最新图像的编码技术PPT课件.ppt

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1、图像的编码技术图像的编码技术2图像编码的研究背景 通信方式改变带来的需求n信息传输方式发生了很大的改变信息传输方式发生了很大的改变n通信方式的改变通信方式的改变文字文字+ +语音语音图像图像+ +视频视频+ +文字文字+ +语音语音n通信对象的改变通信对象的改变人与人人与人人与机器，机器与机器人与机器，机器与机器9图像压缩与编码3图像结构的性质，大体上可分为两大类，一类是具有一定图形特征的结构，另一类是具有一定概率统计特性的结构。 基于不同的图像结构特性，应采用不同的压缩编码方法。10图像压缩与编码4全面评价一种编码方法的优劣，除了看它的、和以外，还要看它的，是否。 常采用混合编码的方案，以求

2、在性能和经济上取得折衷。 随着计算方法及VLSI的发展，使许多高效而又比较复杂的编码方法在工程上有实现的可能。11讨论的内容n数据的冗余数据的冗余n图像压缩编码简介图像压缩编码简介n行程编码行程编码nHuffmanHuffman编码编码nDCTDCT变换编码变换编码n混合编码混合编码12数据的冗余 基本概念u我们从一个简单的例子出发来体会数我们从一个简单的例子出发来体会数据冗余的概念。据冗余的概念。u在下面的例子中，用一种最好的方式在下面的例子中，用一种最好的方式来发送一封电报。来发送一封电报。13数据的冗余 基本概念l你的妻子，你的妻子，HelenHelen，将于明天晚上将于明天晚上6 6点

3、零点零5 5分在分在上海上海的虹桥机场接你。的虹桥机场接你。 (23(23* *2+10=562+10=56个半角字符个半角字符) )l你的妻子将于明天晚上你的妻子将于明天晚上6 6点零点零5 5分在虹桥机场接你分在虹桥机场接你 (20(20* *2+2=422+2=42个半角字符）个半角字符）l HelenHelen将于明晚将于明晚6 6点在虹桥接你点在虹桥接你 (10(10* *2+6=262+6=26个半角字符）个半角字符）结论：只要接收端不会产生误解，就可以减少承载信息结论：只要接收端不会产生误解，就可以减少承载信息的数据量。的数据量。14数据冗余 描述上的冗余n描述方式：描述方式：

4、1 1）这是一幅）这是一幅2 2* *2 2的图像，图像的第一个像素是红的图像，图像的第一个像素是红的，第二个像素是红的，第三个像素是红的，第的，第二个像素是红的，第三个像素是红的，第四个像素是红的。四个像素是红的。 2 2）这是一幅）这是一幅2 2* *2 2的图像，整幅图都是红色的的图像，整幅图都是红色的。由此我们知道，整理图像的描述方法可以达由此我们知道，整理图像的描述方法可以达到压缩的目的。到压缩的目的。 1 2 3 415数据冗余 分类n编码冗余编码冗余n灰度级编码使用了多于实际需要的编码符号；灰度级编码使用了多于实际需要的编码符号；n像素冗余像素冗余n由像素之间的相关性引起；由像素

5、之间的相关性引起；n视觉心理冗余视觉心理冗余n对视觉感知影响很小的信息往往被忽视。对视觉感知影响很小的信息往往被忽视。 16图像冗余 数据冗余的压缩 n图像冗余无损压缩的原理图像冗余无损压缩的原理RGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGB16RGB从原来的从原来的1616* *3 3* *8=284bits8=284bits压缩为：压缩为：(1+3)(1+3)* *8=32bits8=32bits压缩比为：压缩比为：1212：1 117图像冗余 数据冗余的压缩n图像冗余有损压缩的原理图像冗余有损压缩的原理363534 3434343432

6、3434333730 3434343434 3434343534 343134 34 34 34 3434 34 34 34 3434 34 34 34 3434 34 34 34 3434 34 34 34 34253418图像压缩原理n由于一幅图像存在数据冗余和主观视觉冗余，由于一幅图像存在数据冗余和主观视觉冗余，所以压缩方式就可以从这两方面着手开展。所以压缩方式就可以从这两方面着手开展。n改变图像信息的描述方式，以压缩掉图像中改变图像信息的描述方式，以压缩掉图像中的数据冗余。的数据冗余。n忽略一些视觉不太明显的微小差异，以压缩忽略一些视觉不太明显的微小差异，以压缩掉图像中的视觉冗余。掉图

