《多媒体技术及应用第三章图像信息的获取与处理.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多媒体技术及应用第三章图像信息的获取与处理.ppt（92页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第三章 图像信息的获取与处理主要内容o理论篇o数字图像基础o色度学基础 o数字图像处理o图像压缩标准JPEGo实践篇o典型图像处理工具简介 o图像的获取o图像的基本处理 理论篇数字图像基础o图像（image），又被称为“位图”，是直接量化的原始信号形式。o是由像素点组成的。1.数字图像和图形 理论篇数字图像基础o图形（graphic），又称为矢量图，是由计算机运算而形成的抽象化结果。o是具有方向和长度的矢量线段组成。o其基本的组成单元是描点和路径。1.数字图像和图形 理论篇数字图像基础o图像的采样是指将图像转变成为像素集合的一种操作。o在采样过程中，采样孔径和采样方式决定了采样得到的图像信号。
2、o不同采样方式所获取的图像信号是不同的。2.图像的采样和量化 图像的采样理论篇数字图像基础理论篇数字图像基础o量化就是对采样后的连续灰度值进行数字化的过程，以还原真实的图像 o图像的量化分为两类：o等间隔量化即将采样值的灰度范围进行等间隔分于像素灰度值在黑-白范围内均匀分布的图像，其量化误差可变得最小化。o非等间隔量化即将小的灰度值的级别间隔细分，而将大的灰度值的级别间隔粗分的方法 2.图像的采样和量化 图像的量化图像文件的组成o识别信息o图像数据o压缩技术（可选项）3.图像的存储格式 理论篇数字图像基础识别信息o图像宽度o图像高度o图像分辨率o理论篇数字图像基础识别信息o主要包括文件识别和图
3、像识别两个部分o识别信息被设计成一定的数据结构，放置在文件的首部，作为文件头出现o其中文件识别信息通常包含图像文件的识别码以及版本号：如，PCX图像文件的识别码为0 x0A理论篇数字图像基础图像数据o流式存储o是否压缩o对非压缩图像数据：扫描、存储方式问题（如BMP格式，自下而上，自左而右）理论篇数字图像基础压缩技术o压缩技术并不是必须的o采用压缩技术的目的是为了节省图像的存储空间（如不压缩，一幅A4 幅面的真彩色图像就需要6M字节的存储空间）o压缩=编码o解压缩=解码o编码和解码均需要时间开支理论篇数字图像基础在图像文件中o识别信息和图像数据是必不可少的基本组成部分o压缩方式则是作为一个选项
4、出现，用户可以根据实际需要决定是否采用压缩方式以及采用何种压缩算法理论篇数字图像基础理论篇数字图像基础o图像文件一般格式3.图像的存储格式 文件头软件信息和图像参数文件尾用户信息（可选）文件体图像数据和彩色变换表理论篇数字图像基础o常用的静态图像文件格式（1）JPEG格式（2）BMP格式（3）GIF格式（4）PNG格式（5）TIFF格式（6）TGA格式（7）PSD格式 3.图像的存储格式 理论篇数字图像基础（1）图像的分辨率（Image Resolution）oo确立组成一幅图像的像素数目，用每英寸多少点（DPI）表示，指组成一幅图像像素密度的度量方法。oo对同样大小的一幅原图，如果数字化时图
5、像分辨率高，则组成该图的像素点数目越多，看起来就越逼真。图像分辨率在图像输入和输出时起作用，它决定图像的像素点阵数。4.图像的重要参数 理论篇数字图像基础（2）显示分辨率（Display Resolution）oo确定屏幕上显示图像区域的大小，即构成全屏显示的像素点个数，以每行拥有的像素点数屏幕显示行数来表示。oo显示分辨率有最大显示分辨率和当前显示分辨率之分：最大显示分辨率由物理参数，即显示器和显示卡（显示缓存）决定，当前显示分辨率由当前设置的参数决定。4.图像的重要参数 前景人像清晰前景人像清晰前景人像清晰前景人像清晰度低、层次粗糙度低、层次粗糙度低、层次粗糙度低、层次粗糙 背景景色清晰背
