第4章 运动图像压缩技术
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学习计算机图像压缩算法
学习计算机图像压缩算法在现代社会中，计算机图像已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
然而，随着图像文件的增加和传输需求的增长，图像压缩成为了一项重要的技术。
本文将介绍计算机图像压缩算法的基本原理和常见方法，并探讨其在实际应用中的优劣势。
一、图像压缩的基本原理图像压缩是一种将图像文件大小减小以便于存储和传输的技术。
其基本原理是通过减少冗余信息、去除不可察觉的细节和重建丢失的数据来实现。
图像压缩算法根据压缩比率、图像质量和处理速度来选择不同的方法。
二、无损压缩算法无损压缩算法是指压缩过程中不影响图像质量的方法。
其中最著名的算法是Lempel-Ziv-Welch（LZW）算法。
该算法将图像中的重复信息编码为较短的字符序列，从而减小文件大小。
然而，无损压缩算法的缺点是压缩比率相对较低，无法在压缩大小和图像质量之间取得良好的平衡。
三、有损压缩算法相比于无损压缩算法，有损压缩算法能够取得更高的压缩比率，但会在一定程度上降低图像质量。
JPEG是最常用的有损压缩算法之一。
该算法将图像分成不重叠的8×8像素块，通过离散余弦变换和量化来减小文件大小。
JPEG算法能够在高压缩比率下保持较好的图像质量，但在压缩过程中会丢失一些细节和边缘信息。
四、混合压缩算法为了兼顾无损和有损压缩的优势，一些混合压缩算法被提出。
其中一种常见的方法是基于小波变换的压缩算法。
该算法通过对图像进行分解，将高频细节和低频概貌分开处理。
高频细节通过有损压缩算法进行压缩，低频概貌通过无损压缩算法进行压缩。
混合压缩算法能够在较高的压缩比率下保持良好的图像质量，是目前最先进的图像压缩方法之一。
五、图像压缩算法的应用图像压缩算法在各个领域都有广泛的应用。
在互联网领域，图像压缩能够减小网页加载时间和提升用户体验。
在医学影像领域，图像压缩能够减小存储和传输开销，方便医生的诊断。
在无人驾驶领域，图像压缩能够减少数据传输量，提升实时性和响应速度。
总之，学习计算机图像压缩算法对于理解图像处理和传输的原理具有重要意义。
图像压缩
基本概念
• 图像压缩 指以较少的比特有损或无损地表示原来像素矩阵的 技术 • 基本原理 图像数据之所以能被压缩，就是因为数据中存在着 冗余。图像数据的冗余主要表现在图像中相邻像素 间相关性引起的空间冗余；图像序列中不同帧之间 存在相关性引起的时间冗余；不同彩色平面或频谱 带的相关性引起的频谱冗余 • 目的 去除冗余的数据来减少表示数据所需的比特数
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图 Байду номын сангаас 压 缩
目录
效果评估 具体算法解析 基本方法 基本概念 引言
引言
随着多媒体技术和通讯技术的不断发展，多媒体娱 乐、信息高速公路等不断对信息数据的存储和传输 提出了更高的要求，也给现有的有限带宽以严峻的 考验，特别是具有庞大数据量的数字图像通信，更 是难以传输和存储，极大地制约了图像通信技术的 发展，因此图像压缩技术得到了越来越多的关注
• 常用于压缩声音、图像以 及视频等
效果评估
• 目前静态图像压缩效果的评估方法主要分 为客观方法和主观方法。 • 客观方法：从总体上反映原始图像和失真 图像的灰度差别，以PNSR值为代表。其特 点是速度快、稳定好，但是难以反映人眼 的视觉特性和主观感知程度，有时甚至与 主观印象相悖。 • 主观方法：判读员按照以规定好的评价准 则，对目标图像进行质量评价。主观方法 能反映真实人眼的感受，但易受到观察者 自身因素（如背景知识、观测动机、心理 状态）的影响
基本方法
有损数据压缩方法 • 色度抽样：利用人眼对于 亮度变化的敏感性远大于 颜色变化，故可将图像中 的颜色信息减少一半甚至 更多 • 变换编码：将空域图像信 号映射变换到另一个正交 矢量空间，产生一批变换 系数，然后对这些变换系 数进行编码处理 • 分形压缩：依赖于特定的 图像及同一副图像的一部 分与其他部分的相似程度
数字图像处理其中的第4部分学习使用
（1）首先把一幅图像划提成一系列旳图像块，每个图像块包括8×8个 像素。假如原始图像有640×480个像素，则图片将包括80列60行旳 方块。假如图像只包括灰度，那么每个像素用一种8比特旳数字表达。 所以能够把每个图像块表达成一种8行8列旳二维数组。数组旳元素 是0～255旳8比特整数。离散余弦变换就是作用在这个数组上。
JPEG编码思想
思想：人对亮度比对色彩敏感，在光线不足旳情况下，所观察 物体都是黑白旳。所以能够对色调和饱和度做粗略处理。
措施：对8*8图像块矩阵，Y成份数据不变，U每2*2个数据求平 均，V每2*1个数据求平均。称为YUV421系统。
除此, 还有YUV422, 411, 420等系统.
