图象压缩.ppt

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1、第第3章章 图像压缩编码原理图像压缩编码原理图图像像压压缩缩方方法法在在广广义义上上可可以以分分成成两两类类。一一类类是是无无损损压压缩缩，又又称称为为可可逆逆编编码码(Reversible Coding)。另另一一类类是是有有损损压压缩缩，又又称称不不可可逆逆压压缩缩(Non-Reversible Coding)。3.1 压缩编码基础压缩编码基础3.2 预预 测测 编编 码码3.3 正交变换编码正交变换编码3.4 统统 计计 编编 码码3.5 子子 带带 编编 码码3.6 小波变换编码小波变换编码3.1 压缩编码基础压缩编码基础图图像像数数据据的的压压缩缩机机理理来来自自两两个个方方面面：一

2、一是是利利用用图图像像中中存存在在大大量量冗冗余余度度可可供供压压缩缩；二是利用人眼的视觉特性。二是利用人眼的视觉特性。1图像数据的冗余度图像数据的冗余度(1)空间冗余空间冗余在在一一幅幅图图像像中中规规则则的的物物体体和和规规则则的的背背景具有很强的相关性。景具有很强的相关性。(2)时间冗余时间冗余电电视视图图像像序序列列中中相相邻邻两两幅幅图图像像之之间间有有较大的相关性。较大的相关性。(3)结构冗余和知识冗余结构冗余和知识冗余图图像像从从大大面面积积上上看看常常存存在在有有纹纹理理结结构构，称之为结构冗余。称之为结构冗余。(4)视觉冗余视觉冗余人人眼眼的的视视觉觉系系统统对对于于图图像像

3、的的感感知知是是非非均均匀匀和和非非线线性性的的，对对图图像像的的变变化化并并不不都都能能察觉出来。察觉出来。2人眼的视觉特性人眼的视觉特性(1)亮度辨别阈值亮度辨别阈值当当景景物物的的亮亮度度在在背背景景亮亮度度基基础础上上增增加加很很少少时时，人人眼眼是是辨辨别别不不出出的的，只只有有当当亮亮度度增增加加到到某某一一数数值值时时，人人眼眼才才能能感感觉觉其其亮亮度度有有变变化化。人人眼眼刚刚刚刚能能察察觉觉的的亮亮度度变变化化值值称称为亮度辨别阈值。为亮度辨别阈值。(2)视觉阈值视觉阈值视觉阈值是指干扰或失真刚好可以被视觉阈值是指干扰或失真刚好可以被察觉的门限值，低于它就察觉不出来，高察觉

4、的门限值，低于它就察觉不出来，高于它才看得出来，这是一个统计值。于它才看得出来，这是一个统计值。(3)空间分辨力空间分辨力空空间间分分辨辨力力是是指指对对一一幅幅图图像像相相邻邻像像素素的的灰灰度度和和细细节节的的分分辨辨力力，视视觉觉对对于于不不同同图图像内容的分辨力不同。像内容的分辨力不同。(4)掩盖效应掩盖效应“掩掩盖盖效效应应”是是指指人人眼眼对对图图像像中中量量化化误误差差的的敏敏感感程程度度，与与图图像像信信号号变变化化的的剧剧烈烈程度有关。程度有关。3数据压缩编码方法的分类数据压缩编码方法的分类根根据据压压缩缩机机理理的的不不同同，数数据据压压缩缩编编码码方法大致可以分成三类。方

5、法大致可以分成三类。(1)基于图像信源统计特性的压缩方法，基于图像信源统计特性的压缩方法，有预测编码、变换编码、矢量量化编码、有预测编码、变换编码、矢量量化编码、子带小波编码和神经网络编码法等。子带小波编码和神经网络编码法等。(2)基于人眼视觉特性的压缩方法，有基于人眼视觉特性的压缩方法，有基于方向滤波的图像编码法和基于图像轮基于方向滤波的图像编码法和基于图像轮廓纹理的编码法等。廓纹理的编码法等。(3)基于图像景物特征的压缩方法，有基于图像景物特征的压缩方法，有分形编码法和基于模型的编码方法等。分形编码法和基于模型的编码方法等。3.2 预预 测测 编编 码码3.2.1 预测编码基本原理预测编码

