图像压缩编码原理只是分享.ppt
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1、图像压缩编码原理3.1 压缩编码基础压缩编码基础图图像像数数据据的的压压缩缩机机理理来来自自两两个个方方面面:一一是是利利用用图图像像中中存存在在大大量量冗冗余余度度可可供供压压缩缩;二是利用人眼的视觉特性。二是利用人眼的视觉特性。1图像数据的冗余度图像数据的冗余度(1)空间冗余空间冗余在在一一幅幅图图像像中中规规则则的的物物体体和和规规则则的的背背景具有很强的相关性。景具有很强的相关性。(2)时间冗余时间冗余电电视视图图像像序序列列中中相相邻邻两两幅幅图图像像之之间间有有较大的相关性。较大的相关性。(3)结构冗余和知识冗余结构冗余和知识冗余图图像像从从大大面面积积上上看看常常存存在在有有纹纹
2、理理结结构构,称之为结构冗余。称之为结构冗余。(4)视觉冗余视觉冗余人人眼眼的的视视觉觉系系统统对对于于图图像像的的感感知知是是非非均均匀匀和和非非线线性性的的,对对图图像像的的变变化化并并不不都都能能察觉出来。察觉出来。2人眼的视觉特性人眼的视觉特性(1)亮度辨别阈值亮度辨别阈值当当景景物物的的亮亮度度在在背背景景亮亮度度基基础础上上增增加加很很少少时时,人人眼眼是是辨辨别别不不出出的的,只只有有当当亮亮度度增增加加到到某某一一数数值值时时,人人眼眼才才能能感感觉觉其其亮亮度度有有变变化化。人人眼眼刚刚刚刚能能察察觉觉的的亮亮度度变变化化值值称称为亮度辨别阈值。为亮度辨别阈值。(2)视觉阈值
3、视觉阈值视觉阈值是指干扰或失真刚好可以被视觉阈值是指干扰或失真刚好可以被察觉的门限值,低于它就察觉不出来,高察觉的门限值,低于它就察觉不出来,高于它才看得出来,这是一个统计值。于它才看得出来,这是一个统计值。(3)空间分辨力空间分辨力空空间间分分辨辨力力是是指指对对一一幅幅图图像像相相邻邻像像素素的的灰灰度度和和细细节节的的分分辨辨力力,视视觉觉对对于于不不同同图图像内容的分辨力不同。像内容的分辨力不同。(4)掩盖效应掩盖效应“掩掩盖盖效效应应”是是指指人人眼眼对对图图像像中中量量化化误误差差的的敏敏感感程程度度,与与图图像像信信号号变变化化的的剧剧烈烈程度有关。程度有关。3数据压缩编码方法的
4、分类数据压缩编码方法的分类根根据据压压缩缩机机理理的的不不同同,数数据据压压缩缩编编码码方法大致可以分成三类。方法大致可以分成三类。(1)基于图像信源统计特性的压缩方法,基于图像信源统计特性的压缩方法,有预测编码、变换编码、矢量量化编码、有预测编码、变换编码、矢量量化编码、子带小波编码和神经网络编码法等。子带小波编码和神经网络编码法等。(2)基于人眼视觉特性的压缩方法,有基于人眼视觉特性的压缩方法,有基于方向滤波的图像编码法和基于图像轮基于方向滤波的图像编码法和基于图像轮廓纹理的编码法等。廓纹理的编码法等。(3)基于图像景物特征的压缩方法,有基于图像景物特征的压缩方法,有分形编码法和基于模型的
5、编码方法等。分形编码法和基于模型的编码方法等。3.2 预预 测测 编编 码码3.2.1 预测编码基本原理预测编码基本原理预预测测编编码码是是根根据据某某一一模模型型利利用用过过去去的的样样值值对对当当前前样样值值进进行行预预测测,然然后后将将当当前前样样值值的的实实际际值值与与预预测测值值相相减减得得到到一一个个误误差差值值,只对这一预测误差值进行编码。只对这一预测误差值进行编码。3.2.2 预测方法预测方法1帧内预测帧内预测帧帧内内预预测测利利用用图图像像信信号号的的空空间间相相关关性性来来压压缩缩图图像像的的空空间间冗冗余余,根根据据前前面面已已经经传传送的同一帧内的像素来预测当前像素。送
6、的同一帧内的像素来预测当前像素。2帧间预测帧间预测电电视视图图像像在在相相邻邻帧帧之之间间存存在在很很强强的的相相关性。关性。3预测系数的选择预测系数的选择预测系数的选择通常采用最优线性预预测系数的选择通常采用最优线性预测法,选择预测系数测法,选择预测系数a1,a2,an-1使误使误差信号差信号en的均方值最小。的均方值最小。4自适应预测自适应预测自适应预测又称为非线性预测。自适应预测又称为非线性预测。可可以以利利用用预预测测误误差差作作为为控控制制信信息息,因因为为预预测测误误差差的的大大小小反反映映了了图图像像信信号号的的相相关关性。性。3.2.3 预测量化器预测量化器1预测误差的统计特性
