JPEG图像编码标准本节主要介绍本节主要介绍JPEGJPEG图像压缩编码算法图像压缩编码算法(DCT(DCT变变换算法换算法) )、图像数据文件格式、图像数据文件格式 (JFIF(JFIF，，JPEG JPEG Format)Format)最后，对最后，对JPEG 2000JPEG 2000进行一个简单的介绍进行一个简单的介绍§3.4§3.4内容提要2024/8/121 内容提纲3.4.1 JPEG JPEG标准与标准与JPEGJPEG图像图像3.4.2 JPEG JPEG图像格式图像格式3.4.3 JPEG JPEG图像压缩编码算法图像压缩编码算法3.4.4 JPEG 2000 JPEG 2000简介简介参参 考考 文文 献献2024/8/122 JPEG与JPEG图像一、一、ISO/IEC JPEG (Joint Photographic Experts ISO/IEC JPEG (Joint Photographic Experts Group) Group)简介简介二、关于二、关于JPEGJPEG图像图像A、参参参参 考考考考 文文文文 献献献献§3.4.1§3.4.12024/8/123 一. 关于JPEG•JPEGJPEG : Joint Photographic Experts Group : Joint Photographic Experts Group•由由ISOISO与与IECIEC于于19861986年联合成立的一个专家委员会年联合成立的一个专家委员会(WG1)(WG1)，，其宪章其宪章(charter)(charter)是：是：•其中的其中的“ “Joint”Joint”还有与还有与ITUITU联合的意思联合的意思•在过去的十几年中，该委员会制定了一系列的静态连续色在过去的十几年中，该委员会制定了一系列的静态连续色调图像压缩编码标准调图像压缩编码标准( (如：有损、无损及接近无损等编码如：有损、无损及接近无损等编码标准标准) )，并于，并于19961996年开始制定年开始制定JPEG 2000JPEG 2000标准。
标准 “Digital compression and coding of continuous-tone Digital compression and coding of continuous-tone still images”still images”2024/8/122024/8/124 4 4 4第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 关于JPEG (cont.)(cont.)•已经发布的标准有：已经发布的标准有：²²ISO/IEC 10918-1 | ITU-T Rec. T.81 : ISO/IEC 10918-1 | ITU-T Rec. T.81 : Requirements and guidelinesRequirements and guidelines²²ISO/IEC 10918-2 | ITU-T Rec. T.83 : ISO/IEC 10918-2 | ITU-T Rec. T.83 : Compliance testingCompliance testing²²ISO/IEC 10918-3 | ITU-T Rec. T.84: ISO/IEC 10918-3 | ITU-T Rec. T.84: ExtensionsExtensions²²ISO/IEC 10918-4 | ITU-T Rec. T.86: ISO/IEC 10918-4 | ITU-T Rec. T.86: Registration of JPEG Registration of JPEG Parameters, Profiles, Tags, Color Spaces, APPn Markers, Compression Parameters, Profiles, Tags, Color Spaces, APPn Markers, Compression Types, and Registration Authorities (REGAUT)Types, and Registration Authorities (REGAUT)²²DIS 14495-1 | ITU-T Draft Rec. T.87 : DIS 14495-1 | ITU-T Draft Rec. T.87 : Lossless and Near-LosslessLossless and Near-Lossless²²Compression of Continuous-Tone Still Images – BaselineCompression of Continuous-Tone Still Images – Baseline•JPEG2000JPEG2000标准标准( (草案草案) )²²ISO/IEC FCD15444-1: 2000 |ISO/IEC FCD15444-1: 2000 | ITU-T Rec. T.800ITU-T Rec. T.8002024/8/122024/8/125 5 5 5第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 二. 关于JPEG图像•压缩编码算法主要有：压缩编码算法主要有：²²基于离散余弦变换基于离散余弦变换(Discrete Cosine Transform, DCT)(Discrete Cosine Transform, DCT)的有损压缩的有损压缩(lossy compression)(lossy compression)算法。
该算法还包括熵编码算法该算法还包括熵编码( (EntropyEntropy CodingCoding), ),霍霍夫曼编码夫曼编码( (Huffman codingHuffman coding) )等算法²²基于预测的无损数据压缩算法基于预测的无损数据压缩算法•算法所处理的图像为静态连续色调算法所处理的图像为静态连续色调(still continuous-tone)(still continuous-tone)的的彩色或灰度彩色或灰度(grayscale)(grayscale)图像•压缩算法与彩色空间无关，颜色变换不包括在算法中压缩算法与彩色空间无关，颜色变换不包括在算法中•编码模型有：顺序编码模型有：顺序( (Sequential encodingSequential encoding) )、累进、累进( (Progressive Progressive encodingencoding) )、无损、无损( (Lossless encodingLossless encoding) )、层次、层次( (Hierarchical Hierarchical encodingencoding) )编码模型。
编码模型2024/8/122024/8/126 6 6 6第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG图像格式( (一一一一) ) JPEGJPEG图像格式简介图像格式简介( (二二二二) ) JFIFJFIF (JPEG Format (JPEG Format，即，即 JPEGJPEG图像文件交换格式图像文件交换格式) )( (三三) ) JFIFJFIF格式图像数据分析格式图像数据分析§3.4.22024/8/127 （一）（一）JPEG图像格式简介•JPEGJPEG图像为静止连续色调图像为静止连续色调(still continuous-tone)(still continuous-tone)图像，有广图像，有广泛的用途泛的用途²²如：数码相机、如：数码相机、Web page imagesWeb page images、、MPEGMPEG的帧内图像的帧内图像(I (I图像图像) )、、……•JPEGJPEG委员会在制定委员会在制定JPEGJPEG标准时，定义了许多标记标准时，定义了许多标记(marker)(marker)来区分和识别图像数据及其相关的信息。
但是，到目前为来区分和识别图像数据及其相关的信息但是，到目前为止，关于止，关于JPEGJPEG文件交换格式明确定义的详细说明，在相关文件交换格式明确定义的详细说明，在相关的的“ “规范规范” ”或或“ “建议建议” ”( (如如ITU T.81)ITU T.81)中没有见到中没有见到•目前使用的格式为目前使用的格式为JFIF v1.02JFIF v1.02和和TIFF JPEGTIFF JPEG等，其中前者的等，其中前者的使用比较广泛，大多数应用程序均加以支持，其他格式比使用比较广泛，大多数应用程序均加以支持，其他格式比较复杂2024/8/122024/8/128 8 8 8第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG图像格式简介 (cont.)(cont.)•JPEGJPEG文件使用的颜色空间为文件使用的颜色空间为19821982年推荐的电视图像数字化年推荐的电视图像数字化标准标准CCIR 601 (CCIR 601 (现为现为ITU-RB T.601)ITU-RB T.601)在这个色彩空间中，在这个色彩空间中，每个分量、每个像素的电平规定为每个分量、每个像素的电平规定为255255级，用级，用8 8位代码表示。
位代码表示 •颜色转换颜色转换²² 从从RGB转换成转换成YCbCr空间时，使用下面的精确的转换关系：空间时，使用下面的精确的转换关系： Y = 256 × E'y Cb = 256 × [E'Cb] + 128 Cr = 256 × [E'Cr] + 128其中亮度电平其中亮度电平E'y和色差电平和色差电平E'Cb和和E'Cb分别是分别是CCIR 601定义的参数由于定义的参数由于E'y的范围是的范围是0～～1，，E'Cb和和E'Cb的范围是的范围是-0.5～～+0.5，因此，因此Y, Cb和和Cr的最大值的最大值必须要到必须要到255于是RGB和和YCbCr之间的转换关系需要按照下面的方法计算之间的转换关系需要按照下面的方法计算2024/8/122024/8/129 9 9 9第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG图像格式简介 (cont.)(cont.)•颜色转换颜色转换²²从从RGBRGB转换成转换成YCYCb bC Cr rYCbCr(256级级)分量可直接从用分量可直接从用8位表示的位表示的RGB分量计算得到：分量计算得到： Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B Cb = - 0.1687R - 0.3313G + 0.5 B + 128 Cr = 0.5 R - 0.4187G - 0.0813 B + 128需要注意的是：需要注意的是：需要注意的是：需要注意的是： 不是所有图像文件格式都按照不是所有图像文件格式都按照R0，，G0，，B0，，…，，Rn，，Gn，，Bn的次序存储样本数据，因此在的次序存储样本数据，因此在RGB文件转换成文件转换成JFIF文件时需要首文件时需要首先验证先验证RGB的次序。
