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1、2023/3/25 若用一个容量为1GB的硬盘或CDROM来存贮这样的数据，则只能存贮不到1分钟的图像，并且，所需的高数据呑吐率是一般的硬盘和CDROM难以达到的。若不加压缩，HDTV信号的数码率可接近1Gbps，更 加 惊 人。再 以 指 纹 库 为 例，若 以（512512）8bit的灰度图像来存贮一个手指的指纹，一个40万人的指纹库，每人十指，则共需1000GB的存贮量。由这些例子就可以看出图像压缩编码的必要性。第1页/共146页2023/3/25 图像编码技术的进展已使这些制约因素不再成为瓶颈，从而推动了各类图像通信系统的推广和应用。图像编码是各类图像信息传输、存贮产品的一项核心技术。
2、第2页/共146页2023/3/25图像压缩编码的目的图像压缩编码的目的 图像编码是一种信源编码，其信源是各种类型的图像信息。图像压缩编码的目的是以尽量少的比特数表征图像，同时保持复原图像的质量，使它符合预定应用场合的要求。节省图像存储器的容量、减少信道容量、缩短图像处理时间。但这是以压缩和解压的时间为代价的。第3页/共146页2023/3/25图像压缩编码的可行性图像压缩编码的可行性 图像数据可以进行压缩有几个方面的原因。首先，原始图像数据是高度相相关关的，存在很大的冗冗余余度度。数据冗余造成比特数浪费，消除这些冗余可以节约码字，也就达到了数据压缩的目的。第4页/共146页2023/3/25
3、1)1)空间冗余度空间冗余度：大多数图像内相邻像素之间有较大的相关性。：大多数图像内相邻像素之间有较大的相关性。2)2)时间冗余度时间冗余度：序列图像前后帧之间的较大的相关性。：序列图像前后帧之间的较大的相关性。3)3)频率域冗余度频率域冗余度：多光谱遥感图像各谱间有相关性。：多光谱遥感图像各谱间有相关性。第5页/共146页2023/3/254)4)符符号号冗冗余余度度：若若用用相相同同码码长长表表示示不不同同出出现现概概率率的的符符号号也也会会造造成成比比特特数数的的浪浪费费，这这种种浪浪费费称称为为符符号号冗冗余余度度。如如果果采采用用可可变变长长编编码码技技术术，对对出出现现概概率率高高
4、的的符符号号用用短短码码字字表表示示，对对出出现现概概率率低低的的符符号号用用长长码码字字，就可消除符号冗余度，从而节约码字。就可消除符号冗余度，从而节约码字。第6页/共146页2023/3/255)5)视视觉觉冗冗余余度度：允允许许图图像像编编码码有有一一定定的的失失真真也也是是图图像像可可以以压压缩缩的的一一个个重重要要原原因因。在在许许多多应应用用场场合合，并并不不要要求求经经压压缩缩及及复复原原以以后后的的图图像像和和原原图图像像完完全全相相同同，而而允允许许有有少少量量失失真真。只只要要这这些些失失真真并并不不被被人人眼眼所所察察觉觉，在在许许多多情情况况下下是是完完全全可可以以接接
5、受受的的。这这种种有有失失真真的的编编码码提提供供了了十十分有利的条件。分有利的条件。第7页/共146页2023/3/256)6)知知识识冗冗余余度度：在在某某些些特特定定的的应应用用场场合合，编编码码对对象象的的某某些些特特性性可可预预先先知知道道。例例如如，在在可可视视电电话话中中，编编码码对对象象为为人人的的头头肩肩像像。这这时时，可可以以利利用用对对编编码码对对象象的的先先验验知知识识为为编编码码对对象象建建立立模模型型。通通过过提提取取模模型型参参数数，对对参参数数进进行行编编码码而而不不对对图图像像直直接接进进行行编编码码，可可以以达达到到非非常常高高的的压压缩缩比比。这这是是模模
6、型型编编码码的的基本思想。基本思想。第8页/共146页2023/3/25图像编码技术就是要把种种压缩的可能性变为现实。图像编码技术就是要把种种压缩的可能性变为现实。第9页/共146页2023/3/25图像压缩编码一般框图图像压缩编码一般框图 图图像像编编码码的的过过程程可可以以概概括括成成图图1 1所所示示的的三三个个步步骤骤，原原始始图图像像经经映映射射变变换换后后的数据的数据,经量化器和熵编码器成为码流输出。经量化器和熵编码器成为码流输出。图1图像压缩编码的一般框图第10页/共146页2023/3/251)1)映射变换映射变换 映映射射变变换换是是图图像像编编码码的的一一个个核核心心部部分