6、景景色清晰背景景色清晰背景景色清晰度高、层次细腻度高、层次细腻度高、层次细腻度高、层次细腻 该该该该图图图图像像像像是是是是在在在在一一一一幅幅幅幅背背背背景景景景图图图图上上上上叠叠叠叠上上上上人人人人群群群群像像像像和和和和文文文文字字字字，输输输输入入入入时时时时采采采采用用用用了了了了不不不不同同同同的的的的分辨率。可看出：不同的分辨率会造成不同的图像清晰度。分辨率。可看出：不同的分辨率会造成不同的图像清晰度。分辨率。可看出：不同的分辨率会造成不同的图像清晰度。分辨率。可看出：不同的分辨率会造成不同的图像清晰度。理论篇数字图像基础 若若若若图图图图像像像像像像像像素素素素点点点点数数数
7、数大大大大于于于于显显显显示示示示分分分分辨辨辨辨率率率率像像像像素素素素点点点点数数数数，则则则则该该该该图图图图像像像像在在在在显显显显示示示示器器器器上上上上只只只只能显示一部分。只有当二者相同时，一幅图像才能充满整屏。能显示一部分。只有当二者相同时，一幅图像才能充满整屏。能显示一部分。只有当二者相同时，一幅图像才能充满整屏。能显示一部分。只有当二者相同时，一幅图像才能充满整屏。A A若用若用若用若用 50DPI 50DPI扫相同的画扫相同的画扫相同的画扫相同的画面，则得到面，则得到面，则得到面，则得到6363 66 66 个像个像个像个像素的图像素的图像素的图像素的图像 B BB BC
8、 C 对对对对于于于于 14 14 英英英英寸寸寸寸的的的的显显显显示示示示器器器器，当当当当显显显显示示示示分分分分辨辨辨辨率率率率设设设设置置置置为为为为 800600 800600 时时时时，屏屏屏屏幕幕幕幕上上上上的的的的 1 1 英英英英寸寸寸寸约约约约有有有有 72 72 个个个个像像像像素素素素点点点点，这这这这时时时时若若若若用用用用 72DPI 72DPI 的的的的图图图图像像像像分分分分辨辨辨辨率率率率来来来来扫扫扫扫描描描描一一一一幅幅幅幅图图图图像像像像，则屏幕上显示的图像大小基本上就是原图的大小。则屏幕上显示的图像大小基本上就是原图的大小。则屏幕上显示的图像大小基本上
9、就是原图的大小。则屏幕上显示的图像大小基本上就是原图的大小。如如如如果果果果用用用用 200DPI 200DPI 扫扫扫扫描一幅彩色照片的局部描一幅彩色照片的局部描一幅彩色照片的局部描一幅彩色照片的局部,则则则则得得得得到到到到一一一一幅幅幅幅 253265 253265 个个个个像素的图像像素的图像像素的图像像素的图像 A A。如如如如果果果果要要要要使使使使图图图图像像像像 B B 在在在在屏屏屏屏幕幕幕幕上上上上达达达达到到到到图图图图像像像像 A A 的的的的大大大大小小小小，则则则则需需需需要要要要把把把把图图图图像像像像 B B 的的的的像素点阵放大。像素点阵放大。像素点阵放大。像
10、素点阵放大。比比比比如如如如一一一一点点点点变变变变成成成成颜颜颜颜色色色色相相相相同同同同的的的的四四四四点点点点，所所所所得得得得到到到到的的的的图图图图像像像像 C C 与与与与图图图图像像像像 A A 相相相相比比比比显然很粗糙。显然很粗糙。显然很粗糙。显然很粗糙。理论篇数字图像基础理论篇数字图像基础（3）图像深度（Image Depth）o描述图像每个像素数据所占的二进制位数o它决定了彩色图像中可出现的最多颜色数，或灰度图像中最大灰度等级数。4.图像的重要参数 理论篇数字图像基础图像深度与色彩的关系理论篇数字图像基础（4）颜色类型o图像颜色需要使用三维空间表示，而颜色空间表示法不惟一
11、，所以每个像素点的图像深度分配与图像所使用的颜色空间有关。o以RGB颜色空间为例，图像深度与颜色的映射关系主要包括真彩色、伪彩色和调配色4.图像的重要参数 真彩色是指图像中的每个像素值都分成 R、G、B 三个基色分量，每个基色分量直接决定其基色的强度，这样产生的颜色称为真彩色。真彩色可以反映原图的真实色彩。真彩色 图像深度为 24，用 R:G:B=8:8:8 来表示颜色，则 R、G、B 各占用 8 位来表示各自基色分量的强度，每个基色分量的强度等级为 28=256 种。图像可容纳 224=16 777 216=16M 种色彩。这样得到的颜色称为真彩色。例:伪彩色图像的每个像素值实际上是一个索引
