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1、数字图像处理与分析基础,第七章 图像编码技术,黄爱民 安向京 骆力,中国水利水电出版社,新世纪电子信息与自动化系列课程改革教材,ISBN7-5084-2930-3,数字图像处理与分析基础,第七章 图像编码 Image Coding,压缩目的 基本原理 基本方法 图像编码标准,数字图像处理与分析基础,7.1 编码的目的,减少数据量：存储量、传输时间,例1:一般彩色电视信号,YIQ色空间中各分量的带宽分别为4.2MHz、1.5MHz、0.5MHz，采样原理，采样频率=2倍原始信号频率，量化为8bit，1秒钟的数据量为(4.2+1.5+0.5)*2*8=99.2MBits，约为100Mbits/S，
2、 1GB的CD-ROM存1分钟的原始电视节目。 HDTV数据量约为1.2GBits/S，1GB存6秒钟HDTV。 彩色静止图像：3*1024*1024*8=3MB，,数字图像处理与分析基础,图像通信的一般过程,数字图像处理与分析基础,基本概念,信源 需要传输或存储的原始信息称为“信源”。包括语音、图像、视频等信息源。 “信源编码”的主要任务是利用一定的编码方法降低数码率，即比特率。 信道 信息传输的通路； 信息在传输中要增加可靠性、抗干扰能力，就要进行“信道编码”，此时要进行奇偶校验等检测，需要增加比特数。抗干扰能力越强，增加的比特数就越多。,数字图像处理与分析基础,图像编码压缩要研究的主要内
3、容,信源压缩方法 与信源模型有关 语音，线性模型 比特率 采样速率（每秒样本数）乘以样本精度（比特/样本） 逼真度准则或失真度准则 平方误差准则 基于主观感受的逼真度准则,数字图像处理与分析基础,4、编码准则,输入图像f(x,y),输出g(x,y),x,y=0,1,2,N-1,（1）均方误差：,（2）均方根信噪比：,（3）压缩比= 原图像编码每个象素平均所需bit数 / 压缩后象素平均所需bit数,保真度准则：主观保真度准则、客观保真度准则。 客观保真度准则：图像均方误差、均方根信噪比。,数字图像处理与分析基础,主观保真度准则,数字图像处理与分析基础,7.2 图像压缩的基本原理,1、压缩的根据
4、：图像数据量信息量,I=D-du, I（信息量），D（数据量）， du（冗余量） 保留意义完全的信息，支持查询与检索。 冗余(redundancy)信息和不相干(irrelevancy)的信息。,数字图像处理与分析基础,压缩率,用n1表示一幅图像原来的数据量，n2表示压缩后的数据量， 压缩率 Cr 定义为： Cr= n1/ n2 （7-2） 冗余量 Rd 可表示为： Rd=1-1/Cr （7-2）,数字图像处理与分析基础,7.2 .2数据冗余的类型,编码冗余 像素间冗余 心理视觉冗余,数字图像处理与分析基础,1、编码冗余（信息熵冗余）,“码本”是表示一组信息或一组事件的一系列符号（如字母、数字
5、等）。其中对每个信息或事件所赋予的符号成为“码字”，每个码字含有的基本符号的个数称为“码长”。 设l(rk)为码字rk的码长，在二进制表示时称为“比特数（bits）”，Pr(rk)为码字的出现概率。若编码系统共有L种不同的码字，则系统可获得的平均比特数为：,数字图像处理与分析基础,自然码，如表示256个不同的灰度级，就用8bits的等长的二进制数据来编码每一个灰度级，这样系统的平均码长就是8bits。 定理：当l(rk)根据pr(rk)降序设计成变长编码的形式时，平均码长最小。,数字图像处理与分析基础,等长编码与非等长编码比较,数字图像处理与分析基础,2、像素间冗余,（1）空间冗余：规则物体和
