第7章 图像编码(第1讲).ppt

数字图像处理学数字图像处理学第第5章章 图像编码图像编码（第一讲）（第一讲）数据压缩数据压缩主要研究数据的表示、传输、变换和主要研究数据的表示、传输、变换和编码方法，目的是减少存储数据所需的空间和传输编码方法，目的是减少存储数据所需的空间和传输所用的时间。所用的时间。图像编码与压缩图像编码与压缩就是对图像数据按一定的规则就是对图像数据按一定的规则进行变换和组合，达到用尽可能少的代码（符号）进行变换和组合，达到用尽可能少的代码（符号）来表示尽可能多的信息。来表示尽可能多的信息。图像数据压缩与编码图像数据压缩与编码数据量大，故而需要巨大的存储空间。数据量大，故而需要巨大的存储空间。如一幅如一幅128128 256256像素，像素，8bit/8bit/像素的黑白图像占用像素的黑白图像占用256KB256KB的磁盘空间。的磁盘空间。每分量每分量8bit/8bit/像素的彩色静止图像所占空间像素的彩色静止图像所占空间3 3 256KB 256KB=768KB=768KB。如果以每秒如果以每秒2424帧的速率传送此彩色图像，则一秒钟的数帧的速率传送此彩色图像，则一秒钟的数据流就是据流就是24 24 768KB=18.5MB768KB=18.5MB。如果不进行编码压缩处理，如果不进行编码压缩处理，一张一张600MB600MB的光盘，只能存放的光盘，只能存放3030秒左右的秒左右的128 256像素的原像素的原始图像。始图像。图像数据的特点之一图像数据的特点之一7.1 7.1 信源编码信源编码 图像编码属于信源编码范畴。其特点是利用图图像编码属于信源编码范畴。其特点是利用图像信号的统计特性以及人眼睛的生理和心理特像信号的统计特性以及人眼睛的生理和心理特性对图像进行高效编码。性对图像进行高效编码。在信息论中将数字通信过程概括为图在信息论中将数字通信过程概括为图7171的形的形式。式。数字图像编码数字图像编码信源信源编码信道编码调制传输信道噪声解调信道解码信源解码信宿图图71 71 数字通信系统模型数字通信系统模型 信源编码的主要任务是解决有效性问题，信源编码的主要任务是解决有效性问题，也就也就是对信源实现压缩处理，使处理后的信号更适是对信源实现压缩处理，使处理后的信号更适宜数字通信系统。解决有效性问题就是在编码宜数字通信系统。解决有效性问题就是在编码过程中尽量提高编码效率，也就是力求用最少过程中尽量提高编码效率，也就是力求用最少的数码传递最大的信息量。的数码传递最大的信息量。信道编码的任务是解决可靠性问题信道编码的任务是解决可靠性问题。也就是尽。也就是尽量使处理过的信号在传输过程中不出错或少出量使处理过的信号在传输过程中不出错或少出错，既使出了错也要有能力尽量纠正错误。错，既使出了错也要有能力尽量纠正错误。因此，在信道编码中往往引进用作误差控制的因此，在信道编码中往往引进用作误差控制的数码，以实现自动检错和纠错。数码，以实现自动检错和纠错。信源编码的目的是提高编码效率。信源编码的目的是提高编码效率。是否能提高编码效率？是否能提高编码效率？回答是肯定的。回答是肯定的。从信息论的角度看，各种信源都存在大量的从信息论的角度看，各种信源都存在大量的冗余成分。如果去掉这些冗余成分，就能提高冗余成分。如果去掉这些冗余成分，就能提高编码效率。所以，编码效率。所以，所谓第一代编码就是围绕着所谓第一代编码就是围绕着去除冗余度这一中心思想实现数据压缩的。去除冗余度这一中心思想实现数据压缩的。冗余度在哪里？冗余度在哪里？冗余度主要存在于两个方面：冗余度主要存在于两个方面：1 1）、存在于信源的相关性之中；）、存在于信源的相关性之中；2 2）、存在于信源各元素出现概率不均等之中。）