《信源编码(数据压缩)课程课后题与答案(第五章)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信源编码(数据压缩)课程课后题与答案(第五章)（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、信源编码Assignment of CH51、（a）人类视觉特性中空间频率灵敏度、对比度灵敏度和色彩灵敏度分别表示什么意思？空间频率灵敏度可以表示为人眼所能识别的落在视网膜上的光栅数量的范围，这个数量和人眼距离图像的距离有关。距离越近，人眼所能识别到的最大光栅密集程度（频率）越高；距离越远，所能识别到的最大光栅密集程度（频率）越低。对比度灵敏度可以表示在某一光栅频率上，为人眼所能识别到的黑白区域对比度的范围（也可以说是对比度的最小值）。这个识别灵敏度与光栅的频率有关，当频率过高或过低，人眼的对比度灵敏度都会有所下降。图1. 人眼空间频率灵敏度与对比度灵敏度的关系色彩灵敏度可以表示为人眼能够观察
2、到的色域范围或对色彩光的感知范围。这个范围取决于各色光的频率和亮度，人眼只能观察到一定频率范围内的各种色彩。可见光的波长约在380至780 nm之间，其中黄绿色对人眼的敏感度最高。波长为480nm的蓝色光和波长为650nm的红色光的敏感度最低。图2. 人眼能够识别的色彩范围（b）JPEG编码算法是如何利用这些灵敏度特性的？比如在JPEG编码算法中，利用到了人眼的空间频率灵敏度特性在高频处不敏感的特点。对图像进行DCT离散余弦变换时，将图像的低频分量进行重点保护，采用高量化精度的压缩编码或者无失真熵编码等方式，对于DC直流分量直接采取单独差分编码的方式。而对高频分量来说，可以采取低量化精度的编码
3、方式，适量地放弃一部分高频信息，而对图片的整体视觉效果产生很小的影响。再如利用人眼的色彩灵敏度特性对色彩信号的灵敏度低于亮度信号的特点，对图像的每个像素点采用4:2:2或4:2:0的灰度：色差：色差信号压缩比，减小了色彩信号的数据量，既能保证数据压缩效果又可以保持较好的视觉效果。2、（a）图像编码算法常用的知名算法有那些？首先，常用的图像编码算法中的无失真压缩算法主要有：霍夫曼编码、LZW编码、游程编码和算术编码。其主要用在编码器后端对已经经过分析、变换和量化的图像信息进行最后的压缩处理，然后传输到信道编码端。其次图像编码中比较常用的有损编码算法主要有：预测编码和变换编码。除此之外还有符号编码
4、、分维编码、子带编码等。预测编码主要指图像的帧间预测编码算法，其主要分为5中编码方式：帧重复法、帧内插法、阈值法、运动补偿法和自适应法。变换编码是最广泛用于图像编码中的技术，也最为多样。常用的有DCT离散余弦变换（包括各种改进型的DCT如MDCT、整形DCT等等）、小波变换等等。预测编码和变换编码主要应用在编码器的分析模块，通过对图像进行预测和变换，将图像信息的相关性找出，从而利用相关性减小应进行量化编码的数据量。（b）图像编码算法的关键技术有那些？个人认为图像编码算法的关键技术按编码器结构来分类主要为三大类：图像分析技术、量化技术和熵编码技术。图像分析技术主要指各类变换、预测算法，如基于预测
5、的DPCM和运动补偿、频域的离散余弦变换和子带编码、空间域的统计分块和模型基编码等等。其主要目的和思想是通过对图像进行分析和变换，将图像信息转变为相关性更强的信息组成方式，以便进行更有效的数据压缩。量化技术主要是对变换后的图像数据进行量化，进一步减小数据量。其主要有标量量化和矢量量化两种方式，或者按量化台阶分为均匀量化和非均匀量化两种。熵编码技术主要目的是对量化后的信息进行进一步去冗余，用最少的码字长度表示所有信息。其主要分为霍夫曼编码、算术编码和游程编码等。（c）为什么图像可以进行压缩？图像信息可以进行压缩的最宽泛原因在于其具有空间和频率上的相关性，和人眼的视觉特性。因为图像的局部平滑的特性
