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1、第4章 图像信息处理技术,4.1 图像信号概述 4.2 图像信号数字化 4.3 数字图像压缩方法的分类 4.4 静态图像压缩编码标准 4.5 动态图像压缩编码标准,图像信号按其内容变化与时间的关系来分，主要包括静态图像和动态图像两种。如按其亮度等级的不同可分为二值图像和灰度图像；按其色调的不同可分为黑白图像和彩色图像；按其所占空间的维数不同可分为平面的二维图像和立体的三维图像等等。 ,4.1 图像信号概述,1. 彩色图像信号的分量表示(1) YUV彩色空间 在PAL彩色电视制式中使用的YUV彩色空间，其中Y表示亮度信号，U、V表示色差信号。YUV与RGB彩色空间变换的对应关系如下式所示。,YU
2、V,图4.1-1 YUV模型表示的彩色图像,(2) YIQ彩色空间。在NTSC彩色电视制式中选用YIQ彩色空间，其中Y表示亮度，I、Q是两个彩色分量。 YIQ与RGB彩色空间变换的对应关系如下式所示。,(3) YCbCr彩色空间。 YCbCr与RGB彩色空间变换的对应关系如下式所示,图4.1-2 彩色图像信号分量编码系统的基本框图,2. 彩色图像信号的分量编码,4.2 图像信号数字化,4.2.1 取样点数和量化级数的选取假定一幅图像取MN个样点，对样点值进行Q级分档取整。首先，M、N、Q一般总是取2的整数次幂。Q=2b，b为正整数，通常称为对图像进行b比特量化。其次，b取值越大，重建图像失真越
3、小。再次，在实际应用中，如果表示图像的总比特数MNQ给定，对MN和b的分配往往是根据图像的内容和应用要求及系统本身的技术指标来选定的。,4.2.2 图像信号量化经过取样的图像只是在空间上被离散为像素（样本）的阵列，而每一个样本灰度值还是一个有无穷多个取值的连续变化量，必须将其转化为有限个离散值，赋予不同码字才能真正成为数字图像，再由计算机或其他数字设备进行处理运算，这样的转化过程称为量化。将样本连续灰度等间隔分层量化方式称为均匀量化，不等间隔分层量化方式称为非均匀量化。,4.3 数字图像压缩方法的分类,图4.3-1 图像压缩算法的总体框图,4.4 静止图像压缩编码标准,4.4.1 二值图像压缩
4、标准二值图像是指只有黑、白两个亮度值的图像，ITU-T先后制定了G3和G4标准，而G4是G3的改进型。目前，这两种二值图像压缩标准广泛地应用于传真通信和文档存储领域。 另一个二值图像压缩标准是JBIG，JBIG (Joint Bi-level Image Coding Experts Group) 是联合二值图像专家组的缩写。是新一代二值图像和低像素精度图像的无失真压缩编码标准。,4.4.2 静止图像压缩标准JPEGJPEG (Joint Photographic Experts Group) 的正式名称为“信息技术连续色调静止图像的数字压缩编码”。JPEG标准描述了关于连续色调（即灰度级或彩
5、色）静态图像的一系列压缩技术。,1. 无损压缩编码,图4.4-1 JPEG无损编码器框图,图4.4-2 预测值区域,2. 基于DCT的顺序编码模式,图4.4-3 基于DCT的顺序编码过程,图4.4-4 基于DCT的顺序解码过程,表4.4-1 JPEG推荐的亮度和色度量化步长表,图4.4-5 AC系数进行游程长度编码的“Z”形扫描顺序,示例：设原始图像的一个亮度88块如下 f (x,y)所示,从每个元素减去128后作DCT变换， 得到DCT系数为,实际操作中，阈值和量化操作可以通过量化矩阵合在一起：,其中, 是F(u,v)的一个阈值量化近似值， T(u,v)是推荐的对亮度分量的量化矩阵。,本例用
6、前面JPEG推荐的量化矩阵可以得到：,对这些系数进行一次“Z”字形扫描，一维系数序列可以表示为15， 0， -2， -1， -1， -1， 0， 0， -1， EOB 其中，EOB表示块结束（表示下面所有系数都是0）。 对DC系数使用DPCM进行编码。AC系数被映射到下列的游程级对中： （1， -2）（0， -1）（0， -1）（0， -1）（2， -1）根据JPEG系数编码类别表、JPEG缺省DC（亮度/色度）编码表以及JPEG缺省AC（亮度/色度）编码表，可以找出这些系数形成的符号所对应的码字。,解码器执行逆操作。也就是，首先用接收的系数乘以相同的量化矩阵，可以得到,然后执行一个逆DCT过
