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1、第二章第二章 多媒体数据压缩多媒体数据压缩编码技术编码技术1基础教学第一节第一节 多媒体数据压缩编码概述多媒体数据压缩编码概述一、数据压缩与多媒体压缩一、数据压缩与多媒体压缩 二、医学数据压缩二、医学数据压缩2基础教学一、数据压缩与多媒体压缩一、数据压缩与多媒体压缩数据压缩数据压缩就是以最少的数码表示信源所发的信号，以减少容就是以最少的数码表示信源所发的信号，以减少容纳给定消息集合或数据采样集合的信号空间，通过纳给定消息集合或数据采样集合的信号空间，通过减少计算机中所存储数据或者通信传播中数据的冗减少计算机中所存储数据或者通信传播中数据的冗余度，达到增大数据密度，最终使数据的存储空间余度，达到
2、增大数据密度，最终使数据的存储空间减少的技术。减少的技术。 3基础教学数字图像压缩的出现数字图像压缩的出现二十世纪末，人类社会开始进入到数字化时代，二十世纪末，人类社会开始进入到数字化时代，数字图像技术作为数字技术的重要组成部分，将数字图像技术作为数字技术的重要组成部分，将人们带入了崭新的多媒体世界。随着科学的发展人们带入了崭新的多媒体世界。随着科学的发展和社会的进步，人们对图像信息的需求也越来越和社会的进步，人们对图像信息的需求也越来越大。在多媒体计算机系统、电子出版、视频会议、大。在多媒体计算机系统、电子出版、视频会议、数字化图书馆等许多领域，数字图像都有着广泛数字化图书馆等许多领域，数字
3、图像都有着广泛的应用。的应用。 4基础教学图像的像的压缩与解与解码图像数据一般的都存在各种信息的冗余，如空间图像数据一般的都存在各种信息的冗余，如空间冗余、信息熵冗余、视觉冗余、结构冗余等。想冗余、信息熵冗余、视觉冗余、结构冗余等。想办法去掉各种冗余，保留真正有用的信息，就是办法去掉各种冗余，保留真正有用的信息，就是图像压缩。把信号进行压缩的过程常称为图像编图像压缩。把信号进行压缩的过程常称为图像编码，恢复原图像的过程常称为解码。码，恢复原图像的过程常称为解码。5基础教学图像压缩领域常用的编码有：图像压缩领域常用的编码有： 1. 信息保持信息保持编码：主要：主要应用于用于图像数字存像数字存储方
4、面。方面。要求：无失真要求：无失真编码。 2. 保真度编码保真度编码 ：主要应用于数字电视技术和静止图像通信方：主要应用于数字电视技术和静止图像通信方面。要求：在保证保真度的条件下允许一定的面。要求：在保证保真度的条件下允许一定的失真。失真。 3. 特征提取特征提取 ：主要应用于主要应用于一些一些图像像识别和分析技和分析技术中，要中，要求：求：对需要的特征信息需要的特征信息进行行编码，就可以，就可以压缩图像数据。像数据。6基础教学二、医学数据压缩二、医学数据压缩医学图像压缩得以实施的两个主要依据：医学图像压缩得以实施的两个主要依据：医学图像的统计特性和人类视觉特性医学图像的统计特性和人类视觉特
5、性 1. 利用图像本身固有的统计特性来减少原始医学图利用图像本身固有的统计特性来减少原始医学图像数据中的冗余信息，采用某种编码方法减小原像数据中的冗余信息，采用某种编码方法减小原始图像文件的大小。始图像文件的大小。2.由于人类的视觉系统能从极为杂乱的图像中抽由于人类的视觉系统能从极为杂乱的图像中抽象出有意义的信息，并以非常精炼的信息形式传象出有意义的信息，并以非常精炼的信息形式传到大脑，而且视觉系统对图像中的不同部分的敏到大脑，而且视觉系统对图像中的不同部分的敏感程度是不同的，可以利用人类的视觉特性去除感程度是不同的，可以利用人类的视觉特性去除医学图像中对信息传输和整合影响小的部分，获医学图像
6、中对信息传输和整合影响小的部分，获取较大的压缩比。取较大的压缩比。 7基础教学医学图像存在的冗余医学图像存在的冗余1. 空间冗余空间冗余: 取决于医学图像中图案粗细程度的冗余。取决于医学图像中图案粗细程度的冗余。2. 时间冗余时间冗余: 取决于医学图像随时间变化程度的冗余。取决于医学图像随时间变化程度的冗余。3. 结构冗余结构冗余: 把医学图像看作是区域集时产生的冗余。把医学图像看作是区域集时产生的冗余。8基础教学4. 知识冗余知识冗余: 与收发端所共有的知识相关联的冗余。与收发端所共有的知识相关联的冗余。5. 熵冗余熵冗余: 像素灰度值出现概率不均匀产生的冗余。像素灰度值出现概率不均匀产生的