、存在于信源各元素出现概率不均等之中。去掉了冗余成分的信源固然精练了，但是抗干去掉了冗余成分的信源固然精练了，但是抗干扰性能也变差了。扰性能也变差了。因此，在传输过程中，还要加入一些冗余成分因此，在传输过程中，还要加入一些冗余成分以增加抗干扰能力。这就是信道编码的任务了。以增加抗干扰能力。这就是信道编码的任务了。从信息论观点看，描述图像信源的数据由从信息论观点看，描述图像信源的数据由有有用数据用数据和和冗余数据冗余数据两部分组成。两部分组成。冗余数据主要有：冗余数据主要有：空间冗余、时间冗余、结空间冗余、时间冗余、结构冗余、信息熵冗余（编码冗余）、知识冗余、构冗余、信息熵冗余（编码冗余）、知识冗余、心理视觉冗余心理视觉冗余6 6种。种。图像数据的冗余图像数据的冗余 1.空间冗余空间冗余2.时间冗余时间冗余3.结构冗余结构冗余4.编码冗余编码冗余5.知识冗余知识冗余6.视觉冗余视觉冗余图像数据的冗余图像数据的冗余 同一景物表面上各采样点之间的颜色（亮度）之同一景物表面上各采样点之间的颜色（亮度）之间往往存在着间往往存在着空间相关性空间相关性。基于离散像素的表示方式通常没有利用景物表面基于离散像素的表示方式通常没有利用景物表面颜色（亮度）的这种空间相关性，从而产生了颜色（亮度）的这种空间相关性，从而产生了空空间冗余。间冗余。空间冗余空间冗余大部分区域所大部分区域所有像素值相同有像素值相同主要指视频相邻帧之间有较大的相关性，产生主要指视频相邻帧之间有较大的相关性，产生时间冗余。时间冗余。时间冗余时间冗余有些图像的纹理区，图象像素值之间存在着明显有些图像的纹理区，图象像素值之间存在着明显的分布模式，例如墙纸图案，称之为结构冗余。的分布模式，例如墙纸图案，称之为结构冗余。结构冗余结构冗余某些图像的理解与某些知识有相当大的相关某些图像的理解与某些知识有相当大的相关性。这些知识使得需要传输的信息量减少。性。这些知识使得需要传输的信息量减少。知识冗余知识冗余人的视觉系统对图像场的敏感性是非均匀和非线性的，人的视觉系统对图像场的敏感性是非均匀和非线性的，然而在记录原始图像数据时，通常假定视觉系统是线然而在记录原始图像数据时，通常假定视觉系统是线性的和均匀的，对视觉敏感和不敏感部分同等对待，性的和均匀的，对视觉敏感和不敏感部分同等对待，从而产生视觉冗余。如对亮度和色彩的敏感度不同。从而产生视觉冗余。如对亮度和色彩的敏感度不同。视觉冗余视觉冗余图像编码大致可分三类：图像编码大致可分三类：1 1）、）、匹配编码；匹配编码；2 2）、变换编码；）、变换编码；3 3）、识别编码：）、识别编码：图像编码的分类图像编码的分类（1 1）、匹配编码）、匹配编码 这种编码方法是这种编码方法是使代码长度与图像信源的概使代码长度与图像信源的概率分布相匹配。率分布相匹配。如：出现概率大的编短码，概如：出现概率大的编短码，概率小的编长码，总的码率就会下降。率小的编长码，总的码率就会下降。这种编码的长短不一，使得传输、译码、存这种编码的长短不一，使得传输、译码、存储均不方便，另一个缺点是编码的先决条件是储均不方便，另一个缺点是编码的先决条件是要知道图像信源的概率分布。要知道图像信源的概率分布。解决办法：解决办法：1 1）、寻找一个大体上能代表图像信源的数）、寻找一个大体上能代表图像信源的数学模型，如正态分布，指数分布等；学模型，如正态分布，指数分布等；2 2）、实际统计图像信源的概率分布，这种）、实际统计图像信源的概率分布，这种方法更切合实际，但是，往往找不到合适的数方法更切合实际，但是，往往找不到合适的数学模型，给分析带来不便。学模型，给分析带来不便。