2）FDCT与IDCT 思想：人眼对低频数据比对高频数据敏感。 FDCT 为前向 离散余弦变换,JPEG原则不要求FDCT和IDCT旳算法。 措施:
组旳函数，也就是说，把一种数组经过一种变换，变成另一种数组。 如图下图所示，对每个图像块做离散余弦变换。经过DCT变换能够把能量集
中在矩阵左上角少数几种系数上。
f(i,j)经DCT变换之后得到F(i,j)，其中F(0,0)是直流系数，
称为DC系数，其他为交流系数，称为AC系数。
2023/10/10
思想：将每个DCT系数除以各自量化步长并四舍五入后取整， 得到量化系数。
F
u,
v
INT
F S
u,v u,v
0.5
F u,v F u,vS u,v
JPEG系统分别要求了亮度分量和色度分量旳量化表，显然色 度分量相应旳量化步长比亮度分量大。
4)对量化系数旳处理和组织
思想：JPEG采用定长和变长相结合旳编码措施。 直流系数：一般相邻8*8图像块旳DC分量很接近，所以
JPEG编码思想
思想：人对亮度比对色彩敏感，在光线不足旳情况下，所观察 物体都是黑白旳。所以能够对色调和饱和度做粗略处理。
措施：对8*8图像块矩阵，Y成份数据不变，U每2*2个数据求平 均，V每2*1个数据求平均。称为YUV421系统。
除此, 还有YUV422, 411, 420等系统.
2）FDCT与IDCT 思想：人眼对低频数据比对高频数据敏感。 FDCT 为前向 离散余弦变换,JPEG原则不要求FDCT和IDCT旳算法。 措施:
组旳函数，也就是说，把一种数组经过一种变换，变成另一种数组。 如图下图所示，对每个图像块做离散余弦变换。经过DCT变换能够把能量集
中在矩阵左上角少数几种系数上。
f(i,j)经DCT变换之后得到F(i,j)，其中F(0,0)是直流系数，
称为DC系数，其他为交流系数，称为AC系数。
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思想：将每个DCT系数除以各自量化步长并四舍五入后取整， 得到量化系数。
F
u,
v
INT
F S
u,v u,v
0.5
F u,v F u,vS u,v
JPEG系统分别要求了亮度分量和色度分量旳量化表，显然色 度分量相应旳量化步长比亮度分量大。
4)对量化系数旳处理和组织
思想：JPEG采用定长和变长相结合旳编码措施。 直流系数：一般相邻8*8图像块旳DC分量很接近，所以
图像压缩技术介绍.
图像压缩技术介绍由于图像和视频本身的数据量非常大，给存储和传输带来了很多不便，所以图像压缩和视频压缩得到了非常广泛的应用。
比如数码相机、USB摄像头、可视电话、视频点播、视频会议系统、数字监控系统等等，都使用到了图像或视频的压缩技术。
常用的图像的压缩方法有以下几种：1、行程长度编码（RLE）行程长度编码（run-length encoding）是压缩一个文件最简单的方法之一。
它的做法就是把一系列的重复值（例如图象像素的灰度值）用一个单独的值再加上一个计数值来取代。
比如有这样一个字母序列aabbbccccccccdddddd它的行程长度编码就是2a3b8c6d。
这种方法实现起来很容易，而且对于具有长重复值的串的压缩编码很有效。
例如对于有大面积的连续阴影或者颜色相同的图象，使用这种方法压缩效果很好。
很多位图文件格式都用行程长度编码，例如TIFF，PCX，GEM等。
2、LZW编码这是三个发明人名字的缩写（Lempel，Ziv，Welch），其原理是将每一个字节的值都要与下一个字节的值配成一个字符对，并为每个字符对设定一个代码。
当同样的一个字符对再度出现时，就用代号代替这一字符对，然后再以这个代号与下个字符配对。
LZW编码原理的一个重要特征是，代码不仅仅能取代一串同值的数据，也能够代替一串不同值的数据。
在图像数据中若有某些不同值的数据经常重复出现，也能找到一个代号来取代这些数据串。
在此方面，LZW压缩原理是优于RLE的。
3、霍夫曼编码霍夫曼编码（Huffman encoding）是通过用不固定长度的编码代替原始数据来实现的。
霍夫曼编码最初是为了对文本文件进行压缩而建立的，迄今已经有很多变体。
它的基本思路是出现频率越高的值，其对应的编码长度越短，反之出现频率越低的值，其对应的编码长度越长。
霍夫曼编码很少能达到8∶1的压缩比，此外它还有以下两个不足：①它必须精确地统计出原始文件中每个值的出现频率，如果没有这个精确统计，压缩的效果就会大打折扣，甚至根本达不到压缩的效果。
图像压缩
图像数据的冗余主要表现为：图像中相邻像素
间的相关性引起的空间冗余；图像序列中不同帧之 间存在相关性引起的时间冗余；不同彩色平面或频 谱带的相关性引起的频谱冗余。数据压缩的目的就 是通过去除这些数据冗余来减少表示数据所需的比 特数。
图像压缩方法的介绍：有损压缩和无损压缩。
无损压缩又称冗余度压缩,信息保持编码或熵编码，是 一种可逆编码方法。该方法利用数据统计冗余度压缩，解码 时可完全恢复，但压缩率受到数据统计冗余度理论限制。常 见的无损压缩方法如下。
Huffman编码
无损压缩
算术编码 行程编码 LZW编码
有损压缩，又称信息量压缩，失真度编码或熵压缩 编码。该方法利用了人类视觉和听觉对某些频率成 分不敏感特性，允许压缩过程中损失一定的信息。 解码时，丢掉一些数据不会影响对声音或者图像的 理解。常见的有损压缩方法如下。
