第十五讲 图像的编码和压缩_PPT幻灯片
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《图像编码》PPT幻灯片PPT
游程长度编码
❖基本原理
对二值图像的每一扫描行来看，总是由若干段连着的黑象素段和 连着的白象素段组成，分别称为“黑长”和“白长”。黑长和白 长总是交替发生。对于不同长度按其发生概率分配以不同长度的 码字，这就是游程长度编码(RLC)。
设二值图象中有长度为1, 2, …，N等不比特率，必须知道图像游程长度的概率分布。这是 十分复杂的测量技术，往往采用某些实用的游程长度概率模型来计算。
准最佳可变长编码
线性码（A码）
线性码是一种码字的长度近似地正比于游程长度，常称为A码。它对每 一个游程长度分配一个或多个固定长度块的二进制码字。如果每一块 有N个比特，则称为AN码。
即每个象素的熵h为用游程长度编码所得的最小比特率的估计值
为了进一步减小比特率，可以将黑长和白长分开分开分别编码，因为它们
出现的概率不同。
N
H w Piw log Piw i 1
H
－－白长熵
w
Piw 白长为 i的概率
对白长进行最优编码后，应该有：
Hw Bw Hw 1 Bw为平均比特数
令Ew为表示白长的平均长度
其后，该委员会与CCITT/SG VIII合并，组成了JPEG(Joint Photograhic Coding Experts Group)。
标准化的要求条件转到使更多的应用环境都能使用标准化编码的目 标上，应用对象扩大到了彩色传真、静止图像、电话会议、印刷及 新闻图片的传送上。 图像表示的对象将硬拷贝也包括了进去，分辨率也从软拷贝用的低 分辨率到硬拷贝用的高分辨率的较宽范围。
于是，
N
Ew iPiw i1
hw
bw
hw
1 Ew
hw
Hw Ew
,
数字图像处理图像压缩ppt课件
率分布分别为P(x1)=0.4, P(x2)=0.3, P(x3)=0.1, P(x4)=0.1,
P(x5)=0.06, P(x6)=0.04, 现求其最佳哈夫曼编码
W={w1,w2,w3,w4,w5,w6}。
元素
xi
x1
x2 x3 x4
x5
x6
概率 P(xi) 0.4 0.3 0.1 0.1 0.06 0.04
减少像素间冗余
减少编码冗余
7.3.1 变长编码
7.3.1.1 一些基本概念
第1. 七1)
图像熵和平均码字长度 图像熵（Entropy）
章
图
设数字图像像素灰度级集合为（X1,X2, ,Xk,
像 ,XM)，其对应的概率分别为P1,P2, ,Pk, ,PM 。
压 缩
按信息论中信源信息熵定义，数字图像的熵H为：
缩 码冗余来达到压缩的目的。
7.3.1.3 哈夫曼（Huffman）编码方法
第
哈夫曼编码基本思想
七 章
1) 统计一下符号的出现概率， 2) 建立一个概率统计表，
图
将最常出现（概率大的）的符号用最短的
像
编码，
压
最少出现的符号用最长的编码。
缩 例：设有数字图像，其灰度集合为 X={x1,x2,x3,x4,x5,x6}其概
像 压
示给定量的信息使用了不同的数据量，那么使用
缩 较多数据量的方法中，有些数据必然是代表了无
用的信息，或者是重复地表示了其它数据已表示
的信息，这就是数据冗余的概念。
7.2.1 数据冗余
第 七
• 三种基本的数据冗余
章
图 编码冗余
像 压
像素间冗余
缩 心理视觉冗余
图像编码(xq)_PPT幻灯片
信息量等于数据量与冗余量之差
数据是用来记录和传送信息的，或者说数据 是信息的载体。真正有用的不是数据本身，而是 数据所携带的信息。
信息量与数据量的关系：
I = D - du
I— 信息量 D— 数据量 du—冗余量
◆信息量 即表示该符号所需的位数
考虑用 0 和 1 组成的二进制数码为含有 n 个符号的某条消息编码，假设符号 Fn 在整条消 息中重复出现的概率为 Pn，则该符号的信息量
3 可 用 图 象 质 量 可 接 受 ， 有 干 扰 但 不 太 影 响 观 看 。
4 刚 可 看 图 象 质 量 差 ， 干 扰 有 些 妨 碍 观 看 ， 观 察 者 希 望 改 进 。
5 差 图 象 质 量 很 差 ， 妨 碍 观 看 的 干 扰 始 终 存 在 ， 几 乎 无 法 观 看 。
1. 客观保真度准则
点误差
e(x,y)fˆ(x,y)f(x,y)
图误差 均方根误差
M1N1 fˆ(x,y)f(x,y) erxm 0 sy M 01M x N 0 1N y 0 1fˆ(x,y)f(x,y)2 12