7、像中的视觉冗余。19图像的压缩编码n第一代压缩编码第一代压缩编码八十年代以前，主要是根据传统的信源编码方法。八十年代以前，主要是根据传统的信源编码方法。n第二代压缩编码第二代压缩编码 八十年代以后，突破信源编码理论，结合分形、八十年代以后，突破信源编码理论，结合分形、模型基、神经网络、小波变换等数学工具，充分模型基、神经网络、小波变换等数学工具，充分利用视觉系统生理心理特性和图像信源的各种特利用视觉系统生理心理特性和图像信源的各种特性。性。20图像的压缩编码像素编码像素编码变换编码变换编码预测编码预测编码位平面编码位平面编码增量调制增量调制熵编码熵编码算术编码算术编码DCTDCT变换变换DPC

8、MDPCM调制调制第一代压缩编码第一代压缩编码其他编码其他编码行程编码行程编码21图像的压缩编码子带编码子带编码模型编码模型编码分层编码分层编码分型编码分型编码第二代压缩编码第二代压缩编码22行程编码(RLE编码)基本概念n行程编码是一种最简单的，在某些场合是非行程编码是一种最简单的，在某些场合是非常有效的一种无损压缩编码方法。常有效的一种无损压缩编码方法。n虽然这种编码方式的应用范围非常有限，但虽然这种编码方式的应用范围非常有限，但是因为这种方法中所体现出的编码设计思想是因为这种方法中所体现出的编码设计思想非常明确，所以在图像编码方法中都会将其非常明确，所以在图像编码方法中都会将其作为一种典

9、型的方法来介绍。作为一种典型的方法来介绍。 23行程编码 基本原理n通过改变图像的描述方式，来实现图像的压通过改变图像的描述方式，来实现图像的压缩。缩。n将一行中灰度值相同的相邻像素，用一个计将一行中灰度值相同的相邻像素，用一个计数值和该灰度值来代替。数值和该灰度值来代替。24行程编码 实现方法n 举例说明：a=100,b=1,c=23,d=254 aaaa bbb cc d eeeee fffffff 4 3 2 1 5 7 (共22*8=176 bits) 4a3b2c1d5e7f (共12*8=96 bits) 压缩比为：176：96=1.83:125行程编码传真中的应用方法o传真件中一

10、般都是白色比较多，而黑色相对比较少。所以可能常常会出现如下的情况： 500W 3b 470w 12b 4w 3b 3000w 上面的行程编码所需用的字节数为： 因为：204830004096 所以：计数值必须用12 bit来表示 26行程编码传真中的应用方法对于： 500W 3b 470w 12b 4w 3b 3000w编码为： 500, 3, 470, 12, 4, 3, 3000 编码位数为:12, 12, 12, 12, 12,12,12需要的数据量为： 12*7=84 bit 压缩比为： 3992：84=47.5：1因为只有白或黑，而且排版中一定要留出页边距，因为只有白或黑，而且排版中

11、一定要留出页边距，因此，一般情况下，可以只传输计数值即可。因此，一般情况下，可以只传输计数值即可。27行程编码传真中的应用方法n现在，根据传真件的特点，对其进行改进。现在，根据传真件的特点，对其进行改进。n既然已经可以预知白色多黑色少，所以可对白既然已经可以预知白色多黑色少，所以可对白色和黑色的计数值采用不同的位数。色和黑色的计数值采用不同的位数。n以这个例子，可以定义：以这个例子，可以定义： 白色：白色：12 bit12 bit，黑色：，黑色：4 bit4 bit 28行程编码传真中的应用方法编码为：编码为： 500,500,3 3,570,570,1212,4,4,3 3,3000,300