6、基本原理预预测测编编码码是是根根据据某某一一模模型型利利用用过过去去的的样样值值对对当当前前样样值值进进行行预预测测，然然后后将将当当前前样样值值的的实实际际值值与与预预测测值值相相减减得得到到一一个个误误差差值值，只对这一预测误差值进行编码。只对这一预测误差值进行编码。3.2.2 预测方法预测方法1帧内预测帧内预测帧帧内内预预测测利利用用图图像像信信号号的的空空间间相相关关性性来来压压缩缩图图像像的的空空间间冗冗余余，根根据据前前面面已已经经传传送的同一帧内的像素来预测当前像素。送的同一帧内的像素来预测当前像素。2帧间预测帧间预测电电视视图图像像在在相相邻邻帧帧之之间间存存在在很很强强的的相

7、相关性。关性。3预测系数的选择预测系数的选择预测系数的选择通常采用最优线性预预测系数的选择通常采用最优线性预测法，选择预测系数测法，选择预测系数a1，a2，an-1使误使误差信号差信号en的均方值最小。的均方值最小。4自适应预测自适应预测自适应预测又称为非线性预测。自适应预测又称为非线性预测。可可以以利利用用预预测测误误差差作作为为控控制制信信息息，因因为为预预测测误误差差的的大大小小反反映映了了图图像像信信号号的的相相关关性。性。3.2.3 预测量化器预测量化器1预测误差的统计特性预测误差的统计特性由由于于图图像像信信号号在在帧帧内内和和帧帧间间存存在在着着一一定定的的相相关关性性，预预测测

8、误误差差统统计计特特性性的的一一个个特特点点就就是是它它的的概概率率分分布布集集中中在在0附附近近的的一一个个较较窄窄的的范范围围内内，0值值出出现现的的概概率率最最大大。随随着着预预测测误误差差绝绝对对值值的的增增大大其其出出现现的的概概率率迅迅速速下下降，近似的数学模型是降，近似的数学模型是Laplace分布，即分布，即2量化器设计量化器设计在在预预测测编编码码中中可可以以采采用用非非均均匀匀量量化，非均匀量化特性曲线如图化，非均匀量化特性曲线如图3-6所示。所示。图3-6非均匀量化特性曲线3.2.4 图像帧间编码中的运动处理图像帧间编码中的运动处理1运动处理原理运动处理原理在在图图像像的

9、的运运动动处处理理中中主主要要有有两两个个过过程程。第第一一个个过过程程为为运运动动估估计计(Motion Estimation，ME)。运运动动估估计计是是对对运运动动物物体体的的位位移移作作出出估估计计，即即估估计计出出运运动动物物体体从从上上一一帧帧到到当当前前帧帧的的位位移移方方向向和和位位移移量量，也也就就是是估估计计出出运动矢量。运动矢量。第第 二二 个个 过过 程程 为为 运运 动动 补补 偿偿(Motion Compensation，MC)。运运动动补补偿偿是是按按照照运运动动矢矢量量将将上上一一帧帧作作位位移移，求求出出当当前前帧帧的的运运动结果。动结果。2运动估计的方法运动

10、估计的方法3块匹配法块匹配法把把图图像像分分成成若若干干子子块块，设设子子块块图图像像是是由由NN个个像像素素组组成成的的像像块块，并并假假设设一一个个像像块内的所有像素作一致的平移运动。块内的所有像素作一致的平移运动。(1)估值块大小估值块大小(NN)估估值值块块大大小小的的选选择择应应该该综综合合考考虑虑图图像像细节构成和计算量等因素。细节构成和计算量等因素。(2)最佳匹配准则最佳匹配准则判判断断两两个个宏宏块块间间最最佳佳匹匹配配准准则则有有很很多多种。种。(3)搜索窗口大小搜索窗口大小搜搜索索窗窗口口的的选选择择应应综综合合考考虑虑帧帧间间运运动动位移的可能大小和计算量等因素。位移的可