7、分，它它决决定定了了量量化化和和编编码码的的对对象象类类型型，所以可以据此对编码方法进行分类。所以可以据此对编码方法进行分类。映射变换目的是通过映射改变图像数据的特性，使之更有利于压缩编码。映射变换目的是通过映射改变图像数据的特性，使之更有利于压缩编码。第11页/共146页2023/3/25 这这样样做做的的一一般般优优于于直直接接对对原原图图像像进进行行量量化化编编码码。因因为为图图像像数数据据在在相相邻邻像像素素间间有有较较大大的的相相关关性性，不不管管原原图图像像明明暗暗如如何何，相相邻邻像像素素灰灰度度差差总总是是分分布布在在零零附附近近。进进一一步步的的统统计计表表明明，差差值值信信
8、号号的的分分布布接接近近拉拉普普拉拉斯斯分分布布，其其标标准准差差比比原原始始图图像像的的标标准准差差要要小小的的多多，因因而而对对它它进进行行量量化化编编码码所所需需的的比比特特数数就就较较少少。实实际际上上，求求差差值值的的过过程程减减少少了了相相邻邻像像素素间间的的相相关关性性，从从而而减减少少了了冗冗余余度度，因因此可以实现压缩。此可以实现压缩。第12页/共146页2023/3/25 在在实实际际应应用用中中，映映射射变变换换的的方方法法种种类类繁繁多多，还还可可以以更更复复杂杂。如如在在变变换换编编码码中中，先先将将图图像像分分成成若若干干个个nnnn大大小小的的子子块块，然然后后进
9、进行行映映射射变变换换。在在这这种种情情况况下下的的映映射射变变换换是是对对各各子子块块进进行行某某种种正正交交变变换换。而而量量化化和和编编码码是是对变换后所得系数进行的。对变换后所得系数进行的。第13页/共146页2023/3/25 2)2)量化器量化器 在在限限失失真真编编码码中中要要对对映映射射后后的的数数据据进进行行量量化化。若若量量化化是是对对映映射射后后的的数数据据逐逐个个地地进进行行的的，则则称称标标量量量量化化；若若量量化化是是成成组组地地进进行行的的，则则称称为为矢矢量量量量化。化。量量化化器器的的引引入入是是图图像像编编码码产产生生失失真真的的根根源源。量量化化总总是是会
10、会造造成成某某些些信信息息丢丢失失，形形成成失失真真，即即量量化化失失真真或或量量化化噪噪声声。为为使使失失真真小小，应应量量化化精精细细，但但压压缩缩比比就就高高不不了了。这这是是一一对对矛矛盾盾，应应选选用用恰恰当当的量化级数和量化曲线形状来缓解矛盾。的量化级数和量化曲线形状来缓解矛盾。第14页/共146页2023/3/25 值值得得注注意意的的是是，对对于于同同样样的的量量化化失失真真，由由不不同同的的映映射射变变换换与与反反变变换换会会引引起起不不同同性性质质的的复复原原图图像像的的失失真真，人人眼眼对对某某些些性性质质的的失真敏感而对另一些性质的失真不敏感。失真敏感而对另一些性质的失
11、真不敏感。第15页/共146页2023/3/253)3)熵编码器熵编码器 这这一一步步是是用用来来消消除除符符号号编编码码冗冗余余度度的的。它它一一般般不不产产生生失失真真。理理想想的的情情况况是是使使编编出出的的码码流流的的平平均均码码长长等等于于量量化化后后的的数数据据的的信信息息熵熵。常常用用的的编编码码方方法法有有许许多多种种，例例如如分分组组码码：行行程程码码（RLCRLC）和和变变长长码码（VLCVLC）；不不分分组组码码：算术码。算术码。行行程程码码传传输输的的是是数数据据块块行行程程的的长长度度而而不不是是数数据据本本身身。例例如如要要传传200200个个0 0，用用行行程程码
12、码时时改为传行程码标记和行程长度值改为传行程码标记和行程长度值“200200”。第16页/共146页2023/3/25 在在 变变 长长 码码 中中 最最 常常 用用 的的 是是 霍霍 夫夫 曼曼（HuffmanHuffman）码码，基基本本原原则则是是对对出出现现概概率率大大的的数数值值用用短短码码来来编编，对对出出现现概概率率小小的的数数值值用用长长码码来来编编，从从而而使使平平均均码码长长减减少少，降降低低 码码 率率。在在 实实 际际 编编 码码 器器 中中 常常 把把 RCLRCL和和HuffmanHuffman码码结结合合起起来来，称称为为HuffmanHuffman行行程程码码，
