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1、第6章图像压缩图像压缩图像压缩压缩模型压缩模型信息理论信息理论无损压缩无损压缩有损压缩有损压缩图像压缩标准图像压缩标准引言引言（一）、图像数据压缩的重要性和必要性：（一）、图像数据压缩的重要性和必要性：#A4大小大小300dpi二值扫描二值扫描1MB#640*480的的24bit真彩色图像真彩色图像0.92MB#3656*2664的的24bit电影胶片电影胶片29MB#PAL制数字视频制数字视频20M#高清晰度电视高清晰度电视HDTV166MB（二）、图像数据压缩的应用领域：（二）、图像数据压缩的应用领域：1、办公自动化；、办公自动化；2、医学图像处理；、医学图像处理；3、卫星遥感遥测系统；、
2、卫星遥感遥测系统；4、高清晰度电视、高清晰度电视HDTV；5、可视电话、会议电视；可视电话、会议电视；6、移动多媒体图像及视频传输：、移动多媒体图像及视频传输：彩信业务，手机视频；彩信业务，手机视频；凡是涉及到图像数据的传输、交换与存储的领域均要凡是涉及到图像数据的传输、交换与存储的领域均要求进行图像数据的压缩。求进行图像数据的压缩。（三）、图像中冗余信息的主要表现：（三）、图像中冗余信息的主要表现：1、图像的空间冗余；、图像的空间冗余；-象素间冗余象素间冗余相同的目标相同的目标相同的直方图相同的直方图象素间的相象素间的相关性不同关性不同2、图像彩色光谱空间的冗余；、图像彩色光谱空间的冗余；3
3、、视频图像信号在时间上的冗余；、视频图像信号在时间上的冗余；4、图像的视觉心理冗余；、图像的视觉心理冗余；压缩的目的就是去除信息冗余压缩的目的就是去除信息冗余如何评价图像编码中的解码图像与原始如何评价图像编码中的解码图像与原始图像之间的偏离程度？图像之间的偏离程度？通过保真度通过保真度(逼真度逼真度)准则准则两大类准则：客观保真度准则，主观保两大类准则：客观保真度准则，主观保真度准则真度准则客观保真度准则客观保真度准则当所损失的信息量可用编码输入图像与当所损失的信息量可用编码输入图像与解码输出图像的函数表示时，基于客观解码输出图像的函数表示时，基于客观保真度准则的。保真度准则的。常用的准则有：
4、常用的准则有：均方根误差均方根误差erms总误差总误差均方信噪比均方信噪比SNRrms主观保真度准则主观保真度准则一般情况下，解压图像最终是依靠人的一般情况下，解压图像最终是依靠人的视觉来判断的，用主观保真度准则。视觉来判断的，用主观保真度准则。如对电视图像质量进行绝对评价的尺度为如对电视图像质量进行绝对评价的尺度为评分评分评价评价说明说明1优优秀的秀的优优秀的具有极高秀的具有极高质质量的量的图图像像2好的好的 是可供观赏的高质量的图像，干扰并不令人讨厌是可供观赏的高质量的图像，干扰并不令人讨厌 3可通可通过过的的 图图像像质质量可以接受，干量可以接受，干扰扰不不讨厌讨厌4边缘边缘的的图图像像
5、质质量量较较低，希望能加以改善，干低，希望能加以改善，干扰扰有些有些讨厌讨厌5劣等的图像质量很差，尚能观看，干扰显著地令人讨厌6不能用不能用图图像像质质量非常之差，无法量非常之差，无法观观看看压缩模型压缩模型信源编信源编码器码器信道编信道编码器码器信道解信道解码器码器信源解信源解码器码器信道信道EncoderDecoder输入输入图像图像f(x,y)Removes inputredundanciesIncreasesthe noiseimmunity编码编码器器信息理论信息理论（一）、信源空间概述（一）、信源空间概述1 1、信息：事物运动状态或存在方式的不确定性的描述；、信息：事物运动状态或存
6、在方式的不确定性的描述；2 2、信源空间：随机符号及其出现概率的空间；、信源空间：随机符号及其出现概率的空间；3 3、信源的分类：、信源的分类：（1 1）、）、连续信源连续信源离散信源离散信源混合信源；混合信源；（2 2）、无记忆信源）、无记忆信源有记忆信源（相关信源）有记忆信源（相关信源）有限有限长度记忆信源（长度记忆信源（MarkovMarkov信源）信源）（二）、信息的度量（二）、信息的度量1、信息公理、信息公理（1）、信息由）、信息由不确定性程度不确定性程度进行度量；进行度量；确定事件的信息量为零。确定事件的信息量为零。（2）、不确定性程度）、不确定性程度越高越高信息量信息量越大越大；