12、值或代码值，该代码值作为颜色查找表(CLUT)中某一项入口地址，根据该地址可查找出包含实际 R、G、B 的强度值，这种用查找映射方法产生的色彩称为伪彩色。伪彩色 用此方式产生的颜色本身是真的，不过它不一定反映原图颜色。伪彩色一般用于 65K(216)色以下的显示方式中。标准调色板是在 256K 色谱中按色调均匀地选取 16 种或 256 种色彩。一般应用中，有的图像往往偏向于某一种或几种色调，此时若采用标准调色板则颜色失真较多。因此，同一幅图像采用不同调色板显示可能会出现不同的颜色效果。注:真彩色显示不需调色板，色彩无偏差调色板与原图匹配，色彩偏差小调色板与原图不匹配，色彩出现偏差 调配色的获
13、取是通过每个像素点的 R、G、B 分量，分别作为单独的索引值进行变换，经相应的颜色变换表找出各自的基色强度，使用变换后的 R、G、B 强度值产生的色彩。调配色 调调配配色色与与伪伪彩彩色色相相比比，相相同同之之处处是是都都采采用用查查找找表表，不不同同之之处处是是前前者者对对 R R、G G、B B 分分量量分分别别进进行行查查找找变变换换，后后者者是是把把整整个个像像素素当当作作查查找的索引进行查找变换。因此，调配色的效果一般比伪彩色好。找的索引进行查找变换。因此，调配色的效果一般比伪彩色好。调配色与真彩色相比，相同之处是都采用 R、G、B 分量来决定基色强度，不同之处是前者的基色强度由 R
14、、G、B 经变换后得到，而后者是直接用 R、G、B 决定。理论篇数字图像基础（5）显示深度（Display Depth）o表示显示缓存中记录屏幕上一个点的位数，即显示器可显示颜色数。o显示一幅图像时，屏幕呈现颜色效果与图像深度有关也与显示深度有关。4.图像的重要参数 屏幕上的颜色能够比较真实屏幕上的颜色能够比较真实屏幕上的颜色能够比较真实屏幕上的颜色能够比较真实地反映图像文件的颜色效果地反映图像文件的颜色效果地反映图像文件的颜色效果地反映图像文件的颜色效果显示深度大于图像深度显示深度大于图像深度 屏幕上的颜色不能够真实反屏幕上的颜色不能够真实反屏幕上的颜色不能够真实反屏幕上的颜色不能够真实反映
15、图像文件颜色效果，失真映图像文件颜色效果，失真映图像文件颜色效果，失真映图像文件颜色效果，失真显示深度小于图像深度显示深度小于图像深度 若用真彩色显示模式显示真彩色图像或显示调色板与图像调色板一致，则若用真彩色显示模式显示真彩色图像或显示调色板与图像调色板一致，则若用真彩色显示模式显示真彩色图像或显示调色板与图像调色板一致，则若用真彩色显示模式显示真彩色图像或显示调色板与图像调色板一致，则屏幕上的颜色能较真实地反映图像色彩效果。反之，显示颜色会出现失真屏幕上的颜色能较真实地反映图像色彩效果。反之，显示颜色会出现失真屏幕上的颜色能较真实地反映图像色彩效果。反之，显示颜色会出现失真屏幕上的颜色能较
16、真实地反映图像色彩效果。反之，显示颜色会出现失真 显示深度等于图像深度显示深度等于图像深度 理论篇数字图像基础理论篇数字图像基础（6）图像容量 o指图像文件的数据量，其计量单位是字节（Byte）。o影响因素：色彩的数量、画面的大小、图像的格式等 o计算公式：图像数据量大小=垂直像素总数水平像素总数色彩深度8 4.图像的重要参数 图像的分辨率理论篇数字图像基础（1）矢量图和位图o矢量图是用一系列计算机指令来表示一幅图，如画点、画线、画曲线、画圆、画矩形等。这种方法实际上是用数学方法来描述一幅图。o 矢量图的优点是：（1）缩放、旋转、移动时图像不会失真。（2）存储和传输时数据量较小。o矢量图的缺点