13、在在H.261H.261，JPEGJPEG，MPEGMPEG等等国国际际标标准准中中就就用用到到它它。而而算算术术码码则则用用于于JPEGJPEG，H.263H.263等国际标准中。等国际标准中。第17页/共146页2023/3/254)4)上上述述三三个个步步骤骤之之间间是是相相互互联联系系相相互互制约的制约的 对对有有些些编编码码方方法法，如如预预测测编编码码或或变变换换编编码码，映映射射变变换换后后数数据据量量并并没没有有减减少少，甚甚至至因因动动态态范范围围的的加加大大而而使使数数据据量量略略有有增增加加。但但它它为为后后两两步步作作了了准准备备，使使它它们们能能有有效效发发挥挥作作用
14、用。而而在在模模型型编编码码中中，经经映映射射变变换换后后得得到到的的模模型型参参数数，其其数数据据量量已已大大大大小小于于原原始始图图像像，即即第第一一步步已已经经实实现现了了很很大大的的压压缩缩。后后面面的的量量化化编编码码则则是是作作进进一一步步的压缩。其情况和变换编码有很大的不同。的压缩。其情况和变换编码有很大的不同。第18页/共146页2023/3/255)5)误误码码可可能能导导致致码码流流结结构构的的变变化化，从而不能正确解码从而不能正确解码 如如果果码码流流在在信信道道中中传传输输时时产产生生误误码码，就就会会造造成成复复原原图图像像质质量量的的下下降降。有有时时一一个个比比特
15、特的的误误码码会会造造成成一一大大片片复复原原图图像像的的错错误误，这这种种现现象象称称误误码码扩扩散散现现象象。按按信信息息论论的的观观点点，压压缩缩得得越越多多、冗冗余余度度越越小小的的码码流流越越难难抵抵抗抗误误码码的的影影响响。在在实实用用的的图图像像编编码码算算法法中中必必须须对对误误码码扩扩散散提提出出制制约约条条件件。一一个个好好的的熵熵编编码码器器应应该该有有自自同同步步能能力力，能能够够在在受受到到误误码码影影响响后后经经过过一一定定的的码码后后仍仍能能自自动动回回到到正正确确解解码码路路径径上上来来，而而不不会会死死机机或或一直错下去。一直错下去。第19页/共146页202
16、3/3/25数字视频压缩编码技术数字视频压缩编码技术 数字视频压缩编码技术大致可划分为二数字视频压缩编码技术大致可划分为二代：以香农信息论为基础，着眼于图像信号代：以香农信息论为基础，着眼于图像信号的的统计信号特性统计信号特性来设计编码器的来设计编码器的波形编码方波形编码方式式，如统计编码法、预测编码法、变换编码，如统计编码法、预测编码法、变换编码法、矢量量化编码法、子带小波编码法、法、矢量量化编码法、子带小波编码法、神经网络编码法等，统称为第一代图像压缩神经网络编码法等，统称为第一代图像压缩编码技术；而将编码技术；而将模型编码方式模型编码方式，如图像的轮，如图像的轮廓纹理方法、分形基的编码方
17、法、模型基廓纹理方法、分形基的编码方法、模型基编码等，统称为第二代图像压缩编码技术。编码等，统称为第二代图像压缩编码技术。第20页/共146页2023/3/25第一代的编码方法具有如下共同特征：第一代的编码方法具有如下共同特征：接收端得到的图像中每一像素，与原始图像中接收端得到的图像中每一像素，与原始图像中对应的像素是相似的；对应的像素是相似的；把图像分解成一些事先确定的固定大小的像素把图像分解成一些事先确定的固定大小的像素块，这些块的划分方法与图像内容无关，例如，块，这些块的划分方法与图像内容无关，例如，8888为一个像素块；为一个像素块；通过运动补偿（通过运动补偿（MCMC）技术减少时间冗
18、余度，）技术减少时间冗余度，而而MCMC并不考虑图像内容的结构；并不考虑图像内容的结构；只利用了人眼视觉（只利用了人眼视觉（HVSHVS）很少一些特性。）很少一些特性。第21页/共146页2023/3/25 由于人眼视觉系统是一种最优的图像编由于人眼视觉系统是一种最优的图像编码系统，人眼视觉特性应该与图像中传递的码系统，人眼视觉特性应该与图像中传递的本质特征一致，基于模型的编码方法正是基本质特征一致，基于模型的编码方法正是基于这一思路发展而来的。于这一思路发展而来的。19851985年正式提出了年正式提出了第二代图像编码。第二代图像编码。第22页/共146页2023/3/25从根本上讲，实行图