7、冗余。6. 视觉冗余视觉冗余: 由于人的视觉分辨有限性产生的冗余。由于人的视觉分辨有限性产生的冗余。7. 其他冗余其他冗余: 由于医学图像非平稳性产生的冗余。由于医学图像非平稳性产生的冗余。9基础教学可以把医学图像信号看成有用信息和冗余信息的结可以把医学图像信号看成有用信息和冗余信息的结合，其压缩通过编码器实现合，其压缩通过编码器实现 10基础教学第二节第二节 数据压缩编码的基本原理数据压缩编码的基本原理一、图像的可压缩理论一、图像的可压缩理论 二、图像压缩性能评价二、图像压缩性能评价三、图像冗余度和编码效率三、图像冗余度和编码效率11基础教学一、图像的可压缩理论一、图像的可压缩理论数据压缩的
8、理论研究始于香农的信息论。数据压缩的理论研究始于香农的信息论。1948年香年香农在其经典论文农在其经典论文通信的数学原理通信的数学原理中首次提到信中首次提到信息率息率失真函数概念，失真函数概念，1959年又进一步确立了失真率理论年又进一步确立了失真率理论，从而奠定了信源编码的理论基础。，从而奠定了信源编码的理论基础。 压缩编码的理论基础是信息论。从信息论的角度看压缩编码的理论基础是信息论。从信息论的角度看，信息定义为，信息定义为“用来消除不确定性的东西用来消除不确定性的东西”。压缩。压缩是去掉信息中的冗余部分，也就是确定的或可推知是去掉信息中的冗余部分，也就是确定的或可推知的部分，用一种更接近
9、信息本质的描述来代替原有的部分，用一种更接近信息本质的描述来代替原有冗余的描述。冗余的描述。12基础教学二、图像压缩性能评价二、图像压缩性能评价 在图像压缩编码中，解码图像与原始图像在图像压缩编码中，解码图像与原始图像可能会有差异，因此，需要评价压缩后图可能会有差异，因此，需要评价压缩后图像的质量。描述解码图像相对原始图像偏像的质量。描述解码图像相对原始图像偏离程度的测度一般称为保真度（逼真度）离程度的测度一般称为保真度（逼真度）准则。常用的准则可分为两大类：客观保准则。常用的准则可分为两大类：客观保真度准则和主观保真度准则。真度准则和主观保真度准则。13基础教学1. 1. 客观保真度准则客观
10、保真度准则最常用的客最常用的客观保保真度准度准则是解是解码图像和原始像和原始图像像之之间的均方的均方误差和均方根信噪比。差和均方根信噪比。 代表大小代表大小为M*NM*N的原始的原始图像，像， 代表解代表解压缩后的后的图像，像，对任意任意x x和和y y， 和和 之之间的的误差定差定义为：14基础教学则均方根误差则均方根误差如果将看作原始图像和e(x,y)的和，那么解压图像的均方根信噪比为：15基础教学如果令如果令 则可得到峰值信噪比则可得到峰值信噪比16基础教学2. 2. 主观保真度准则主观保真度准则 尽管客观保真度准则提供了一种简单、方便的尽管客观保真度准则提供了一种简单、方便的评估信息损
11、失的方法，但很多解压图像最终是评估信息损失的方法，但很多解压图像最终是供人观看的。对具有相同客观保真度的不同图供人观看的。对具有相同客观保真度的不同图像，人的视觉可能产生不同的视觉效果。这是像，人的视觉可能产生不同的视觉效果。这是因为客观保真度是一种统计平均意义下的度量因为客观保真度是一种统计平均意义下的度量准则，对于图像中的细节无法反映出来，而人准则，对于图像中的细节无法反映出来，而人的视觉能够觉察出来。这种情况下，用主观的的视觉能够觉察出来。这种情况下，用主观的方法来评价图像的质量更为合适。方法来评价图像的质量更为合适。 17基础教学三、图像冗余度和编码效率三、图像冗余度和编码效率根据香农
12、信息保持编码定理，假设某无干扰信根据香农信息保持编码定理，假设某无干扰信息源的熵值为息源的熵值为H(x),H(x),如果能找到一种编码方法如果能找到一种编码方法，其编码平均长度，其编码平均长度 存在一个下限，这个下限是信源信息熵存在一个下限，这个下限是信源信息熵H(x)H(x)，即最佳信息保持编码的平均码长无限接近信源即最佳信息保持编码的平均码长无限接近信源熵值。若原始图像平均码长为熵值。若原始图像平均码长为 ，则，则18基础教学 为灰度级为灰度级i i对应的码长，对应的码长， 为灰度级为灰度级i i出现的概率。图像的冗余度可定义出现的概率。图像的冗余度可定义为：为：编码效率则定义为：19基础