12、0 编码位数为编码位数为: : 12,12,4 4,12, ,12, 4 4,12,12,4 4,12,12所需字节数为：所需字节数为：4 4* *12+312+3* *4=60bit4=60bit压缩比为：压缩比为： 39923992：60=66.560=66.5：1 1 比原来的比原来的RLERLE方式方式84bit84bit减少了减少了24bit,24bit,相当于又提高了压缩比为相当于又提高了压缩比为 84/60=1.484/60=1.4：1 1 。29二维行程编码 基本概念二维行程编码要解决的核心问题是二维行程编码要解决的核心问题是: : 将二维排列的像素，采用某种方式转化成一将二维

13、排列的像素，采用某种方式转化成一维排列的方式。之后按照一维行程编码方式进行维排列的方式。之后按照一维行程编码方式进行编码。编码。30二维行程编码 数据排序如下图所示，是两种典型的二维行程编码的排列如下图所示，是两种典型的二维行程编码的排列方式：方式：(a) (b) 31二维行程编码例例：例：130130130129134133129130130130130129134133130130130130130129132132130130129130130129130130129129127128127129131 129131 13012712812712812712813213212512612

14、9129127129133132127125128128126130131131f数据量：数据量：6464* *8=512(bit)8=512(bit)32二维行程编码例n 如果按照行扫描的顺序排列的话，数据分布为：如果按照行扫描的顺序排列的话，数据分布为：130130，130130，130130，129129，134134，133133，129129，130130；130130，130130，130130，129129，134134，133133，130130，130130； 130130，130130，130130，129129，132132，132132，130130，130130；12

15、9129，130130，130130，129129，130130，130130，129129，129129；127127，128128，127127，129129，131131，129129，131131，130130；127127，128128，127127，128128，127127，128128，132132，132132；125125，126126，129129，129129，127127，129129，133133，132132；127127，125125，128128，128128，126126，130130，131131，13113133二维行程编码例一维行程编码后为一维行程编码

16、后为: :（3 3，130130），（），（1 1，129129），（），（1 1，134134），（），（1 1，133133），（），（1 1，129129），），（4 4，130130），（），（1 1，129129），（），（1 1，134134），（），（1 1，133133），（），（5 5，130130），），（1 1，129129），（），（2 2，132132），（），（2 2，130130），（），（1 1，129129），（），（2 2，130130），），（1 1，129129），（），（2 2，130130），（），（2 2，129129），（），（1 1，12712

17、7），（），（1 1，128128），），（1 1，127127），（），（1 1，129129），（），（1 1，131131），（），（1 1，129129），（），（1 1，131131），），（1 1，130130），（），（1 1，127127），（），（1 1，128128），（），（1 1，127127），（），（1 1，128128），），（1 1，127127），（），（1 1，128128），（），（2 2，132132），（），（1 1，125125），（），（1 1，126126），），（2 2，129129），（），（1 1，127127），（），（1 1，12912

18、9），（），（1 1，133133），（），（1 1，132132），），（1 1，127127），（），（1 1，125125），（），（2 2，128128），（），（1 1，126126），（），（1 1，130130），），（2 2，131131）数据量为数据量为:46:46* *（3+83+8）=506(bit)=506(bit)压缩比为：压缩比为：512512：506=1.02:1506=1.02:134二维行程编码例如果按照列扫描的顺序排列的话，数据分布为：如果按照列扫描的顺序排列的话，数据分布为：130130，130130，130130，129129，127127，127127

19、，125125，127127；130130，130130，130130，130130，128128，128128，126126，125125；130130，130130，130130，130130，127127，127127，129129，128128；129129，129129，129129，129129，129129，128128，129129，128128；134134，134134，132132，130130，131131，127127，127127，126126；133133，133133，132132，130130，129129，128128，129129，130130； 1291

20、29，130130，130130，129129，131131，132132，133133，131131；130130，130130，130130，129129，130130，132132，132132，13113135二维行程编码 例一维行程编码为一维行程编码为: :数据量为数据量为:42:42* *（3+83+8）=462(bit) =462(bit) 压缩比为：压缩比为：512512：462=1.11:1462=1.11:1（3，130），（1，129），（2，127），（1，125），（1，127），（4， 130），（2，128），（1，126），（1，125），（4，130），（2，