19、像编码可以分成两步从根本上讲，实行图像编码可以分成两步:第一步，把图像数据变成一个消息序列；第一步，把图像数据变成一个消息序列；第二步，把码字分配给这些消息。第二步，把码字分配给这些消息。第一代方法第一代方法重点在重点在码字分配码字分配。第二代方法第二代方法则着重于图像如何表示为则着重于图像如何表示为消息序列消息序列，这时图像中被编码的实体不再是按像素或像这时图像中被编码的实体不再是按像素或像素块（素块（8888或或16161616）来划分，而是）来划分，而是按其内按其内容进行划分容进行划分。此外，第二代方法还应考虑。此外，第二代方法还应考虑HVSHVS，其码率被进一步压缩，质量仍达到人们可，
20、其码率被进一步压缩，质量仍达到人们可接收水平。接收水平。第23页/共146页2023/3/258.2 8.2 熵编码方法熵编码方法基本概念基本概念 数据量是否等于信息量数据量是否等于信息量?数据存在冗余（空间冗余、时间冗余 、编码冗余、结构冗余、知识冗余、视觉冗余等）信息量与数据量的关系 I=D-duI=D-du其中 I,D,du I,D,du 分别是信息量、数据量、冗余量。第24页/共146页2023/3/25信息和熵信息和熵 信息是用不确定性的量度定的。信息是用不确定性的量度定的。一个消息的可能性愈小，其信息量愈多；而一个消息的可能性愈小，其信息量愈多；而消息的可能性愈大，其信息量愈少。消
21、息的可能性愈大，其信息量愈少。信息量是指从信息量是指从N N个相等可能事件中选出一个个相等可能事件中选出一个事件所需要的信息度量或含量。事件所需要的信息度量或含量。例如，要从例如，要从6464个数中选定某一个数，可先提个数中选定某一个数，可先提问问“是否大于是否大于3232？”在在6464个数中选定某一个个数中选定某一个数所需的信息量是数所需的信息量是 第25页/共146页2023/3/25设设:从从N N个数中选定一个数个数中选定一个数x x的概率为的概率为P(x)P(x)，假，假定选定任意一个数的概率都相等，即定选定任意一个数的概率都相等，即 ，因此定义信息量，因此定义信息量熵：如果将信源
22、所有可能事件的信息量进行平熵：如果将信源所有可能事件的信息量进行平均，就得到信息的均，就得到信息的“熵熵”（entropyentropy）,熵就熵就是平均信息量。是平均信息量。第26页/共146页2023/3/251)1)图像熵图像熵(Entropy)(Entropy)熵是随机变量集合的随机性程度的度熵是随机变量集合的随机性程度的度量。最小随机的情况是随机变量具有概率为量。最小随机的情况是随机变量具有概率为1 1，因而结果已预先知道，因而结果已预先知道，H=0H=0。第27页/共146页2023/3/25 最大随机的情况是所有的事件是等可能最大随机的情况是所有的事件是等可能性的。在此情况下，性
23、的。在此情况下，并且并且因此因此:对于对于M M个随机变量的熵可以处在个随机变量的熵可以处在0 0到到 的范围中。的范围中。第28页/共146页2023/3/25设图像像素灰度级集合为(W1，W2，WK,.，WM)，其对应的概率分别为P1，P2，PK,.，PM，则熵H为(1)熵值反映了图像的平均信息量，即图像中各个灰度级比特数的统计平均值。熵的单位是位/字符(bits per symbol)。第29页/共146页2023/3/25 (1)式的前提条件是像素的灰度级互不相关，即为无记忆信源熵值，称为0阶熵H0(.);其含义是将一个输入序列的每一个编码所要求的平均比特数的界限。对于有记忆信源，即后
24、续的输入不是独立的，则对每一个输入来讲，与输入序列相联系的熵小于单独输入之熵。此时，需要考虑联合概率密度函数或条件概率：(2a)(2b)第30页/共146页2023/3/25其其含含义义是是将将两两个个输输入入序序列列编编码码时时，即即连连续续输输入入两两个个量量化化级级而而输输出出一一个个码码字字，所需的比特数的下限。称为所需的比特数的下限。称为1 1阶熵阶熵H1(.)H1(.)。同理可推得高阶熵。同理可推得高阶熵。第31页/共146页2023/3/25结论：H0(.)H1(.)H2(.)信源熵是进行无失真编码的理论极限。低于此极限的无失真编码方法是不存在的。使用高阶熵可以获得更高的压缩比。
25、在实际应用中，我们不追求较高阶熵的原因：求高阶概率所需的计算量很大；在编码器中，实际上执行的是一种映射操作，通常将高度相关的输入像素变换成一个较少相关的系数集合。第32页/共146页2023/3/252)2)平均码字长度平均码字长度设为数字图像第k个码字的长度(二进制位数)，概率为，则图像的平均码字长度为第33页/共146页2023/3/253)编码效率与压缩比 (%)结论：，总存在某种无失真编码方法；，编码效率低；，必然丢失信息；，为最佳编码。第34页/共146页2023/3/254)4)变长最佳编码定理变长最佳编码定理哈夫曼编码的理论基础哈夫曼编码的理论基础 出出现现概概率率大大的的信信息