的次序2024/8/122024/8/1210101010第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG图像格式简介 (cont.)(cont.)•颜色转换颜色转换²²从从YCYCb bC Cr r 转换成转换成RGBRGBRGB分量可直接从分量可直接从YCbCr (256级级)分量计算得到：分量计算得到： R = Y + 1.402 (Cr - 128) G = Y - 0.34414 (Cb - 128) - 0.71414 (Cr - 128) B = Y + 1.772 (Cb - 128)在在JFIF文件格式中，图像样本的存放顺序是从左到右和从上到下文件格式中，图像样本的存放顺序是从左到右和从上到下这就是说这就是说JFIFJFIF文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本2024/8/122024/8/1211111111第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 RGB YCbCrRGBYCbCr2024/8/122024/8/1212121212第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG图像格式简介 (cont.)(cont.)•JPEGJPEG的主要标记的主要标记(marker)(marker)²²下面为其中的下面为其中的8 8个主要标记个主要标记标记名标记名标记值标记值含义含义SOI SOI 0xD80xD8图像开始图像开始图像开始图像开始APP0APP00xE00xE0JFIFJFIF应用数据块应用数据块应用数据块应用数据块APPnAPPn0xE1 - 0xEF0xE1 - 0xEF其他的应用数据块其他的应用数据块其他的应用数据块其他的应用数据块(n, 1(n, 1～～～～15)15)DQTDQT0xDB0xDB量化表量化表量化表量化表SOF0SOF00xC00xC0帧开始帧开始帧开始帧开始DHTDHT0xC40xC4霍夫曼霍夫曼霍夫曼霍夫曼(Huffman)(Huffman)表表表表SOSSOS0xDA0xDA扫描线开始扫描线开始扫描线开始扫描线开始EOIEOI0xD90xD9图像结束图像结束图像结束图像结束2024/8/122024/8/1213131313第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG图像格式简介 (cont.)(cont.)•附表：附表：JPEGJPEG定义的标记列表定义的标记列表Symbol Symbol ( (符号符号符号符号) )Code AssignmentCode Assignment( (标记代码标记代码标记代码标记代码) )DescriptionDescription( (说明说明说明说明) )Start Of Frame markers, non-hierarchical Huffman codingStart Of Frame markers, non-hierarchical Huffman codingSOFSOF0 00xFFC00xFFC0Baseline DCTBaseline DCTSOFSOF1 10xFFC10xFFC1Extended sequential DCTExtended sequential DCTSOFSOF2 20xFFC20xFFC2Progressive DCTProgressive DCTSOFSOF3 30xFFC30xFFC3Spatial (sequential) lossless Spatial (sequential) lossless Start Of Frame markers, hierarchical Huffman codingStart Of Frame markers, hierarchical Huffman codingSOFSOF5 50xFFC50xFFC5Differential sequential DCTDifferential sequential DCTSOFSOF6 60xFFC60xFFC6Differential progressive DCTDifferential progressive DCTSOFSOF7 70xFFC70xFFC7Differential spatial losslessDifferential spatial lossless2024/8/122024/8/1214141414第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG图像格式简介 (cont.)(cont.)•附表：附表：JPEGJPEG定义的标记列表定义的标记列表( (续续) )Start Of Frame markers, hierarchical arithmetic codingStart Of Frame markers, hierarchical arithmetic codingSOFSOF13130xFFCD0xFFCDDifferential sequential DCTDifferential sequential DCTSOFSOF14140xFFCE0xFFCEDifferential progressive DCTDifferential progressive DCTSOFSOF15150xFFCF0xFFCFDifferential spatial LosslessDifferential spatial LosslessHuffman table specificationHuffman table specificationDHTDHT0xFFC40xFFC4Define Huffman table(s)Define Huffman table(s)arithmetic coding conditioning specificationarithmetic coding conditioning specificationDACDAC0xFFCC0xFFCCDefine arithmetic conditioning tableDefine arithmetic conditioning tableRestart interval terminationRestart interval terminationRSTmRSTm0xFFD00xFFD0～～0xFFD70xFFD7Restart with modulo 8 counter mRestart with modulo 8 counter m2024/8/122024/8/1215151515第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG图像格式简介 (cont.)(cont.)•附表：附表：JPEGJPEG定义的标记列表定义的标记列表( (续续) )Other markerOther markerSOISOI0xFFD80xFFD8Start of imageStart of imageEOIEOI0xFFD90xFFD9End of imageEnd of imageSOSSOS0xFFDA0xFFDAStart of scanStart of scanDQTDQT0xFFDB0xFFDBDefine quantization table(s)Define quantization table(s)DNLDNL0xFFDC0xFFDCDefine number of linesDefine number of linesDRIDRI0xFFDD0xFFDDDefine restart intervalDefine restart intervalDHPDHP0xFFDE0xFFDEDefine hierarchical progressionDefine hierarchical progressionEXPEXP0xFFDF0xFFDFExpand reference image(s) Expand reference image(s) APPAPPn n0xFFE00xFFE0～～0xFFEF0xFFEFReserved for application useReserved for application useJPGJPGn n0xFFF00xFFF0～～0xFFFD0xFFFDReserved for JPEG extensionReserved for JPEG extensionCOMCOM0xFFFE0xFFFECommentCommentReserved markersReserved markersTEMTEM0xFF010xFF01For temporary use in arithmetic codingFor temporary use in arithmetic codingRESRES0xFF020xFF02～～0xFFBF0xFFBFReservedReserved2024/8/122024/8/1216161616第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG图像格式简介 (cont.)(cont.)•附表：附表：APP0APP0域的详细结构域的详细结构 偏移偏移偏移偏移长度长度长度长度内容内容内容内容块的名称块的名称块的名称块的名称说明说明说明说明0 02 byte2 byte0xFFD80xFFD8(Start of Image, SOI)(Start of Image, SOI)图像开始图像开始2 22 byte2 byte0xFFE00xFFE0APP0(JFIF application segment)APP0(JFIF application segment)JFIFJFIF应用数据块应用数据块4 42 bytes2 bytes length of APP0 blocklength of APP0 blockAPP0APP0块的长度块的长度6 65 bytes5 bytes "JFIF"+"0""JFIF"+"0"识别识别APP0APP0标记标记11111 byte1 byte 主要版本号主要版本号( (如版本如版本1.021.02中的中的1)1)12121 byte1 byte 次要版本号次要版本号( (如版本如版本1.021.02中的中的02)02)13131 byte1 byte X X和和Y Y的密度单位的密度单位units=0units=0：无单位：无单位 units=1units=1：点数：点数/ /英寸英寸units=2units=2：点数：点数/ /厘米厘米14142 bytes2 bytes 水平方向像素密度水平方向像素密度16162 bytes2 bytes 垂直方向像素密度垂直方向像素密度18181 byte1 byte 缩略图水平像素数目缩略图水平像素数目19191 byte1 byte 缩略图垂直像素数目缩略图垂直像素数目 3n3n < Thumbnail RGB bitmap>< Thumbnail RGB bitmap>缩略缩略RGBRGB位图位图(n(n为缩略图的像素数为缩略图的像素数) ) Optional JFIF extension APP0 marker segment (s)Optional JFIF extension APP0 marker segment (s)任选的任选的JFIFJFIF扩展扩展APP0APP0标记段标记段 ………… ………… 2 byte2 byte0xFFD90xFFD9(EOI) end-of-file(EOI) end-of-file图像文件结束标记图像文件结束标记2024/8/122024/8/1217171717第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 （二）JFIF文件格式•JFIFJFIF : JPEG Format ( : JPEG Format ( JPEGJPEG文件交换格式文件交换格式 ) )•该格式由该格式由Eric HamiltonEric Hamilton于于19921992年提出，已经成为事年提出，已经成为事实上实上( de facto )( de facto )的的JPEGJPEG图像文件交换格式标准。
