图像处理课程4图像的编码技术教学讲义

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1、图像的编码技术,图像编码的研究背景 通信方式改变带来的需求,信息传输方式发生了很大的改变 通信方式的改变文字+语音图像+文字+语音 通信对象的改变人与人人与机器，机器与机器,由于通信方式和通信对象的改变带来的最大问题是： 传输带宽、速度、存储器容量的限制。 给我们带来的一个难题，也给了我们一个机会： 如何用软件的手段来解决硬件上的物理极限。,图像编码的研究背景 通信方式改变带来的需求,图像编码的研究背景 海量数据带来的需求,数码图像的普及，导致了数据量的庞大。 图像的传输与存储，必须解决图像数据的压缩问题。,彩色视频数据量分析,实时传输： 在10M带宽网上实时传输的话，需要压缩到原来数据量的0

2、.045， 即0.36bit/pixel。 存储： （按1张光盘可存640M计算） 如果不进行压缩，1张CD则仅可以存放23秒的数据。存2小时的信息则需要压缩到原来数据量的0.0004，即：0.003bit/pixel。,传真数据量分析,如果只传送2值图像，以200dpi的分辨率传输，一张A4稿纸的数据量为： 1654*2337*1=3888768bit =390K 按目前56.6K的电话线传输速率，需要传送的时间是：67.5秒,图像通信系统模型,讨论的内容,数据的冗余 图像压缩编码简介 行程编码 Huffman编码 DCT变换编码 混合编码,数据的冗余 基本概念,我们从一个互动游戏来体会数据

3、冗余的概念。 在下面的例子中，用一种最好的方式来发送一封电报。,数据的冗余 基本概念,你的妻子，Helen，将于明天晚上6点零5分在上海的虹桥机场接你。 (23*2+10=56个半角字符) 你的妻子将于明天晚上6点零5分在虹桥机场接你 (20*2+2=42个半角字符） Helen将于明晚6点在虹桥接你 (10*2+6=26个半角字符）,结论：只要接收端不会产生误解，就可以减少承载信息的数据量。,数据冗余 描述上的冗余,描述方式： 1）这是一幅2*2的图像，图像的第一个像素是红的，第二个像素是红的，第三个像素是红的，第四个像素是红的。 2）这是一幅2*2的图像，整幅图都是红色的。,由此我们知道，

4、整理图像的描述方法可以达到压缩的目的。,图像冗余 数据冗余的压缩,图像冗余无损压缩的原理,从原来的16*3*8=284bits 压缩为：(1+3)*8=32bits,压缩比为：12：1,图像冗余 数据冗余的压缩,图像冗余有损压缩的原理,图像冗余 实际图像中的数据冗余,实际图像中冗余信息的表现（灰度图）,图像冗余 视觉冗余的压缩,图像的视觉冗余 （彩色）,(248,27,4),(251,32,15),(248,27,4),(248,27,4),图像压缩原理,由于一幅图像存在数据冗余和主观视觉冗余，所以压缩方式就可以从这两方面着手开展。 改变图像信息的描述方式，以压缩掉图像中的数据冗余。 忽略一些

5、视觉不太明显的微小差异，以压缩掉图像中的视觉冗余。,图像的压缩编码,第一代压缩编码八十年代以前，主要是根据传统的信源编码方法。 第二代压缩编码 八十年代以后，突破信源编码理论，结合分形、模型基、神经网络、小波变换等数学工具，充分利用视觉系统生理心理特性和图像信源的各种特性。,图像的压缩编码,图像的压缩编码,行程编码(RLE编码)基本概念,行程编码是一种最简单的，在某些场合是非常有效的一种无损压缩编码方法。 虽然这种编码方式的应用范围非常有限，但是因为这种方法中所体现出的编码设计思想非常明确，所以在图像编码方法中都会将其作为一种典型的方法来介绍。,行程编码 基本原理,通过改变图像的描述方式，来实

6、现图像的压缩。 将一行中灰度值相同的相邻像素，用一个计数值和该灰度值来代替。,行程编码 实现方法,举例说明：a=100,b=1,c=23,d=254 aaaa bbb cc d eeeee fffffff 4 3 2 1 5 7 (共22*8=176 bits) 4a3b2c1d5e7f (共12*8=96 bits) 压缩比为：176：96=1.83:1,行程编码传真中的应用方法,传真件中一般都是白色比较多，而黑色相对比较少。所以可能常常会出现如下的情况： 500W 3b 470w 12b 4w 3b 3000w 上面的行程编码所需用的字节数为： 因为：204830004096 所以：计数值

7、必须用12 bit来表示,行程编码传真中的应用方法,对于： 500W 3b 470w 12b 4w 3b 3000w 编码为： 500, 3, 470, 12, 4, 3, 3000 编码位数为:12, 12, 12, 12, 12,12,12 需要的数据量为： 12*7=84 bit,因为只有白或黑，而且排版中一定要留出页边距， 因此，一般情况下，可以只传输计数值即可。,行程编码传真中的应用方法,现在，根据传真件的特点，对其进行改进。 既然已经可以预知白色多黑色少，所以可对白色和黑色的计数值采用不同的位数。 以这个例子，可以定义： 白色：12 bit，黑色：4 bit,行程编码传真中的应用方