有损压缩
预测编码 变换编码 小波编码 分形编码 基于模型的编码
物体基编码
语义基编码
霍夫曼编码(Huffman coding)
1.根据给定数据集中霍夫曼(D.A. Huffman)在 1952年提出和描述的“从下到上”的熵编码方 法 2.各元素所出现的频率来压缩数据的一种统计 压缩编码方法。这些元素(如字母)出现的次数 越多，其编码的位数就越少 3.广泛用在JPEG, MPEG, H.26X等各种信息编码 标准中
行程编Байду номын сангаас：
一幅图像中对具有相同像素的颜色值 只存储具有相同颜色的像素数目或者存储一 个像素的颜色值，以及具有相同颜色值的行 数。
预测编码：
分析信号的相关性，利用已处理的信 号预测待处理的信号，得到预测值；然后 仅对真实值与预测值之间的差值信号进行 编码处理和传输，达到压缩的目的并能够 正确恢复。
第四章 多媒体数据压缩编码技术
MPEG（Motion picture Experts Group） 是运动图像专家小组的英文缩写 MPEG标准主要有MPEG-l、MPEG-2、 MPEG-4和正在制定的MPEG-7等
多媒体数据压缩编码的国际标准
1.静态图像压缩编码的国际标准（JPEG）
– JPEG（Joint Photographic Experts Group
– JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法： 采用以DCT为基础的有损压缩算法 采用以预测技术为基础的无损压缩算法
– 在JPEG标准中定义了四种编码模式： 顺序编码 累进编码 无失真编码 分层编码
多媒体数据压缩编码的国际标准
JPEG图像的压缩比与质量
JPEG在使用DCT进行有损压缩时，压缩比可 调整在压缩10~30倍后，图像效果仍然不错， 因此得到了广泛的应用。
(a) 原图
(b) 压缩效果图
图 d 四次小波变换编码的实验结果
预测编码
预测编码的基本原理 自适应预测编码 帧间预测编码
变换编码
变换编码不是直接对空域图像信号进行编码，而是 首先将空域图像信号映射变换到另一个正交矢量空间 （变换域或频域），产生一批变换系数，然后对这些 变换系数进行编码处理。变换编码是一种间接编码方 法，其中关键问题是在时域或空域描述时，数据之间 相关性大，数据冗余度大，经过变换在变换域中描述， 数据相关性大大减少，数据冗余量减少，参数独立， 数据量少，这样再进行量化，编码就能得到较大的压 缩比。目前常用的正交变换有：傅立叶 (Fouries)变换、 沃尔什(Walsh)变换、哈尔(Haar)变换、斜(Slant)变换、 余弦变换、正弦变换、K-L(Karhunen-Loeve)变换等。
活动图像压缩标准
6)熵编码 熵编码
AVS1—P2采用基于上下文的 采用基于上下文的2DVLC来编码 块变换系数。基 来编码8*8块变换系数 块变换系数。 采用基于上下文的 来编码 于上下文的意思是用已编码的系数来确定VLC码的切换。 码的切换。 于上下文的意思是用已编码的系数来确定 码的切换
2、AVS1—P7移动视频编码标准
1、AVS—P2视频编码标准 、 视频编码标准
AVS视频编码器方框图如图 视频编码器方框图如图2-22所示，包含帧内预测、帧间预测、 所示， 视频编码器方框图如图 所示 包含帧内预测、帧间预测、 环路滤波、变换、量化和熵编码等技术模块。 环路滤波、变换、量化和熵编码等技术模块。
帧内预测 ICT/Q S 运动补偿 Q-1 /ICT-1 熵编码 码流
4）亚像素插值 ）
AVS1—P2帧间预测与补偿中，亮度和色度的运动矢量精度分 别为1/4和1/8像素，因此需要相应的亚像素插值。 亮度亚像素插值分成1/2和 像素插值两步 像素插值两步。 像素插值采 亮度亚像素插值分成 和1/4像素插值两步。1/2像素插值采 抽头滤波器H1(-1/8,5/8,5/8,-1/8)。1/4像素插值分两种情况， 像素插值分两种情况， 用4抽头滤波器 抽头滤波器 。 像素插值分两种情况 8个一维 像素位置采用 抽头滤波器 个一维1/4像素位置采用 抽头滤波器H2(1/16,7/16,7/16,1/16)， 个一维 像素位置采用4抽头滤波器 ， 另外4个二维 像素位置采用双线性滤波器H3(1/2,1/2)。 个二维1/4像素位置采用双线性滤波器 另外 个二维 像素位置采用双线性滤波器 。
AVS相比其他标准有如下有点： 相比其他标准有如下有点： 相比其他标准有如下有点
1. 性能高，编码效率与 性能高，编码效率与H.264相当，两倍于 相当， 相当 两倍于MPEG-2， ， 但算法复杂度明显低于H.264. 但算法复杂度明显低于 2. 拥有主要知识产权，专利授权模式简单，费用低。 拥有主要知识产权，专利授权模式简单，费用低。 3. H.264只是一个视频编码标准，而AVS则是一套包含 只是一个视频编码标准， 只是一个视频编码标准 则是一套包含 系统、视频、音频、 系统、视频、音频、媒体版权管理在内的完整标准 体系，能够为音视频产业提供完整的信源编码技术 体系， 方案。 方案。
图像压缩原理资料课件
三维立体图像压缩
总结词
三维立体图像提供了更真实的视觉体验，但其数据量巨大，对压缩技术提出了更高的要求。
详细描述