26、息符符号号赋赋予予短短码码字字，出出现现概概率率小小的的信信息息符符号号赋赋予予长长码码字字；按按出现概率的大小逆序排列，则编码结果平均码字长度一定小于任何其它排列方式。出现概率的大小逆序排列，则编码结果平均码字长度一定小于任何其它排列方式。第35页/共146页2023/3/255)5)可变长度最佳编码的平均码字长度可变长度最佳编码的平均码字长度R R香农编码的理论基础香农编码的理论基础设D为码元进制，N为被编码的信息符号总数，为第个符号出现的概率，则R落在下列区域内：式中 设为个符号的码字长度，则 第36页/共146页2023/3/25对于二进制码进一步简化成：上式说明：码字长度由信息符号出
27、现的概率来决定。第37页/共146页2023/3/256)6)续长代码和非续长代码续长代码和非续长代码 非非续续长长代代码码：在在代代码码中中任任何何一一个个码码字字都都不不是是另另一一个个码码字字的的续续长长，即即不不能在某一个码字后面添加一些码元构成另一个码字。能在某一个码字后面添加一些码元构成另一个码字。如如0,10,110,10,11为非续长代码；为非续长代码；0,01,110,01,11续长代码。续长代码。第38页/共146页2023/3/257)7)单义代码单义代码 任何有限长的码字序列，只能唯一地分割成一个个码字。任何有限长的码字序列，只能唯一地分割成一个个码字。说明：非续长代码
28、一定是单义代码，但单义代码不一定是非续长代码。说明：非续长代码一定是单义代码，但单义代码不一定是非续长代码。第39页/共146页2023/3/25哈夫曼编码哈夫曼编码 哈夫曼编码的平均码字长度比其它任何一种唯一可译码都小，即称紧凑码。哈夫曼编码的平均码字长度比其它任何一种唯一可译码都小，即称紧凑码。步骤：步骤：1)1)将输入灰度级按概率大小由大到小排序；将输入灰度级按概率大小由大到小排序；2)2)将最小的两个概率相加得到一个新的概率集合，重复第将最小的两个概率相加得到一个新的概率集合，重复第1 1步，直到只有步，直到只有两个概率集合为止。两个概率集合为止。3)3)反向分配码字。反向分配码字。第
29、40页/共146页2023/3/25Huffman编码编码输入S1S2S3S4S5S6输入概率0.40.30.10.10.060.04第41页/共146页2023/3/25Huffman编码编码输入S1S2S3S4S5S6输入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第42页/共146页2023/3/25Huffman编码编码输入S1S2S3S4S5S6输入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第43页/共146页2023/3/25Huffman编码编码输入S1S2S3S4S5S6输入
30、概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第44页/共146页2023/3/25Huffman编码编码输入S1S2S3S4S5S6输入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.4第45页/共146页2023/3/25Huffman编码编码输入S1S2S3S4S5S6输入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30
31、.3第四步0.60.40101010101第46页/共146页2023/3/25Huffman编码编码输入S1S2S3S4S5S6输入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101S1=1第47页/共146页2023/3/25Huffman编码编码输入S1S2S3S4S5S6输入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101S2=00第48页/共