11、能大小和计算量等因素。(4)快速搜索法快速搜索法快速搜索法可以减少搜索次数。快速搜索法可以减少搜索次数。(5)分级搜索分级搜索分分级级搜搜索索则则把把搜搜索索过过程程分分为为粗粗搜搜索索和和细细搜搜索索两两步步来来进进行行，首首先先对对图图像像进进行行亚亚取取样样得得到到一一个个低低分分辨辨率率的的图图像像，然然后后再再对对所所得到的低分辨率图像进行全搜索。得到的低分辨率图像进行全搜索。3.3 正交变换编码正交变换编码变换编码变换编码(Transform Coding)的基本的基本思想是将在通常的欧几里德几何空间思想是将在通常的欧几里德几何空间(空间空间域域)描写的图像信号变换到另外的向量空间

12、描写的图像信号变换到另外的向量空间(变换域变换域)进行描写，然后再根据图像在变进行描写，然后再根据图像在变换域中系数的特点和人眼的视觉特性进行换域中系数的特点和人眼的视觉特性进行编码。编码。(1)一一般般来来说说图图像像变变换换不不是是对对整整幅幅图图像像一一次次进进行行，而而是是在在存存储储器器中中把把一一幅幅图图像像分分成成许许多多NN的的像像块块，然然后后依依次次将将每每个个方方块块内内的的NN个个样样点点同同时时送送入入变变换换器器进进行行变变换换运算。运算。(2)变变换换器器把把输输入入的的NN点点的的像像块块由由原原空空间间域域变变换换到到变变换换域域中中，映映射射成成同同样样大大

13、小小的的NN点点的的变变换换系系数数矩矩阵阵，经经过过变变换换后后的的系数矩阵更有利于压缩。系数矩阵更有利于压缩。(3)量量化化器器用用有有限限个个值值来来表表示示变变换换后后的的系系数数矩矩阵阵，通通过过量量化化器器舍舍弃弃一一些些小小幅幅度度的的变换系数。变换系数。(4)编编码码器器给给量量化化器器输输出出的的每每一一个个符符号号指指定定一一个个二二进进制制码码字字，可可以以是是定定长长码码也也可可以是变长码。以是变长码。3.3.1 正交变换的性质正交变换的性质正交变换有以下性质。正交变换有以下性质。1能量守恒性能量守恒性可可以以证证明明图图像像在在空空间间域域中中的的数数据据平平方方和和

14、和和图图像像在在变变换换域域中中的的数数据据的的平平方方和和存存在在能量守恒关系，即能量守恒关系，即2 能能 量量 集集 中中 性性(Energy Compaction)大大部部分分正正交交变变换换趋趋向向将将图图像像的的大大部部分分能能量量集集中中到到相相对对少少数数几几个个系系数数上上，由由于于整整个个能能量量守守恒恒，因因此此这这意意味味着着许许多多变变换换系系数数只含有很少的能量。只含有很少的能量。3去相关性去相关性(Decorrelation)当当输输入入的的像像素素高高度度相相关关时时，变变换换系系数数趋向于不相关。趋向于不相关。4熵保持性熵保持性如如果果把把f(x,y)看看作作是

15、是一一个个具具有有一一定定熵熵值值的的随随机机函函数数，那那么么变变换换系系数数F(u,v)的的熵熵值值和和原来图像信号原来图像信号f(x,y)的熵值相等。的熵值相等。3.3.2 离散余弦变换离散余弦变换1一维一维DCT变换变换2二维二维DCT变换变换(1)二维二维DCT变换公式变换公式一一个个NN像像块块f(x,y)(x,y=0,1,N-1)的的二维二维DCT定义为定义为(2)物理意义物理意义二二维维变变换换核核函函数数a(x，y；u，v)按按x，y，u，v分分别别展展开开后后得得到到的的是是NN个个NN点点的的像像块块组组，又又称称为为基基图图像像。一一个个88的的DCT基图像示意如图基图

16、像示意如图3-15所示。所示。图图3-15 88的的DCT基基图图像像示示意意图图3.3.3 量化器量化器DCT编编码码中中对对图图像像带带来来失失真真的的主主要要原原因如下：因如下：(1)舍去高频系数而使图像产生模糊；舍去高频系数而使图像产生模糊；(2)对对某某些些系系数数采采用用粗粗量量化化而而产产生生颗颗粒粒状结构；状结构；(3)像像块块的的划划分分使使相相邻邻像像块块人人为为地地造造成成亮度不连续，即块效应。亮度不连续，即块效应。3.4 统统 计计 编编 码码3.4.1 信息量和信息熵信息量和信息熵1信息量信息量对于某一离散无记忆信源对于某一离散无记忆信源X的符号集的符号集xi(i=1