三维立体图像的压缩需要同时考虑空间和深度信息，目前主要采用基于深度学习的方法进行压缩，同时还需要解 决如何保留立体感的问题。
人工智能辅助的图像压缩
总结词
人工智能技术的发展为图像压缩提供了新的思路和方法。
图像压缩的应用
数字电视广播
数字电视广播需要传输大量的视频数 据，图像压缩技术可以有效减少数据 量，提高传输效率和图像质量。
数字电视广播采用MPEG、H.264等图 像压缩标准，实现高效的数据压缩和 传输，满足大规模广播覆盖的需求。
互联网图像传
在互联网上传输图像时，由于带宽限制和网络拥堵，需要采 用图像压缩技术来减小图像文件的大小，加快传输速度。
常见的互联网图像传输格式包括JPEG、PNG等，这些格式采 用不同的压缩算法，以在保证图像质量的前提下尽可能减小 文件大小。
医学影像存储与传
医学影像如CT、MRI等包含大量的数据信息，直接存储和传输成本较高，因此需 要采用图像压缩技术进行压缩。
医学影像压缩对于远程诊断、会诊和医学教育等方面具有重要意义，可以降低存 储成本、加快传输速度并提高图像质量。
有损压缩
有损压缩会丢失一些数据，但压 缩率较高，常用的算法有JPEG、 MPEG等。
图像压缩标准
01
02
03
JPEG
主要用于静态图像压缩， 广泛应用于网络传输和数 字相机等领域。
JPEG2000
相对于JPEG有更高的压缩 比和更好的图像质量，尤 其在处理医学图像和遥感 图像方面有优势。
MPEG
主要用于视频压缩，包括 MPEG-1、MPEG-2、 MPEG-4等，广泛应用于 音视频存储、传输和播放 。
第4章 运动图像压缩技术
第23页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
2.锥度编码模式 对一幅原始图像的分辨率按照水平方向和垂直方向不 断变化，相邻的两分辨率相差为2的倍数。 编码过程： 首先将原始图像信息进行滤波，再以原设定的2的倍 数为因子对滤波的结果进行“下行采样(downsampled)” 从而降低原始图像的分辨率。然后对已降低分辨率的 图像进行有损或无损方式编码。接着对低分辨率图像 解码，进行“上行采样(upsampled)”。相邻的两分辨 率的差值可用任何一种编码方式编码。重复上述步骤， 直到要编码图像达到完整的分辨率。注意，编码方式 可以是有损编码或无损编码，或者先是有损编码再是 无损编码。在低码率情况下锥形模式的性能优于JPEG 的其他编码模式。
第25页
2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
JPEG的性能，用质量与比特率之比来衡量，是相当 优越的，尤其是它的复杂度之低和使用时间之长。 对于8bit的彩包照片的有损模式，亮度元素占8bit精 度，两种色度元素也各占8bit的精度，但采样率只有 原来的一半。因此，输入图像平均每像素只有16bit， 于是在0.5bit/像素下，其压缩率为32:1，2bit/像素的 压缩图像与原图像区别不大，0.25bit/像素的图像质 量中等。JPEG曾对0.083bit/像素的图像作了测试，发 现它仅能达到可以辨认的程度，因此，这个比率并 不在标准中提及。
第5页 2013年9月22日星期日
第4章
MPEG压缩编码技术
对视频信号数字化的方式：全信 号数字化和分量数字化 全信号数字化：对图C信号直接进 行数字化 分量数字化：对图a、d和e信号分 别进行数字化，然后利用时分 复合方法进行处理。 分量数字化由于省去了电视信号 的反复解码和编码，亮度信号 和色差信号被分开处理，相互 间不存在干扰，同时对制式的 兼容性也好，所以目前普遍采 用分量数字化。
第4章 多媒体数据压缩技术
行程长度编码是指将一系列的重复值（如像素值） 由一个单独的值和一个计数值代替的编码方法。行 程长度编码是一种无损压缩编码方法，它是视频压 缩编码中最简单、但十分常见的方法 。
如上图的行程长度编码可写为：白8黑5白3黑8白6……
2023/4/20
Multimedia Technology & Application
2023/4/20
Multimedia Technology & Application
24
4.2 静态图像的压缩标准JPEG
4.2.1 JPEG标准简介 4.2.2 JPEG标准中的主要技术 4.2.3 JPEG标准的压缩过程 4.2.4 JPEG2000
2023/4/20
Multimedia Technology & Application
8
方式3：不等长编码
考查字符串中不同字符出现的概率并对其重新定义一 个编码字如表4.2所示：
则其编码的总长度为：8×1+4×3×3+2×4×2=60（bit）
2023/4/20
Multimedia Technology & Application
9
4.1.3 常用的数据压缩方法
1.行程长度（也称游程长度编码）
2023/4/20
Multimedia Technology & Application
19
5.熵编码
2) 熵编码实例——哈夫曼编码
算法可描述为： (1) 对图像中出现的不同像素值进行概率统计，得到n个不同概率的信 息符号。 (2) 按符号出现的概率由大到小、由上到下排列。 (3) 对两个最低概率符号分别以二进制0、1赋值。 (4) 两最低概率相加后作为一个新符号的概率重新置入符号序列中。 (5) 对概率按从大到小重新排列。 (6) 重复(2)～(5)，直到只剩下两个概率符号的序列。 (7) 分别以二进制0、1赋值后，以此为根结点，沿赋值的顺序的逆序依 次写出该路径上的二进制代码，得到哈夫曼编码。
