第7章图像压缩标准

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1、Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 制定图像标准的国际组织： ISO（international standardization organization 国际标准化组织）ITU（international telecommunication union 国际电信联盟）,其前身为CCITT（国际电报电话咨询委员会）联合组织下进行制定的标准的类型（三类）： (1) 二值图像压缩标准：面向传真而设计连续调图像压缩标准：(2) 静止帧黑白、彩色压缩：面向静止的单幅图像(3) 连续帧

2、黑白、彩色压缩：面向连续的视频影像Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 7.6.1 二值图像压缩标准1. 基本思想2. 一维压缩3. 二维压缩4. CCITT Group35. CCITT Group46.JBIGDigital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 1. 基本思想：采用行程编码与静态的哈夫曼编码相结合由于是二值图像，不用为灰度值编码。只给行程长度编码，且黑和白

3、的长度分别使用不同的编码。按行压缩CCITT Group3采用一维编码与二维编码结合CCITT Group4采用二维编码7.6.1 二值图像压缩标准Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 2. 一维压缩的基本思想：1）每一行行首、尾编码行首：用一个白行程码开始。如果行首是黑像素，则 用零长度的白00110101开始。行尾：用行尾编码字(EOL)000000000001结束。2）图像首、尾编码图像首行：用一个EOL开始。图像结尾：用连续6个EOL结束。3）图像内部编码内部编码：长度

4、小于63的用哈夫曼编码，大于63的用组合编码：大于63的长度编码 + 小于63的余长度编码7.6.1 二值图像压缩标准Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 长度小于63的哈夫曼编码行程长度 白编码黑编码000110101000011011110001110102011111310001041011011511000011610011001000000101101062001100110000011001106300110100000001011011Digital Image

5、ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 长度大于63的组合编码行程长度 白编码黑编码641101100000011111281001000001100100019201011100001100100125601101110000010110113200011011000000011001138400110111000000110100160001001101000000010110111664011000000000110010017280100110110000001100101Digital Image

6、 ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 3. 二维压缩 1) 基本思想：利用上一行相同改变元素的位置，来为当前行编码假设相临两行改变元素位置相似的情况很多且上一行改变元素距当前行改变元素的距离，小于行程的长度，从而可以降低编码长度a0b1b2a1a2参考行当前行Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 2) 定义几个重要符号：参 考 行：当前处理行的前一行。改变元素：与前一个像素值不同的像素参

7、考元素：一共有5个（当前行3个，参考行2个）：1.a0：当前处理行上，与前一个像素值不同的像素。 行首元素是本行的第一个a02.a1：a0右边下一个改变元素。3.a2：a1右边下一个改变元素。4.b1：参考行上在a0右边，且与a0值相反的改变元素5.b2： b1右边下一个改变元素。a0b1b2a1a2参考行当前行Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 3) 编码方法：对三种情况的三种编码方式：（1）通过编码方式：条件：b2在a1的左边，排除参考行两个改变元素都在 a1左边的情况编

8、码：0001，动作：把a0移到b2的下面b1b2a1a2a0新a0Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 （2）水平编码方式：条件：a1到b1之间的距离大于3，放弃利用上一行编码编码：001+M(a0a1)+M(a1a2) ， M：一维行程编码动作：把a0移到a2。a0b1b2a1a2a1 b1Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 （3）垂直编码方式：条件：a1到

9、b1之间的距离小于等于3，利用上一行编码。编码：见CCITT二维编码表（下页）动作：把a0移到a1a0b1b2a1a2a1b1Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 4) CCITT二维编码表a1与b1的距离编码： a1在b1下面： 1 a1在b1右边1个001 a1在b1右边2个000011 a1在b1右边3个0000011 a1在b1左边1个010 a1在b1左边2个000010 a1在b1左边3个0000010Digital Image ProcessingDigital

10、Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 开始新行开始新行水平方式编码水平方式编码a0置于置于a2a0置于置于b2下下a0置于首像素前置于首像素前检测检测a1 、 b1、b2b2在在a1左边左边a0置于置于a1|b2a1| 3否否垂直方式编码垂直方式编码是是否否通过方式编码通过方式编码是是检测检测a2否否结束编码行结束编码行是是行尾行尾Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 4. CCITTGroup3基本思想： Group3标准

