第三章 圖像編碼

1、第九章 圖像的編碼技術(shù)3.1 研究背景一、信息傳輸方式發(fā)生了很大的改變Ú 通信方式的改變文字+語音à圖像+文字+語音Ú 通信對象的改變?nèi)伺c人à人與機(jī)器，機(jī)器與機(jī)器二、圖像傳輸與存儲需要的信息量空間 Ú 圖像的傳輸與存儲中，問題最多的，也是最常用的包括了數(shù)字視頻信號和傳真信號。Ú 下面我們對其分別進(jìn)行討論。1. 彩色視頻信息Ú 對于電視畫面的分辨率640*480的彩色圖像，每秒30幀，則一秒鐘的數(shù)據(jù)量為： 640*480*24*30=221.12M Ú 所以播放時，需要221Mbps的通信回路。ÚÚ

2、; 實時傳輸： 在寬帶網(wǎng)上（10M）實時傳輸?shù)脑挘枰獕嚎s到原來數(shù)據(jù)量的0.045。 即0.36bit/pixel。Ú 存儲： 1張CD可存640M 如果不進(jìn)行壓縮，1張CD則僅可以存放2.89秒的數(shù)據(jù)。 存2小時的信息則需要壓縮到原來數(shù)據(jù)量的0.0004,即：0.003bit/pixel。2.傳真Ú 如果只傳送2值圖像，以200dpi的分辨率傳輸，一張A4稿紙的數(shù)據(jù)量為： 1654*2337*1=3888768bit Ú 按目前14.4K的電話線傳輸速率，需要傳送的時間是：270秒（4.5分）Ú 按每分鐘4元計算：18元 ÚÚ 由于

3、通信方式和通信對象的改變帶來的最大問題是： 傳輸帶寬、速度、存儲器容量的限制。Ú 給我們帶來的一個難題，也給了我們一個機(jī)會： 如何用軟件的手段來解決硬件上的物理極限。圖像通信系統(tǒng)模型3.2 數(shù)據(jù)冗余的概念3.4 圖像中數(shù)據(jù)冗余壓縮原理Ú 由于一幅圖像存在數(shù)據(jù)冗余和主觀視覺冗余，我們的壓縮方式就可以從這兩方面著手開展。Ú 因為有數(shù)據(jù)冗余，當(dāng)我們將圖像信息的描述方式改變之后，可以壓縮掉這些冗余。Ú 因為有主觀視覺冗余，當(dāng)我們忽略一些視覺不太明顯的微小差異，可以進(jìn)行所謂的“有損”壓縮。3.5 圖像的壓縮編碼Ú 第一代壓縮編碼八十年代以前，主要是根據(jù)傳

4、統(tǒng)的信源編碼方法。Ú 第二代壓縮編碼 八十年代以后，突破信源編碼理論，結(jié)合分形、模型基、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等數(shù)學(xué)工具，充分利用視覺系統(tǒng)生理心理特性和圖像信源的各種特性。3.6 行程編碼(RLE編碼)Ú 行程編碼是一種最簡單的，在某些場合是非常有效的一種無損壓縮編碼方法。Ú 雖然這種編碼方式的應(yīng)用范圍非常有限，但是因為這種方法中所體現(xiàn)出的編碼設(shè)計思想非常明確，所以在圖像編碼方法中都會將其作為一種典型的方法來介紹。 3.6.1 行程編碼的基本原理Ú 通過改變圖像的描述方式，來實現(xiàn)圖像的壓縮。Ú 將一行中灰度值相同的相鄰像素，用一個計數(shù)值和該灰度值來

5、代替。3.6.2 行程編碼方法Ú 舉例說明： aaaa bbb cc d eeeee fffffff (共22*8=176 bits) à 4a3b2c1d5e7f (共12*8=96 bits) 壓縮率為：96/176=54.5%Ú 傳真件中一般都是白色比較多，而黑色相對比較少。所以可能常常會出現(xiàn)如下的情況： 600W 3b 570w 12b 4w 3b 3000w 上面的行程編碼所需用的字節(jié)數(shù)為： 因為：2048<3000<4096 所以：計數(shù)值必須用12 bit來表示 對于： 600W 3b 570w 12b 4w 3b 3000w 需要的數(shù)據(jù)量