7、程，并对每一元素加上128，得到重构块为,与前述的原始块相比较可得到重构误差矩阵e(x,y)，可以看出，重构误差在5灰度级范围内变化。,3. 基于DCT的累进编码模式为实现累进编码的操作模式，必须在图4.4-3中量化器的输出与熵编码的输入之间增添缓冲存储器，用来存放一幅图像量化后的全部DCT系数值，然后对缓冲器中存储的DCT系数进行多次扫描，分批进行熵编码。累进编码的操作方式可以有两种做法。1) 频谱选择法（Spectral Selection）2) 连续逼近法（Successive Approximation）,4. 基于DCT的分层编码模式,图4.4-6 分层编码图像分辨率的分层降低示意图
8、,分层编码的处理过程：(1) 把原始图像分辨率分层降低。(2) 对已降低分辨率的图像采用基于DCT的顺序方式、累进方式或无失真预测编码中的任何一种编码方法进行编码。(3) 对低分辨率的图像解码,重建图像。(4) 使用插值、滤波的方法使重建图像的分辨率提高至下一层图像分辨率的大小。(5) 把升高分辨率的图像作为原始图像的预测值,将它与原始图像的差值采用基于DCT的顺序方式、累进方式或用无失真方式进行编码。(6) 重复(3)、(4)、(5)直到图像达到原图像的分辨率。,5. JPEG的实现 JPEG标准规定，JPEG算法结构由三个主要部分组成。(1) 独立的无损压缩编码 ：线性预测编码和哈夫曼编码
9、。(2) 基本系统：有损压缩。采用了88 DCT变换线性量化和哈夫曼编码等技术。(3) 扩充系统：它是基本系统的扩展或增强，必须包含基本系统。,表4.4-2 JEPG压缩效果评价,4.4.3 新一代静止图像压缩标准JPEG 2000JPEG2000与JPEG的区别：采用了以小波变换为主的多分辨率编码方式，统一了面向静态图像和二值图像的编码方式，既支持低比率压缩又支持高比率压缩。,JPEG 2000内容主要包括6个部分： (1) JPEG 2000图像编码系统（核心部分）(2) 应用扩展（在核心上扩展更多特性）(3) 运动JPEG 2000(4) 兼容性（即包容性与继承性）(5) 参考软件（目前
10、主要为JAVA与C程序）(6) 复合图像文件格式（如传真式的服务等）,1. JPEG 2000的新特征1) 高压缩率。压缩比在JPEG基础上提高10%30%。2) 无损压缩和有损压缩。提供无损和有损两种压缩方式，允许有损到无损的渐进解压。3) 渐进传输。先传输图像的轮廓数据，然后再逐步传输其它数据来不断提高图像质量。4) 感兴趣区域压缩。5) 码流的随机访问和处理。6) 容错性。在文件传输中有恢复丢失数据包的能力。7) 开放的框架结构。8) 基于内容的描述。,2. JPEG 2000图像编码系统,图4.4-7 JPEG 2000编码器和解码器原理框图 (a) 编码原理框图； (b)解码原理框图
11、,3. JPEG 2000的关键技术1) ROI技术2) 分层组织嵌入式码块位流3) 随机存取4) 抗误码性能5) 视觉频率加权,4. JPEG 2000的应用领域应用领域比JPEG要广泛得多，包括互联网、彩色传真、打印、扫描、数字摄像、遥感、移动通信、医疗图像和电子商务等等。在一些低复杂度的应用中，JPEG 2000不可能代替JPEG，因为JPEG 2000的算法复杂度不能满足这些领域的要求，但是，对于有较好的图像质量、较低的比特率或者是一些特殊特性的要求(渐进传输和感兴趣区域编码等)，JPEG 2000将是最好的选择。,4.5 动态图像压缩编码标准,表4.5-1 常见视频编码标准信号格式,
12、4.5.1 H.261标准,图4.5-1 H.261标准的视频编解码系统框图,1. 视频编码器原理,图4.5-2 H.261标准视频编码器原理框图,2. 视频数据复用格式,图4.5-3 H.261数据结构示意图,图4.5-4 CIF格式中帧、块组、宏块、块之间的关系,3. 压缩编码模式,表4.5-2 H.261标准的各种编码模式及其码字,4. 二维DCT,式中， u、 v、 x、 y0，1，2，7；x、y为像素域的空间坐标，u、 v为变换域的坐标。,5. 量化编码,6. 视频信号的前向纠错,图4.5-5 BCH (511, 493) 纠错帧结构,4.5.2 H.263标准 H.263标准以H.