11、应用了一种非适应的，一维和二维混合的行程编码技术； 在该编码中，每一个K行组的最后K-1行（K = 2或4），有选择地用二维编码方式。 对八幅图像测试，压缩比对八幅图像测试，压缩比15：15. CCITTGroup4基本思想： Group4标准是Group3标准简化或改进版本； 只用二维压缩编码。且为非适应二维编码方法； 每一个新图像的第一行的参考行是一个虚拟的白行。G4压缩比比G3高一倍Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 二值图象压缩国际标准二值图象压缩国际标准6. JBI

12、G二值图联合组（joint bilevel imaging group，JBIG）于1991年制定 采用了自适应技术，提高了压缩比s打印字符的扫描图象：可提高1.1 1.5倍s计算机生成的打印字符图象：可提高约5倍s用抖动或半调表示的“灰度”图象：可提高2 30倍可用于渐进（累进）的传输与重建应用 Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 7.6.2 静止图像压缩标准1. JPEG标准简述2. JPEG压缩流程3. JPEG压缩算法的实现颜色变换零偏置转换频域变换系数量化符号编码4

13、. JPEG压缩举例Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 1. JPEG标准简述有三种压缩系统：（1）基线编码系统：面向大多数有损压缩的应用， 采用DCT变换压缩。（2）扩展编码系统：面向递进式应用，从低分辨 率到高分辨率逐步递进传递的应用（3）独立编码系统：面向无损压缩的应用，采用无损 预测压缩，符号编码采用霍夫曼或算术编码一个产品或系统必须包括对基线系统的支持Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海

14、）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 静止图象压缩国际标准静止图象压缩国际标准1. JPEG 基本系统：交流分量（AC）用变长码编码直流分量（DC）系数用相对差值进行编码 Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 2. JPEG压缩流程量化器量化器DCTDCT正向变换正向变换构造构造8x88x8的子图的子图输入图像输入图像NxNNxN符号符号编码器编码器压缩图像压缩图像颜色空间颜色空间转换转换零偏置零偏置转换转换符号符号解码器解码器DCTDCT逆向变换逆向变换压缩的图像压缩的图像

15、合成合成8x88x8的子图的子图解压图像解压图像颜色空间颜色空间转换转换零偏置零偏置转换转换Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 1) 构造子图像 子图像尺寸：8 x 82)颜色空间转换 人眼对亮度更敏感，提取亮度特征，将RGB转换为YCbCr模型，编码时对亮度采用特殊编码：Y = 0.299R + 0.5870G + 0.1140BCb = 0.1787R 0.3313G +0.5000B +128Cr = 0.5000R 0.4187G 0.0813B + 128颜色解码：

16、R = Y + 1.40200(Cr 128)G = Y 0.34414(Cb 128) 0.71414(Cr 128)B = Y + 1.77200(Cb 128)v3. JPEG压缩算法的实现Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 ）零偏置转换对于灰度级是2n的像素，通过减去2n-1，替换像素本身；对于n=8，即将0255的值域，通过减去128，转换为值域在-128127之间的值；目的：使像素的绝对值出现3位10进制的概率大大减少。Digital Image Processi

17、ngDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 用8x8的JEPG基线标准，压缩并重构下列子图52556166706164736359669010985697262596811314410466736358711221541067069676168104126886870796560707768587585716459556165838779696865767894例子：Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 0偏置

18、转换后-76-73-67-62-58-67-64-55-65-69-62-38-19-43-59-56-66-69-60-1516-24-62-55-65-70-57-626-22-58-59-61-67-60-24-2-40-60-58-49-63-68-58-51-65-70-53-43-57-64-69-73-67-63-45-41-49-59-60-63-52-50-34Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 ）频域变换产生64个系数第一个系数称为直流系数（DC系数）其余

19、的63个系数称为交流系数（AC系数）正向DCT变换（N = 8）后变成-415-29-62 25 55-20-1 3 7-21-62 9 11-7-6 6-46 8 77-25-30 10 7-5-50 13 35-15-9 6 0 3 11-8-13-2-1 1-4 1-10 1 3-3-1 0 2-1-4-1 2-1 2-3 1-2-1-1-1-2-1-1 0-1Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 ）系数量化采用阈值作为子图系数位置函数的量化方式 所有子图使用同一个全局阈