如上图的行程长度编码可写为：白8黑5白3黑8白6……
2023/4/20
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2023/4/20
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24
4.2 静态图像的压缩标准JPEG
4.2.1 JPEG标准简介 4.2.2 JPEG标准中的主要技术 4.2.3 JPEG标准的压缩过程 4.2.4 JPEG2000
2023/4/20
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8
方式3：不等长编码
考查字符串中不同字符出现的概率并对其重新定义一 个编码字如表4.2所示：
则其编码的总长度为：8×1+4×3×3+2×4×2=60（bit）
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4.1.3 常用的数据压缩方法
1.行程长度（也称游程长度编码）
2023/4/20
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5.熵编码
2) 熵编码实例——哈夫曼编码
算法可描述为： (1) 对图像中出现的不同像素值进行概率统计，得到n个不同概率的信 息符号。 (2) 按符号出现的概率由大到小、由上到下排列。 (3) 对两个最低概率符号分别以二进制0、1赋值。 (4) 两最低概率相加后作为一个新符号的概率重新置入符号序列中。 (5) 对概率按从大到小重新排列。 (6) 重复(2)～(5)，直到只剩下两个概率符号的序列。 (7) 分别以二进制0、1赋值后，以此为根结点，沿赋值的顺序的逆序依 次写出该路径上的二进制代码，得到哈夫曼编码。
运动图像压缩标准
HIGH 1440
(高级1440)
1152 lines/frame
60 frames/s 60 Mb/s
1152 行/帧
60 帧/秒 60 兆比特/秒
MPEG-2的等级
720 samples/line
MAIN (基本级) 576 lines/frame 30 frames/s 15 Mb/s 352 samples/line
4:2:0 352×288 ×30 4 Mb/s I, P, B
MPEG-4编码标准
MPEG-4 Video编码算法支持由MPEG-1和 MPEG-2提供的所有功能，包括对各种输入格式 下的标准矩形图像、帧速率、位速率和隔行扫描图 像源的支持。 MPEG-4 Video算法的核心是支持内容基 (content-based)的编码和解码功能，也就是对 场景中使用分割算法抽取的单独的物理对象进行编 码和解码。 实现预想的内容基交互等功能，MPEG-4 Video 验证模型引进了一个叫做“电视图像对象区 (Video Object Plane，VOP)”的概念 。
亮度(Y):
858样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本 = 135兆比特/ 秒(NTSC) 864样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本 = 135兆比特/ 秒(PAL) 429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本 = 68兆比特/秒 (NTSC) 429样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本 = 68兆比特/秒 (PAL) 429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本 = 68兆比特/秒 (NTSC) 429样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本 = 68兆比特/秒 (PAL)
第十四讲 图像压缩(2)
• 编码思想：去除像素冗余。
用行程的灰度和行程的长度代替行程本身。 例：设重复次数为 iC, 重复像素值为 iP
编码为：iCiP iCiP iCiP 编码前：aaaaaaabbbbbbcccccccc 编码后：7a6b8c
第4章 图像编码
游程长度编码RLE（Run Length Encoding）：
由于一幅图像中有许多颜色相同的图块，用一整数对存储一个 像素的颜色值及相同颜色像素的数目（长度）。例如： （G ，L）
颜 色 值
长 度
编码时采用从左到右，从上到下的排列， 每当遇到一串相同数据时就用该数据及3333 222222222226666666 111111111111111111 111111555555555555 888888888888888888 555555555555553333 222222222222222222
第4章 图像编码
1. 变换编码的特点