17、是：（1）图像显示时花费时间比较长。（2）真实世界的彩色图像难以转化为矢量图。5.图像种类 理论篇数字图像基础（1）矢量图和位图o点位图是将一副图像在空间上离散化，即将图像分成许许多多的像素，每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色或灰度值。o点位图的优点是：（1）显示速度快。（2）真实世界的图像可以通过扫描仪、数码相机、摄像机等设备方便的转化为点位图。o点位图的缺点是：（1）存储和传输时数据量比较大。（2）缩放、旋转时算法复杂且容易失真。5.图像种类 图像的分类矢量图点位图理论篇数字图像基础理论篇数字图像基础o（2）灰度图和彩色图o灰度图按照灰度等级的数目来划分。o只有黑白两中颜色的图像称
18、为单色图像5.图像种类 标准单色图 标准灰度图理论篇数字图像基础o（2）灰度图和彩色图o彩色图可按照颜色的数目来划分。o例如256色图像和真彩色(22416 777 216种颜色)等。5.图像种类 彩色图256色标准图像 24位标准图像理论篇数字图像基础256色标准图像转换成的灰度图 24位标准图像转换成的灰度图理论篇数字图像基础1.颜色的来源物体由于内部物质的不同，受光线照射后，产生光的分解现象。一部分光线被吸收，其余的被反射或投射出来，成为我们所见的物体的色彩 色彩和光有密切关系，同时还与被光照射的物体有关，并与观察者有关色彩是通过光被我们所感知的，而光实际上是一种按波长辐射的电磁能。理论
19、篇色度学基础理论篇色度学基础1.颜色的来源 可见波谱可见波谱可见波谱可见波谱电磁波谱理论篇色度学基础o亮度明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。2.色彩三要素 同一物体因受光不同而产生亮度上的变化同一物体因受光不同而产生亮度上的变化同一物体因受光不同而产生亮度上的变化同一物体因受光不同而产生亮度上的变化 理论篇色度学基础色调o是颜色最基本的特征。o是指颜色之间主要的区别，比如绿、红、蓝、黄、青就属于不同的色调。o色调是由光的光谱成分决定，不同波长的色光给人不同的色彩感觉。o人眼能辨别的色调有180多种。2.色彩三要素 理论篇色度学基础o饱和度饱和
20、度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变成低饱和度的色光。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光的纯色光。2.色彩三要素 对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，相反则越淡相反则越淡相反则越淡相反则越淡 同一色调越亮或越暗，饱和度越不纯同一色调越亮或越暗，饱和度越不纯同一色调越亮或越暗，饱和度越不纯同一色调越亮或越暗，饱和度越不纯 理论篇色度学基础2.色彩三要素 理论篇
21、色度学基础o只要选取三种不同颜色的单色光按一定比例混合就可以得到自然界中绝大多数彩色，具有这种特性的三个单色光叫基色光，对应的三种颜色称三基色。3.三基色原理 3.三基色原理（1）三基色必须是相互独立的。（2）自然界中的大多数颜色，都可以用三基色按一定比例混合得到。（3）三个基色的混合比例，决定了混合色的色调和饱和度。（4）混合色的亮度等于构成该混合色的各个基色的亮度之和。o三基色原理是彩色图像的摄取、传输和重现的重要理论依据。理论篇色度学基础说明：（1）原则上三基色的选择不是唯一的。o选择红、绿、蓝作为三基色，主要原因是人眼对这三种颜色的光较敏感；自然界中所能观察到的各种彩色几乎都能由它们相
22、混配出。（2）彩色光可用不同比例混合的三基色光束等效表示，与用亮度、色度描述彩色光是同一事物的两种不同表示形式。理论篇色度学基础理论篇色度学基础o把三基色按照不同的比例混合获得彩色的方法称为混色法。o混色法有相加混色和相减混色之分。4.相加与相减混色 理论篇色度学基础（1）相加混色红光+绿光黄光 红光+蓝光紫（品）光绿光+蓝光青光 红光+绿光+蓝光白光上式中各关系式均是按各基色光等量相加的结果；若改变它们之间的混合比例，经相加混色便可获得各种颜色的彩色光。4.相加与相减混色 相加混色圆图相加混色圆图白理论篇色度学基础空间混色法o利用人眼空间细节分辨力差的特点。o将三原色光分别投射到同一表面上相