（2 2）、变换编码）、变换编码 首先把图像信源从一个空间变换到另外一个首先把图像信源从一个空间变换到另外一个空间，然后对变换系数进行编码。变换方式大空间，然后对变换系数进行编码。变换方式大体上可分为两类体上可分为两类;预测变换预测变换 函数变换函数变换（3)3)、识别编码、识别编码 这种方法的关键是识别。基本原理是用另这种方法的关键是识别。基本原理是用另外一套符号代替原来的信源中的消息，如：电外一套符号代替原来的信源中的消息，如：电报、速记等均可认为是识别编码的例子。报、速记等均可认为是识别编码的例子。从压缩的角度也可以分为从压缩的角度也可以分为;1)1)、有失真编码：是不可逆的编码法，也、有失真编码：是不可逆的编码法，也称熵压缩法。压缩中有信息损失，但在视觉角称熵压缩法。压缩中有信息损失，但在视觉角度看失去的信息是无关紧要的信息。度看失去的信息是无关紧要的信息。2 2）、无失真编码：是可逆的编码方法。）、无失真编码：是可逆的编码方法。没有信息损失，去除编码冗余（熵冗余），也没有信息损失，去除编码冗余（熵冗余），也称熵编码法。称熵编码法。另外，如果从目前已有的实用方案的角度来分另外，如果从目前已有的实用方案的角度来分类，可以分为三大类，即类，可以分为三大类，即统计编码，变换编码统计编码，变换编码及预测编码。及预测编码。而这些方法既适用于静止图像编而这些方法既适用于静止图像编码，也适用于电视信号编码。就具体编码方法码，也适用于电视信号编码。就具体编码方法而言可简略地概括在表而言可简略地概括在表7171中。中。表71 图 象 高 效 编 码 法 PCM 预测法 正交变换法 统计编码 其他方法 常规编码法亚奈氏取样编码法标准法自适应法标准法自适应法标准法自适应法行程编码轮廓编码 上述各种具体方案并不是孤立的、单一的使上述各种具体方案并不是孤立的、单一的使用，往往是各种方法重迭、交叉使用，以达用，往往是各种方法重迭、交叉使用，以达到更高的编码效率。到更高的编码效率。7.2 图像编码中的保真度准则图像编码中的保真度准则图像信号在编码和传输过程中图像信号在编码和传输过程中会产生误差会产生误差，尤，尤其是在熵压缩编码中，产生的误差应在允许的其是在熵压缩编码中，产生的误差应在允许的范围之内。范围之内。在这种情况下，在这种情况下，保真度准则保真度准则可以用来衡量编码可以用来衡量编码方法或系统质量的优劣。方法或系统质量的优劣。7.27.2.1.1 客观保真度准则客观保真度准则7.27.2.2.2 主观保真度准则主观保真度准则 7.2 图像编码中的保真度准则图像编码中的保真度准则 7.2.1 客观保真度准则客观保真度准则 通常使用的客观保真度准则有：通常使用的客观保真度准则有：输入图像和输出图像的均方根误差；输入图像和输出图像的均方根误差；输入图像和输出图像的均方根信噪比；输入图像和输出图像的均方根信噪比；7.2.1 客观保真度准则客观保真度准则 输入图像和输出图像的均方根误差输入图像和输出图像的均方根误差。设输入图像是由设输入图像是由NN个像素组成，令其为个像素组成，令其为 f(x,y)，其中其中 x x，y=0,1,2,3N-1 y=0,1,2,3N-1。这样一幅图像经过压缩编码处理后，输出图像为这样一幅图像经过压缩编码处理后，输出图像为 g(x,y)。