21、127），（1，129），（1，128），（5，129），（1，128），（1，129），（1，128），（2， 134），（1，132），（1，130），（1，131），（2，127），（1，126），（2，133），（1，132），（1，130），（1，129），（1，128），（1，129），（1，130）， （1，129），（2，130），（1，129），（1，131），（1，132），（1，133），（1，131），（3，130），（1，129），（1，130），（2，132），（1，131）36二维行程编码 例如果按照方式如果按照方式(a)(a)扫描的顺序排列的话，数据分布为：扫描

22、的顺序排列的话，数据分布为：130，130，130，130，130，130，130，130，130；129，129，129，129，130，130，129；127，128，127，129，131，130，132，134，134；133，133，132，130，129，128，127，128，127，128，127，125，126，129，129；127，129，133，132，131，129，130，130；129，130，130，130，129，130，132，132；131，131，130，126，128，128，127，12737二维行程编码 例一维行程编码为一维行程编码为: :数据量为

23、数据量为:43:43* *（3+83+8）=473(bit) =473(bit) 压缩比为：压缩比为：512512：473=1.08:1473=1.08:1（7 7，130），（2，130），（4，129），（2，130），（1，129）；（1，127），（1，128），（1，127），（1，129），（1，131），（1，130），（1，132），（2，134），（2，133），（1，132），（1，130），（1，129），（1，128），（1，127），（1，128），（1，127），（1，128），（1，127），（1，125），（1，126），（2，129），（1，127），（1，1

24、29），（1，133），（1，132），（1，131），（1，129），（2，130），（1，129），（3，130），（1，129），（1，130），（2，132），（2，131），（1，130），（1，126），（2，128），（2，127）38Huffman 编码（熵编码）n行程编码要获得好的压缩率的前提是，有比较行程编码要获得好的压缩率的前提是，有比较长的相邻像素的值是相同的。长的相邻像素的值是相同的。n熵是指数据中承载的信息量。熵是指数据中承载的信息量。n所谓的熵编码是指在完全不损失信息量前提下所谓的熵编码是指在完全不损失信息量前提下最小数据量的编码。最小数据量的编码。39Huffm

25、an编码 基本原理n为了达到大的压缩率，提出了一种方法就为了达到大的压缩率，提出了一种方法就是将在图像中出现频度大的像素值，给一是将在图像中出现频度大的像素值，给一个比较短的编码，将出现频度小的像数值个比较短的编码，将出现频度小的像数值, ,给一个比较长的编码。给一个比较长的编码。40Huffman编码 基本原理n例：例： aaaaaaaa bbbbbb cccc d d eeeeeeeeee ffffffffffffff 4 3 2 1 5 74 3 2 1 5 7n如果不进行特殊的编码，按照图像像素的描如果不进行特殊的编码，按照图像像素的描述，需要的数据量为：述，需要的数据量为： 2222

26、* *8=176 bits8=176 bits 41Huffman编码 基本原理 aaaaaaaa bbbbbb cccc d d eeeeeeeeee ffffffffffffff 4 3 2 1 5 74 3 2 1 5 7n按照熵编码的原理进行编码：按照熵编码的原理进行编码： f=0 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101f=0 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101n这里的编码规则是长短不一的异字头码这里的编码规则是长短不一的异字头码42Huffman编码 基本原理 由：由：f=0 e=10 a=110 b=1111 c=1110

27、0 d=11101f=0 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101 aaaa bbb cc d eeeee fffffff aaaa bbb cc d eeeee fffffff 10110110110111111111111111001110011101101101101101101111111111111110011100111011010101010000000001010100000000 数据量：数据量：7 7* *1+51+5* *2+42+4* *3+33+3* *4+24+2* *5+15+1* *5=56 bit 5=56 bit 压缩比为：压缩比为

28、：176176：56=3.1456=3.14：1 143Huffman编码 算法n首先求出图像中灰度分布的灰度直方图；首先求出图像中灰度分布的灰度直方图；n根据该直方图，对其按照分布概率从小到大根据该直方图，对其按照分布概率从小到大的顺序进行排列；的顺序进行排列；n每一次从中选择出两个概率为最小的节点相每一次从中选择出两个概率为最小的节点相加，形成一个新的节点，构造一个称为加，形成一个新的节点，构造一个称为“HuffmanHuffman树树”的二叉树；的二叉树；n对这个二叉树进行编码，就获得了对这个二叉树进行编码，就获得了HuffmanHuffman编码码字。编码码字。44Huffman编码