23、邻的三个点上，只要这些点相距足够小且充分近，则人眼在离开一定距离处观看，由于人眼的分辨率有一定限度，将产生3种原色光相混合的彩色感觉。这就是视频色彩的空间混色法。理论篇色度学基础时间混色法o利用人眼的视觉惰性。o将三原色光按一定顺序轮流投射到同一表面上，只要轮换速度足够快，由于视觉残留，人眼产生的彩色感觉与用三原色光直接混合时相同。这就是视频色彩的时间混色法。理论篇色度学基础生理混色法o人的两眼同时分别观看不同颜色的同一彩色景象时，使之同时获得两种彩色影像，这两种彩色影像在人的大脑中将产生相加混色的效果。理论篇色度学基础理论篇色度学基础（2）相减混色4.相加与相减混色 白色-红色=青色白色-绿
24、色=品红白色-蓝色=黄色以上的都是相减混色,相减混色就是以吸收三基色比例不同而形成不同的颜色的。所以有把青色、品红、黄色称为颜料三基色。理论篇色度学基础oRGB颜色空间5.颜色空间 定义：采用定义：采用 R、G、B 相加混色原理，通过发射出三种不同的强度电子相加混色原理，通过发射出三种不同的强度电子 束，束，使屏幕内侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发光产生色彩。使屏幕内侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发光产生色彩。这这 种颜色表示法称种颜色表示法称 RGB 颜色空间表示。颜色空间表示。原理：根据三基色原理，用基色光单位来表示光的量，则在原理：根据三基色原理，用基色光单位来表示光的量，则在 RGB 颜色颜色
25、 空间，任意颜色光空间，任意颜色光 C 都可用都可用 R、G、B 三色不同分量相加混合而三色不同分量相加混合而 成：成：Cr R+g G+b B RGB颜色模型 R:200 G:50B:120黄(255,255,0)黑(0,0,0)绿(0,255,0)青(0,255,255)蓝(0,0,255)品红(255,0,255)白(255,255,255)红(255,0,0)理论篇色度学基础RGB颜色模型RGBRGB色彩空间采用物理三基色表示，因而色彩空间采用物理三基色表示，因而物理意义很清楚，适合彩色显象管工作。物理意义很清楚，适合彩色显象管工作。然而这一体制并不适应人的视觉特点。然而这一体制并不适
26、应人的视觉特点。因而，产生了其它不同的色彩空间表示法。因而，产生了其它不同的色彩空间表示法。理论篇色度学基础理论篇色度学基础oXYZ颜色空间CIE国际照明委员会于1931年定义了理想中的三基色及其匹配函数，这三基色称作CIE基色，由其表示的颜色模型称作XYZ模型。o如果用X、Y、Z表示这一色彩空间的基向量，则任意一种颜色C可以表示为：C=aX+bY+cZ5.颜色空间理论篇色度学基础oXYZ颜色空间5.颜色空间 换算：换算：换算：换算：x x=0.490R+0.310G+0.200B =0.490R+0.310G+0.200B y y=0.177R+0.812G+0.011B =0.177R+0
27、.812G+0.011B z z=0.000R+0.010G+0.990B=0.000R+0.010G+0.990B理论篇色度学基础oHSB颜色空间HSB色彩空间是从人的视觉系统出发，用色调、色饱和度和亮度来描述色彩。5.颜色空间HSBHSB颜色模型颜色模型理论篇色度学基础HSBHSB颜色模型颜色模型理论篇色度学基础HSBHSB颜色模型颜色模型HSBHSB色彩空间和色彩空间和RGBRGB色彩空间只是同一物理色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存在着转量的不同表示法，因而它们之间存在着转换关系，如公式所示：换关系，如公式所示：其中其中 理论篇色度学基础HSBHSB颜色模型颜色模型人的
