数字图像处理 第10章 静止图像编码 北邮出版社 2008 10.ppt
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1、数字图像处理与图像通信数字图像处理与图像通信朱秀昌朱秀昌 刘刘 峰峰 胡胡 栋栋北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社1第第1010章章 静止图像编码静止图像编码v10.1 10.1 方块编码方块编码v10.2 10.2 比特面编码比特面编码v10.3 10.3 静止图像压缩标准静止图像压缩标准v10.4 10.4 二值图像编码方法简介二值图像编码方法简介2静止图像:静止图像:内容本身是静止的图像内容本身是静止的图像 某一时刻某一时刻“凝固凝固”的图像的图像静止图像编码的要求:静止图像编码的要求:v清晰度:与活动图像编码传输相比,要求更高的清晰度;清晰度:与活动图像编码传输相比,要求更高的清晰度
2、;v逐渐浮现的显示方式:先轮廓,后细节;逐渐浮现的显示方式:先轮廓,后细节;v抗干扰:编码与调制都要有较强的抗干扰能力;抗干扰:编码与调制都要有较强的抗干扰能力;v编码方式:由于实时性要求不高,可采用复杂的编码方式。编码方式:由于实时性要求不高,可采用复杂的编码方式。310.1 10.1 方块编码方块编码v10.1.1 基本编码方法:基本编码方法:子块大小子块大小:m=NN(即子块中共有即子块中共有m个像素)个像素)第第i个像素为个像素为Pi,其灰度其灰度Xi两个代表性亮度为两个代表性亮度为a0、a1称为亮度级分量称为亮度级分量亮度阈值亮度阈值Xt 若若 XiXt,则用,则用a1代替原来的灰度
3、(即代替原来的灰度(即Xi)。)。若若 XiXt,则用,则用a0代替原来的灰度(即代替原来的灰度(即Xi)。)。4 Yi:编码后的亮度编码后的亮度 i:是一个二元码,指明像素:是一个二元码,指明像素Pi编码后属于编码后属于a0或或a1 则:则:其中其中 显然:分块编码有失真。显然:分块编码有失真。5 经上述代替后,可以用经上述代替后,可以用a0,a1和和1,m 的组合表示编码后子块的组合表示编码后子块像素的灰度像素的灰度Y1、Y2Ym。a0,a1具有与亮度值相同的等级,具有与亮度值相同的等级,P bit(一般一般68bit)表示。表示。1,m 是一个是一个m bit 的比特面。的比特面。则编码
4、后每个像素的平均比特数为:则编码后每个像素的平均比特数为:含义:含义:可见,可见,m 越大,越大,B 越小,但失真也越严重。越小,但失真也越严重。原因:原因:这是因为子块尺寸越大,子块内像素的相关性越小,用两个灰度这是因为子块尺寸越大,子块内像素的相关性越小,用两个灰度作近似,逼真度就越差。作近似,逼真度就越差。B=(m+2P)/m=1+2P/m6v 10.1.2 参数的选择参数的选择问题的提出:问题的提出:当子块大小当子块大小m 一定时,一定时,a0、a1、Xt 该如何确定?该如何确定?解决方法:解决方法:方法方法1:保持一阶矩,二阶矩的参数选择:保持一阶矩,二阶矩的参数选择 方法方法2:均
5、方误差最小的参数选择。:均方误差最小的参数选择。7v 10.1.3 进一步降低数码率的方法进一步降低数码率的方法选择合适的传输用的亮度级分量,并采用成组编码的方式,从而降选择合适的传输用的亮度级分量,并采用成组编码的方式,从而降低传输码率。低传输码率。通过比特面的再划分,降低传输数码率通过比特面的再划分,降低传输数码率4 44 4的子块比特面分为的子块比特面分为4 4个个2 22 2的次比特面。此时次比特面全的次比特面。此时次比特面全0 0或全或全1 1的相对次数要高。的相对次数要高。对高次数(大概率)的次比特面分配较少码字。对高次数(大概率)的次比特面分配较少码字。对低次数(小概率)的次比特