29、例o例：对数据序列例：对数据序列 aaaaaaaa bbbbbb cccc d d eeeeeeeeee ffffffffffffff 其概率分布为：其概率分布为： a:4/22 b:3/22 c:2/22a:4/22 b:3/22 c:2/22 d:1/22 e:5/22 f:7/22 d:1/22 e:5/22 f:7/22 概率大小的排序为：概率大小的排序为： d, c, b, a, e, fd, c, b, a, e, f 1/22 2/22 3/22 4/22 5/22 7/221/22 2/22 3/22 4/22 5/22 7/2245Huffman编码 例cbafe7/227/

30、225/225/224/224/222/222/2210f=11 e=01 a=00 b=101 c=1001 d=1000d1/221/223/223/226/226/2222/2222/2213/2213/229/229/223/223/221010101046Huffman编码 压缩效率n对这个例子，计算出经过对这个例子，计算出经过HuffmanHuffman编码后的编码后的数据为：数据为： 101010101010101010100010010010010010010001000100010001000000001111111111111111111101010101010101010

31、10101010101 共共 7 7* *2+52+5* *2+42+4* *2+32+3* *3+23+2* *4+14+1* *4=4=5353 bit bit压缩比为压缩比为176176：53=3.32:153=3.32:147练习题o现有一幅数字图像，图像的灰度量化分为8级，各灰度级出现概率如下，试对图像进行哈夫曼编码。P1:0.07，P2:0.1，P3: 0.3，P4:0.07，P5:0.08，P6:0.18，P7:0.16，P8:0.04。 48Huffman编码 图像压缩中的应用n我们知道，对一幅图像进行编码时，如果图我们知道，对一幅图像进行编码时，如果图像的大小大于像的大小大于

32、256256时，这幅图像的不同的码时，这幅图像的不同的码字就有可能是很大，例如极限为字就有可能是很大，例如极限为256256个不同个不同的码字。的码字。 n这时如果采用全局这时如果采用全局HuffmanHuffman编码则压缩效率编码则压缩效率不高。甚至有可能与原来的等长编码的数据不高。甚至有可能与原来的等长编码的数据量相同。量相同。 49Huffman编码 图像压缩中的应用 常用的且有效的方法是：常用的且有效的方法是：o将图像分割成若干的小块，对每块进行独立将图像分割成若干的小块，对每块进行独立的的HuffmanHuffman编码。例如：分成编码。例如：分成 的子块，的子块，就可以大大降低不

33、同灰度值的个数（最多是就可以大大降低不同灰度值的个数（最多是6464而不是而不是256256）。）。8850Huffman编码 图像压缩中的应用8 8* *8 8分块的编码分块的编码压缩比为压缩比为2.12:12.12:11616* *1616分块的编码分块的编码压缩比为压缩比为1.64:11.64:1全图的编码压全图的编码压缩比为缩比为1.09:11.09:151DCT变换编码 问题的提出n行程编码与行程编码与HuffmanHuffman编码的设计思想都是基编码的设计思想都是基于对于对信息表述方法的改变信息表述方法的改变，属于无损压缩方，属于无损压缩方式。式。n虽然无损压缩可以保证接收方获得

34、的信息与虽然无损压缩可以保证接收方获得的信息与发送方相同，但是其压缩率一定有极限。发送方相同，但是其压缩率一定有极限。n因此，采用忽略视觉不敏感的部分进行有损因此，采用忽略视觉不敏感的部分进行有损压缩是提高压缩率的一条好的途径。压缩是提高压缩率的一条好的途径。 52DCT变换编码 设计思想nDCTDCT变换是希望在接收方不产生误解的变换是希望在接收方不产生误解的前提下进行一定的信息丢失。前提下进行一定的信息丢失。n由前面所讲到的频域变换得到的启示，由前面所讲到的频域变换得到的启示，就是将低频与高频部分的信息，分别按就是将低频与高频部分的信息，分别按照不同的数据承载方式进行表述。照不同的数据承载