28、视觉系统经常采用人的视觉系统经常采用HSBHSB色彩空间，它比色彩空间，它比RGBRGB色彩空间更符合人的视觉特性。色彩空间更符合人的视觉特性。在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在HSBHSB色彩空间中方便地使用，它们可以分开处理色彩空间中方便地使用，它们可以分开处理而且是相互独立的。因此，在而且是相互独立的。因此，在HSBHSB色彩空间可以色彩空间可以大大简化图像分析和处理的工作量。大大简化图像分析和处理的工作量。理论篇色度学基础理论篇色度学基础oYUV颜色空间彩色电视信号传输时，将R,G,B改成亮度信号和色度信号。PAL制式将RGB三色信号改组成Y、
29、U、V信号，其中Y信号表示亮度，U、V信号是色差信号5.颜色空间YUVYUV模型模型 YUV色彩空间与RGB色彩空间的转换关系如下：如果要由YUV空间转化成RGB空间，只要进行相反的逆运算即可。理论篇色度学基础理论篇色度学基础oLAB颜色空间o图像颜色由亮度或光亮度分量L和a，b两个色度分量组成；oLab颜色与设备无关，无论使用何种设备（如显示器、打印机、计算机或扫描仪）创建或输出图像，这种模型都能生成一致的颜色;5.颜色空间LabLab模型模型理论篇色度学基础理论篇色度学基础oCMY颜色空间o在理论上说，任何一种颜色都可以用青色（Cyan）、品红（Magenta）和黄色（Yellow）三种基
30、本颜料按一定比例混合得到，通常写成CMY，称为CMY模型5.颜色空间CMYKCMYK颜色模型颜色模型 彩色打印机、印刷彩色图片实际应用中，一幅图像在计算机中用RGB 模型显示；用RGB或HSB模型编辑处理；打印输出时要转换成CMYK模型；理论篇色度学基础理论篇数字图像处理o图像处理运算类型o图像预处理o图像特征提取o图像识别o对比度展宽o噪声平滑o噪声锐化数字图像处理理论篇图像压缩标准o空间冗余o时间冗余o结构冗余o知识冗余o视觉冗余o图像区域的相同性冗余o纹理的统计冗余1.图像数据冗余空间冗余空间冗余空间冗余空间冗余 静静态态图图像像存存在在的的最最主主要要的的一一种种数数据据冗冗余余。一一
31、幅幅图图像像记记录录了了画画面面上上可可见见景景物物的的颜颜色色。同同一一景景物物表表面面上上各各采采样样点点的的颜颜色色之之间间往往往往存存在在着着空空间间连连贯贯性性，但但基基于于离离散散像像素素采采样样来来表表示示物物体体颜颜色色的的方方式式通通常常没没有有利利用用景景物物表表面面颜颜色色的的这这种种空空间间连连贯性，从而产生了空间冗余。贯性，从而产生了空间冗余。这这是是序序列列图图像像（电电视视图图像像和和运运动动图图像像）中中经经常常包包含含的的一一种种冗冗余余。在在一一个个图图像像序序列列的的两两幅幅相相邻邻图图像像中中，后后一一幅幅图图像像与与前前一一幅幅图图像像间间有有着着较大
32、的相关，这反映为时间冗余。较大的相关，这反映为时间冗余。3.4 3.4 图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余空间冗余空间冗余空间冗余空间冗余时间冗余时间冗余时间冗余时间冗余结构冗余结构冗余结构冗余结构冗余 在在有有些些图图像像的的纹纹理理区区，图图像像的的像像素素值值存存在在着着明明显显的的分分布布模模式式。例例如如，方方格格状状地地板板图图案案等等。称称此此为为结结构构冗冗余余。已已知知分分布布模模式式，可可以通过某一过程生成图像。以通过某一过程生成图像。3.4 3.4 图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余空间冗余空间冗余空间冗余空间冗余时间冗余时间冗余时间冗余时间冗