均方根信噪比 Sm N M s 1 R N 1 f ˆ( x ,y ) 2M 1 N 1f ˆ( x ,y ) f( x ,y )2
图像压缩编码的方法 图像压缩编码分为有损压缩和无损压缩。无损压缩无信息
视觉冗余
人的眼睛对某些图像特征不敏感，这些特征 信息可以不在图像数据中出现。
事实上，人眼的分辨能力一般约为26灰度级， 而图像的量化采用28灰度级，我们把这种冗余 称为视觉冗余。
33K
15K
信息熵冗余： 编码冗余，如果图像中平均每个像素使用
的比特数大于该图像的信息熵，则图像中存在冗余。
视频图像压缩编码基本原理24页PPT
色度量化步长表
17 18 24 47 99 99 99 99 18 21 26 66 99 99 99 99 24 26 56 99 99 99 99 99 47 66 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99
幅度变成频率 – 广泛应用于图像与视频压缩中，如JPG,MPEG
量化编码
对DCT变换后的(频率的) 系数进行量化
量化目的是降低化 器量化
量化是造成图像质量下 降的最主要原因
量化用右式计算
量 化 DCT 系数输出
DCT 系数输入
变换编码的系统原理框图
变换编码方法
KL变换
– 最佳变换编码方法 – 变换矩阵不是恒定的，需要临时计算
离散余弦变换(DCT,Discrete Cosine Transform)
– 准最佳变换，利用三角函数进行的一种变换 – DCT的基向量由余弦函数构成 – 一维DCT变换和二维DCT变换,变换后输出DCT变换系数，将
1、预测编码
1、子带编码
2、变换编码
2、多分辨率编码
3、霍夫曼编码
3、矢量量化
4、算术编码
4、形状编码
5、游程编码
5、纹理编码
预测编码
一、基本原理
由图像的统计特性可知，相邻像素之间有着较强的相关 性，即相邻像素的灰度值相同或相近，因此，某像素的 值可根据以前已知的几个像素值来估计、来猜测，正是 由于像素间的相关性，才使预测成为可能。 二、基本思想 模型→利用以往的样本数据→对下一个新的样本值进 行预测→ 将预测所得的值与实际值的差值进行编码→ 由于差值很小，可以减少编码的码位。
电视原理课件之图像压缩编码原理
电视原理课件之图像压缩编码原理2023-10-27CATALOGUE目录•图像压缩编码概述•图像压缩编码技术分类•图像压缩编码原理及实现方法•图像压缩编码性能评估及优化方法•JPEG压缩编码算法详解及实例演示•H.264视频压缩编码技术详解及实例演示01图像压缩编码概述图像压缩编码的概念图像压缩编码是一种通过特定算法对图像数据进行压缩的技术。
它可以将图像数据的大小和存储需求降低，以便在有限的存储空间内存储更多的图像数据。
压缩后的图像数据可以通过解压缩算法进行还原，以便在显示或传输过程中使用。
010203图像压缩编码的必要性通过图像压缩编码技术，可以大大降低图像数据的存储空间和传输成本。
图像数据量巨大，占用存储空间大，传输成本高。
同时，图像压缩编码技术还可以提高图像数据的处理速度和效率。
图像压缩编码技术的发展历程基于DCT（离散余弦变换）的压缩技术这是最早的图像压缩技术之一，它通过对图像数据进行DCT变换，将图像数据从空间域转换到频域，并对频域数据进行量化，从而实现图像数据的压缩。
基于小波变换的压缩技术小波变换是一种信号分析方法，它可以将信号分解成多个频带，并对每个频带进行精细的分析。
基于小波变换的压缩技术利用小波变换的特性，对图像数据进行多级分解，并对每个频带进行压缩，从而实现图像数据的压缩。
基于神经网络的压缩技术神经网络是一种模拟人脑神经元网络结构的计算模型，它可以自动学习并识别图像中的特征和模式。
基于神经网络的压缩技术利用神经网络的特性，对图像数据进行自动编码和解码，从而实现图像数据的压缩和解压缩。
02图像压缩编码技术分类基于像素的压缩编码预测编码利用像素之间的相关性进行预测，然后对预测误差进行编码，例如差分脉冲编码（DPCM）。
变换编码将图像数据进行频率变换，例如傅里叶变换、离散余弦变换（DCT），然后将变换后的数据进行量化和编码。
统计编码利用图像数据的统计特性进行编码，例如游程编码、算术编码等。
图像压缩编码数字图像处理PPT课件
2
好的
3 可通过的
是可供观赏的高质量的图像，干扰并不令人讨厌 图像质量可以接受，干扰不讨厌
4 边缘的 图像质量较低，希望能加以改善，干扰有些讨厌