7、（3）、相互独立性与信息量可加性；）、相互独立性与信息量可加性；独立事件的联合信息等于两个独立事件的信息独立事件的联合信息等于两个独立事件的信息总和。总和。满足上述公理的函数为：满足上述公理的函数为：2、离散无记忆信源（、离散无记忆信源（DNMS）的信息量度量：的信息量度量：（1）信源符号）信源符号 的自信息量定义为：的自信息量定义为：(a)、非负性；非负性；(b)、信息量的单位：信息量的单位：底为底为2时时单位为：比特（单位为：比特（bit）底为底为e时时单位为：奈特（单位为：奈特（Nat）底为底为10时时单位为：哈特单位为：哈特（2）、信源平均自信息量（信息熵）、信源平均自信息量（信息熵）
8、离散无记忆信源离散无记忆信源A的平均自信息量（信息熵）定的平均自信息量（信息熵）定义为：义为：3、平均码字长借助熵的概念可以定义量度任何特定码的性能的准则，即平均码字长度。其中i为灰度级di所对应的码字长度。的单位也是比特/字符。4、编码效率编码符号是在字母集合A=a1,a2,a3,am中选取的。如果编码后形成一个新的等概率的无记忆信源，字母数为n，则它的最大熵应为logn比特/符号。因此这是一个极限值。如果H(d)/=logn，则可以认为编码效率已经达到100%，如果H(d)/0-c 其它其它其中其中a是预测系数是预测系数(一般小于等于一般小于等于1)，c是是1个正的常数个正的常数因为量化器
9、的输出可用因为量化器的输出可用单个位符单个位符表示表示(输出只有输出只有2个值个值)，所以，所以上图编码器中的符号编码器只用上图编码器中的符号编码器只用长度固定为长度固定为1bit的码，由的码，由DM方法得到的方法得到的码率是码率是1比特比特/象素象素DM编码示例编码示例取取上述公式中的上述公式中的a=1和和c=6.5。设设输入序列输入序列为为14，15，14，15，13，15，15，14，20，26，27，28，27，27，29，37，47，62，75，77，78，79，80，81，82，82。编码开始时，先将。编码开始时，先将第一个输入象素第一个输入象素直接传给编直接传给编码器。在编码器和
10、解码器两端都码器。在编码器和解码器两端都建立初始条件建立初始条件f.0=f0=14后，后，其余的其余的f，e，e.，和和f.可用上述公式计算得到可用上述公式计算得到给出给出DM编码例子，如表所示编码例子，如表所示输入输入编码器编码器解码器解码器误差误差nff ee.f.ff.f-f.01414.014.00.011514.01.06.520.514.020.5-5.521420.5-6.5-6.514.020.514.00.031514.01.06.520.514.020.5-5.5142920.58.56.527.020.527.02.0153727.010.06.533.527.033.5
11、3.5164733.513.56.540.033.540.07.0176240.022.06.546.540.046.515.5187546.528.56.553.046.553.022.0197753.024.06.559.553.059.517.5画出对应表中的输入和输出画出对应表中的输入和输出(f和和f.)2点点值得指出：值得指出：1、当、当c远大于输入中的最小变化时，如在远大于输入中的最小变化时，如在n=0到到n=7的相对的相对平滑区域，平滑区域，DM编码会产生颗粒噪声。编码会产生颗粒噪声。2、当、当c远小于输入中的最大变化时，如在远小于输入中的最大变化时，如在n=14到到n=19的的
