多种冗余，就能取得图像压缩的效 果 14/193 1. 编码冗余(Coding Redundancy) 编码冗余：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。 消除编码冗余： 可变长编码（Variable-length coding，VLC） lThe shortest code words are assigned to the gray
11、levels that occur most frequently in an image. Huffman编码；算术编码； 例：如果用8位表示该图像的像素，我们 就说该图像存在着编码冗余，因为该图像 的像素只有两个灰度，用一位即可表示。 15/193 可变长编码（Variable-length coding，VLC） Code1 Code2 3-bit binary code 16/193 2. 像素间冗余 (Interpixel Redundancy) 像素间冗余：反映图像像素之间的相关性 图像像素的灰度级是连续变化的，相邻像素的灰度值差别很小， 所以任何像素值可以根据这个像素的相邻像素进
12、行预测得到。 例： 原图像数据：234 223 231 238 235 压缩后数据：234 -11 +8 +7 -3 消除像素间冗余： 从数学角度看，将原始图像转化为从统计角度看尽可能不相关的 数据集。 游程长编码（Run-length coding，RLC）； LZW编码；预测编码预测编码 ； 变换编码变换编码 ； 17/193 3. 心理视觉冗余 (Psychovisual Redundancy) 人类视觉系统对视觉信息感受的灵敏度不同。例如： 对较亮区域变化敏感，对较暗区域变化不敏感； 对平坦区变化敏感，对边缘区变化不敏感； 心理视觉冗余：在正常视觉处理过程中，各种信息的相对 重要程度不
13、同，不重要的信息称心理视觉冗余。 去除心理视觉冗余信息并不会削弱图像感知质量 消除心理视觉冗余：量化 Mapping of a broad range of input values to a limited number of output values 消除心理视觉冗余数据会导致一定量信息的丢失。 量化是不可逆的，导致数据有损压缩 18/193 Original image (256 levels, 8bits) Uniform Quantization (16 levels, 4bits) IGS (16 levels) False contouring IGS：Improved Gra
14、y-Scale Quantization 19/193 图像保真度准则 (Fidelity Criteria) 图像压缩可能会导致信息损失（如量化），需要 一种评价标准评价解码图像的质量。 保真度准则: 评价信息损失的测度。描述解码图像 相对于原始图像的偏离程度。常用保真度准则分 为两大类： 客观保真度准则 lThe level of information loss can be expressed as a function of the original or input image and the compressed and subsequently decompressed out
15、put image. 主观保真度准则 lMeasuring image quantity by the subjective evaluations of a human observer 20/193 (1) 客观保真度准则 (Objective Fidelity Criteria) 当所损失的信息量用原始图像与解码图像的函数表示时 ，它就是基于客观保真度准则的。 常用的客观保真度准则 均方根误差 (Root-mean-square error) 均方信噪比 (Mean-square signal-to-noise) 21/193 (2) 主观保真度准则 (Subjective Fideli
16、ty Criteria) 很多解码图码图 像最终终是供人观观看的。主观观保真度准则则常用的方法是 让让一组组（不少于20人）观观察者观观察图图像并给该图给该图 像评评分，将他们们 对该图对该图 像的评评分取平均，作为这为这 幅图图像的质质量。 绝对绝对 等级级Absolute rating scale：(1,2,3,4,5,6) lExcellent, Fine, Passable, Marginal, Inferior, Unusable 并排对对比Side-by-side comparisons：(-3,-2,-1,0,1,2,3) lMuch worse, worse, slightly worse, the same, slightly better, better,