5 劣等的 图像质量很差，尚能观看，干扰显著地令人讨厌
6 不能用 图像质量非常之差，无法观看
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8.信息理论
（一）、信源空间概述 1、信息：事物运动状态或存在方式的不确定性的 描述； 2、信源空间：随机符号及其出现概率的空间； 3、信源的分类： （1）连续信源—离散信源—混合信源； （2）无记忆信源—有记忆信源（相关信源）—有 限长度记忆信源（Markov信源）
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类似还有： 图像彩色光谱空间的冗余； 视频图像信号在时间上的冗余；
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• (3)视觉心理冗余：
一些信息在一般视觉处理中比其它信息的相对重要程
度要小，这种信息就被称为视觉心理冗余。
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4.图像压缩的目的
图像数据压缩的目的是在满足一定图像质量 条件下，用尽可能少的比特数来表示原始图像， 以提高图像传输的效率和减少图像存储的容量。 在信息论中称为信源编码。
出关于X中事件ai的互信息I(ai:bk)定义为：
I (ai
: bk
)
I (ai )
I (ai
|
bk )
log
p(ai | bk p(ai )
)
其中，p(ai|bk)表示信源编码输出为bk，估计信源 输入为ai的条件概率。I(ai|bk)称为条件自信息量， 表示在发现信源编码输出为bk，对信源输入为ai的不 确定性的猜测或知道bk后ai还保留的信息量。I(ai)表 示a 的不确定性。两者值差即为第b34页解/共除107的页a 不确定性
图像压缩编码原理ppt-课件
× DCT
在图像的运动处理中主要有两个过程。
对于函数Ψ(x)∈L2(R)，当且仅当其傅立叶变换Φ(ω)满足条件
DCT 第一个过程为运动估计(Motion Estimation，ME)。 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，高于它才看得出来，这是一个统计值。
8 的
把图像分成若干子块，设子块图像是由N×N个像素组成的像块，并假设一个像块内的所有像素作一致的平移运动。 图像数据的压缩机理来自两个方面：一是利用图像中存在大量冗余度可供压缩；
p(xi ) 1，
则符号xi所携带的信息量定义为i1
I(xi)=log2(1/p(xi))
2．信息“熵”
如果将信源所有可能时间的信息量进 行平均，就得到了信源中每个符号的平均 信息量，又称为信息的熵，可表示为
N
N
H (X )p (x i)lo 2 ( 1 /g p (x i) )p (x i)lo 2p (x g i)
f(x,y)2F(u,v)2
x0y0
u0v0
2 ． 能 量 集 中 性 ( Energy
Compaction)
大部分正交变换趋向将图像的大部分 能量集中到相对少数几个系数上，由于整 个能量守恒，因此这意味着许多变换系数 只含有很少的能量。
3．去相关性(Decorrelation)
当输入的像素高度相关时，变换系数 趋向于不相关。
图像压缩编码原理
3.1 压缩编码基础 3.2 预 测 编 码 3.3 正交变换编码 3.4 统 计 编 码 3.5 子 带 编 码 3.6 小波变换编码
3.1 压缩编码基础
图像数据的压缩机理来自两个方面： 一是利用图像中存在大量冗余度可供压缩； 二是利用人眼的视觉特性。
JPEG图像压缩与编码解析PPT参考幻灯片
JPEG图像压缩与编码
姓名：李攀攀 (13720837) 石亚文 (13720851) 石磊 (13720853)
课程：信号处理技术
2020年2月17日 1
JPEG图像压缩与编码目录
1 背景介绍 1.1 为什么进行图像的压缩 1.2 JPEG是什么 1.3 JPEG算法概要
2 JPEG算法的主要计算步骤
一是无损压缩：将相同的或相似的数据或特征归类，使用较少的 数据描述原始数据，从而减少数据量。如RLE编码，Huffman编 码和算术编码。
二是有损压缩：有针对性的简化不重要的数据，以减少总的数据 量。只要损失的数据不会影响人眼主管接收的效果就可以采用这 种压缩。如预测编码和变换编码。
2020年2月17日