12、相对陡峭区间，相对陡峭区间，DM编码会产生斜率过载。编码会产生斜率过载。颗粒噪声颗粒噪声斜率过载斜率过载信号信号f f信号信号f f.n nf f，f f.6 62 2 4 48 8 101012121414 16161818 2020222224242626对对大多数图像而言，上述大多数图像而言，上述2种情况分别会导致图像种情况分别会导致图像中目标边缘发生模糊和整个图像产生纹状表面中目标边缘发生模糊和整个图像产生纹状表面DCT编码基于离散余弦变换（DCT）的编码方法是JPEG算法的核心内容。该算法包括两个不同层次的系统：其一为基本系统(baseline system)，采用顺序工作方式编码，
13、只采用哈夫曼编码，解码只能存储两套哈夫曼表；而另一个增强系统，采用累进工作方式，它是基本系统的扩充和增强，采用了有适应能力的算术编码，如图给出编解码过程 DCT变换JPEG采样的是88大小的子块的二维离散余弦变换DCT。在编码器的输入端，首先把原始图像顺序地分割成一系列88的子块。设原始图像的采样精度为P位，是无符号整数，然后把(0,2p-1)范围的无符号整数变成-2p-1,2p-11范围内的有符号整数，以此作为DCT的输入。在解码器输出端，经离散余弦反变换IDCT后又得到一系列88块的图像数据块，将其数值范围由-2p-1,2p-11 再变回0,2p-1范围内的无符号整数，即获得重构的图像。量
14、化为了达到压缩数据的目的，对DCT系数F(u,v)需作量化处理。量化处理是一个多对一的映射，它是造成DCT编解码信息失真的主要根源。量化有均匀量化和非均匀量化等方法 DC系数的编码和AC系数的行程编码64个变换系数经量化处理后，坐标u=v=0是直流分量DC系数，即64个空域图像采样值的平均值，相邻88块之间的DC系数有强的相关性。编码方式如图所示。在JPEG中对DC系数采样DPCM编码，其余63个AC交流系数采样行程编码 熵编码-为了进一步达到压缩数据的目的，需要对DC码和AC行程编码的码字再作基于统计特性的熵编码。在JPEG中建议采样两种熵编码方法，即哈夫曼编码和自适应二进制算术编码 图像压
15、缩标准图像压缩标准二值图像压缩标准二值图像压缩标准静止图像压缩标准静止图像压缩标准序列图像压缩标准序列图像压缩标准二值二值图像压缩标准图像压缩标准G3和和G4由由CCITT国家电话电报咨询委员会国家电话电报咨询委员会(consultative committee of the international telephone and telegraph)的两个小组的两个小组(Group3和和Group4)负责制定的，最初为传真应用而设计负责制定的，最初为传真应用而设计现在称为现在称为ITU(international telecommunication union)JBIG(joint bile
16、vel imaging group)这个标准这个标准是由是由ISO和和CCITT两个组织的二值图联合组预两个组织的二值图联合组预1991年制定的。年制定的。非非自适应自适应编码方式编码方式通过通过8组具有组具有代表性的代表性的“实验实验”图来图来评判评判打印文字、几种语言打印文字、几种语言手写文字、线绘图手写文字、线绘图JBIG的目标之一就是采用的目标之一就是采用1种自适应技术，以解决这个问种自适应技术，以解决这个问题。另外也想使压缩方法可用于与上述题。另外也想使压缩方法可用于与上述8幅不同类型的图，幅不同类型的图，以及渐进的传输与重建应用以及渐进的传输与重建应用G3和和G4是非自适应技术的，
17、所以对半调灰度图像编是非自适应技术的，所以对半调灰度图像编码是常产生扩展的效果码是常产生扩展的效果(而不是压缩而不是压缩)。采用自适应技术，其编采用自适应技术，其编码效率比码效率比G3和和G4要高要高静止图像压缩标准静止图像压缩标准JPEG(joint picture expert group)对静止灰度对静止灰度或彩色图像的压缩，由上述或彩色图像的压缩，由上述2个组织的灰度图联个组织的灰度图联合专家制定，于合专家制定，于1991年开始使用的，实际上定义年开始使用的，实际上定义了三种编码系统了三种编码系统(1)基于基于DCT地有损压缩编码基本系统，可用于地有损压缩编码基本系统，可用于绝大多数压