7、预测误差的统计特性由由于于图图像像信信号号在在帧帧内内和和帧帧间间存存在在着着一一定定的的相相关关性性,预预测测误误差差统统计计特特性性的的一一个个特特点点就就是是它它的的概概率率分分布布集集中中在在0附附近近的的一一个个较较窄窄的的范范围围内内,0值值出出现现的的概概率率最最大大。随随着着预预测测误误差差绝绝对对值值的的增增大大其其出出现现的的概概率率迅迅速速下下降,近似的数学模型是降,近似的数学模型是Laplace分布,即分布,即2量化器设计量化器设计在在预预测测编编码码中中可可以以采采用用非非均均匀匀量量化,非均匀量化特性曲线如图化,非均匀量化特性曲线如图3-6所示。所示。图3-6非均匀
8、量化特性曲线3.2.4 图像帧间编码中的运动处理图像帧间编码中的运动处理1运动处理原理运动处理原理在在图图像像的的运运动动处处理理中中主主要要有有两两个个过过程程。第第一一个个过过程程为为运运动动估估计计(Motion Estimation,ME)。运运动动估估计计是是对对运运动动物物体体的的位位移移作作出出估估计计,即即估估计计出出运运动动物物体体从从上上一一帧帧到到当当前前帧帧的的位位移移方方向向和和位位移移量量,也也就就是是估估计计出出运动矢量。运动矢量。第第 二二 个个 过过 程程 为为 运运 动动 补补 偿偿(Motion Compensation,MC)。运运动动补补偿偿是是按按照
9、照运运动动矢矢量量将将上上一一帧帧作作位位移移,求求出出当当前前帧帧的的运运动结果。动结果。2运动估计的方法运动估计的方法3块匹配法块匹配法把把图图像像分分成成若若干干子子块块,设设子子块块图图像像是是由由NN个个像像素素组组成成的的像像块块,并并假假设设一一个个像像块内的所有像素作一致的平移运动。块内的所有像素作一致的平移运动。(1)估值块大小估值块大小(NN)估估值值块块大大小小的的选选择择应应该该综综合合考考虑虑图图像像细节构成和计算量等因素。细节构成和计算量等因素。(2)最佳匹配准则最佳匹配准则判判断断两两个个宏宏块块间间最最佳佳匹匹配配准准则则有有很很多多种。种。(3)搜索窗口大小搜
10、索窗口大小搜搜索索窗窗口口的的选选择择应应综综合合考考虑虑帧帧间间运运动动位移的可能大小和计算量等因素。位移的可能大小和计算量等因素。(4)快速搜索法快速搜索法快速搜索法可以减少搜索次数。快速搜索法可以减少搜索次数。(5)分级搜索分级搜索分分级级搜搜索索则则把把搜搜索索过过程程分分为为粗粗搜搜索索和和细细搜搜索索两两步步来来进进行行,首首先先对对图图像像进进行行亚亚取取样样得得到到一一个个低低分分辨辨率率的的图图像像,然然后后再再对对所所得到的低分辨率图像进行全搜索。得到的低分辨率图像进行全搜索。3.3 正交变换编码正交变换编码变换编码变换编码(Transform Coding)的基本的基本思
11、想是将在通常的欧几里德几何空间思想是将在通常的欧几里德几何空间(空间空间域域)描写的图像信号变换到另外的向量空间描写的图像信号变换到另外的向量空间(变换域变换域)进行描写,然后再根据图像在变进行描写,然后再根据图像在变换域中系数的特点和人眼的视觉特性进行换域中系数的特点和人眼的视觉特性进行编码。编码。(1)一一般般来来说说图图像像变变换换不不是是对对整整幅幅图图像像一一次次进进行行,而而是是在在存存储储器器中中把把一一幅幅图图像像分分成成许许多多NN的的像像块块,然然后后依依次次将将每每个个方方块块内内的的NN个个样样点点同同时时送送入入变变换换器器进进行行变变换换运算。运算。(2)变变换换器
12、器把把输输入入的的NN点点的的像像块块由由原原空空间间域域变变换换到到变变换换域域中中,映映射射成成同同样样大大小小的的NN点点的的变变换换系系数数矩矩阵阵,经经过过变变换换后后的的系数矩阵更有利于压缩。系数矩阵更有利于压缩。(3)量量化化器器用用有有限限个个值值来来表表示示变变换换后后的的系系数数矩矩阵阵,通通过过量量化化器器舍舍弃弃一一些些小小幅幅度度的的变换系数。变换系数。(4)编编码码器器给给量量化化器器输输出出的的每每一一个个符符号号指指定定一一个个二二进进制制码码字字,可可以以是是定定长长码码也也可可以是变长码。以是变长码。3.3.1 正交变换的性质正交变换的性质正交变换有以下性质
13、。正交变换有以下性质。1能量守恒性能量守恒性可可以以证证明明图图像像在在空空间间域域中中的的数数据据平平方方和和和和图图像像在在变变换换域域中中的的数数据据的的平平方方和和存存在在能量守恒关系,即能量守恒关系,即2 能能 量量 集集 中中 性性(Energy Compaction)大大部部分分正正交交变变换换趋趋向向将将图图像像的的大大部部分分能能量量集集中中到到相相对对少少数数几几个个系系数数上上,由由于于整整个个能能量量守守恒恒,因因此此这这意意味味着着许许多多变变换换系系数数只含有很少的能量。只含有很少的能量。3去相关性去相关性(Decorrelation)当当输输入入的的像像素素高高度
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