33、余知识冗余知识冗余知识冗余知识冗余 对对有有些些图图像像的的理理解解与与某某些些基基础础知知识识有有较较大大的的相相关关性性。例例如如，人人脸脸图图像像有有固固定定的的结结构构：嘴嘴上上方方有有鼻鼻子子，鼻鼻子子上上方方有有眼眼睛睛，鼻鼻子子位位于于正正脸脸图图像像中中线线上上等等。这这类类规规律律性性的的结结构构可可由由先先验验知知识识和和背背景景知知识识中中得得到到，此此类冗余即为知识冗余。类冗余即为知识冗余。结构冗余结构冗余结构冗余结构冗余3.4 3.4 图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余空间冗余空间冗余空间冗余空间冗余时间冗余时间冗余时间冗余时间冗余知识冗余知识冗余知识冗
34、余知识冗余结构冗余结构冗余结构冗余结构冗余3.4 3.4 图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余空间冗余空间冗余空间冗余空间冗余时间冗余时间冗余时间冗余时间冗余视觉冗余视觉冗余视觉冗余视觉冗余 人人人人类类类类视视视视觉觉觉觉系系系系统统统统对对对对图图图图像像像像场场场场的的的的敏敏敏敏感感感感区区区区是是是是非非非非均均均均匀匀匀匀和和和和非非非非线线线线性性性性的的的的。但但但但是是是是在在在在记记记记录录录录原原原原始始始始图图图图像像像像数数数数据据据据时时时时，通通通通常常常常假假假假定定定定视视视视觉觉觉觉系系系系统统统统是是是是线线线线性性性性的的的的和和和和均均均均
35、匀匀匀匀的的的的，对对对对视视视视觉觉觉觉敏敏敏敏感感感感和和和和不不不不敏敏敏敏感感感感的的的的部部部部分分分分同同同同等等等等对对对对待待待待，从从从从而而而而产产产产生生生生了了了了比比比比理理理理想想想想编编编编码码码码（即即即即把把把把视视视视觉觉觉觉敏敏敏敏感感感感和和和和不不不不敏敏敏敏感感感感部部部部分分分分区区区区分分分分开开开开来来来来编编编编码码码码）更更更更多多多多的的的的数数数数据据据据，这就是视觉冗余。这就是视觉冗余。这就是视觉冗余。这就是视觉冗余。视视觉觉系系统统对对图图像像的的亮亮度度和和色色彩彩度度的敏感性相差很大。的敏感性相差很大。随随着着亮亮度度的的增增加
36、加，人人眼眼视视觉觉系系统对量化误差的敏感度降低。统对量化误差的敏感度降低。人人眼眼视视觉觉系系统统把把图图像像的的边边缘缘和和非边缘区域非边缘区域 分开来处理。分开来处理。人人眼眼视视觉觉系系统统把把视视网网膜膜上上图图像像分分解解成成若若干干个个空空间间有有向向频频率率通通道道后后再进一步处理。再进一步处理。图像区域相同性冗余图像区域相同性冗余图像区域相同性冗余图像区域相同性冗余 在在图图像像中中的的两两个个或或多多个个区区域域所所对对应应的的所所有有像像素素值值相相同同或或相相近近，从从而而产产生生的的数数据据重重复复性性存存储储，这这就就是是图图像像区区域的相似性冗余。域的相似性冗余。
37、知识冗余知识冗余知识冗余知识冗余结构冗余结构冗余结构冗余结构冗余3.4 3.4 图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余空间冗余空间冗余空间冗余空间冗余时间冗余时间冗余时间冗余时间冗余视觉冗余视觉冗余视觉冗余视觉冗余纹理统计冗余纹理统计冗余纹理统计冗余纹理统计冗余 有有些些图图像像的的纹纹理理尽尽管管不不严严格格服服从从某某一一分分布布规规律律，但但在在统统计计的的意意义义上上服服从从该该规规律律。利利用用这这种种性性质质也也可可减减少少表表示示图图像像数数据量，称为纹理的统计冗余。据量，称为纹理的统计冗余。图像区域相同性冗余图像区域相同性冗余图像区域相同性冗余图像区域相同性冗余知识冗
38、余知识冗余知识冗余知识冗余结构冗余结构冗余结构冗余结构冗余3.4 3.4 图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余空间冗余空间冗余空间冗余空间冗余时间冗余时间冗余时间冗余时间冗余视觉冗余视觉冗余视觉冗余视觉冗余 多多媒媒体体数数据据压压缩缩技技术术就就是是研研究究如如何何利利用用多多媒媒体体数数据据的的冗冗余余性性来来减减少少多多媒媒体体数数据据量量的的方方法法。因因此此进进行行多多媒媒体体数数据据压压缩缩研研究究的的起起点点是是研研究究多多媒媒体体数数据据的的冗冗余性。余性。纹理统计冗余纹理统计冗余纹理统计冗余纹理统计冗余图像区域相同性冗余图像区域相同性冗余图像区域相同性冗余图像区域