32、146页2023/3/25Huffman编码编码输入S1S2S3S4S5S6输入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101S3=011第49页/共146页2023/3/25Huffman编码编码输入S1S2S3S4S5S6输入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101S4=0100第50页/共146页2023/3/25Huffman编码编
33、码输入S1S2S3S4S5S6输入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101S5=01010第51页/共146页2023/3/25Huffman编码编码输入S1S2S3S4S5S6输入概率0.40.30.10.10.060.04第一步0.40.30.10.10.1第二步0.40.30.20.1第三步0.40.30.3第四步0.60.40101010101S6=01011第52页/共146页2023/3/25Huffman编码讨论（1）Huffman编码是唯一可译码。
34、短的码不会成为更长码的启始部分；（2）Huffman编码的平均码长接近于熵；（3）缺点：需要多次排序，耗费时间。第53页/共146页2023/3/25香农编码香农编码步骤：1)按概率大小由大到小排序；2)按概率对应的码字长度的计算公式计算；3)计算累加概率：4)将累加概率转换成二进制数表示；5)去掉二进制表示的累加概率中多于的尾数，即得香农编码的码字。第54页/共146页2023/3/25算术编码算术编码 基本思想：用0,1的线段上的一个区间表示一个符号序列，其长度等于这个序列的概率。因为所有序列概率和为1，所以对应于所有可能序列的区间将填满整个线段。一个序列的编码比特实际上就变成对应的区间中
35、任何一点的二进制表示。第55页/共146页2023/3/25例如，对于最简单的二值符号序列，假设“a1”的发生概率为p，则“a2”的发生概率为q=1-p，如果按先a1后a2的顺序划分对应的子区间为：长度为2的符号序列对应的子区间为：第56页/共146页2023/3/25符号符号:00011011概率概率0.10.40.20.3初始间隔初始间隔0,0.1)0.1,0.5)0.5,0.7)0.7,1)消息序列消息序列10001100101101第57页/共146页2023/3/25依此类推，可见随着输入符号的增多，序列不断加长，其概率不断减少，和序列相联系的子区间的宽度逐渐变窄。特点：在算术编码中
36、，字母表中的符号和码字间不再存在一一对应关系，而是单个可变长的码字赋给由N个符号组成的信源符号序列，这里N也是可变的。第58页/共146页2023/3/25其它压缩编码方法其它压缩编码方法 第59页/共146页2023/3/251)1)行程编码行程编码RLE(Run Length Encoding)RLE(Run Length Encoding)图像中经常包含一些区域，尤其是那些包含很少几个灰度级的图像，它图像中经常包含一些区域，尤其是那些包含很少几个灰度级的图像，它们是由具有相同颜色或灰度的相邻像素组成的。在一个逐行存储的图像中，们是由具有相同颜色或灰度的相邻像素组成的。在一个逐行存储的图像
37、中，具有相同灰度值的一些像素的序列，称为一个行程。具有相同灰度值的一些像素的序列，称为一个行程。RLERLE编码方法得到的代码为：“8031508418080315084180”第60页/共146页2023/3/25 RLE RLE只用存一个代表那个灰度值的码，另一个是行程的长度，而不必将只用存一个代表那个灰度值的码，另一个是行程的长度，而不必将相同的灰度值存很多很多次。可以想像：对于单一颜色背景可以达到很高的相同的灰度值存很多很多次。可以想像：对于单一颜色背景可以达到很高的压缩比，但对其它类型的图像压缩比很低，最坏的情况，每一个像素都与它压缩比，但对其它类型的图像压缩比很低，最坏的情况，每一
38、个像素都与它周围的像素不同，文件长度加倍。周围的像素不同，文件长度加倍。第61页/共146页2023/3/252)2)跳过白块编码跳过白块编码(WBS)(WBS)对于二值图像，目标像素对于二值图像，目标像素(设目标像素为黑像素设目标像素为黑像素)占整幅图像总像素往占整幅图像总像素往往是很少一部分。因此，若能跳过白块，只对黑像素编码，比特数将减少。往是很少一部分。因此，若能跳过白块，只对黑像素编码，比特数将减少。第62页/共146页2023/3/25一维一维WBSWBS的方法：的方法：将每一扫描行等分成若干段，设每段有将每一扫描行等分成若干段，设每段有N N个像素。个像素。若某段若某段N N个像