图像文件交换格式标准•该格式直接使用该格式直接使用JPEGJPEG专家组为专家组为JPEGJPEG图像定义的诸图像定义的诸多多标记标记( marker )( marker )JPEGJPEG的每个标记都由的每个标记都由两个两个字节字节组成，前一个字节的值固定为组成，前一个字节的值固定为0xFF (0xFF (JPEGJPEG文件的文件的文件的文件的字节是按正序字节是按正序字节是按正序字节是按正序( big endian )( big endian )( big endian )( big endian )排列的排列的排列的排列的) )每个标记每个标记之前还可以添加数目不限的之前还可以添加数目不限的0xFF0xFF填充字节填充字节 ( fill ( fill byte)byte)2024/8/122024/8/1218181818第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JFIF文件结构 (cont.)(cont.)•JFIFJFIF特性：特性：²²使用使用JPEGJPEG压缩算法压缩算法²²使用使用JPEGJPEG交换格式的图像数据压缩表示法交换格式的图像数据压缩表示法²²PC PC 或或 Mac Mac 或或 Unix Unix 工作站均兼容工作站均兼容²²标准的颜色空间标准的颜色空间: : 一个或三个颜色分量。
一个或三个颜色分量 (对于三个颜色分量，采对于三个颜色分量，采用用 Y CY Cb b C Cr r (CCIR 601-256 (CCIR 601-256级级) )规范规范) )²²APP0 APP0 标记标记 用于指定用于指定 计量单位制、计量单位制、 X, YX, Y像素的密度以及缩略图的像素的密度以及缩略图的细节细节²²APP0 APP0 标记同样用于指定标记同样用于指定JFIFJFIF的扩展方法的扩展方法²²APP0 APP0 标记还用于指定其他与应用相关的信息标记还用于指定其他与应用相关的信息2024/8/122024/8/1219191919第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JFIF文件结构 (cont.)(cont.)•JPEGJPEG文件由下面的文件由下面的8 8个部分组成个部分组成(1) (1) 图像开始图像开始SOI (Start of Image)SOI (Start of Image)标记标记(2) APP0(2) APP0标记标记(Marker)(Marker) ① APP0 ① APP0长度长度(length)(length) ② ② 标识符标识符(identifier)(identifier) ③ ③ 版本号版本号(version)(version) ④ X ④ X和和Y Y的密度单位的密度单位 (units=0(units=0：无单位；：无单位；units=1units=1：点数：点数/ /英寸；英寸；units=2units=2：点数：点数/ /厘米厘米) ) ⑤ X ⑤ X方向像素密度方向像素密度(X density)(X density) ⑥ Y ⑥ Y方向像素密度方向像素密度(Y density)(Y density) ⑦ ⑦ 缩略图水平像素数目缩略图水平像素数目(thumbnail horizontal pixels)(thumbnail horizontal pixels) ⑧ ⑧ 缩略图垂直像素数目缩略图垂直像素数目(thumbnail vertical pixels)(thumbnail vertical pixels) ⑨ ⑨ 缩略图缩略图RGBRGB位图位图(thumbnail RGB bitmap)(thumbnail RGB bitmap)(3) APPn(3) APPn标记标记(Markers)(Markers)，其中，其中n=1n=1～～15(15(任选任选) ) ① APPn ① APPn长度长度(length)(length) ② ② 由于详细信息由于详细信息(application specific information)(application specific information)2024/8/122024/8/1220202020第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JFIF文件结构 (cont.)(cont.)•JPEGJPEG文件由下面的文件由下面的8 8个部分组成个部分组成( (续续) )(4) 一个或者多个量化表一个或者多个量化表DQT (define quantization table) ①① 量化表长度量化表长度(quantization table length) ②② 量化表数目量化表数目(quantization table number) ③③ 量化表量化表(quantization table)(5) 帧图像开始帧图像开始SOF0(Start of Frame) ①① 帧开始长度帧开始长度(start of frame length) ②② 精度精度(precision)，每个颜色分量每个像素的位数，每个颜色分量每个像素的位数 (bits per pixel per color component) ③③ 图像高度图像高度(image height) ④④ 图像宽度图像宽度(image width) ⑤⑤ 颜色分量数颜色分量数(number of color components) ⑥⑥ 对每个颜色分量对每个颜色分量(for each component) ID 垂直方向的样本因子垂直方向的样本因子(vertical sample factor) 水平方向的样本因子水平方向的样本因子(horizontal sample factor) 量化表号量化表号(quantization table#)2024/8/122024/8/1221212121第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JFIF文件结构 (cont.)(cont.)•JPEGJPEG文件由下面的文件由下面的8 8个部分组成个部分组成( (续续) )(6) 一个或者多个霍夫曼表一个或者多个霍夫曼表DHT (Define Huffman Table) ①① 霍夫曼表的长度霍夫曼表的长度(Huffman table length) ②② 类型、类型、AC或者或者DC (Type, AC or DC) ③③ 索引索引(Index) ④④ 位表位表(bits table) ⑤⑤ 值表值表(value table)(7) 扫描开始扫描开始SOS (Start of Scan) ①① 扫描开始长度扫描开始长度(start of scan length) ②② 颜色分量数颜色分量数(number of color components) ③③ 每个颜色分量每个颜色分量 ID 交流系数表号交流系数表号(AC table #) 直流系数表号直流系数表号(DC table #) ④④ 压缩图像数据压缩图像数据(compressed image data)(8) 图像结束图像结束EOI (End of Image)2024/8/122024/8/1222222222第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 （三）JFIF格式图像数据分析•一个一个 16×1616×16像素图像像素图像(JFIF(JFIF格式格式) )数据数据sample image (16×16 Pixels)markerblocks : 000000 ~ 0001e0文件类型标识2024/8/122024/8/1223232323第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JFIF格式图像数据分析 (cont.)(cont.)•一个一个 16×1616×16像素图像像素图像(JFIF(JFIF格式格式) )数据数据blocks : 0001f0 ~ 000350original Bitmap imagesample image (16×16 Pixels)2024/8/122024/8/1224242424第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 参考文献• •Gregory K. Wallace. Gregory K. Wallace. The JPEG Still Picture Compression StandardThe JPEG Still Picture Compression Standard. . Communications of the ACMCommunications of the ACM. 1991, 34(4): 30 ~ 44.. 1991, 34(4): 30 ~ 44.• •Still Picture Interchange (SPIFF)Still Picture Interchange (SPIFF)• •Eric Hamilton. Eric Hamilton. JPEG FormatJPEG Format, Version 1.02. 1992., Version 1.02. 1992.