8、法,编码为： 500,3,570,12,4,3,3000 编码位数为: 12,4,12, 4,12,4,12 所需字节数为：4*12+3*4=60bit,比原来的RLE方式84bit减少到60bit,二维行程编码 基本概念,二维行程编码要解决的核心问题是: 将二维排列的像素，采用某种方式转化成一维排列的方式。之后按照一维行程编码方式进行编码。,二维行程编码 数据排序,如下图所示，是两种典型的二维行程编码的排列方式：,(a),(b),二维行程编码例,例：,数据量：64*8=512(bit),二维行程编码例,如果按照行扫描的顺序排列的话，数据分布为：,130，130，130，129，134，133

9、，129，130； 130，130，130，129，134，133，130，130； 130，130，130，129，132，132，130，130； 129，130，130，129，130，130，129，129； 127，128，127，129，131，129，131，130； 127，128，127，128，127，128，132，132； 125，126，129，129，127，129，133，132； 127，125，128，128，126，130，131，131,二维行程编码例,一维行程编码后为:,（3，130），（1，129），（1，134），（1，133），（1，129），（4

10、，130），（1，129），（1，134），（1，133），（5，130），（1，129），（2，132），（2，130），（1，129），（2，130），（1，129），（2，130），（2，129），（1，127），（1，128），（1，127），（1，129），（1，131），（1，129），（1，131），（1，130），（1，127），（1，128），（1，127），（1，128），（1，127），（1，128），（2，132），（1，125），（1，126），（2，129），（1，127），（1，129），（1，133），（1，132），（1，127），（1，125），（2，128

11、），（1，126），（1，130），（2，131）,数据量为:46*（3+8）=506(bit) 压缩比为：512：506=1.02:1,二维行程编码例,如果按照列扫描的顺序排列的话，数据分布为：,130，130，130，129，127，127，125，127； 130，130，130，130，128，128，126，125； 130，130，130，130，127，127，129，128； 129，129，129，129，129，128，129，128； 134，134，132，130，131，127，127，126； 133，133，132，130，129，128，129，130； 129

12、，130，130，129，131，132，133，131； 130，130，130，129，130，132，132，131,二维行程编码 例,一维行程编码为:,数据量为:42*（3+8）=462(bit) 压缩比为：512：462=1.11:1,（3，130），（1，129），（2，127），（1，125），（1，127），（4， 130），（2，128），（1，126），（1，125），（4，130），（2，127），（1，129），（1，128），（5，129），（1，128），（1，129），（1，128），（2， 134），（1，132），（1，130），（1，131），（2，127）

13、，（1，126），（2，133），（1，132），（1，130），（1，129），（1，128），（1，129），（1，130）， （1，129），（2，130），（1，129），（1，131），（1，132），（1，133），（1，131），（3，130），（1，129），（1，130），（2，132），（1，131）,二维行程编码 例,如果按照方式(a)扫描的顺序排列的话，数据分布为：,130，130，130，130，130，130，130，130， 130；129，129，129，129，130，130，129； 127，128，127，129，131，130，132，134， 134；

14、133，133，132，130，129，128，127， 128，127，128，127，125，126，129，129； 127，129，133，132，131，129，130，130； 129，130，130，130，129，130，132，132； 131，131，130，126，128，128，127，127,二维行程编码 例,一维行程编码为:,数据量为:43*（3+8）=473(bit) 压缩比为：512：473=1.08:1,（7，130），（2，130），（4，129），（2，130），（1，129）；（1，127），（1，128），（1，127），（1，129），（1，131）

15、，（1，130），（1，132），（2，134），（2，133），（1，132），（1，130），（1，129），（1，128），（1，127），（1，128），（1，127），（1，128），（1，127），（1，125），（1，126），（2，129），（1，127），（1，129），（1，133），（1，132），（1，131），（1，129），（2，130），（1，129），（3，130），（1，129），（1，130），（2，132），（2，131），（1，130），（1，126），（2，128），（2，127）,Huffman 编码（熵编码）,行程编码要获得好的压缩率的前提是，有比

16、较长的相邻像素的值是相同的。 熵是指数据中承载的信息量。 所谓的熵编码是指在完全不损失信息量前提下最小数据量的编码。,Huffman编码 基本原理,为了达到大的压缩率，提出了一种方法就是将在图像中出现频度大的像素值，给一个比较短的编码，将出现频度小的像数值,给一个比较长的编码。,Huffman编码 基本原理,例： aaaa bbb cc d eeeee fffffff 4 3 2 1 5 7 如果不进行特殊的编码，按照图像像素的描述，需要的数据量为： 22*8=176 bits,Huffman编码 基本原理,aaaa bbb cc d eeeee fffffff 4 3 2 1 5 7 按照熵编码的原理进行编码： f=0 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101 这里的编码规则是长短不一的异字头码,Hu