39、相同性冗余知识冗余知识冗余知识冗余知识冗余结构冗余结构冗余结构冗余结构冗余3.4 3.4 图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余图像数据冗余空间冗余空间冗余空间冗余空间冗余时间冗余时间冗余时间冗余时间冗余视觉冗余视觉冗余视觉冗余视觉冗余理论篇图像压缩标准JPEGJPEG是什麽？是什麽？JPEG是联合图片专家组(Joint Photographic Experts Group）的缩写。该组织负责开发静态图像压缩标准，后来这个组织开发的算法称为JPEG算法。该算法成为一个通用的国际标准，称为JPEG标准静态图像压缩标准。2.静态图像压缩标准JPEGJPEGJPEG压缩编码压缩编码 1.将输入的样本分
40、为8X8的像素块，利用 FDCT（forward discrete cosine transform前向离散余弦变换）变换去掉数据冗余。理论篇图像压缩标准JPEGJPEG压缩编码压缩编码 离散余弦变换公式：正变换：逆变换：其中：C(u),C(v)=1/,当 u,v=0；C(u),C(v)=1,其他。理论篇图像压缩标准JPEGJPEG压缩编码压缩编码 JPEG JPEG算法举例：算法举例：1.原8X8像素块 2.变换后得到变换系数理论篇图像压缩标准JPEGJPEG压缩编码压缩编码 离散余弦变换的物理过程：DCT是一种正交变换，它将信号从时间域变换到频率域。经变换后可以得到：a.在频率域中，大部分
41、能量集中在少数几个低频系数上。b.代表不同空间频率分量的系数的相关性大为减弱。所以，仅利用几个能量较大的低频系数就可以将原图像很好恢复。其余的系数可以给予较大的失真，甚至为0，这是DCT能够进行图像压缩的本质所在。理论篇图像压缩标准JPEGJPEG压缩编码压缩编码 2.对变换系数进行量化：使用亮度量化表或色度量化表 理论篇图像压缩标准JPEGJPEG压缩编码压缩编码 量化公式：量化公式：FQ FQ（u,vu,v）=Integer =Integer 取整取整 RoundF(u,v)/Q(u,v)RoundF(u,v)/Q(u,v)四舍五入四舍五入 理论篇图像压缩标准JPEGJPEG压缩编码压缩编
42、码JPEGJPEG算法举例：算法举例：变换后系数 量化(色度量化表）理论篇图像压缩标准JPEGJPEG压缩编码压缩编码量化后的系数量化后的系数:理论篇图像压缩标准JPEGJPEG压缩编码压缩编码 量化的目的：减小非“0”系数的幅度以及增加“0”值系数的数目。量化后，左上角的哪个元素称为直流分量DC（能量最大）。其余的63个元素称为交流分量AC。理论篇图像压缩标准JPEGJPEG压缩编码压缩编码 3.直流分量的元素进行差分编码：DCi-DCi-1=差 (本8X8像素块的直流分量减去前8X8像素块的直流分量的差）由于相邻8X8像素块的DC变化不大，所以它的差很小。对它的差值进行编码。理论篇图像压缩
43、标准JPEGJPEG压缩编码压缩编码 4.交流分量的元素进行行程编码：按“Z”扫描的方式进行行程编码。理论篇图像压缩标准JPEGJPEG压缩编码压缩编码 5.熵编码：熵编码的中间格式：对DC：第一字节符号1（尺寸）第二字节符号2（幅值）对AC：第一字节符号1（行程，尺寸）第二字节符号2（幅值）进行可变长的熵编码理论篇图像压缩标准JPEGJPEG压缩编码压缩编码 6.6.形成数据流形成数据流,打包生成打包生成JPEGJPEG文件。文件。将将各各种种标标记记代代码码和和编编码码后后的的图图像像数数据据组组成成一一帧帧一一帧帧的的JPEGJPEG数数据据流流进进行行打打包包存存储或传输。储或传输。理论篇图像压缩标准