图像信息经过变换处理，相邻像元之间的相 关性明显下降，有利于图像的编码压缩。 图像频谱中的变换系数，表示图像在不同空 间频率上的相对幅度，而且某一空间频率所包含 的信息来自整个图像，频谱能量主要集中在低频 部分，谱能量随频率的增加而迅速下降， 再次，变换编码受噪声干扰的影响较小。图 象的变换编码，随着数字信号处理技术的发展， 特别是快速变换的算法和大规模集成电路(LSI) 的出现，使它具有实际应用的可能。
第4章 图像编码
编码举例
设图像信源编码可用a、b、c、d这4个符号 来表示，若图像信源字符集为{dacba}，信 源字符出现的概率分别如下表所示，采用 算术编码对图像字符集编码。
a b c d
信源字符
出现概率
用行程的灰度和行程的长度代替行程本身。 例：设重复次数为 iC, 重复像素值为 iP
编码为：iCiP iCiP iCiP 编码前：aaaaaaabbbbbbcccccccc 编码后：7a6b8c
第4章 图像编码
游程长度编码RLE（Run Length Encoding）：
由于一幅图像中有许多颜色相同的图块，用一整数对存储一个 像素的颜色值及相同颜色像素的数目（长度）。例如： （G ，L）
颜 色 值
长 度
编码时采用从左到右，从上到下的排列， 每当遇到一串相同数据时就用该数据及3333 222222222226666666 111111111111111111 111111555555555555 888888888888888888 555555555555553333 222222222222222222
第4章 图像编码
1. 变换编码的特点
图像信息经过变换处理，相邻像元之间的相 关性明显下降，有利于图像的编码压缩。 图像频谱中的变换系数，表示图像在不同空 间频率上的相对幅度，而且某一空间频率所包含 的信息来自整个图像，频谱能量主要集中在低频 部分，谱能量随频率的增加而迅速下降， 再次，变换编码受噪声干扰的影响较小。图 象的变换编码，随着数字信号处理技术的发展， 特别是快速变换的算法和大规模集成电路(LSI) 的出现，使它具有实际应用的可能。
第4章 图像编码
编码举例
设图像信源编码可用a、b、c、d这4个符号 来表示，若图像信源字符集为{dacba}，信 源字符出现的概率分别如下表所示，采用 算术编码对图像字符集编码。
a b c d
信源字符
出现概率
第4讲 图像压缩原理
如果消息序列的输入为：CADACDB，其编码过程如下： 首先输入的符号是C，找到它的编码范围是[0.5, 0.7]； 由于消息中第2个符号A的编码范围是[0, 0.1]，因此它的间隔就取[0.5, 0.7]的第一个1/10作为新间隔[0.5, 0.52]；
表1 信源符号、概率和初始编码间隔
符号
A
概率
（2）哈夫曼编码是可变长度码，因此很难随意查找或调 用压缩文件中间的内容，然后再译码，这就需要在存储代 码之前加以考虑。
2．算术编码
算术编码（arithmetic coding AC）是利用0和1之间的间隔 来表示信源编码的一种方法，其编码值是间隔的上、下限包含的相 同二进制。编码过程中的间隔决定了符号压缩后的输出。
2. 不可逆编码（有损编码）。此种方法的解码图像与原始图像存 在一定的误差，但视觉效果一般可以接受，压缩比可以从几倍 到上百倍调节。常用的编码有变换编码和预测编码。
根据压缩的原理分：
• （1）预测编码。它是利用空间中相邻数据的相关性来进行压缩数据的。通常
用的方法有脉冲编码调制（PCM）、增量调制（DM）、差分脉冲编码调制 （DPCM）等。这些编码主要用于声音的编码。
0
a2
0.2
0
P3 a4 0.15 1
1 a3 0.12
0
a5
0.1
1 P2
P1 a6 0.03 1
P5
0 P4
叶”，从上到下标上1（上枝）或者0（下枝），至于
哪个为1哪个为0则无关紧要，最后的结果仅仅是分配
的代码不同，而代码的平均长度是相同的。
最终编码结果为：a1 =1, a2 =000 , a3 =011, a4 =001, a5 =0100, a6 =0101
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3)正交取样结构的要求 取样频率必须是行频的整数倍。
4)制式兼容要求 为了使NTSC和PAL两种制式兼容、必须采用同
一 种 取 样 频 率 ， 而 PAL 制 行 频 为 l5625Hz，NTSC 制 行 频 为
15734Hz。二者的最小公倍数为2.25MHz。 综合以上因素，
将亮度信号的取样频率定为13.5MHz。
第4章 MPEG压缩编码技术
4.1 视频信号数字化 4.2 静画数字压缩编码 4.3 活动图像压缩编码 4.4 音频信号压缩编码
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2020年7月28日星期二
第4章 MPEG压缩编码技术
重点:活动图像MPEG压缩编码技术。 MPEG:MPEG-l、MPEG-2、MPEG-3、
MPEG-4等。(传输码率) MPEG压缩编码技术，是数字光盘设备
视频信号与音频信号的区别：
一：由于亮度信号被同步信号和消隐信号分成一段一 段的，在时间上成为不连续；
二：音频信号的频率范围只有0~20kHz，而视频信号 的频率范围则达0~6MHz，两者之间相差很大。