6、為： 12*7=84 bit因為只有白或黑，而且排版中一定要留出頁邊距，所以可以只傳輸計數(shù)值即可。ÚÚ 現(xiàn)在我們就希望對其進(jìn)行改善 既然已經(jīng)可以預(yù)制知白色多黑色少，可以對白色和黑色的計數(shù)值采用不同的位數(shù)。 以這個例子，可以定義： 白色：12 bit，黑色：4 bit 所需字節(jié)數(shù)為： 4*12+3*4=60bit 比原來的RLE方式96bit減少了36bit。 3.7 Huffman 編碼（熵編碼）Ú 行程編碼要獲得好的壓縮率的前提是，有比較長的相鄰像素的值是相同的。Ú 熵是指數(shù)據(jù)中承載的信息量。Ú 所謂的熵編碼是指在完全不損失信息量前提下最小數(shù)

7、據(jù)量的編碼。3.7.1 Huffman 編碼的基本原理Ú 為了達(dá)到大的壓縮率，提出了一種方法就是將在圖像中出現(xiàn)頻度大的像素值,給一個比較短的編碼，將出現(xiàn)頻度小的像數(shù)值,給一個比較長的編碼。Ú 例： aaaa bbb cc d eeeee fffffff 4 3 2 1 5 7Ú 如果不進(jìn)行特殊的編碼，按照圖像像素的描述，需要的數(shù)據(jù)量為： 22*8=176 bits aaaa bbb cc d eeeee fffffff 4 3 2 1 5 7 Ú 按照熵編碼的原理進(jìn)行編碼： f=0 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101

8、18; 這里的編碼規(guī)則是長短不一的異字頭碼 3.7.3 Huffman 編碼效率Ú 對這個例子，計算出經(jīng)過Huffman編碼后的數(shù)據(jù)為： 1010101010001001001000100010000111111111101010101010101 共 7*2+5*2+4*2+3*3+2*4+1*4=53 bitÚ 比前面我們給出的編碼得到的60bit的數(shù)據(jù)量還小，壓縮率為30.1%。3.7.4 圖像壓縮中的Huffman 編碼Ú Huffman編碼在圖像壓縮中的實現(xiàn) 我們知道，對一幅圖像進(jìn)行編碼時，如果圖像的大小大于256時，這幅圖像的不同的碼字就有可能是很大，

9、例如極限為256個不同的碼字。 這時如果采用全局Huffman編碼則壓縮效率不高。甚至與原來的等長編碼的數(shù)據(jù)量相同。 ÚÚ 常用的且有效的方法是： 將圖像分割成若干的小塊，對每塊進(jìn)行獨立的Huffman編碼。例如：分成 的子塊，就可以大大降低不同灰度值的個數(shù)（最多是64而不是256）。8*8分塊的編碼效率為47.27%16*16分塊的編碼效率約為61%全圖的編碼效率為91.47%3.8 DCT離散余弦變換變換編碼Ú 問題的提出： 行程編碼與Huffman編碼的設(shè)計思想都是基于對信息表述方法的改變，屬于無損壓縮方式。 雖然無損壓縮可以保證接收方獲得的信息與發(fā)送方相同

10、，但是其壓縮率一定有一個極限。因此，采用忽略視覺不敏感的部分進(jìn)行有損壓縮是提高壓縮率的一條好的途徑。 Ú DCT變換編碼的設(shè)計思想： DCT變換是希望在接收方不產(chǎn)生誤解的前提下進(jìn)行一定的信息丟失。 由前面所講到的頻域變換得到的啟示，就是將低頻與高頻部分的信息，分別按照不同的數(shù)據(jù)承載方式進(jìn)行表述。3.9 混合編碼Ú 設(shè)計思想： 每一種編碼方式都有其擅長的一點，以及局限的一點，混合編碼的思想就是將兩種以上的編碼方式的優(yōu)點進(jìn)行綜合，達(dá)到提高編碼效率的目的。Ú 混合編碼實現(xiàn)的可能性及有效性分析回顧一下講過的幾個內(nèi)容的特點：1）行程編碼： 擅長于重復(fù)數(shù)字的壓縮。2）Huffman編碼：擅長于像素個數(shù)分布不均勻情 況下的編碼。3）DCT變換： 擅長分離視覺敏感與不敏感的 部分。Ú 例： aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 行程編碼：4a3b2c1d5e7f (共6*（8+3）= 66Bits )176 => 66 aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 Huffman編碼： f=01 e=11 a=10 b=001 c=0