6、规则背景的表面物理特性具有相关性。,（2）时间冗余：序列图像,像素的灰度级和颜色之间具有相关性，随机场模型,数字图像处理与分析基础,（3）结构冗余：纹理结构 （4）知识冗余：人脸的固定结构。 空间冗余、时间冗余又称统计冗余，将图像信号作为概率信号时的统计特性。,数字图像处理与分析基础,3、心理视觉冗余,视觉系统非线性、非均匀 分辨率约26，图像量化28 动态图像的视觉延迟现象,数字图像处理与分析基础,7.2.3 编码方法的分类,由压缩数据恢复的图像与原始图像的差别 “可逆压缩”：编码的数据可完恢复出原始图像 “熵编码”（Entropy Coding）， “无失真编码”、“无误差编码”（Erro
7、r Free Coding） 、无噪声编码”(Noiseless)、“冗余度压缩 ”（Redundancy Reduction）、“数据紧缩”（ DATA Compaction Lossless Bit-Preserving）。 “不可逆压缩”： “有失真编码”（lossy Coding），采用这类编码方法，由编码数据恢复的图像与原始图像有区别，图像编码产生的误差与编码的方法以及压缩比等因素有关。,数字图像处理与分析基础,1、“第一代”编码技术,三大经典编码方法 “熵值编码” “预测编码” “变换编码”。,数字图像处理与分析基础,“熵值编码”,（概率匹配编码） 主要针对无记忆信源，根据信息码字
8、出现概率的分布特征，寻找概率与码字长度间的最优匹配，从而进行压缩编码，又称为统计编码。 游程编码、Huffman编码和算术编码等多种。 熵值编码是信息编码的基础，也是各种实用算法的一个基本组成部分。,数字图像处理与分析基础,“预测编码”,根据数据的统计特性得到预测值，然后传输图像像素与其预测值的差值信号，使传输的码率降低，达到压缩的目的。 预测编码方法简单经济，编码效率较高，是语音的基本编码方法。 预测编码分为线性预测编码、非线性预测编码。根据处理的信息维数不同，又可分为行内编码（一维）、帧内编码（二维）以及帧间编码（三维）。 预测编码是视频图像压缩的基础。,数字图像处理与分析基础,“变换编码
9、”,进行某种正交变换来消除像素间的相关性。 可分为最佳变换编码，如K-L变换，以及次优变换编码，如离散余弦变换（DCT）等。 在实施时，辅助以区域变换编码、门限变换编码。 基于离散余弦变换的静止图像压缩标准jpeg和运动图像压缩标准mpeg等一系列标准。,数字图像处理与分析基础,“自适应编码”,从本质上来说就是一种“混合编码”方案，它在不同阶段根据图像的不同特征将变换编码、预测编码、无误差编码等各种方案的优势综合利用起来。 关键是识别图像的特征。 多种方案的复用可实现多级压缩，已经可以得到较大的压缩比了，现有的图像压缩标准JPEG、MPEG等在设计中就利用了这种思路。,数字图像处理与分析基础,
10、2、第二代编码技术,要充分利用人的视觉生理、心理特征和图像信源的各种特征，实现从“波形”编码到“模型”编码的转变，以便获得更高压缩比。 向量量化编码、基于分形的编码、基于模型的编码、基于区域分割的编码、基于神经网络的编码以及识别编码和基于知识的编码等。,数字图像处理与分析基础,3、过渡编码技术,充分利用人类视觉特性的“多分辨率编码”方法，如子带编码、金字塔形编码和基于小波变换的编码。 这类方法原理上仍属于线性处理，属于“波形”编码，可归入经典编码方法，但它们又紧密结合人类视觉系统的特性，因此可以被看作是“第一代”编码技术向“第二代”编码技术过渡的桥梁。,数字图像处理与分析基础,子带编码技术：,
11、子带编码是一种高质量、高压缩比的图像编码方法，它早已在语音信号压缩编码中获得了广泛的应用。 其基本依据是：图像信号可以划分为不同的频域段，人眼对不同频域段的敏感程度不同。例如图像信号的主要能量集中在低频区域，它反映图像的平均亮度；而细节、边缘信息则集中在高频区域。 子带编码的基本思想是利用一滤波器组，通过重复卷积的方法，将输入信号分解为高频分量和低频分量，然后分别对高频和低频分量进行量化和编码。解码时，高频分量和低频分量经过插值和共轭滤波器而合成原信号。 进行子带编码的一个关键问题，是如何设计共轭滤波器组，除去混叠频谱分量。,数字图像处理与分析基础,小波变换编码技术,小波变换编码技术是目前的研