35、方式进行表述。53DCT变换编码 DCT变换复习复习DCTDCT变换：变换：1010222) 12(cos) 12(cos),()()(),(MxNyMNMNcyxyxfccF正变换：正变换：1010222) 12(cos) 12(cos),()()(),(MNMNcMNyxFccyxf1)(21xc0 x1,.,2 , 1Nx逆变换：逆变换：其中：其中：54DCT变换编码 方法DCT变换变换DCTDCT逆变换逆变换原图像原图像除以量化系数除以量化系数取整取整1 1）编码过程：）编码过程：2 2）解码过程：）解码过程：压缩图像压缩图像乘以量化系数乘以量化系数取整取整压缩压缩图像图像解压解压图像

36、图像55DCT变换编码 例Huffman:42bitsHuffman:42bits； 压缩比为压缩比为3.05:13.05:1DCT:16bits;DCT:16bits;压缩比为：压缩比为：8:18:129221714241613141914121216111116C例：例：56606159586059625759596157586059F原图像为：原图像为：DCTDCT变换变换除以量化系数，取整除以量化系数，取整236.254.51692.47491.56361.05920.17681.17130.78031.76780.43872.251.71251.00310.28030.86780.1

37、768D15000000000000000D56混合编码 设计思想n每一种编码方式都有其擅长的一点，以每一种编码方式都有其擅长的一点，以及局限的一点，混合编码的思想就是将及局限的一点，混合编码的思想就是将两种以上的编码方式的优点进行综合，两种以上的编码方式的优点进行综合，达到提高编码效率的目的。达到提高编码效率的目的。57混合编码 可能性及有效性分析n回顾一下讲过的几个内容的特点：回顾一下讲过的几个内容的特点：行程编码：擅长于重复数字的压缩。行程编码：擅长于重复数字的压缩。HuffmanHuffman编码：擅长于像素个数分布不编码：擅长于像素个数分布不均匀情况下的编码。均匀情况下的编码。DCT

38、DCT变换：变换： 擅长分离视觉敏感与不敏感擅长分离视觉敏感与不敏感的部分。的部分。58混合编码 例例：例： aaaaaaaa bbbbbb cccc d d eeeeeeeeee ffffffffffffff （共共2222* *8=176 bits)8=176 bits) 4 3 2 1 5 74 3 2 1 5 7 行程编码：行程编码：4a3b2c1d5e7f 4a3b2c1d5e7f ( (共共6 6* *（8+38+3）= 66Bits = 66Bits ) ) 176 6659混合编码 例 aaaaaaaa bbbbbb cccc d d eeeeeeeeee ffffffffff

39、ffff （共（共2222* *8=176 bits)8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 4 3 2 1 5 7 HuffmanHuffman编码：编码： f=01 e=11 a=10 b=001 c=0001 d=0000f=01 e=11 a=10 b=001 c=0001 d=000010101010101010101010001001001001001001000100010001000100000000111111111111111111110101010101010101010101010101 ( (共共 7 7* *2+52+5* *2+42+4* *2+32+3*

40、 *3+23+2* *4+14+1* *4=4=5353 bits) bits) 176 66 5360混合编码 例 aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits176 bits) 4 3 2 1 5 7 4 3 2 1 5 7 HufmanHufman与行程编码混合：与行程编码混合： 4 410103 30010012 2000100011 1000000005 511117 70101 ( (共：共：3 3+2+2+3 3+3+3+3 3+4+4+3 3+4+4+3 3+2+2+3 3+2=+2=3535 bits) bits) 176 66 53 35 1:12.67:13.32:1 5.03:161混合编码 图像实际压缩编码例一次小波变换一次小波变换DCTDCT变换变换. .行程编码行程编码HuffmanHuffman编码编码一次小波变换一次小波变换HuffmanHuffman编码编码变字长行程编码变字长行程编码差值编码差值编码62 作作 业（共业（共1 1题）题）第第262262页页 第第1 1题题(1),(2)(1),(2)63 结束语结束语