它同样包含它同样包含 N N 个像素，并且个像素，并且 x,y=0,1,2N-1 在在 0,1,2,3.N-1 范围内范围内(x,y)处处的任意值，输入像素和对应的任意值，输入像素和对应的输出图像之间的误差可用下式表示：的输出图像之间的误差可用下式表示：而包含而包含NN象素的图像之均方误差为象素的图像之均方误差为 (72)(71)由式由式(72)可得到均方根误差为可得到均方根误差为 (73)如果把输入、输出图像间的误差看作是噪声，那如果把输入、输出图像间的误差看作是噪声，那么，重建图像么，重建图像g g（x x，y y）可由下式表示）可由下式表示 (74)在这种情况下，另一个客观保真度准则在这种情况下，另一个客观保真度准则重建重建图像的均方信噪比如下式表示图像的均方信噪比如下式表示(75)均方根信噪比为均方根信噪比为 (76)7.2.2 主观保真度准则主观保真度准则 图像处理的结果，绝大多数场合是给人观看，因此，图像处理的结果，绝大多数场合是给人观看，因此，图像质量的好坏与否，既与图像本身的客观质量有图像质量的好坏与否，既与图像本身的客观质量有关，也与人的视觉系统的特性有关。关，也与人的视觉系统的特性有关。有时候客观保真度完全一样的两幅图像可能会有时候客观保真度完全一样的两幅图像可能会有完全不相同的视觉质量，所以又规定了有完全不相同的视觉质量，所以又规定了主观主观保真度准则。保真度准则。这种方法是把图像显示给观察者，然后把评这种方法是把图像显示给观察者，然后把评价结果加以平均，以此来评价一幅图像的主观价结果加以平均，以此来评价一幅图像的主观质量。质量。一种方法是规定一种绝对尺度，例如：一种方法是规定一种绝对尺度，例如：（）优秀的：具有极高质量的图像；（）优秀的：具有极高质量的图像；（）好的：是可供观赏的高质量的图像，（）好的：是可供观赏的高质量的图像，干扰并不明显；干扰并不明显；（）可通过的：图像质量可以接受，干扰（）可通过的：图像质量可以接受，干扰 不讨厌；不讨厌；（）边缘的：图像质量较低，希望能加以改（）边缘的：图像质量较低，希望能加以改 善，干扰有些讨厌；善，干扰有些讨厌；（）劣等的：图像质量很差，尚能观看，干（）劣等的：图像质量很差，尚能观看，干 扰显著地令人讨厌；扰显著地令人讨厌；（）不能用：图像质量非常之差，无法观看。（）不能用：图像质量非常之差，无法观看。另外常用的还有两种准则，即妨害准则和品质准则。另外常用的还有两种准则，即妨害准则和品质准则。妨害准则如下五级：妨害准则如下五级：（）没有妨害感觉；（）没有妨害感觉；（）有妨害，但不讨厌；（）有妨害，但不讨厌；（）能感到妨害，但没有干扰；（）能感到妨害，但没有干扰；（）妨害严重，并有明显干扰；（）妨害严重，并有明显干扰；（）不能接收信息。（）不能接收信息。品质准则如下七级：品质准则如下七级：（）非常好；（）非常好；（）好；（）好；（）稍好；（）稍好；（）普通；（）普通；（）稍坏；（）稍坏；（）恶劣；（）恶劣；（）非常恶劣。（）非常恶劣。一一种种常常用用的的方方法法是是对对一一组组(不不少少于于20人人)观观察察者者显显示示图图像像，并并将将他他们们对对该该图图像像的的评评分分取取平平均，用来评价一幅图像的主观质量。均，用来评价一幅图像的主观质量。例例如如可可用用-3-3，-2-2，-1-1，0 0，1 1，2 2，33来来代代表表主主观观评评价价 很很差差，较差，稍差，相同，稍好，较好，很好较差，稍差，相同，稍好，较好，很好。评分评分评价评价说明说明1 1优秀优秀图图像像质质量量非非常常好好，如如同同人人能能想象出的最好质量想象出的最好质量2 2良好良好图图像像质质量量高高，观观看看舒舒服服，有有干扰但不影响观看干扰但不影响观看3 3可用可用图图像像质质量量可可以以接接受受，有有干干扰扰但不太影响观看但不太影响观看4 4刚可看刚可看图图像像质质量量差差，干干扰扰有有些些妨妨碍碍观看，观察者希望改进观看，观察者希望改进5 5差差图图像像质质量量很很差差，几几乎乎无无法法观观看看6 6不能用不能用图像质量极差，不能使用图像质量极差，不能使用表表7.1 7.1 电视图像质量评价尺度电视图像质量评价尺度