39、素均为白色，则编码为个像素均为白色，则编码为“0 0”若某段若某段N N个像素不全为白色，则用个像素不全为白色，则用N+1N+1个个bitbit“1(1(段的自然编码段的自然编码)”来编码。来编码。人为增加一比特人为增加一比特“1 1”码元是为了构成非续长代码。码元是为了构成非续长代码。第63页/共146页2023/3/25二维二维WBSWBS：是一维是一维WBSWBS的推广，将图像划分成若干个的块。的推广，将图像划分成若干个的块。自适应自适应WBSWBS：根根据据图图像像的的局局部部结结构构或或统统计计特特性性，改改变变像像素素块块的的大大小小，以以获获得得更更少少的的编编码码比特数。比特数
40、。第64页/共146页2023/3/253 3）比特平面编码）比特平面编码思想思想：对于灰度或彩色图像，如果每个像：对于灰度或彩色图像，如果每个像素用素用k k位表示，将相同位上的位表示，将相同位上的0 0，1 1取出，取出，就可以形成就可以形成k k个个N*NN*N的二值图像。将每一个的二值图像。将每一个二值图像称为一个比特平面。二值图像称为一个比特平面。方法方法：对于比特平面采用前述的无失真二：对于比特平面采用前述的无失真二值图像压缩技术。值图像压缩技术。第65页/共146页2023/3/25LenaLena图像的比特平面图像的比特平面第66页/共146页2023/3/258.3 8.3
41、预测编码方法预测编码方法 上面介绍的方法主要属于统计编码方法。上面介绍的方法主要属于统计编码方法。统计编码是根据消息出现概率的分布特性统计编码是根据消息出现概率的分布特性而进行的压缩编码，是一种无损压缩编码。这而进行的压缩编码，是一种无损压缩编码。这种编码的种编码的关键关键在于：在于：在消息和码字之间找到明在消息和码字之间找到明确的一一对应关系确的一一对应关系，以便在恢复时能准确无误，以便在恢复时能准确无误地再现出来，或者至少是极相似地找到相当的地再现出来，或者至少是极相似地找到相当的对应关系，并把这种失真或不对应概率限制到对应关系，并把这种失真或不对应概率限制到可容忍的范围内。统计编码的可容
42、忍的范围内。统计编码的根本目的根本目的是使平是使平均码长或码率压到最低限度，也就是均码长或码率压到最低限度，也就是减少编码减少编码冗余冗余。第67页/共146页2023/3/25 在压缩编码中，通常是通过给出现在压缩编码中，通常是通过给出现概率最大的符号赋上最短的码字来减少编概率最大的符号赋上最短的码字来减少编码冗余，最常用的是变长码，变长编码的码冗余，最常用的是变长码，变长编码的信源符号与码字是一一对应的，因此再现信源符号与码字是一一对应的，因此再现也是也是准确无误准确无误的，它在编译码过程中并不的，它在编译码过程中并不损失任何信息，属于冗余压缩法。统计编损失任何信息，属于冗余压缩法。统计编
43、码中常用的编码有哈夫曼编码、算术编码、码中常用的编码有哈夫曼编码、算术编码、行程编码等。行程编码等。第68页/共146页2023/3/25 预测编码的预测编码的基本思想基本思想是通过提取每个像是通过提取每个像素中的信息并对它们编码来消除素中的信息并对它们编码来消除像素间的冗像素间的冗余余，它是根据离散信号之间存在一定关联性，它是根据离散信号之间存在一定关联性的特点，利用前面一个或者多个信号对下一的特点，利用前面一个或者多个信号对下一个信号进行预测，然后对实际值和预测的差个信号进行预测，然后对实际值和预测的差值（预测误差）进行编码。值（预测误差）进行编码。第69页/共146页2023/3/25
44、如果预测比较准确，那么误差信号就如果预测比较准确，那么误差信号就会很小。这样一来，在同等精度要求条件会很小。这样一来，在同等精度要求条件下，就可以用较少的比特进行编码，达到下，就可以用较少的比特进行编码，达到数据压缩的目的。预测编码也成为差分脉数据压缩的目的。预测编码也成为差分脉冲编码调制（冲编码调制（DPCMDPCM），既可以在），既可以在1 1帧图像内帧图像内进行帧内预测编码，也可以在多帧图像之进行帧内预测编码，也可以在多帧图像之间进行帧间预测编码。间进行帧间预测编码。预测编码的基本技预测编码的基本技术是信号的最佳预测和最佳量化术是信号的最佳预测和最佳量化。第70页/共146页2023/3