6、面分配较长码字。对低次数(小概率)的次比特面分配较长码字。810.2 10.2 比特面编码比特面编码比特面编码的含义:比特面编码的含义:把对灰度图像的编码转化为对各个比特面的二值图像的编码。把对灰度图像的编码转化为对各个比特面的二值图像的编码。在二值编码前,通常将每个比特面分为不重叠的大小为在二值编码前,通常将每个比特面分为不重叠的大小为mn的子块。的子块。每像素每像素8bit8bit表示灰度图像,共有表示灰度图像,共有8 8个比特面。个比特面。(思考:如果每像素(思考:如果每像素7bit7bit表示,则有几个比特面?)表示,则有几个比特面?)比特面编码应用:逐渐浮现。比特面编码应用:逐渐浮现
7、。9比特面编码的常用措施比特面编码的常用措施1.次最佳方块编码(无失真)次最佳方块编码(无失真)对于对于mn大小的大小的 子块,全子块,全“0”和和“1”的概率较大,而且,全的概率较大,而且,全“0”的概率更大。因此分配码字时:的概率更大。因此分配码字时:l 全全“0”子块子块 “0”l 全全“1”“11”l 其它其它 “10”+“XXX”10平均码长平均码长L:用用P(0;n,m)和)和P(1;n,m)表示)表示mn个全个全“0”和全和全“1”的概率,的概率,则:则:L=P(0;n,m)+2P(1;n,m)+(2+nm)1-P(0;n,m)-P(1;n,m)压缩比压缩比 从上式可以看出:从上
8、式可以看出:当当m、n 一定时,一定时,P(0;n,m)和和P(1;n,m)越大,越大,Cr 越大。越大。即全即全“0”和全和全“1”子块越多,压缩比越大。子块越多,压缩比越大。112.2.用格雷码表示像素亮度(无失真)用格雷码表示像素亮度(无失真)格雷码特点:格雷码特点:任意相邻的十进制表示的两个数,其格雷码只相差任意相邻的十进制表示的两个数,其格雷码只相差1位,且最大数与位,且最大数与最小数之间也只是相差一位。最小数之间也只是相差一位。举例:举例:格雷码格雷码 自然二进制自然二进制 7 7 01000100 0111 0111 8 8 11001100 1000 1000优点:优点:一般图
9、像相邻像素的灰度相差不大,如果用自然二进制来表示一般图像相邻像素的灰度相差不大,如果用自然二进制来表示其亮度,码字有可能会相差多个比特位,形成的比特面缺乏相关性。而其亮度,码字有可能会相差多个比特位,形成的比特面缺乏相关性。而用格雷码表示,相差不大,比特面上全用格雷码表示,相差不大,比特面上全“0”和全和全“1”的面积也会增大,的面积也会增大,即即P(0;n,m)和)和 P(1;n,m)增大,压缩比也随之增大。)增大,压缩比也随之增大。123.3.视觉心里编码(有失真)视觉心里编码(有失真)允许恢复图像有一定失真,只要视觉感觉不出;允许恢复图像有一定失真,只要视觉感觉不出;具体做法:具体做法:
10、l子块内不超过子块内不超过k k个个“1 1”的子块视为全的子块视为全“0 0”子块。子块。l子块内不超过子块内不超过k k个个“0 0”的子块视为全的子块视为全“1 1”子块。子块。通过上述做法,等效于让全通过上述做法,等效于让全“0 0”和全和全“1 1”的概率变大。的概率变大。4.4.子块尺寸的选择子块尺寸的选择 n=m=4 较合适较合适5.5.逐渐浮现的编码传输逐渐浮现的编码传输 将图像从高到低次序传送比特面,则为由粗到细的显示图像。将图像从高到低次序传送比特面,则为由粗到细的显示图像。可用于窄带传输。可用于窄带传输。1310.3 10.3 亚抽样与内插亚抽样与内插 什么是亚抽样?什么
11、是亚抽样?一般地,在数字图像系统中,若抽样的频率低于奈奎斯特频率,一般地,在数字图像系统中,若抽样的频率低于奈奎斯特频率,则称之为亚抽样。亚抽样能直接降低图像的数据量,是一种简单实用则称之为亚抽样。亚抽样能直接降低图像的数据量,是一种简单实用的图像压缩方法,并且得到广泛的应用。的图像压缩方法,并且得到广泛的应用。什么是内插?什么是内插?从亚抽样图像重建原尺寸大小的图像时采用相反的处理过程,从亚抽样图像重建原尺寸大小的图像时采用相反的处理过程,即用一定的方法重构在抽样间丢掉的数据,称之为内插。即用一定的方法重构在抽样间丢掉的数据,称之为内插。由于总体抽样频率低于奈奎斯特频率,因此经过亚抽样内插后