13、教学第三节第三节 常用数据压缩编码算法常用数据压缩编码算法 一、统计编码一、统计编码 二、预测编码二、预测编码 三、变换编码三、变换编码 20基础教学一、统计编码一、统计编码统计编码原理统计编码原理根据信息论的观点，信元的冗余度是由于信源本根据信息论的观点，信元的冗余度是由于信源本身所具有的相关性和和信源内事件概率分布的不身所具有的相关性和和信源内事件概率分布的不均匀性产生的。因此，图像的统计编码方法就是均匀性产生的。因此，图像的统计编码方法就是利用信源的统计特性，去除其内在的相关性和改利用信源的统计特性，去除其内在的相关性和改变概率分布的不均匀性，从而实现图像信息的压变概率分布的不均匀性，从
14、而实现图像信息的压缩。缩。 21基础教学哈夫曼编码哈夫曼编码 哈夫曼编码是哈夫曼编码是5050年代提出的一种基于统计的无损年代提出的一种基于统计的无损编码方法，哈夫曼于编码方法，哈夫曼于19521952年提出了一种不等长编年提出了一种不等长编码方法，这种编码的码字长度的排列与符号的概码方法，这种编码的码字长度的排列与符号的概率大小的排列是严格逆序的，理论上已经证明其率大小的排列是严格逆序的，理论上已经证明其平均码字最短，因此被称为最佳码。静态哈夫曼平均码字最短，因此被称为最佳码。静态哈夫曼编码使用一棵依据字符出现的概率事先生成好的编码使用一棵依据字符出现的概率事先生成好的编码树进行编码。而动态
15、哈夫曼编码需要在编码编码树进行编码。而动态哈夫曼编码需要在编码的过程中建立编码树。由于哈夫曼编码所得到的的过程中建立编码树。由于哈夫曼编码所得到的平均码字长度可以接近信源的熵，故也称为熵编平均码字长度可以接近信源的熵，故也称为熵编码。码。 22基础教学二、预测编码二、预测编码预测编码预测编码(predictive (predictive coding)coding)实际上是基于图像数据的空间冗余特性的，用实际上是基于图像数据的空间冗余特性的，用相邻的已知像素相邻的已知像素( (或像素块或像素块) )来预测当前像素来预测当前像素( (或像素块或像素块) )的值，然后再对预测误差进行量化和编码，这
16、些相邻的值，然后再对预测误差进行量化和编码，这些相邻像素或像素块可以是同行的，也可以是前几行的，相像素或像素块可以是同行的，也可以是前几行的，相应的预测编码分别称为一维和二维预测。应的预测编码分别称为一维和二维预测。预测编码的关键在于预测算法的选取，这与图像信号预测编码的关键在于预测算法的选取，这与图像信号的概率分布很有关系。实际中常根据大量的统计结果的概率分布很有关系。实际中常根据大量的统计结果来设计最佳的预测器，有时还使用自适应预测器以刻来设计最佳的预测器，有时还使用自适应预测器以刻画图像信号的局部特性，从而提高编码效率。画图像信号的局部特性，从而提高编码效率。23基础教学三、变换编码三、
17、变换编码变换编码变换编码(Transform coding)是通过信号变换来消除图像数据空是通过信号变换来消除图像数据空间相关性的一种有效方法。尽管图像变换本间相关性的一种有效方法。尽管图像变换本身不能对数据进行压缩，但由于变换后系数身不能对数据进行压缩，但由于变换后系数之间的相关性明显降低，图像的大部分能量之间的相关性明显降低，图像的大部分能量只集中在少数变换系数上，采用适当的量化只集中在少数变换系数上，采用适当的量化和熵编码方法就可以有效地压缩图像的数据和熵编码方法就可以有效地压缩图像的数据量。而且图像经过某些变换后，系数的空间量。而且图像经过某些变换后，系数的空间分布和频率分布特性与人眼
18、的视觉特性相符分布和频率分布特性与人眼的视觉特性相符合，因此可以利用人类视觉系统的生理和心合，因此可以利用人类视觉系统的生理和心理特点来得到较好的编码系统。理特点来得到较好的编码系统。24基础教学变换编码将给定的图像变换到另一个数据域变换编码将给定的图像变换到另一个数据域(如频域如频域)上，使得大量的信息能用较少的数据来表示，从而上，使得大量的信息能用较少的数据来表示，从而达到压缩的目的。变换编码有很多，如：达到压缩的目的。变换编码有很多，如：离散傅立叶变换离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform, 简称简称DFT) 离散余弦变换离散余弦变换 (Discrete C