13、261标准为基础，仍采用H.261标准中的混合编码器。,图4.5-6 求半精度像素预测值,H.263提出了4种有效的压缩编码方法供选用 (1) 非限制的运动矢量模式 (2) 基于句法的算术编码模式（SAC） (3) 高级预测模式 (4) PB帧模式,图4.5-7 PB帧模式示意图,4.5.3 H.264标准 ITU-T: H.264ISO: AVC(Advanced Video Coding)，是MPEG的第十部分,1. H.264的分层结构(1) 视频编码层VCL负责表示高效的视频内容，即进行视频数据的压缩(2) 网络提取层NAL负责以网络所要求的适当方式对数据进行打包和传送，并在视频编码层
14、和网络提取层之间定义一个基于分组方式的接口。,2. H.264编码原理(1) 基于块的混合编码(2) 基本原理同于H.261，H.263，都是通过帧间预测和运动补偿来消除时域冗余，通过变换编码消除频域冗余，最后经量化、熵编码产生压缩码流。,其先进性体现在：高精度的运动补偿技术：七种尺寸的子宏块分割，1/4像素甚至1/8像素的运动补偿技术，SP帧。效率更高的帧内预测技术：用邻近块的像素做外推实现对当前块的预测。基于4*4块的整数变换：基于整数进行运算，只需加减、位移运算。,3. H.264总结采用H.264标准的系统误码率要比采用MPEG-4、H.263和MPEG-2标准分别降低41%、52%和
15、67%，且H.264的编码效率和图像信噪比也明显优于其他标准。但其编码器复杂程度也较高，然而H.264能够满足各种不同速率、不同场合的视频应用，具有较好的抗误码和抗丢包的处理能力，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输。,4.5.4 MPEG-1标准 MPEG-1标准具有以下特点：(1) 经MPEG-1压缩编码后存储在介质上的视频及伴音可以随机存取； (2) 对视频及伴音可以快速正向或反向进行搜索，并能实现反向演播； (3) 视频和音频信息的同步处理以及合理的编码/解码延时，以满足实时性的要求； (4) 视频及伴音的可编辑性； (5) 对视频信息的格式（空间分辨率、时间分辨率）有很大灵
16、活性； (6) 实现成本适中。,1. MPEG-1视频编解码原理,图4.5-8 MPEG-1视频编解码原理框图(a) 编码原理； (b) 解码原理,2. 预测及运动补偿,图4.5-9 MPEG-1图像组及其帧间编码方式,3. 视频码流的分层结构,图4.5-10 MPEG-1码流分层结构示意图,4.5.5 MPEG-2标准1) MPEG-2标准的图像规范,表4.5-3 MPEG-2的图像规范,2) 场和帧的区分3) MPEG-2的分级编码4) 扩展系统层语法5) 其它特点,图4.5-11 交替扫描示意图,表4.5-4 MPEG-2标准量化因子的一组可选值,4.5.6 MPEG-4标准1. MPE
17、G-4编码特性具体标准概括如下： (1) 提供音频、视频、或者音视频内容单元的表述形式，这种形式即AV对象（AVO：音视频对象）。(2) 将基本AVO对象合成为音视频对象， 形成音视场景。 (3) 将与AVO相连的数据复合、 同步。 (4) 使用户端和所产生的音视场景交互。,MPEG-4提供一个组成的场景的标准方式，允许： (1) 将AVO放在给定坐标系统中的任意位置。 (2) 将AVO重新组合成合成AVO（Compound AVO）。 (3) 为了修改AVO属性（例如，移动一个对象的纹理，通过发送一个动画参数模拟一个运动的头部），应将流式数据应用于AVO。 (4) 交互式的改变用户在场景中的视点和听点。,