• •ITU Recommendation T.81 : ITU Recommendation T.81 : INFORMATION TECHNOLOGY – INFORMATION TECHNOLOGY – DIGITAL COMPRESSION AND CODING OF CONTINUOUS-TONE DIGITAL COMPRESSION AND CODING OF CONTINUOUS-TONE STILL IMAGES – REQUIREMENTS AND GUIDELINESSTILL IMAGES – REQUIREMENTS AND GUIDELINES. .• •JPEG image compression FAQ, part 1 & 2.JPEG image compression FAQ, part 1 & 2./ /• •A. Skodras, C. Christopoulos, and T. Ebrahimi. A. Skodras, C. Christopoulos, and T. Ebrahimi. JEPG2000 Still Image JEPG2000 Still Image Compression StandardCompression Standard. . IEEE Signal Processing MagazineIEEE Signal Processing Magazine, 2001., 2001.2024/8/122024/8/1225252525第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG图像压缩编码• JPEGJPEG图像压缩编码算法概要图像压缩编码算法概要• JPEGJPEG图像压缩编码算法的主要步骤图像压缩编码算法的主要步骤• 基于基于DCTDCT的算法的算法举例举例• 基于基于DCTDCT的扩展编码的扩展编码( (累进、分层编码累进、分层编码) )§3.4.32024/8/1226 算法概要•JPEGJPEG专家组开发了两种基本的压缩算法：专家组开发了两种基本的压缩算法：²²以离散余弦变换以离散余弦变换(Discrete Cosine Transform(Discrete Cosine Transform，，DCT)DCT)为基为基础的有损压缩算法础的有损压缩算法²²以预测技术为基础的无损压缩算法以预测技术为基础的无损压缩算法•算法的特点算法的特点①JPEG有损压缩算法利用了人的视角系统的特性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余信息。
在压缩比为25:1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此得到了广泛的应用②JPEG算法与彩色空间无关，因此“RGB到YUV变换”和“YUV到RGB变换”不包含在JPEG算法中JPEG算法处理的彩色图像是单独的彩色分量图像，因此它可以压缩来自不同彩色空间的数据，如RGB, YCbCr和CMYK 1.1.2024/8/122024/8/1227272727第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 算法概要 (cont.)(cont.)•压缩编码大致分成三个步骤：压缩编码大致分成三个步骤：²²使用正向离散余弦变换使用正向离散余弦变换( (f forward orward d discrete iscrete c cosine osine t transformransform，，FDCT)FDCT)把空间域表示的图变换成频率域表示的图把空间域表示的图变换成频率域表示的图²²使用加权函数对使用加权函数对DCTDCT系数进行量化，这个加权函数对系数进行量化，这个加权函数对于人的视觉系统是最佳的于人的视觉系统是最佳的²²使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。
使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码•译码或者叫做解压缩的过程与压缩编码过程正好译码或者叫做解压缩的过程与压缩编码过程正好相反 2024/8/122024/8/1228282828第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 算法概要 (cont.)(cont.)•JPEGJPEG压缩编码压缩编码- -解压缩算法框图解压缩算法框图2024/8/122024/8/1229292929第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 主要计算步骤•JPEGJPEG压缩编码算法的主要计算步骤如下：压缩编码算法的主要计算步骤如下：²²正向离散余弦变换正向离散余弦变换(FDCT)(FDCT)²²量化量化(quantization)(quantization)²²Z Z字形编码字形编码(zigzag scan)(zigzag scan)²²使用差分脉冲编码调制使用差分脉冲编码调制(differential pulse code (differential pulse code modulationmodulation，，DPCM)DPCM)对直流系数对直流系数(DC)(DC)进行编码进行编码²²使用行程长度编码使用行程长度编码(run-length encoding(run-length encoding，，RLE)RLE)对交流系对交流系数数(AC)(AC)进行编码进行编码²²熵编码熵编码(entropy coding)(entropy coding)2.2.2024/8/122024/8/1230303030第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 主要计算步骤：①①•正向离散余弦变换正向离散余弦变换(FDCT)(FDCT)2024/8/122024/8/1231313131第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 主要计算步骤：① ① （（cont.cont.））•正向离散余弦变换正向离散余弦变换(FDCT)(FDCT)f ( i, j ) 经变换之后，经变换之后，F( 0, 0 )是是直流系数直流系数(DC,即即64个空域图像采样值的个空域图像采样值的平均值平均值)，其他为，其他为交流系数交流系数(AC)。
2024/8/122024/8/1232323232第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 计算步骤：① ① （（cont.cont.））•正向离散余弦变换正向离散余弦变换(FDCT)(FDCT)2024/8/122024/8/1233333333第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 计算步骤：②②•量化量化(Quantization)(Quantization)²²量化是对经过量化是对经过FDCTFDCT变换后的频率系数进行量化，其目变换后的频率系数进行量化，其目的是减小非的是减小非“ “0”0”系数的幅度以及增加系数的幅度以及增加“ “0”0”值系数的值系数的数目²²对于有损压缩算法，使用均匀量化器进行量化量化对于有损压缩算法，使用均匀量化器进行量化量化步距是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值步距是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值来确定 2024/8/122024/8/1234343434第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 计算步骤：② ② （（cont.cont.））•量化量化(Quantization)(Quantization)²²因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，因此使用因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，因此使用了两种量化表：了两种量化表：亮度亮度量化值和量化值和色差色差量化值。
量化值²²由于人眼对低频分量的图像比对高频分量的图像更敏由于人眼对低频分量的图像比对高频分量的图像更敏感，因此图中的左上角的量化步距要比右下角的量化感，因此图中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小 （亮度量化值表） （色度量化值） 2024/8/122024/8/1235353535第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 计算步骤：③③•Z Z字形编排字形编排(Zigzag Scan)(Zigzag Scan)²²量化后的系数要重新编排，目的是为了增加连续的量化后的系数要重新编排，目的是为了增加连续的“ “0”0”系数的个数，就是系数的个数，就是“ “0”0”的游程长度，方法是按的游程长度，方法是按照照Z Z字形的式样编排，其结果是把一个字形的式样编排，其结果是把一个8 × 88 × 8的矩阵变成的矩阵变成一个一个1 × 641 × 64的矢量，频率较低的系数放在矢量的顶部的矢量，频率较低的系数放在矢量的顶部 0 01 15 56 614141515272728282 24 47 7131316162626292942423 38 81212171725253030414143439 9111118182424313140404444535310101919232332323939454552525454202022223333383846465151555560602121343437374747505056565959616135353636484849495757585862626363量化DCT系数的序号 2024/8/122024/8/1236363636第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 计算步骤：④④•直流系数直流系数(DC)(DC)的编码的编码²²DCDC系数的特点系数的特点：：8 × 88 × 8图像块经过图像块经过DCTDCT变换之后得到的变换之后得到的DCDC直流系数有两个特点，一是系数的数值比较大，二直流系数有两个特点，一是系数的数值比较大，二是相邻是相邻8 × 88 × 8图像块的图像块的DCDC系数值变化不大。