18、缩应用场合绝大多数压缩应用场合(2)用于高压缩比、高精度或渐进重建应用的扩用于高压缩比、高精度或渐进重建应用的扩展编码系统展编码系统(3)用于无失真应用场合的无损系统用于无失真应用场合的无损系统图像应用系统想与图像应用系统想与JPEG兼容，必须支持兼容，必须支持JPEG基本系统，但基本系统，但另一方面，另一方面，JPEG并没有规定文件格式、图像分辨率或所用彩并没有规定文件格式、图像分辨率或所用彩色空间模型，这样它就有可能适用于不同应用场合色空间模型，这样它就有可能适用于不同应用场合对对录像机质量的静录像机质量的静止图像的压缩率一止图像的压缩率一般可达般可达25：1JPEG的基本系统：的基本系统
19、：源图像源图像DCT变换变换量化器量化器熵编熵编码器码器压缩图像压缩图像编码器编码器输入和输出数据的精度都是输入和输出数据的精度都是8bit，但量化但量化DCT值的精度是值的精度是11bitJPEG2000-于于1997年开始征集提案的年开始征集提案的采用小波子带编码作为核心编码方案采用小波子带编码作为核心编码方案相比相比JPEG而言，不仅能提高对图像的压缩质量，尤其是低而言，不仅能提高对图像的压缩质量，尤其是低码率时的压缩质量，而且还将得到许多增加了的功能，包括码率时的压缩质量，而且还将得到许多增加了的功能，包括根据图像质量、视觉感受和分辨率进行渐进传输，对码流的根据图像质量、视觉感受和分辨
20、率进行渐进传输，对码流的随机存取和处理，开放结构、向下兼容等随机存取和处理，开放结构、向下兼容等应用范围应用范围:*文献图像文献图像 *医疗成像医疗成像*传真技术传真技术 *安全像机安全像机*互连网互连网 *远程传感远程传感*扫描仪扫描仪 *数字化图书馆数字化图书馆*电子摄影电子摄影序列图像压缩标准序列图像压缩标准两大系列：两大系列：1、国际电信联盟、国际电信联盟 ITU（CCITT）H.26X系列系列 主要在通信传输领域内应用主要在通信传输领域内应用2、国际标准化组织、国际标准化组织 ISO MPEG-X系列系列 应用范围很宽视频图像压缩编解码应用范围很宽视频图像压缩编解码H.261由由CC
21、ITT于于1990年制定的序列灰度图像压缩标准，年制定的序列灰度图像压缩标准，主要为电视会议等应用而制定，也称为主要为电视会议等应用而制定，也称为P64标准标准(P=1,2,30)，其码流可为其码流可为64,128,1920kbit/s。它可允许带宽为它可允许带宽为1.544Mbit/s以小于以小于150ms的延迟的延迟传输运动视频传输运动视频它将它将前面介绍的基于前面介绍的基于DCT的压缩方法进行了扩展，并的压缩方法进行了扩展，并将减少帧间冗余的方法也包含量进来。将减少帧间冗余的方法也包含量进来。包含两个最基本的步骤：包含两个最基本的步骤：(1)对序列中的第一帧对序列中的第一帧(或某参考帧或
22、某参考帧)图用类似于图用类似于JPEG中用中用的的DCT压缩，以减少帧内冗余度压缩，以减少帧内冗余度(2)估计目标的运动估计目标的运动(通过计算当前帧与下通过计算当前帧与下1帧间的相关帧间的相关)，以确定如何压缩下以确定如何压缩下1帧，以减少帧间冗余度帧，以减少帧间冗余度DCT量化器量化器变长变长编码编码缓冲缓冲存储存储IDCT反量化反量化滤波器滤波器运动运动补偿补偿帧存帧存储器储器运动估值运动估值图像输入图像输入编码输出编码输出量化间隔值量化间隔值帧间预测误差帧间预测误差运动矢量运动矢量重建图像数据重建图像数据量化后的帧间预测误差量化后的帧间预测误差帧间预测值帧间预测值H.262标准标准IT
23、U为基于为基于ATM宽带网络的视频会议而制定的，宽带网络的视频会议而制定的，与与ISO的的MPEG-2标准完全一样。标准完全一样。H.263标准标准同同H.261编码相同，进行一些改进编码相同，进行一些改进1、半像素的运动补偿可提高运动补偿算法块、半像素的运动补偿可提高运动补偿算法块匹配的预测性能匹配的预测性能2、改进的游程编码、改进的游程编码3、减小一般性的比特开销、减小一般性的比特开销4、增加了可选模式、增加了可选模式5、算术编码替代游程编码或、算术编码替代游程编码或Huffman编码编码6、增强的运动预测、增强的运动预测7、双向预测代替了单纯的单向预测、双向预测代替了单纯的单向预测MPE