20、值模板，但阈值的取值，与系数的位置相关，阈值模板给出了，不同位置上系数的相应阈值。对于亮度和颜色使用不同的量化阈值模板，并取整1）正向量化：Squv = round(Suv / Quv) 其中： Suv是DCT系数， Quv量化模板系数2）逆向量化：Ruv = Squv Quv例：Sq(0,0) = round-415/16 = round-25.9=-26 Ruv(0,0) = -26 * 16 = -416Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 亮度的量化模板系数16 111

21、01624405161121214192658605514131624405769561417222951878062182237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 颜色的量化模板系数17 1824479999999918212666999999992426569999999999476699999999999999999999999999

22、99999999999999999999999999999999999999999999999999Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 量化变换后的数组，比例化并消去系数-26-3-6 2 2000 1-2-4 0 0000-3 1 5-1-1000-4 1 2-1 0000 1 0 0 0 0000 0 0 0 0 0000 0 0 0 0 0000 0 0 0 0 0000Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔

23、滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 ）符号编码将量化后的系数，按之字形重新排序成矢量，全零结尾用特殊符号EOB-26 -3 1 -3 -2 -6 2 -4 1 -4 1 1 5 0 2 0 0 -1 2 0 0 0 0 0 -1 -1 EOBDC和AC用不同的方式分别编码DC的编码方式（预测+统计） ：编码由两部分组成：区间号编码(SSSS) + 系数预测误差本身编码(VVVV)Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 DC的编码方式（预测+统计）第一步：求DP

24、CM (差分脉冲调制码)，用当前的DC，减去前一个子图的DC VVVV ：DIFF = DC PRE_DC第二步：根据DIFF求出区间号： SSSS 通过DIFF查区间编号表得出区间号SSSS根据SSSS查霍夫曼编码表得出SSSS的霍夫曼编码第三步：对VVVV编码，正数是自己，负数用补码（求反）Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 DC的编码方式（预测+统计）区间表 范围 DC差区间 AC区间 0 0 N/A -1，1 1 1 -3，-2，2，3 2 2 -7,-4，4,7 3

25、 3 -15,-8，8,15 4 4 -31,-16，16,31 5 5 -63,-32，32,63 6 6Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 DC的编码方式（预测+统计）区间DC霍夫曼编码表区间 编码 长度 区间 编码 长度 0 010 3 6 1110 10 1 011 4 7 11110 12 2 100 5 8 111110 14 3 00 5 9 1111110 16 4 101 7 A 11111110 18 5 110 8 B 111111110 20Digit

26、al Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 DC的编码方式（预测+统计）例子：DC = -26PRE_DC = -17 DIFF = -26 - （-17）= -9用-9查区间表得： SSSS = 4用4查霍夫曼编码表得：霍夫曼编码：101 VVVV = -9 二进制编码为: 1001求反: 1001 = 0110 最后的编码为: 101+0110= 1010110 长度为7位解码时如果VVVV部分首位为0为负数PreDC-17DC-26Digital Image ProcessingDigi

27、tal Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 符号编码AC的编码方式编码由两部分组成：区间号编码(RRRR/SSSS)+系数本身(VVVV)第一部分： SSSS： 区间号 RRRR：该系数前值为0的系数的个数。第二部分： VVVV：系数本身编码Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 AC的编码方式区间AC霍夫曼编码表行程/区间 编码 长度 行程/区间 编码 长度 0/0 1010(=EOB) 4 0/6 111000 12 0

28、/1 00 3 0/7 1111000 14 0/2 01 4 0/8 1111110110 18 0/5 11010 10 1/1 1100 5 Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 AC的编码方式举例：0 7RRRR = 1查表得区间号：SSSS = 3RRRR/SSSS = 1/3 查表得: 1111001编码长度 10位VVVV = -7111 求反得: 000最后编码:1111001000Digital Image ProcessingDigital Image Pr

29、ocessing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 符号编码完成后的编码数组（重排的）是：1010110 0100 001 0100 0101 100001 0110 100011 001 100011 001 001 100101 11100110 110110 0110 11110100 000 1010其中空格是为了可阅读性而插入的完成编码的重排数组的总位数是92，不压缩需要8x8x8=512位。结果的压缩率是512/92，或5.6:1。Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业

30、大学（威海）图像处理实验室 JPEG2000相对于原始的JPEG标准，在对连续色调静止图像的压缩方面以及对压缩数据的访问方面提供了更大的灵活性。以小波编码为基础压缩率比JPEG高30%左右同时支持有损和无损压缩,适合保存重要图片Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 7.6.3 运动图像压缩标准1. 连续帧图像的定义2. 连续帧图像压缩的基本思想3. 帧间运动补偿预测编码技术4. H.261标准5. MPEG1/2/4/7标准Digital Image ProcessingDig