系数值变化不大²²JPEGJPEG算法使用了差分脉冲调制编码算法使用了差分脉冲调制编码(DPCM)(DPCM)技术，对相技术，对相邻图像块之间量化邻图像块之间量化DCDC系数的差值系数的差值(Delta)(Delta)进行编码进行编码DCi-1DCiblocki-1blocki……2024/8/122024/8/1237373737第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 计算步骤：⑤⑤•交流系数交流系数(AC)(AC)的编码的编码²²ACAC系数的特点系数的特点：：1 × 641 × 64矢量中包含有许多矢量中包含有许多“ “0”0”系数，系数，并且许多并且许多“ “0”0”是连续的是连续的²²JPEGJPEG使用非常简单和直观的游程长度编码使用非常简单和直观的游程长度编码(RLE)(RLE)对它们对它们进行编码进行编码²²JPEGJPEG使用了使用了1 1个字节的高个字节的高4 4位来表示连续位来表示连续“ “0”0”的个数，的个数，而使用它的低而使用它的低4 4位来表示编码下一个非位来表示编码下一个非“ “0”0”系数所需系数所需要的位数，跟在它后面的是量化要的位数，跟在它后面的是量化ACAC系数的数值。
系数的数值 2024/8/122024/8/1238383838第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 计算步骤：⑥⑥•熵熵(Entropy)(Entropy)编码编码²²使用熵编码的原因使用熵编码的原因：对：对DPCMDPCM编码后的直流编码后的直流DCDC系数和系数和RLERLE编码后的交流编码后的交流ACAC系数作进一步的压缩系数作进一步的压缩²²在在JPEGJPEG有损压缩算法中，使用霍夫曼编码器来减少熵，有损压缩算法中，使用霍夫曼编码器来减少熵，霍夫曼编码器使用很简单的查表霍夫曼编码器使用很简单的查表(lookup table)(lookup table)方法进行方法进行编码编码 ²²DCDC码表符号举例码表符号举例压缩数据符号时，霍夫曼编码器对出现频度比较高的符号分配比较短的压缩数据符号时，霍夫曼编码器对出现频度比较高的符号分配比较短的代码，而对出现频度较低的符号分配比较长的代码这种可变长度的霍代码，而对出现频度较低的符号分配比较长的代码这种可变长度的霍夫曼码表可以事先进行定义夫曼码表可以事先进行定义 ValueValueSSSSSS0 00 0-1, 1-1, 11 1-3,-2, 2,3-3,-2, 2,32 2-7..-4, 4..7-7..-4, 4..73 3如果如果DC的值的值(Value)为为4，符号，符号SSS用于表达用于表达实际值所需要的位数，实际位数就等于实际值所需要的位数，实际位数就等于3。
2024/8/122024/8/1239393939第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 基于DCT的算法举例3.3.2024/8/122024/8/1240404040第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 基于DCT的算法举例（（cont.cont.））2024/8/122024/8/1241414141第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 基于DCT的扩展编码•JPEGJPEG的扩展编码系统的扩展编码系统²²顺序编码模型顺序编码模型(sequential encoding model)(sequential encoding model)ú ú自上而下，从左至右方式发送自上而下，从左至右方式发送4.4.2024/8/122024/8/1242424242第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 基于DCT的扩展编码 (cont.)(cont.)•JPEGJPEG的扩展编码系统的扩展编码系统 ( (续续) )²²累进编码模型累进编码模型(Progressive encoding)(Progressive encoding)ú ú采用多扫描采用多扫描(multiple scans)(multiple scans)ú ú图像部分信息分阶段传输，这些信息被接收后立即解码。
图像部分信息分阶段传输，这些信息被接收后立即解码ú ú如果觉得不满意图像的内容，可立即停止传输如果觉得不满意图像的内容，可立即停止传输ú ú适合于在低带宽信道上传输高分辨率的图像适合于在低带宽信道上传输高分辨率的图像ú ú累进编码有频谱选择与按位逼近两种方法，前者第一次扫描时只累进编码有频谱选择与按位逼近两种方法，前者第一次扫描时只对对DCDC系数某些频带的系数进行编码、传送，在随后的扫瞄中对系数某些频带的系数进行编码、传送，在随后的扫瞄中对其他频带编码、传送，直到全部系数传送完为止分组选择方式其他频带编码、传送，直到全部系数传送完为止分组选择方式如如(0,1,2), (3,4,5), …(0,1,2), (3,4,5), …后者沿着量化系数的有效位后者沿着量化系数的有效位( (量化精度位数量化精度位数) )方向分段累进编码，假设量化精度为方向分段累进编码，假设量化精度为8 8位，则第一次传送高位，则第一次传送高4 4位，位，然后传送低然后传送低4 4位2024/8/122024/8/1243434343第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 基于DCT的扩展编码 (cont.)(cont.)•JPEGJPEG的扩展编码系统的扩展编码系统 ( (续续) )²²层次编码模型层次编码模型(Hierarchical encoding model)(Hierarchical encoding model)ú ú采用多分辨率方式编码采用多分辨率方式编码ú ú这种编码模型特别适合多用户环境，且设备的分辨这种编码模型特别适合多用户环境，且设备的分辨率各不相同。
例如：率各不相同例如：– –高分辨率的设备为高分辨率的设备为2048×20482048×2048像素像素– –HDTVHDTV监视器为监视器为1024×10241024×1024像素像素– –低分辨率低分辨率TVTV为为512×512512×512像素等像素等2024/8/122024/8/1244444444第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG 2000简介 JPEG 2000 is a new image coding system that uses state-of-the-art JPEG 2000 is a new image coding system that uses state-of-the-art compression techniques based on wavelet technology. Its architecture compression techniques based on wavelet technology. Its architecture should lend itself to a wide range of uses from portable digital cameras should lend itself to a wide range of uses from portable digital cameras through to advanced pre-press, medical imaging and other key sectors.through to advanced pre-press, medical imaging and other key sectors.Cited from: Cited from: §3.4.4§3.4.42024/8/1245 JPEG 2000简介•JPEG 2000JPEG 2000发展历程：发展历程：²²于于19961996年开始成立专门的小组年开始成立专门的小组(Maui(Maui会议会议) )²²19991999年年1212月第一个草案月第一个草案(draft of part 1)(draft of part 1)形成形成²²20002000年年8 8月月RochesterRochester会议时，会议时，ISOISO发布发布JPEG 2000JPEG 2000国际标国际标准最终草案准最终草案(Final Draft International Standard)(Final Draft International Standard)，由，由ISOISO成成员国中所有感兴趣的团体投票表决。
员国中所有感兴趣的团体投票表决²²full International Standardfull International Standard于于20002000年年1212月最终通过，代号月最终通过，代号ISO/IEC 15444 Part 1 | ITU-T rec. T.800ISO/IEC 15444 Part 1 | ITU-T rec. T.800已经出版已经出版2024/8/122024/8/1246464646第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG 2000简介 (cont.)(cont.)•JPEG 2000JPEG 2000的需求：的需求：²²与与JPEGJPEG兼容，连续色调，同时支持兼容，连续色调，同时支持bi-levelbi-level²²低数据率低数据率²²图像安全图像安全²²累进传输累进传输( (精度精度/ /分辨率分辨率) )、实时顺序显示、实时顺序显示(build-up)(build-up)能力能力²²健壮的位错误健壮的位错误(bit-error)(bit-error)纠正纠正²²基于内容的描述，随机存取基于内容的描述，随机存取( (具备具备Regions-Of-Interest, Regions-Of-Interest, ROIROI存取、压缩功能存取、压缩功能) )，具有与，具有与MPEG-4MPEG-4间的接口间的接口²²能够处理大于能够处理大于64k×64k64k×64k像素的图像像素的图像²²采用小波采用小波(Wavelet)(Wavelet)变换算法。