19、osine Transform, 简称简称DCT) 离散哈达玛变换离散哈达玛变换(Discrete Hadamard Transform, 简称简称DHT) 特征向量特征向量变换(Karhunen-Loeve，简称称K-L)25基础教学第四节第四节 数据压缩编码的国际标准数据压缩编码的国际标准一、静态图像压缩编码标准一、静态图像压缩编码标准JPEG 二、运动图像压缩编码标准二、运动图像压缩编码标准MPEG 26基础教学一、静态图像压缩编码标准一、静态图像压缩编码标准JPEGJPEG（一）（一）JPEGJPEG(Joint Photographic Expert Grout)标准是由标准是由IS
20、0的联合摄影专家组制定的的联合摄影专家组制定的，1986年成立专家组，年成立专家组，1992年完成的标准，简年完成的标准，简称称JPEG标准，用于静止图像压缩编码标准。标准，用于静止图像压缩编码标准。该标准适用于各种分辨率和格式的连续色调图该标准适用于各种分辨率和格式的连续色调图像的压缩，可将像的压缩，可将24位单帧彩色图像，压缩到位单帧彩色图像，压缩到2位而仍然具有较好的图像质量。位而仍然具有较好的图像质量。27基础教学JPEG主体压缩技术采用主体压缩技术采用3种编码系统种编码系统 ：1. 基于基于DCT(Discrete Cosine Transform)的有损压缩基本编码系统，可适用于绝
21、的有损压缩基本编码系统，可适用于绝大多数压缩应用场合。大多数压缩应用场合。2. 用于高压缩、高精确度渐进重建应用的扩展编码系用于高压缩、高精确度渐进重建应用的扩展编码系统。统。3. 独立的无损压缩系统，应用于失真场合。独立的无损压缩系统，应用于失真场合。 28基础教学JPEGJPEG算法共有四种运行模式，其中一种是基算法共有四种运行模式，其中一种是基于空间预测于空间预测(DPCM)(DPCM)的无损压缩算法，另外三的无损压缩算法，另外三种是基于种是基于DCTDCT的有损压缩算法。的有损压缩算法。 1. 无无损压缩算法，可以保算法，可以保证无失真的重构原始无失真的重构原始图像。像。 2. 基于基
22、于DCT的的顺序模式，按从上到下，从左到右的序模式，按从上到下，从左到右的顺序序对图像像进行行编码，称，称为基本系基本系统。 3. 基于基于DCT的的渐进模式，指模式，指对一幅一幅图像按由无像按由无损到有到有损进行行编码。 4. 分分层模式，以各种分辨率模式，以各种分辨率对图像像进行行编码，可以根，可以根据不同的要求，据不同的要求，获得不同分辨率的得不同分辨率的图像。像。29基础教学（二）（二）JPEG2000与与JPEG标准相比，标准相比，JPEG2000有了一个很大的飞跃，它有了一个很大的飞跃，它有许多原来的标准所不可比拟的优点。有许多原来的标准所不可比拟的优点。JPEG2000与传统与传
23、统的的JPEG最大的不同，在于它放弃了最大的不同，在于它放弃了JPEG所采用的以所采用的以DCT变换为主的分块编码方式，而改为以小波变换为主的多变换为主的分块编码方式，而改为以小波变换为主的多分辨率编码方式。分辨率编码方式。JPEG2000标准准还充分考充分考虑了人眼了人眼视觉特性，增特性，增加了加了视觉权重和掩膜，重和掩膜，这样在不在不损害害视觉效果的情况下，效果的情况下，可以大大提高可以大大提高压缩效率。效率。30基础教学二、运动图像压缩编码标准二、运动图像压缩编码标准MPEGMPEG MPEG(Moving Picture Experts MPEG(Moving Picture Experts Group)Group)是活动图像专家组的缩写，是是活动图像专家组的缩写，是ISOISO为制定数为制定数字视频和音频压缩标准而建立的一个工作小组，其字视频和音频压缩标准而建立的一个工作小组，其正式名称是正式名称是ISO/IEC JTCI SC29 ISO/IEC JTCI SC29 WG11WG11。自。自19881988年成立以来，该小组已经制定出了年成立以来，该小组已经制定出了MPMPEG-1EG-1， MPEG-2MPEG-2， MPEG-4MPEG-4， MPEG-MPEG-7 7等不同应用目的的标准。等不同应用目的的标准。31基础教学