6、，相邻像素或者相邻宏块之间的差值普遍小，对于比较画面简单的图像更是如此，可能存在图像上超过一半的像素或宏块甚至完全相同，这时可以说图像的空间相关性相当强。有相关性就可以利用一定编码方式消除冗余达到数据压缩的目的。因为人眼对亮度、对比度和色彩的感知能力和分辨能力是有区间的，在人眼不能察觉到的色彩频率上可以对图像信息进行舍去，也不会影响图像的视觉效果。再如人眼对光强、灰度的敏感度大于色差信号，对低频分量的信息敏感程度大于高频信息，故可以适量对色差信号或高频信号进行舍去，亦不会严重影响图像质量，便达到了数据压缩的目的。（d）就现有图像压缩技术而言，压缩比多大时仍然可以保持良好的图像质量？如普通单一的
7、压缩编码方法对无规律信源的压缩比一般都在2:1左右。若为成熟的图像压缩编码方案来说，如基于小波变换的图像压缩一般可以达到10:1的压缩比。再如目前流行的常用标准JPEG的压缩率，根据不同压缩级别大概在10:1到40:1之间。其改进标准JPEG2000能够实现接近100:1的压缩率。压缩率超过100后，基本上不会再保有良好的图像质量。3、（a）画出JPEG图像编解码算法的框图，并详细解释其算法；图3. JPEG基本编码系统框图图4. JPEG基本解码系统框图基于DCT的有失真编码处理过程如图3所示。JPEG基线系统是一种顺序DCT算法，这类算法在量化过程中引入误差，压缩是失真的。利用人的视觉系统
8、的生理特性，使用量化和无损压缩编码去掉视觉的冗余信息和数据本身的冗余信息。图中可以看出JPEG编码的处理过程，从总的来说是这样的：对于一幅图像首先将其分成许多个88的小块，也就是每个小块有88=64个像素；分成多少个小块要看图像的分辨率，分辨率高，分的块就多，分辨率小，分的块就少。然后对每一个88的块进行二维 DCT变换，经过DCT变换后就得到频域的64个离散余弦变换系数，然后要对这64个系数进行量化，DCT系数量化中所必需的量化表及熵编码中所必需的表的具体值，根据进行编码的图像不同而不同，一般取JPEG标准推荐的量化表，量化是根据量化表进行的，量化表是JPEG组织根据人的眼睛视觉特性规定好的
9、，直接用量化表去除得到的64个系数就是量化，量化后得到的仍是一个(88) 64的系数，而这一系数己是低频集中在左上角的一个88的系数了。最后再利用熵编码表对其进行熵编码，熵编码后得到的就是己压缩的图像数据。JPEG图像的解压缩系统是压缩系统的逆过程，如图4所示。当图像的压缩数据在进入解压缩系统时，所有必需的哈夫曼表和量化表将被重新构建，从JPEG 文件头读取图像宽度和边界等信息，每个8*8块的数据块被分成两个部分，DC系数使用DC哈夫曼表解码，AC系数使用AC哈夫曼表解码。在数据块间，对DC系数采用变长解码，对AC系数采用行程解码，并按照各自存储顺序存储下来。在去量化阶段，用当前8*8数据块中
10、数值乘量化表中对应位置值，然后对每一个8*8数据块做反向离散余弦变换，由于量化产生量化误差，所以重构的块数据可能与原数据并不完全一致，反向离散余弦变换后产生YUV模式图像数据，经过转化，最后在显示屏上生成RGB图像，图像解码工作到此结束。（b）说明JPEG的Baseline算法与Progressive算法的异同。Baseline算法是最基础的编码顺序方式，它从一幅图像左上角的88宏块从左到右，自上而下进行逐次编码，在解码端也是逐次解码。故在终端加载图像时，图像是自上而下逐渐显示的。Progressive算法是对图像采用分层次多次编码的方式，每次编码整幅图像的一部分信息，在解码端分层解码，将先解