变换算法2024/8/122024/8/1247474747第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 标准构成•JPEG 2000JPEG 2000标准由下述部分组成：标准由下述部分组成：²²Part 1: Part 1: Core coding systemCore coding system²²Part 2: Part 2: ExtensionsExtensions²²Part 3: Part 3: Motion JPEG2000Motion JPEG2000²²Part 4: Part 4: ConformanceConformance²²Part 5: Part 5: Reference SoftwareReference Software²²Part 6: Part 6: Compound image le formatCompound image le format²²Part 7: Part 7: Has been abandonedHas been abandoned²²Part 8: Part 8: JPSEC (security aspects)JPSEC (security aspects)²²Part 9: Part 9: JPIP (interactive protocols and API)JPIP (interactive protocols and API)²²Part 10: Part 10: JP3D (volumetric imaging)JP3D (volumetric imaging)²²Part 11: Part 11: JPWL (wireless applications)JPWL (wireless applications)2024/8/122024/8/1248484848第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JEPG2000 FeaturesØVery high compression rate, sometimes even up to 200 times. JPEG completely breaks down at this rate.ØThe size of the compressed controllable, That is, a user can specify the size of a file.ØBoth lossy and lossless compression are supported in JPEG 2000. JPEG can produce only lossless imagesØOne can define Region Of Interest (ROI) in an image. The Region of Interest would be compressed to a higher quality than the rest of the image.ØOne can have progressive decoding of an image in two ways – by resolution or, by quality.ØJPEG 2000 has a provision to add additional information about an image using XML.2024/8/122024/8/1249494949第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 Region Of Interest CodingOriginal Imagewith ROI DefinedDecoded Imagewith ROI Intact2024/8/122024/8/1250505050第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 Progression OrderProgression by QualityLayer 10.01 bppLayer 20.1 bppLayer 30.3 bppLayer 41.0 bppImprove decoding quality as receiving more bits2024/8/122024/8/1251515151第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 Progression Order (cont.)(cont.)Progression by ResolutionRes 00.01 bppRes 10.034 bppRes 20.3 bpp64x64128x128256x256Multi-resolution decoding from one bit-stream2024/8/122024/8/1252525252第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG 2000 Vs. JPEG§ §Better image quality as Wavelet Better image quality as Wavelet Transforms do not have the Transforms do not have the ringing effect ringing effect § §Lossless CompressionLossless Compression§ §Higher compression ratesHigher compression rates§ §More features and flexibilityMore features and flexibility§ §Degraded Image Quality as DCT Degraded Image Quality as DCT transform has the ringing effect transform has the ringing effect § §Lossless Compression is not Lossless Compression is not possible in JPEGpossible in JPEG§ §More compression at the cost of More compression at the cost of Image qualityImage quality§ §Less FlexibilityLess FlexibilityJPEG 2000JPEG2024/8/122024/8/1253535353第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG 2000 Vs. JPEG (cont.)(cont.)TransformQuantizationEntropyCodingJPEGJ2KDCT DiscreteCosineTransformDWT DiscreteWaveletTransform8x8QuantizationTableQuantizationfor eachsub-bandHuffmanCodingArithmeticCoding2024/8/122024/8/1254545454第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 JPEG 2000 Vs. JPEG (cont.)(cont.)JPEG 2000 (1.83 KB)Original (979 KB)JPEG (6.21 KB)2024/8/122024/8/1255555555第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 Discrete Wavelet Transform2024/8/122024/8/1256565656第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 Wavelet Transform2024/8/122024/8/1257575757第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 2D Separate DWT2024/8/122024/8/1258585858第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 Coding•Based on bit-planeBased on bit-plane•Three passesThree passes²²Significant Propagation PassSignificant Propagation Pass²²Magnitude Refinement PassMagnitude Refinement Pass²²Cleanup PassCleanup Pass2024/8/122024/8/1259595959第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 BIT PLANES202N-12N-2MSBLSB2024/8/122024/8/1260606060第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 Bit-plane Coding2024/8/122024/8/1261616161第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 A. 参考文献•JPEG 2000JPEG 2000标准草案：标准草案：ISO/IEC FCD15444-1: 2000 | ITU-T ISO/IEC FCD15444-1: 2000 | ITU-T Rec. T.800. (Rec. T.800. (Part I ~ XIIIPart I ~ XIII.) .)•Gregory K. Wallace. Gregory K. Wallace. The JPEG Still Picture Compression The JPEG Still Picture Compression StandardStandard. . Communications of the ACMCommunications of the ACM. 1991, 34(4): 30 ~ 44.. 1991, 34(4): 30 ~ 44.•A. Skodras, C. Christopoulos, and T. Ebrahimi. A. Skodras, C. Christopoulos, and T. Ebrahimi. JEPG2000 JEPG2000 Still Image Compression StandardStill Image Compression Standard. . IEEE Signal Processing IEEE Signal Processing MagazineMagazine, 2001., 2001.2024/8/122024/8/1262626262第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 专著•专著名：专著名：JPEG 2000: Image CompressionJPEG 2000: Image Compression Fundamentals, Standards and Practice Fundamentals, Standards and Practice •出版社：出版社：Kluwer International Series in EngineeringKluwer International Series in Engineering and Computer Science, Secs 642 and Computer Science, Secs 642•作作 者：者：D. S. Taubman, M. W. Marcellin D. S. Taubman, M. W. Marcellin 2024/8/122024/8/1263636363第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 计算机动画基础计算机动画是在传统动画的基础上，使用计计算机动画是在传统动画的基础上，使用计算机图形图像技术而迅速发展起来的一门高算机图形图像技术而迅速发展起来的一门高新技术。