24、G-1由上述由上述2个组织联合的运动图像专家组个组织联合的运动图像专家组(moving picture expert group MPEG)于于1992年制定的第一个运动图像压缩标年制定的第一个运动图像压缩标准。准。它是它是一种娱乐质量的视频压缩标准，主要用于数字媒体一种娱乐质量的视频压缩标准，主要用于数字媒体上压缩图像数据的储存和提取。如上压缩图像数据的储存和提取。如CDROM、数字录音数字录音带、计算机硬盘、可擦写光盘等带、计算机硬盘、可擦写光盘等这个标准并没有指定具体的编码程序，而只是确定了这个标准并没有指定具体的编码程序，而只是确定了1个标准个标准的编码码流和对应的解码器，的编码码流和
25、对应的解码器，码流速率不超过码流速率不超过1.5Mb/s 与与H.261比较，比较，MPEG-1的新特点：的新特点：1、随机存储随机存储 通过加入随机访问点来实现要求在允许的时间通过加入随机访问点来实现要求在允许的时间内对任意一帧图像进行解码内对任意一帧图像进行解码2、快速正向、反向搜索对编码后的码流进行快速正向、反向搜索对编码后的码流进行扫描，并且只显示选中的图像，以实现快速的正扫描，并且只显示选中的图像，以实现快速的正向和反向搜索向和反向搜索3、编码延迟比、编码延迟比H.261大主要作为一种媒介存储大主要作为一种媒介存储标准而制定的，其编解码要大于标准而制定的，其编解码要大于H.261。M
26、PEG-2-于于1993年制定的第年制定的第2个运动图像压缩个运动图像压缩标准，是一种高质量视频的编码标准，也称为标准，是一种高质量视频的编码标准，也称为广播电视的视频编码标准广播电视的视频编码标准用于视频传输的压缩标准，适用于从普通电视用于视频传输的压缩标准，适用于从普通电视(510Mbit/s)到高清晰度电视到高清晰度电视(3040Mbit/s)的带宽范围的带宽范围主要用于场景变化很快的情况，所以规定每过主要用于场景变化很快的情况，所以规定每过15帧图一定帧图一定要编要编1帧，不过并没有限定需用多少帧图来进行运动估计帧，不过并没有限定需用多少帧图来进行运动估计MPEG4制定的关于低于制定的
27、关于低于32kb/s传输速率的，传输速率的，适用于可视电话的运动图像编码标准。适用于可视电话的运动图像编码标准。旨在建立一种能被旨在建立一种能被窄带网络窄带网络(v64vkbit/s)、带宽网络、无线带宽网络、无线网络、多媒体数据库等各种存储传输设备通用音频、视频网络、多媒体数据库等各种存储传输设备通用音频、视频数据格式数据格式既既支持固定码流，也支持变码流，所采用的主要技术是基支持固定码流，也支持变码流，所采用的主要技术是基于于目标的编码和基于模型的编码目标的编码和基于模型的编码中国的音视频编解码标准AVS 2006年2月22日，数字音视频编解码技术标准工作组（AVS工作组）收到国家标准化管
28、理委员会发给信息产业部科技司的通知，信息技术 先进音视频编码 第2部分：视频已经批准，国家标准号GB/T 20090.2-2006，于2006年3月1日起实施。至此，数字电视乃至数字化音视频产业共性最强的基础标准一锤定音，“十一五”期间重点培育数字化音视频产业已经有标可循。AVS是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准。顾名思义，“信源”是信息的“源头”，信源编码技术解决的重点问题是数字音视频海量数据（即初始数据、信源）的编码压缩问题，故也称数字音视频编解码技术。显而易见，它是其后数字信息传输、存储、播放等环节的前提，因此是数字音视频产业的共性基础标准。数字化音视频产业是国民经济与社会发展的重要产业，是信息产业三大组成部分之一，有望在“十一五”期间成长为国民经济第一大产业。AVS具有以下特征：我国牵头制定的、技术先进的第二代信源编码标准先进先进；领导国际潮流的专利池管理方案，完备的标准工作组法律文件自主自主；制定过程开放、国际化开放开放；