11、码出的图像层先显示出来。故在终端加载图像时，图像是从模糊到清晰进行显示的。图5. Baseline与Progressive算法4、查阅资料，了解JPEG2000算法概况，画出JPEG2000编码器和解码器的逻辑框图，并对照框图详细说明算法过程。JPEG2000标准以离散小波变换为核心变换算法，以优化截断的嵌入式块编码算法EBCOT为其核心编码算法，相对JPEG能够提供更好的图像质量而且拥有众多现代图像压缩所需要的新性能，例如良好的低比特率压缩性能，支持图像质量、分辨率、颜色分量和空间位置等多种方式的渐进性传输，支持感兴趣区域编码，有损和无损压缩等。图6. JPEG2000编码框图图7. JPE
12、G2000解码框图图6为JPEG2000的图像编码流程框图，对原始图像进行图像编码时，首先需要对图像做预处理，包括图像拼接块分割、直流电平调整和图像分量变换，然后对处理后的数据进行离散小波变换，变换过程完成后对小波变换系数进行量化，再将量化系数进行熵编码，最后将码流组成JPEG2000压缩码流。JPEG2000与JPEG的最大的差别在于它采用离散小波变换为核心变换算法，而不是采用的离散余弦变换。对图像数据信息进行小波变换可以分析其多分辨率特性和数据信号的局部特征，离散小波变换可以将一幅原始图像变换为大小、方向和位置都不同的分量。JPEG2000标准以每个图像拼接块为单位单独进行离散小波变换，每
13、个拼接块在小波变换后产生了一系列的二维子带图像，这些子带图像可以表示为原图像拼接块在不同分辨率级上的子带图像。而JPEG2000图像的解码过程是其图像编码的逆过程，如图7所示。解码器先对压缩码流进行解包，然后进行熵解码（包括Tier-1解码和Tier-2解码）、反量化，再对系数做离散小波逆变换，最终形成重建图像。JPEG2000的主要特征如下： 1）优良的压缩性能：高压缩率是JPEG2000最主要的特征，在低压缩率下图像图像几乎不失真；而高压缩率时图像压缩质量明显优于JPEG，并且图像更加光滑。 2）多种渐近传输：JPEG2000提供了多种可选的渐近传输模式，支持图像质量、图像分辨率、图像颜色
14、分量和图像的空间位置等多种渐进性传输。因此特别适合于互联网、数据打印和图像文档等方面。 3）同时支持无损和有损压缩：JPEG2000可通过设置编码参数实现对图像的无损和有损压缩编码。 4）感兴趣区域编码（ROI）：JPEG2000可在待编码图像中设定感兴趣区域，对设定区域采用低压缩率进行编码，而其它区域采用高压缩率编码，根据图像码率和图像质量的要求进行交互式压缩编码。 5）比特误差的鲁棒性：JPEG2000以码块为单位独立进行图像编解码操作，这种编码方式可以检查每个码块中的隐藏错误，提高比特误差的鲁棒性，可广泛应用于无线通信信道方面。 6）开放性架构：JPEG2000提供了一个开放的架构平台，开发者可以通过该平台在不同的图像应用领域，实现JPEG2000的核心编解码算法及码流解析，完成对不同类型图像的编解码过程。 7）随机访问和处理码流：JPEG2000以离散小波变换为核心变换算法，码流组织以包为基本单位，可随机从码流中取出一部分感兴趣区域的压缩码流进行解码，而不用对整个编码图像进行解压缩，并且支持对该区域进行旋转与平移等基本处理。