2020年2月17日
第5章 JPEG图像压缩与编码
9/25
2 JPEG算法的主要计算步骤
2.JPEG压缩编码算法的主要计算步骤
➢ (1) 正向离散余弦变换(FDCT) ➢ (2) 量化(quantization) (这一步出现了信息的损失) ➢ (3) Z字形编码(zigzag scan)。 ➢ (4) 使用差分脉冲编码调制(DPCM)对直流系数
1 背景介绍
2020年2月17日
JPEG压缩编码流程图
第5J章PEJGP图EG像图压像缩压与缩编与码编码
7/25
1 背景介绍
➢ JPEG算法与颜色空间无关
RGB和YUV之间的变换不包含在JPEG算法中 JPEG算法处理单独的图像彩色分量，因此可压
缩来自不同颜色空间的数据，如RGB, YCbCr, CMYK。 色彩变换公式
，为了节省珍贵的带宽资源和节省时间，也迫切要求压缩。图像
编码与压缩从本质上来说就是对要处理的图像源数据按一定的规
姓名：李攀攀 (13720837) 石亚文 (13720851) 石磊 (13720853)
课程：信号处理技术
2020年2月17日 1
JPEG图像压缩与编码目录
1 背景介绍 1.1 为什么进行图像的压缩 1.2 JPEG是什么 1.3 JPEG算法概要
2 JPEG算法的主要计算步骤
一是无损压缩：将相同的或相似的数据或特征归类，使用较少的 数据描述原始数据，从而减少数据量。如RLE编码，Huffman编 码和算术编码。
二是有损压缩：有针对性的简化不重要的数据，以减少总的数据 量。只要损失的数据不会影响人眼主管接收的效果就可以采用这 种压缩。如预测编码和变换编码。
2020年2月17日
2020年2月17日
第5章 JPEG图像压缩与编码
9/25
2 JPEG算法的主要计算步骤
2.JPEG压缩编码算法的主要计算步骤
➢ (1) 正向离散余弦变换(FDCT) ➢ (2) 量化(quantization) (这一步出现了信息的损失) ➢ (3) Z字形编码(zigzag scan)。 ➢ (4) 使用差分脉冲编码调制(DPCM)对直流系数
1 背景介绍
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JPEG压缩编码流程图
第5J章PEJGP图EG像图压像缩压与缩编与码编码
7/25
1 背景介绍
➢ JPEG算法与颜色空间无关
RGB和YUV之间的变换不包含在JPEG算法中 JPEG算法处理单独的图像彩色分量，因此可压
缩来自不同颜色空间的数据，如RGB, YCbCr, CMYK。 色彩变换公式
，为了节省珍贵的带宽资源和节省时间，也迫切要求压缩。图像
编码与压缩从本质上来说就是对要处理的图像源数据按一定的规
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图像压缩系统模型
信源 信宿
信源 编码器
信道 编码器
压缩的有效性
信源 解码器
编码的可靠性
信道 解码器
通信线路 或
存储介质
图像保真度准则
描述解码图像相对原始图像偏离程度的测度一般称为保真 度。常用的保真度准则可分为两大类：客观保真度准则和 主观保真度准则。
客观保真度准则
最常用的客观保真度准则是原图像和解码图像之间的均 方根误差和均方根信噪比两种。
在现代通信中，图像传输已成为重要内容之一。采用 编码压缩技术，减少传输数据量，是提高通信速度的重要 手段。可见，没有图像编码与压缩技术的发展，大容量图 像信息的存储与传输是难以实现的，多媒体、信息高速公 路等新技术在实际中的应用会遇到很大困难。
数据冗余
像素间冗余(Interpixel Redundancy)
图像压缩就是在一个可以接受的还原状况的 前提下用尽可能少的比特数来表示源信号，即 把需要存储或传输的图像数据的比特数减少到 最少程度。图像压缩是通过编码实现的。
概述
图像数据压缩的必要性
图像数据的特点之一是信息量大。海量数据需要巨大 的存储空间。如多媒体中的海量图像数据，不进行编码压 缩处理，一张600M字节的光盘，只能存放20秒左右的 640× 480像素的图像。没有编码压缩，多媒体信息保存 有多么困难是可想而知的。
码I：4 2ti
i1
21 21 21 22
7 4
1非单义码
码II：i41 2ti
21 21 22
22Leabharlann 3 21非单义码4
码III： 2ti 21 22 23 23 1单义码
i1
码IV：i41
2ti
21 22