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第4章 MPEG压缩编码技术
对视频信号数字化的方式：全信 号数字化和分量数字化
(VCD、DVD)的核心
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第4章 MPEG压缩编码技术 第一节 视频信号数字化
视频信号数字化处理的一些基本方式，如取样、量 化、编码和D/A转换等，与音频信号基本相同。 但由于视频信号自身的特点，其数字化处理也有其 特殊性，主要表现在取样结构和取样频率上。
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第4章 MPEG压缩编码技术
(二)取样频率
在电视信号中，取样频率考虑因素：亮度、色差、其他因素。
1、亮度信号的取样频率
1)与被取样信号的带宽有关 根据奈奎斯特取样定理，取样频率 至少是信号上限频率的2倍。对PAL制要求5.8－6MHz带宽， NTSC为5.6 MHz带宽。
2)混叠要求 为了保证取样后的混叠噪声足够小，要求取样频率 是信号带宽的2.2－2.7倍，对PAL制信号，取样频率至少应为 12.72～13.2MHz，为留有余量，应大于13.2MHZ。
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第4章 MPEG压缩编码技术
码电平是指对Leabharlann 拟信号的量化级电平。若对亮度信号采用8位均匀量化，可获得256个量化级， 即码电平从0－255，对应二进制的00000000— 11111111。
由于电路工作的不稳定性、陡峭的前置滤波器和孔阑 校正电路造成的过冲及钳位过程中的过渡过程等， 亮度信号可能超过这一动态范围而产生过载性限幅。 为了避免这一现象，256个量化级要进行分配，把亮 度 信 号 的 峰 峰 值 定 为 1 V， 便 其 电 平 变 化 范 围 为 0.063V一0.922V，对应的量化级数便从16—235，共 220级，在256个量化级中上端保留20级，下端保留 16级作为保护带；
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2.色度信号的取样频率
为了获得满意的彩色图像，两个色差信号应有2MHz 带宽，另外，考虑到混叠噪声、取样频率应为行频 的整数倍、制式的兼容性等要求，色差信号的取样 频率取6.75MHz。 图4-4为亮度信号和色差信号的取样点，其中圆圈为 亮度信号的取样点，三角为色差信号的取样点。
第4章 MPEG压缩编码技术 一、视频信号数字化的特点
视频信号指的是彩色全电视信号(FBAS)：亮度信号、 色度信号、行场同步信号、行场消隐信号及其他辅 助信号组成。
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常用的电视制式：NTSC制和PAL制。
PAL制即625/50制，场频为50HZ，两场为1帧，帧频 为25Hz，每帧有625行。根据隔行扫描原理，每一场 由312.5行组成，每一帧为625行，由此构成一幅完整 的电视图像。同步信号和消隐信号是始终不变的， 变化的是亮度信号，它随图像的明暗程度而变化。
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(四)传输速率
在分量数字化中，亮度信号的取样频率为13.5MHz， 两个色差信号为6.75MHz，量化数为8，于是视频数 字信号的码率为： R＝ (13.5×8十 (6.75×8) × 2)Mbit/s＝216Mbit/s 可见它比数字音频的码率1.41Mbit/s要高得多，这就 对数字视频电路提出了更高的要求，这也是要采取 数据压缩的原因。
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二、视频信号数字标准
视频信号数字标准有两个：主要标准和普通标推。
全信号数字化：对图C信号直接进 行数字化
分量数字化：对图a、d和e信号分 别进行数字化，然后利用时分 复合方法进行处理。
分量数字化由于省去了电视信号 的反复解码和编码，亮度信号 和色差信号被分开处理，相互 间不存在干扰，同时对制式的 兼容性也好，所以目前普遍采 用分量数字化。
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第4章 MPEG压缩编码技术 (三)量化位数和码电平的分配
信号的信噪比与量化位数有关。
单极性信号，其信噪比与量化位数的关系：
S／Ng＝6n十10.8
n为量化位数
量化位数越大，信噪比越高。
综合考虑图像质量和设备技术要求等因素，采用8位量 化数比较合理，此时信噪比可达到59dB。
第4章 MPEG压缩编码技术 (一)视频信号的取样结构
无论何种制式，电视屏幕上的一幅完整图像都是以 隔行扫描的形式进行的，既有水平扫描又有垂直扫 描。这样在取样时就产生了取样点的分布问题，因 取样而构成图像上的样点排列方式称为取样结构。 视频取样结构：移动型、固定型
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第4章 MPEG压缩编码技术