动画使得多媒体信息更加生动，富新技术动画使得多媒体信息更加生动，富于表现广义上看，数字图形图像的运动显于表现广义上看，数字图形图像的运动显示效果都可以称作为动画在示效果都可以称作为动画在MPCMPC机上可以机上可以很容易地实现简单动画很容易地实现简单动画 §3.52024/8/1264 内容提纲3.5.1 概述概述3.5.2 动画原理动画原理3.5.3 计算机动画计算机动画( (二、三维动画，变形动画二、三维动画，变形动画) )3.5.4 计算机动画设计计算机动画设计2024/8/1265 参考文献及资源2024/8/122024/8/1266666666第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 计算机动画概述本小节主要介绍：本小节主要介绍：• 动画动画(Animation)(Animation)技术的发展历史技术的发展历史• 计算机动画的主要研究内容计算机动画的主要研究内容• 计算机动画制作软件简介计算机动画制作软件简介§3.5.12024/8/1267 动画历史•从实物到卡通从实物到卡通•从卡通到数字化从卡通到数字化( (图形、图像图形、图像) )•从数字化计算机动画从数字化计算机动画•计算机动画是数字媒体的一个重要组成部分。
计算机动画是数字媒体的一个重要组成部分2024/8/122024/8/1268686868第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画历史 (cont.)(cont.)•走马灯走马灯²²原理：原理：ú ú灯中点上蜡烛灯中点上蜡烛ú ú利用空气动力，气流上升驱动叶轮（一些利用空气动力，气流上升驱动叶轮（一些类似于叶轮的机制）类似于叶轮的机制）ú ú静止画面的连续播放静止画面的连续播放2024/8/122024/8/1269696969第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画历史 (cont.)(cont.)•计算机动画计算机动画²²与图形学、数字图像处理、运动学有密切的关系与图形学、数字图像处理、运动学有密切的关系²²一般制作过程一般制作过程ú ú二维图形二维图形ú ú关键帧关键帧ú ú运动路径运动路径ú ú场景渲染场景渲染²²计算机动画有较长的发展历史，它与电影、电视有不计算机动画有较长的发展历史，它与电影、电视有不解之缘2024/8/122024/8/1270707070第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画历史 (cont.)(cont.)•计算机动画与电影计算机动画与电影²²7070年代年代ú ú在电影中使用计算机动画的构想对许多导演来说仍旧是一个梦，但当在电影中使用计算机动画的构想对许多导演来说仍旧是一个梦，但当时的电视节目已经开始尝试用一些简单的计算机动画技术来增强节目时的电视节目已经开始尝试用一些简单的计算机动画技术来增强节目的效果了。
的效果了ú ú19731973年举行了第一届年举行了第一届SIGGRAPHSIGGRAPH（计算机图形特别兴趣小组）展览计算机图形特别兴趣小组）展览当时的当时的“ “重头戏重头戏” ”是一些用计算机制作的简单物体的模型，比如一个是一些用计算机制作的简单物体的模型，比如一个虚拟的茶壶和一只甲壳虫模型虚拟的茶壶和一只甲壳虫模型ú ú从那时起，人们开始进行早期的试验，利用从那时起，人们开始进行早期的试验，利用CGICGI技术制作一些短影片技术制作一些短影片但由于这些制作员不是电影制片出身，因此早期的动画效果简直可以但由于这些制作员不是电影制片出身，因此早期的动画效果简直可以用用“ “惨不忍睹惨不忍睹” ”来形容ú ú尽管尽管CGICGI短片一败涂地，但并没有浇灭好莱坞对动画技术的热情短片一败涂地，但并没有浇灭好莱坞对动画技术的热情ú ú19761976年英国伦敦的系统仿真公司年英国伦敦的系统仿真公司(Systems Simulation, Ltd.)(Systems Simulation, Ltd.)接受委托，接受委托，为影片为影片《《异形异形》》(Alien)(Alien)中的登陆片段制作中的登陆片段制作CGCG图形，纯计算机动画已图形，纯计算机动画已开始在影片中使用。
一位日后在好莱坞名声显赫的人物乔治开始在影片中使用一位日后在好莱坞名声显赫的人物乔治· ·卢卡斯卢卡斯(George Lucas)(George Lucas)洞悉洞悉CGCG技术的未来，组建了自己的技术的未来，组建了自己的CGCG部门，他所网罗部门，他所网罗的一批专家成立了日后如雷贯耳的的一批专家成立了日后如雷贯耳的ILMILM公司公司(Industrial Light (Industrial Light ＆＆ Magic)Magic) 2024/8/122024/8/1271717171第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画历史 (cont.)(cont.)•电影与计算机动画电影与计算机动画²²8080年代年代ú ú8080年代初，逐渐提高的计算机硬件性能赋予了计算机动画人员年代初，逐渐提高的计算机硬件性能赋予了计算机动画人员开发新的开发新的CGCG软件和技巧的自由软件和技巧的自由ú ú分形算法分形算法(Fractual)(Fractual)等数学公式已经开始用于制作逼真的地理形等数学公式已经开始用于制作逼真的地理形貌ú ú“ “光线跟踪光线跟踪” ”(Ray Tracing)(Ray Tracing)的技术被用于绘制那些实际生活中的技术被用于绘制那些实际生活中被光线照亮的物体。
被光线照亮的物体ú ú迪斯尼在迪斯尼在19801980年发行了一部叫年发行了一部叫《《TronTron》》的影片，片中使用了的影片，片中使用了3030分钟的计算机动画，包括一段高科技的摩托车赛的片段分钟的计算机动画，包括一段高科技的摩托车赛的片段ú ú19851985年，计算机动画技术已有了长足的进步，这时第一次出现年，计算机动画技术已有了长足的进步，这时第一次出现了了CGICGI电影角色，标志着业界的一次重大飞跃电影角色，标志着业界的一次重大飞跃由巴瑞由巴瑞· ·李文逊执李文逊执导的导的《《青年福尔摩斯青年福尔摩斯》》(Young Sherlock Holmes) (Young Sherlock Holmes) 中有一段令人难以忘怀的片段：中有一段令人难以忘怀的片段：一扇彩色玻璃窗突然获得人性活了过来，与一位被它吓得魂飞魄散的牧师对一扇彩色玻璃窗突然获得人性活了过来，与一位被它吓得魂飞魄散的牧师对话这是一次破天荒的话这是一次破天荒的CGICGI成功的片段，是由乔治成功的片段，是由乔治· ·卢卡斯刚成立的卢卡斯刚成立的ILMILM公司花公司花了了6 6个月才制作完成的该片段在影片中持续播放了个月才制作完成的。
该片段在影片中持续播放了3030秒钟 2024/8/122024/8/1272727272第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 Fractal图片欣赏2024/8/122024/8/1273737373第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 Ray Tracing2024/8/122024/8/1274747474第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画历史 (cont.)(cont.)ú ú19861986年，年，ILMILM公司属下的公司属下的CGCG部门的大部分人马离开部门的大部分人马离开ILMILM，成立了，成立了PixarPixar制片厂，这家制片厂由苹果公司的总裁史蒂夫制片厂，这家制片厂由苹果公司的总裁史蒂夫· ·乔布斯（乔布斯（Steve Steve JobsJobs）所拥有在）所拥有在PixarPixar，一些头脑活跃的人物，如约翰，一些头脑活跃的人物，如约翰· ·拉萨特研究拉萨特研究如何改进如何改进CGCG动画技术，把它作为一种讲述故事的手段，于是动画技术，把它作为一种讲述故事的手段，于是19881988年年影片影片《《《《罐头总动员罐头总动员罐头总动员罐头总动员》》》》(Tin Toy)(Tin Toy)应运而生。
这部短片讲述了一只发条玩应运而生这部短片讲述了一只发条玩具和小孩之间的故事，成为第一部获得奥斯卡奖具和小孩之间的故事，成为第一部获得奥斯卡奖( (最佳动画短片奖最佳动画短片奖) )的的计算机动画影片计算机动画影片ú ú19881988年卢卡斯电影公司年卢卡斯电影公司(LucasFilm)(LucasFilm)在荣在荣· ·霍伍德霍伍德(Ron Howard)(Ron Howard)执导的影执导的影片片《《《《WillowWillow》》》》中引入了一种新的中引入了一种新的CGCG技术技术“ “图像变形图像变形” ”( (或称或称“ “幻影化幻影化” ”) )，取得了很好的效果现在的图像变形技术已经有了很大的改进，，取得了很好的效果现在的图像变形技术已经有了很大的改进，可以让角色不露痕迹地变化形状，或者从一种样子变形成为另一种模可以让角色不露痕迹地变化形状，或者从一种样子变形成为另一种模样ú ú19891989年，导演詹姆斯年，导演詹姆斯· ·卡麦隆卡麦隆(James Cameron)(James Cameron)决定试验决定试验CGICGI到底能为影到底能为影片做些什么当时卡麦隆正在制作水下科幻影片片做些什么。
当时卡麦隆正在制作水下科幻影片《《《《深渊深渊深渊深渊》》》》(The Abyss)(The Abyss)，他跑到，他跑到ILMILM和和PixarPixar两家著名的两家著名的CGCG公司兜售他的奇妙构思，希望制公司兜售他的奇妙构思，希望制作一只能模仿影片中演员的面部表情和动作的蛇状水怪后来作一只能模仿影片中演员的面部表情和动作的蛇状水怪后来ILMILM投投标胜出，制作出了传统方法不能企及的惊人效果事实上标胜出，制作出了传统方法不能企及的惊人效果事实上CGCG已经将已经将导演的梦想变成了现实导演的梦想变成了现实 2024/8/122024/8/1275757575第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画历史 (cont.)(cont.)•电影与计算机动画电影与计算机动画²²9090年代年代ú ú2020世纪最后世纪最后1010年，计算机动画在好莱坞掀起一场电影技术的风年，计算机动画在好莱坞掀起一场电影技术的风暴ú ú卡麦隆在影片卡麦隆在影片《《深渊深渊》》试验了试验了CGCG的可行性之后，决定再朝前迈出一大步而的可行性之后，决定再朝前迈出一大步而这一步却永远改变了好莱坞电影的视觉效果。