23 24
15 1单义码 16
图像编码压缩的分类
根据解压重建后的图像和原始图像之间是否具有误差， 图像编码压缩分为无损（亦称无失真、无误差、信息保 持）编码和有损（有失真或有误差）编码两大类。
M
H Pklog2Pk k1
M: 灰度级数 Pk:灰度级Wk出现的概率
平均码长(Average Code Length)
M
R k Pk k1
k:灰度W级 k对应的码字长 制度 代（ 码二 的进 位
Pk :灰度W级 k出现的概率
根据Shannon无干扰信息保持编码定理，若对原始图像数据的信息进 行无失真图像编码，压缩后平均码长存在一个下限，这个下限是图像信 息熵H。理论上最佳信息保持编码的平均码长可以无限接近图像信息熵 H。但总是大于或等于图像的熵H。
X
1
2
00
11 48 01 10
1 8 11
概率 编码
求信源X的熵、平均码长和编码效率。
解：
4
熵： H Pklo2gPk
k1
1 2lo2g1 21 4lo2g1 48 1lo2g8 18 1lo2g8 1
7 4
比特
平均码长：
4
R
k 1
kP k 2 1 2 2 1 4 2 8 1 2 8 1 2比特
如： 信源 概率 码I 码II 码III 码IV
W1 1/2 0
0
0
0
W2 1/4 0
1
10
01
W3 1/8 1
00
110 011
W4 1/8 10 11
111 0111
码I：非单义性、续长码 如： 00110
W1W2W3W4 W1W1W3W3W1 W1W1W3W3W2
码II：非单义性、续长码 如： 010011
主观保真度准则
很多解压图最终是供人观看的，一种常用的方法是让一 组（不少于20人）观察者观察图像并给该图像评分，将 他们对该图像的评分取平均，作为这幅图像的质量。
信息论要素(Elements of Information Theory)
熵(Entropy)
平均信息量度，图像中各灰度级比特数的统计平均值。
图像是由按一定规则排列起来的像素组成，图像中相邻 像素的灰度往往相同或相近，这就称为像素间冗余或空间 冗余。
数据冗余
心理视觉冗余(Psychovisual Redundancy)
175K
1.46M
受生理和心理上的影响，人眼对黑白和彩色信息的分 辨率是有限的。光学上不一致的图像在视觉上可能是一 样。
信息论要素(Elements of Information Theory)
编码效率 Coding Efficiency
H(x) 1
R(x) 1r
冗余度 Redundancy
r R(x) 1 H(x)
熵编码目的：使R尽量减少至H
例题
设一离散信源如下：
W 1 W 2 W 3 W 4 信源
W1W2W3W4 W1W2W1W1W4 W1W2W1W3W2W2 W1W2W1W1W2W2
码III：单义性、非续长码 如： 010110111
W1W2W3W4
码IV：单义性、续长码 如： 0010110111
W1W2W3W4
单义非续长代码平均码长最短
单义代码的充要条件：
n
D ti 1
i 1
D：代码中的码元种类； n：代码中的码字个数； ti：第i个码字的码长； 如上例：
Explain Contents
图像压缩的概念、目的和意义 图像的霍夫曼编码、香农编码、算术编码、 行程编码方法
Purpose
了解图像压缩的目的和意义，熟悉图像保真 度准则
掌握图像霍夫曼编码、香农编码、算术编码、 行程编码方法
概述
图像压缩(Image Compression)的概念
数据压缩的研究内容包括数据的表示、传输、 变换和编码方法，目的是减少存储数据所需的 空间和传输所用的时间。
Pn2Pm 2 tn2Pm 2Pn2 tm 2 Pn2Pm 2 tn2tm 2
0
P n tn P m tm P n tm P m tn
符合定理的平均码长 不符合定理的平均码长
唯一可译编码
所编码字序列能唯一地译出来。单义性、非续长码是 唯一可译编码。 单义性代码：任意一个有限长的码字序列只能被唯一 地分割成一个个码字。 非续长代码：集合中的码字不能由其他码字在后面添 加码元构成。
编码效率：
7
H 4 787.5%
R 28
变长最佳编码定理
对概率大的消息符号赋予短码字，而对概率小的信 息符号赋予长码字，则编码的平均码长一定最短。
如：
Wm Wn Pm < Pn tm > tn
Pm：概率低 tm：长码
Pn：概率高 tn：短码
P n t n P m t m 2 P n t m P m t n 2