12、由于总体抽样频率低于奈奎斯特频率,因此经过亚抽样内插后恢复的图像和原图像相比会有一定的失真。恢复的图像和原图像相比会有一定的失真。141 1:2 2 的亚抽样,其抽样结构为交叉型,如图的亚抽样,其抽样结构为交叉型,如图10.6(a)10.6(a)所示。所示。内插公式:内插公式:电视中的亚抽样亚场抽样方式,如图电视中的亚抽样亚场抽样方式,如图10.6(b)10.6(b)。x0abcd:抽样点:抽样点:内插点:内插点(a)奇场扫奇场扫描行描行偶场扫偶场扫描行描行(b)图图10.6 10.6 亚抽样及内插示例亚抽样及内插示例 (a)1/2(a)1/2抽样结构及内插抽样结构及内插 (b)(b)一帧电视
13、信号位置示意一帧电视信号位置示意1510.410.4 具有多种表示能力的编码具有多种表示能力的编码 根据显示效果的不同,编码提供的表示能力主要分为两大类型:根据显示效果的不同,编码提供的表示能力主要分为两大类型:一类是在保持图像尺寸不变的情况下,提供质量由粗到细的编码,一类是在保持图像尺寸不变的情况下,提供质量由粗到细的编码,即所谓逐渐显示或渐进显示的编码;即所谓逐渐显示或渐进显示的编码;另一类是编码重建的图像由小到大、从而提供细节逐步增加的编另一类是编码重建的图像由小到大、从而提供细节逐步增加的编码,即分等级、多分辨率编码。码,即分等级、多分辨率编码。统称为逐渐浮现的编码。此外,还可以把两种
14、方法组合起来,实统称为逐渐浮现的编码。此外,还可以把两种方法组合起来,实现更多的质量控制等级。现更多的质量控制等级。16v10.4.1 四杈树编码的逐渐浮现方式四杈树编码的逐渐浮现方式1)图像的四杈树表示)图像的四杈树表示 如图如图10.7(b),考虑图像中的第一个,考虑图像中的第一个22子块,子块,f0,f1,f2,f3 为其四个亮度值,为其四个亮度值,由下式建立由下式建立 4 个新值:个新值:(均值)(均值)(10.16)j=1,2,3 (差值)(差值)(10.17)01230级级1级级2级级00 01 02 0330 31 32 33000102031230313233图图10.710.
15、7 四杈树及其对应的图像方阵四杈树及其对应的图像方阵 (a)(a)四杈树四杈树 (b)(b)图像方阵图像方阵 17 遍历图像的所有遍历图像的所有22子块,如图子块,如图10.8,并把它们构成的两个数组分别记为均值数组并把它们构成的两个数组分别记为均值数组 和差值数组和差值数组 ,则其元素个数分别是则其元素个数分别是1/4(2n2n)和和3/4(2n2n),元素总数保持不变。,元素总数保持不变。这一过程一直进行下去,最后由这一过程一直进行下去,最后由4个均值个均值 I1 推出其上一层的推出其上一层的 I0和和D0。I0为整幅图像的均值,为整幅图像的均值,D0含含3个差值。个差值。第第n层(原图像
16、)层(原图像)第第n-1层层第第n-2层层g1 g2 g3 g5 g6 g7I0(g0)I4(g4)Dn-1In-1图图 10.810.8 四杈树的建立四杈树的建立182)由四杈树获得逐渐浮现的图像)由四杈树获得逐渐浮现的图像 如何从如何从I0,D0,D1,.,Dn-1获得逐渐浮现的图像显示?获得逐渐浮现的图像显示?1)当接收到)当接收到I0时,接收端可以在时,接收端可以在 NN(N=2n)大小的整幅画面上显示大小的整幅画面上显示I0;2)当收到)当收到D0后,根据后,根据(10.18)和和(10.19)式,可以得到式,可以得到I1,它包括,它包括4个值,个值,显示的精度增加了一倍。显示的精度
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