12、究热点。小波变换它不仅为多分辨分析、时-频分析和子带编码建立了统一的分析方法，而且提供了更合理的表示框架。 目前小波变换在图像编码中的应用研究主要课题有：正交小波基的选择（小波包法）、小波变换与各种量化方式的结合、小波变换在分形法中实现初级分形、小波变换用于运动估值等方面。 小波变换法处于图像编码当前首选方法的位置，一方面，它有快速算法，实现起来简单方便、速度快，可暂时弥补“第二代”编码技术的不足；另一方面，它有着先进的分析方法，可有效提高现有技术的水平，实现突破性进展。,数字图像处理与分析基础,4、第三代编码技术,在第三代编码方案中主要提出了基于运动模型（VR）的编码概念，主要针对提高电视会
13、议、可视电话等的图像效果。,数字图像处理与分析基础,数字图像处理与分析基础,7.2.4 简单的图像编码模型,编码部分,解码部分,数字图像处理与分析基础,（1）信源编码器和信源解码器,原始图像,映射变换 （信息抽取）,映射后数据,量化器,符号编码器 （码元分配）,码字,图像数据压缩的一般过程（信息源）,映射器：将输入数据从象素域变换到另一个域中。 量化器：将每个映射数据舍入为数目较少的可能数值。 均匀、非均匀,数字图像处理与分析基础,（2）信道编码器和信道解码器,汉明（Hamming）编码：正确的码字之间的最小距离要大于一个给定值,码字以二进制形式表示，比特（bit） D(101),(110)=
14、2,汉明:将3个比特位的冗余加到4比特的码字上，任意两个正确码字间的距离为3，可发现和校正错误。,数字图像处理与分析基础,例：4bit(b3b2b1b0)7bit(h1h2h3h4h5h6h7),h1、h2、h4分别是比特区 h3b2b0、b3b1b0、b2b1b0的偶校验位。,信道解码器对已建立偶校验的比特区进行检查，由c1、c2、c4指出错误，从校正后的h3h5h6h7得到正确值。,数字图像处理与分析基础,7.3 编码器和典型的编码方法,编码器：给每一量化器的输出分配一个码字。 等长码、非等长码、唯一可译码、瞬时码,X:信号源；A:构成码字的符号集，a称为码元；W:代码,信号源：象素灰度、
15、行程长度、方向码、预测误差、变换系数、上一过程的结果，等等。,数字图像处理与分析基础,码字的形式,二进制码：码元数等于2时的代码称为二进制码。 等长码：如果码字集合W中的所有码字都具有相同的长度，就是等长码。如自然二进制码。码长不等的就称为非等长码，如Huffman码。 唯一可译码（单义码）：如果任何长度的一段代码只能分割成唯一的一个码字集合，则为唯一可译码。如 W=0,10,11，对代码序列S=100111000，只能分割成10、0、11、10、0、0。,数字图像处理与分析基础,在编码中形成的代码集合必须是单义码，否则没有实际使用价值。 非续长代码：码字集合中的任何一个码字都不是另一个码字的
16、续长。如W=0,10,100,111就不是非续长代码，其中“100”是“10”的续长。非续长代码一定是单义码，但单义码不一定是非续长代码。如 W=0,01是单义码，但又是续长代码。非续长代码可以用树型结构构造。,数字图像处理与分析基础,构造非续长码,设A=0,1,W=w1,w2,w3,w4,设置根节点，从根节点开始分枝，每条分枝代表一个码元0或者1，取其中任意一个分枝的节点代表w1。,对没有被选作代码的节点再分枝，选择其中任意一个分枝的节点作为代码w2。,依次类推，至所有节点都代表一个码字结束。,数字图像处理与分析基础,4、按照分枝顺序构成各码字： w1=0，w2=10，w3=110，w4=111。 各码字的长度为： n1=1，n2=2，n3=n4=3。 树形图说明，被选作代码的节点不会再有分支，因此形成的必然是非等长的非续长代码。,数字图像处理与分析基础,7.3.2无噪声编码定理,Shannon的信息论 如何构造码字，才能得到最短的平均码长？ 对特定的信息源，平均码长有下限吗？ 随机事件提供的信息量，与事件的出