他导演的这一步却永远改变了好莱坞电影的视觉效果他导演的《《《《终结者２：审判日终结者２：审判日终结者２：审判日终结者２：审判日》》》》(Terminator2 Judgment Day)(Terminator2 Judgment Day)创下了非凡的票房佳绩，全球创下了非凡的票房佳绩，全球5.145.14亿美元的收亿美元的收入影片的成功要归功于屏幕上的那些创意新颖的角色卡麦隆设计的入影片的成功要归功于屏幕上的那些创意新颖的角色卡麦隆设计的T-1000T-1000一个追赶主角的穷凶恶极的液态金属机器人可以从一种形状神奇地变化成另一个追赶主角的穷凶恶极的液态金属机器人可以从一种形状神奇地变化成另外一种形状外一种形状ILMILM为为《《终结者终结者2 2》》制作了超过制作了超过100100个个CGCG素材，在影片中足足占素材，在影片中足足占据了五分半钟据了五分半钟ú ú迪斯尼向人们证明了ＣＧ的应用范围不仅仅局限在科幻、爆炸等题材的电影迪斯尼向人们证明了ＣＧ的应用范围不仅仅局限在科幻、爆炸等题材的电影中 19911991动画影片动画影片《《《《美女与野兽美女与野兽美女与野兽美女与野兽》》》》(Beauty and The Beast)(Beauty and The Beast)( (第一部而且是唯一第一部而且是唯一的一部被提名为奥斯卡最佳影片奖的动画片的一部被提名为奥斯卡最佳影片奖的动画片) )、、《《《《FernGullyFernGully》》》》 19921992、、《《《《埃及埃及埃及埃及王子王子王子王子》》》》(Prince of Egypt)(Prince of Egypt) 1998 1998、、《《《《钢铁巨人钢铁巨人钢铁巨人钢铁巨人》》》》(The Iron Giant)(The Iron Giant) 1999 1999等。
等 2024/8/122024/8/1276767676第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画历史 (cont.)(cont.)•Jurassic ParkJurassic Park19911991年，导演斯皮尔伯格开始制作影片年，导演斯皮尔伯格开始制作影片《《侏罗纪公侏罗纪公园园》》 显然这部刻画会跑、会跳、神气活现的恐显然这部刻画会跑、会跳、神气活现的恐龙的影片，对特技效果的要求特别高一开始斯皮龙的影片，对特技效果的要求特别高一开始斯皮尔伯格设想完全采用传统的效果技巧来制作影片中尔伯格设想完全采用传统的效果技巧来制作影片中无数的特技镜头，比如用历史悠久的无数的特技镜头，比如用历史悠久的Stop MotionStop Motion间隔拍摄法但当他看过由间隔拍摄法但当他看过由ILMILM的斯坦的斯坦··温斯顿带温斯顿带领的一组计算机动画人员制作的领的一组计算机动画人员制作的CGCG恐龙片断后，他恐龙片断后，他改变了主意改变了主意 ILMILM发明了一种新鲜玩意儿叫做恐龙发明了一种新鲜玩意儿叫做恐龙输入设备输入设备DIDDID给传统制作动画人员摆弄和移动恐龙给传统制作动画人员摆弄和移动恐龙模型。
他们移动设备时，恐龙的动作被发送至计算模型他们移动设备时，恐龙的动作被发送至计算机，实时地调整屏幕上的机，实时地调整屏幕上的CGCG恐龙模型结果，一部恐龙模型结果，一部从未想到过使用计算机图像集合而成的电影，却包从未想到过使用计算机图像集合而成的电影，却包含了超过含了超过5050个个CGICGI片段尽管片段尽管CGICGI的数量不算多，影的数量不算多，影片的大多数场景仍旧使用传统的动画技术，但斯皮片的大多数场景仍旧使用传统的动画技术，但斯皮尔伯格清楚地意识到，尔伯格清楚地意识到，CGICGI在创建形态逼真的动物在创建形态逼真的动物方面要远远胜过传统的拍摄技术在方面要远远胜过传统的拍摄技术在《《侏罗纪公园侏罗纪公园》》的续集的续集《《失落的世界失落的世界》》The Lost WorldThe Lost World中，中，CGCG取代了传统的动画模型，几乎在每一个特技镜头中取代了传统的动画模型，几乎在每一个特技镜头中出现 2024/8/122024/8/1277777777第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画历史 (cont.)(cont.)•Toy StoryToy Story19951995年，年，年，年，PixarPixar制片厂打制片厂打制片厂打制片厂打算尝试一件电影业界从来算尝试一件电影业界从来算尝试一件电影业界从来算尝试一件电影业界从来没有做过的事情：制作一没有做过的事情：制作一没有做过的事情：制作一没有做过的事情：制作一部完全由部完全由部完全由部完全由CGCG创作的电影。
创作的电影创作的电影创作的电影这部影片就是这部影片就是这部影片就是这部影片就是《《《《玩具总动玩具总动玩具总动玩具总动员员员员》》》》(Toy Story)(Toy Story)，它以区，它以区，它以区，它以区区区区区30003000万美元的投资，赚万美元的投资，赚万美元的投资，赚万美元的投资，赚取了取了取了取了3.53.5亿美元的全球票亿美元的全球票亿美元的全球票亿美元的全球票房收入，影片还获得了奥房收入，影片还获得了奥房收入，影片还获得了奥房收入，影片还获得了奥斯卡最佳剧本奖的提名斯卡最佳剧本奖的提名斯卡最佳剧本奖的提名斯卡最佳剧本奖的提名 2024/8/122024/8/1278787878第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画历史 (cont.)(cont.)•电影与计算机动画电影与计算机动画²²未来未来ú ú计算机动画的未来没有止境计算机动画的未来没有止境ú ú一些最有创意的人们正不断开发能让动画人员控制和处理３Ｄ一些最有创意的人们正不断开发能让动画人员控制和处理３Ｄ模型和效果的新软件模型和效果的新软件ú ú导演和编剧也开始采用这种新的手段来叙述剧情，计算机动画导演和编剧也开始采用这种新的手段来叙述剧情，计算机动画技术的完善赋予了他们新的构思空间。
技术的完善赋予了他们新的构思空间ú ú未来ＣＧＩ将要不断探索的一个领域将是未来ＣＧＩ将要不断探索的一个领域将是“ “虚拟演员虚拟演员” ”一部即将问世的新影片将试图回答这个问题它就是一部即将问世的新影片将试图回答这个问题它就是《《最终幻想最终幻想》》(Final (Final Fantasy) Fantasy) 它是第一部完全它是第一部完全3D3D动画的影片，栩栩如生的角色看起来像真人一样动画的影片，栩栩如生的角色看起来像真人一样这些角色是结合了运动捕获这些角色是结合了运动捕获Motion CaptureMotion Capture，即真实演员连系着一台计算机，，即真实演员连系着一台计算机，他的动作被计算机记录下来，用于创作影片人物逼真的运动效果和３Ｄ脸部他的动作被计算机记录下来，用于创作影片人物逼真的运动效果和３Ｄ脸部扫描扫描演员的脸部被扫描进入计算机，无缝隙地添加到ＣＧＩ模型上两种技演员的脸部被扫描进入计算机，无缝隙地添加到ＣＧＩ模型上两种技术来实现的术来实现的ú ú在未来我们将看到什么样的电影？他们说，在在未来我们将看到什么样的电影？他们说，在CGICGI的世界里，的世界里，任何惊险、恐怖的场景实现都将是轻而易举的。
任何惊险、恐怖的场景实现都将是轻而易举的 2024/8/122024/8/1279797979第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 主要研究内容•动画技术动画技术²²Record AnimationRecord Animationú úCell AnimationCell Animationú úStop MotionStop Motionú úMotion CaptureMotion Capture– –Optical Motion CaptureOptical Motion Capture– –OthersOthers²²Computer Generated AnimationComputer Generated Animationú úMotion ControlMotion Control– –Key FrameKey Frame– –KinematicsKinematics– –DynamicsDynamics•ToolkitsToolkits2024/8/122024/8/1280808080第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画软件 (cont.)(cont.)•二维二维²²Alchemy Mindworks Alchemy Mindworks 的的GIF Construction SetGIF Construction Set²²http://http://2024/8/122024/8/1281818181第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画软件 (cont.)(cont.)•三维三维²²3D Studio 3D Studio 的的3D MAX3D MAX2024/8/122024/8/1282828282第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画软件 (cont.)(cont.)•FlashFlashFlash Flash 动画演示动画演示动画演示动画演示2024/8/122024/8/1283838383第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 动画软件 (cont.)(cont.)•MorphMorph²²http:///http:///2024/8/122024/8/1284848484第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 参考文献•ACM SIGGRAPH Symposium on Computer Animation. ACM SIGGRAPH Symposium on Computer Animation. 2002: 2002: July 21-22, 2002, San Antonio, Texas.July 21-22, 2002, San Antonio, Texas. 2003: July 26 - 27, 2003. San Diego, California2003: July 26 - 27, 2003. San Diego, California 2024/8/122024/8/1285858585第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术 。