31、ital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 1. 连续帧图像的定义由多幅尺寸相同的静止图像组成的图像序列，被称为连续帧图像。与静止帧图像相比，连续帧图像多了一个时间轴，成为三维信号，因此连续帧图像也被称为三维图像。Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 2. 连续帧图像压缩的基本思想基于如下基本假设：在各连续帧之间存在简单的相关性平移运动。一个特定画面上的像素量值：1）可以根据同帧附近像素来加以预测，被称为：帧内编码技术2

32、）可以根据附近帧中的像素来加以预测，被称为：帧间编码技术Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 连续帧图像压缩的基本思想通过减少帧间图像数据冗余，来达到减少数据量、压缩连续帧图像体积的目的将连续帧图像序列，分为参考帧和预测帧，参考帧用静止图像压缩方法进行压缩，预测帧对帧差图像进行压缩由于帧差图像的数据量大大小于参考帧的数据量，从而可以达到很高的压缩比Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学

33、（威海）图像处理实验室 3. 帧间运动补偿预测编码技术帧间预测编码+ + - -熵编码熵编码帧间帧间预测器预测器运动补偿运动补偿压缩图像块输入图像块enfn fn运动补偿预测帧间误差图像运动补偿预测图像Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 前向预测双向预测前一帧前一帧当前帧当前帧前一帧前一帧当前帧当前帧下一帧下一帧I 帧 : 不进行预测、进行帧内编码的编码帧（参考帧）;P帧:通过向前预测得到的误差编码帧;B帧:通过双向预测得到的误差编码帧.因图像序列存放在存储器中，可以使用下一

34、帧.Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 编码中的运动补偿运动补偿概念 以对帧间运动的估算为基础的，若物体均在空间上有一位移，那么用有限的运动参数来对帧间的运动加以描述，如对于像素的平移运动，可用运动矢量来描述。一个来自前一编码帧的运动补偿预测像素，就能给出一个当前像素的最佳预测。预测误差和运动矢量一同参与编码。由于一些运动矢量之间的空间相关性通常较高，因此，一个像素的运动矢量，可以代表一个相邻像素块的运动。实现中，画面一般划分成一些不连接的像素块(在MPEGl和MPEG2标准

35、中一个像素块为1616像素)，对于每一个这样的像素块，只估算一个运动矢量。Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 编码中的运动补偿举例：常用的基于块的运动估算和补偿块匹配法K帧K+l 帧块查找窗口Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 4. H.261263标准H.261263标准是由CCITT制定的ccitt 国际电话与电报咨询委员会，它现在被称为 itu-t （

36、国际标准化组织电讯标准化分部），是世界上主要的制定和推广电讯设备和系统标准的国际组织.它位于瑞士的geneva.Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 H.261标准应用范围：ISDN的视频会议主要编码技术：DCT变换向前运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码IPPPPPPIPPP.Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 H.263标准应用范围：可视电话主要编码技

37、术：DCT变换双向运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码IBBPBBPBBIBBP . . . .Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 5. MPEG1/2/4/7标准MPEG1/2/4/7标准由ISO/IEC制定的ISO是国际标准化组织IEC是国际电工委员会，是非政府性国际组织，是世界上成立最早的专门国际标准化机构。正式成立于1906 年。Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威

38、海）图像处理实验室 MPEG1标准应用范围：视频CD_ROM存储、视频消费主要编码技术：DCT变换前向、双向运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码、算术编码每15帧至少要有一个I帧IBBPBBPBBIBBP . . . .Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 MPEG2标准应用范围：数字电视、高质量视频、有线电视、视频编辑、视频存储主要编码技术：DCT变换前向、双向运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码、算术编码每15帧至少要有一个I帧IBBPBBPBBIBBP . . .

39、 .Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 精品课件精品课件！Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 精品课件精品课件！Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室 MPEG4标准应用范围：互联网、交互视频、移动通信主要编码技术：DCT变换、小波变换前向、双向运动补偿预测Zig-zag排序脸部动画、背影编码霍夫曼编码、算术编码每15帧至少要有一个I帧IBBPBBPBBIBBP . . . .