45、/251)1)DPCM(DPCM(差值脉冲编码调制差值脉冲编码调制)基本原基本原理理 预测编码是根据某一种模型，利用以前预测编码是根据某一种模型，利用以前的的(已收到已收到)一个或几个样值，对当前的一个或几个样值，对当前的(正在正在接收的接收的)样本值进行预测，对当前样本实际值样本值进行预测，对当前样本实际值和预测值之差和预测值之差(差值差值)进行编码。显然如果模型进行编码。显然如果模型足够好，图像样本时间上相关性很强，一定可足够好，图像样本时间上相关性很强，一定可以获得较高的压缩比。以获得较高的压缩比。第71页/共146页2023/3/25第72页/共146页2023/3/25基于相邻像素之
46、间的相关性强的特点，利用基于相邻像素之间的相关性强的特点，利用 时刻前已知像素的灰度时刻前已知像素的灰度 ，对，对 作预测得作预测得 。差值差值 ，将将 作为量化器的输入信号，则量化作为量化器的输入信号，则量化器的输出信号器的输出信号 。量化误差量化误差 。第73页/共146页2023/3/25设接收端输出为设接收端输出为 ，则收发两端像素值之差为则收发两端像素值之差为 上式说明：上式说明：DPCMDPCM系统的误差来源于量化系统的误差来源于量化器的误差。器的误差。设设 ，则为信息保持编码；，则为信息保持编码；设设 ，且在一定的允许范围内，则，且在一定的允许范围内，则为保真度编码；为保真度编码
47、；若若 在均方误差最小的准则下，则称在均方误差最小的准则下，则称为最佳线性预测。为最佳线性预测。第74页/共146页2023/3/252)2)DPCMDPCM预测方法预测方法 前值预测：通过来预测前值预测：通过来预测 一维预测：通过同一扫描行的前若干个已知一维预测：通过同一扫描行的前若干个已知像素来预测像素来预测 二维预测：通过同一扫描行和前几扫描行的二维预测：通过同一扫描行和前几扫描行的前若干个已知像素来预测前若干个已知像素来预测 三维预测：通过二维预测三维预测：通过二维预测+前几帧的帧间预测前几帧的帧间预测第75页/共146页2023/3/258.48.4 图像变换编码图像变换编码 图像信
48、号一般具有较强的相关性，如果所图像信号一般具有较强的相关性，如果所选用的正交矢量空间的基矢量与图像本身的主选用的正交矢量空间的基矢量与图像本身的主要特征很接近，那么在这种正交矢量空间中描要特征很接近，那么在这种正交矢量空间中描述这一图像信号将会更简单些。从本质上说，述这一图像信号将会更简单些。从本质上说，图像经过正交变换后之所以能够实现数据压缩，图像经过正交变换后之所以能够实现数据压缩，是因为经过多维坐标系适当的旋转变换后，把是因为经过多维坐标系适当的旋转变换后，把散布在各个原坐标轴上的原始图像数据集中到散布在各个原坐标轴上的原始图像数据集中到新坐标系中的少数坐标轴上了，从而为后继的新坐标系中
49、的少数坐标轴上了，从而为后继的量化和编码提供了高效数据压缩的可能性。量化和编码提供了高效数据压缩的可能性。第79页/共146页2023/3/25 以二维傅立叶变换来说，频谱幅值大的以二维傅立叶变换来说，频谱幅值大的变换系数均集中在低频部分，这几乎占去了变换系数均集中在低频部分，这几乎占去了图像信息的图像信息的9090，而高频部分均很小或趋于，而高频部分均很小或趋于零。因而，我们完全可以对低频的变换系数零。因而，我们完全可以对低频的变换系数采用量化、编码、传输，而高频部分既不编采用量化、编码、传输，而高频部分既不编码也不传输，达到图像数据压缩的目的。早码也不传输，达到图像数据压缩的目的。早期的图
50、像变换编码就是采用傅立叶变换进行期的图像变换编码就是采用傅立叶变换进行的，由于它有快速算法且容易在硬件中实现，的，由于它有快速算法且容易在硬件中实现，所以获得了一定范围的应用。所以获得了一定范围的应用。第80页/共146页2023/3/25 从数学角度看，可以提供许多正交变换的从数学角度看，可以提供许多正交变换的方法来应用于图像的压缩编码。除了傅立叶变方法来应用于图像的压缩编码。除了傅立叶变换、换、Walsh-HadmardWalsh-Hadmard变换以外，还有正弦变换、变换以外，还有正弦变换、余弦变换、斜变换、余弦变换、斜变换、K-LK-L变换等。不同的变换会变换等。不同的变换会有不同的压