17、,2,，N)，假设每个符号假设每个符号xi是统计是统计独立的，出现的概率为独立的，出现的概率为p(xi),，则符号则符号xi所携带的信息量定义为所携带的信息量定义为I(xi)=log2(1/p(xi)2信息信息“熵熵”如如果果将将信信源源所所有有可可能能时时间间的的信信息息量量进进行行平平均均，就就得得到到了了信信源源中中每每个个符符号号的的平平均均信息量，又称为信息的熵，可表示为信息量，又称为信息的熵，可表示为3.4.2 哈夫曼哈夫曼(Huffman)编码编码Huffman编编码码方方法法就就是是利利用用了了这这个个定定理理，它它是是一一种种效效率率高高、方方法法简简单单的的编编码码。信信源

18、源中中符符号号出出现现的的概概率率相相差差越越大大，Huffman编编码效果越好。码效果越好。1Huffman编码步骤编码步骤(1)把把信信源源符符号号xi(i=1,2,N)按按出出现现概率的值由大到小的顺序排列；概率的值由大到小的顺序排列；(2)对两个概率最小的符号分别分配以对两个概率最小的符号分别分配以“0”和和“1”，然后把这两个概率相加作，然后把这两个概率相加作为一个新的辅助符号的概率；为一个新的辅助符号的概率；(3)将这个新的辅助符号与其他符号一将这个新的辅助符号与其他符号一起重新按概率大小顺序排列；起重新按概率大小顺序排列；(4)跳到第跳到第2步，直到出现概率相加为步，直到出现概率

19、相加为1为止；为止；(5)用线将符号连接起来，从而得到一用线将符号连接起来，从而得到一个码树，树的个码树，树的N个端点对应个端点对应N个信源符号；个信源符号；(6)从最后一个概率为从最后一个概率为1的节点开始，的节点开始，沿着到达信源的每个符号，将一路遇到的沿着到达信源的每个符号，将一路遇到的二进制码二进制码“0”或或“1”顺序排列起来，就顺序排列起来，就是端点所对应的信源符号的码字。是端点所对应的信源符号的码字。2Huffman编码举例编码举例3Huffman编码性质编码性质(1)Huffman方方法法构构造造出出来来的的码码不不是是惟惟一一的的，主主要要有有两两个个原原因因：一一是是在在两

20、两个个符符号号概概率率相相加加给给两两条条支支路路分分配配“0”和和“1”时时，这这一一选选择择是是任任意意的的；二二是是当当两两个个消消息息的的概概率相等时，率相等时，0，1分配也是随意的。分配也是随意的。(2)Huffman编码对不同的信源，其编编码对不同的信源，其编码效率是不同的。码效率是不同的。(3)Huffman编码中，没有一个码字是编码中，没有一个码字是另一个码字的前缀，因此，每个码字惟一另一个码字的前缀，因此，每个码字惟一可译。可译。3.4.3 算术编码算术编码1算术编码原理算术编码原理在在算算术术编编码码中中，把把被被编编码码的的信信息息表表示示成成0到到1之之间间的的一一个个

21、间间隔隔。在在传传输输任任何何信信息息之之前前，信信息息的的完完整整范范围围是是0，1)，当当一一个个符符号号被被处处理理时时，区区间间范范围围就就依依据据分分配配给给这这一符号的那部分范围而变窄。一符号的那部分范围而变窄。(1)首首先先对对字字符符号号集集X中中每每个个单单独独的的符符号号赋赋一一个个0到到1之之间间的的子子区区间间，子子区区间间的的长长度度等等于于该该符符号号的的概概率率，并并假假设设这这样样的的赋赋值值对解码器来说是已知的。对解码器来说是已知的。(2)读读入入第第一一符符号号a1，设设a1是是符符号号集集X中中的的第第i个个符符号号，a1=xi(i=1，2，N)，那那么初

22、始子区间定义为么初始子区间定义为I1，r1)=pi-1，pi)(3)读入下一个符号，设已经是第读入下一个符号，设已经是第n次次读入，并设读入的符号读入，并设读入的符号an是符号集是符号集X中的第中的第i个符号，即个符号，即an=xi。定义新区间为定义新区间为ln，rn)=ln-1+pi-1dn-1，ln-1+pidn-1)2解码解码如如果果解解码码器器也也知知道道这这一一最最后后的的范范围围0.5143876，0.514402)，它它马马上上就就可可以以解解得得第第一一个个字字符符为为x3，因因为为从从各各个个符符号号的的概概率率值值及及其其所所分分配配的的编编码码区区间间范范围围看看，只只有

23、有x3的的编编码码区区间间范范围围能能包包含含0.5143876，0.514402)。3算术编码的特点算术编码的特点算算术术编编码码器器对对整整个个消消息息只只产产生生一一个个码码字字，这这个个码码字字是是在在间间隔隔0，1)中中的的一一个个实实数数，因因此此译译码码器器在在接接收收到到表表示示这这个个实实数数的的所有位之前不能进行译码。所有位之前不能进行译码。3.5 子子 带带 编编 码码子带编码的基本思想是利用带通滤波子带编码的基本思想是利用带通滤波器组将信道频带分割成若干个子频带器组将信道频带分割成若干个子频带(Subband)，将子频带搬移至零频处进行子将子频带搬移至零频处进行子带取样

24、，再对每一个子带用一个与其统计带取样，再对每一个子带用一个与其统计特性相适配的编码器进行图像数据压缩。特性相适配的编码器进行图像数据压缩。3.5.1 子带编码原理子带编码原理子子带带编编码码由由于于其其本本身身具具备备的的频频带带分分解解特特性性，非非常常适适合合于于分分辨辨率率可可分分多多级级的的视视频频编码。编码。另外，子带编码还有以下优点。另外，子带编码还有以下优点。(1)一一个个子子带带的的编编码码噪噪声声在在解解码码后后只只局局限限于于该该子子带带内内，不不会会扩扩散散到到其其他他子子带带。这这样样，即即使使有有的的子子带带信信号号较较弱弱，也也不不会会被被其其他子带的编码噪声所掩盖

25、。他子带的编码噪声所掩盖。(2)可以根据主观视觉特性，将有限的可以根据主观视觉特性，将有限的数码率在各个子带之间合理分配，有利于数码率在各个子带之间合理分配，有利于提高图像的主观质量。提高图像的主观质量。(3)通过频带分解，各个子带的抽样频通过频带分解，各个子带的抽样频率可以成倍下降。率可以成倍下降。3.5.2 子带分解子带分解在在子子带带编编码码系系统统中中，关关键键技技术术是是正正确确实现无失真子带的分解和复原。实现无失真子带的分解和复原。一一个个一一维维2子子带带编编码码系系统统的的框框图图如如图图3-25所示所示.图图3-25 一维一维2子带编码系统的框图子带编码系统的框图3.6 小波

26、变换编码小波变换编码3.6.1 小波变换基本原理小波变换基本原理1基本小波函数的定义基本小波函数的定义对对于于函函数数(x)L2(R)，当当且且仅仅当当其其傅傅立叶变换立叶变换()满足条件满足条件2一维连续小波变换一维连续小波变换3二维连续小波变换二维连续小波变换一一个个一一维维函函数数f(x)的的连连续续小小波波变变换换是是一一个个双双变变量量的的函函数数，变变量量比比f(x)多多一一个个。若若f(x)是是一一个个二二维维函函数数，则则它它的的连连续续小小波波变变换换是是3.6.2 基于子带编码的快速小波变换基于子带编码的快速小波变换下面介绍基于子带编码的快速小波变下面介绍基于子带编码的快速小波变换换(Fast Wavelet Transform，FWT)。图图3-26中，中，(a)图表示原始图像矩阵，图表示原始图像矩阵，(b)图表示一层分解的小波变换，图表示一层分解的小波变换，(c)图表图表示将低频图像示将低频图像LL小区域再分解的小波变换。小区域再分解的小波变换。图图3-26小波分解示意图小波分解示意图有了子带编码，我们可以用迭代有了子带编码，我们可以用迭代的方式使用双带子带编码并自底向上的方式使用双带子带编码并自底向上地建立小波变换。地建立小波变换。