两个色差信号与亮度信号不一样，它们以零 电平为中心上下分布。中心零电平对应的量 化级数为128，二进制表示为l0000000。另外 上下保护带各留16个量化级，即两个色差信 号共占用224级，从16—240，对应的二进制 为00010000一11110000。
4)制式兼容要求 为了使NTSC和PAL两种制式兼容、必须采用同
一 种 取 样 频 率 ， 而 PAL 制 行 频 为 l5625Hz，NTSC 制 行 频 为
15734Hz。二者的最小公倍数为2.25MHz。 综合以上因素，
将亮度信号的取样频率定为13.5MHz。
第4章 MPEG压缩编码技术
4.1 视频信号数字化 4.2 静画数字压缩编码 4.3 活动图像压缩编码 4.4 音频信号压缩编码
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重点:活动图像MPEG压缩编码技术。 MPEG:MPEG-l、MPEG-2、MPEG-3、
MPEG-4等。(传输码率) MPEG压缩编码技术，是数字光盘设备
视频信号与音频信号的区别：
一：由于亮度信号被同步信号和消隐信号分成一段一 段的，在时间上成为不连续；
二：音频信号的频率范围只有0~20kHz，而视频信号 的频率范围则达0~6MHz，两者之间相差很大。
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第4章 MPEG压缩编码技术
对视频信号数字化的方式：全信 号数字化和分量数字化
(VCD、DVD)的核心
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第4章 MPEG压缩编码技术 第一节 视频信号数字化
视频信号数字化处理的一些基本方式，如取样、量 化、编码和D/A转换等，与音频信号基本相同。 但由于视频信号自身的特点，其数字化处理也有其 特殊性，主要表现在取样结构和取样频率上。
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(二)取样频率
在电视信号中，取样频率考虑因素：亮度、色差、其他因素。
1、亮度信号的取样频率
1)与被取样信号的带宽有关 根据奈奎斯特取样定理，取样频率 至少是信号上限频率的2倍。对PAL制要求5.8－6MHz带宽， NTSC为5.6 MHz带宽。
2)混叠要求 为了保证取样后的混叠噪声足够小，要求取样频率 是信号带宽的2.2－2.7倍，对PAL制信号，取样频率至少应为 12.72～13.2MHz，为留有余量，应大于13.2MHZ。
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第4章 MPEG压缩编码技术
码电平是指对Leabharlann 拟信号的量化级电平。若对亮度信号采用8位均匀量化，可获得256个量化级， 即码电平从0－255，对应二进制的00000000— 11111111。
由于电路工作的不稳定性、陡峭的前置滤波器和孔阑 校正电路造成的过冲及钳位过程中的过渡过程等， 亮度信号可能超过这一动态范围而产生过载性限幅。 为了避免这一现象，256个量化级要进行分配，把亮 度 信 号 的 峰 峰 值 定 为 1 V， 便 其 电 平 变 化 范 围 为 0.063V一0.922V，对应的量化级数便从16—235，共 220级，在256个量化级中上端保留20级，下端保留 16级作为保护带；
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2.色度信号的取样频率
为了获得满意的彩色图像，两个色差信号应有2MHz 带宽，另外，考虑到混叠噪声、取样频率应为行频 的整数倍、制式的兼容性等要求，色差信号的取样 频率取6.75MHz。 图4-4为亮度信号和色差信号的取样点，其中圆圈为 亮度信号的取样点，三角为色差信号的取样点。
第4章 MPEG压缩编码技术 一、视频信号数字化的特点
视频信号指的是彩色全电视信号(FBAS)：亮度信号、 色度信号、行场同步信号、行场消隐信号及其他辅 助信号组成。
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常用的电视制式：NTSC制和PAL制。
PAL制即625/50制，场频为50HZ，两场为1帧，帧频 为25Hz，每帧有625行。根据隔行扫描原理，每一场 由312.5行组成，每一帧为625行，由此构成一幅完整 的电视图像。同步信号和消隐信号是始终不变的， 变化的是亮度信号，它随图像的明暗程度而变化。
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(四)传输速率
在分量数字化中，亮度信号的取样频率为13.5MHz， 两个色差信号为6.75MHz，量化数为8，于是视频数 字信号的码率为： R＝ (13.5×8十 (6.75×8) × 2)Mbit/s＝216Mbit/s 可见它比数字音频的码率1.41Mbit/s要高得多，这就 对数字视频电路提出了更高的要求，这也是要采取 数据压缩的原因。
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二、视频信号数字标准
视频信号数字标准有两个：主要标准和普通标推。
全信号数字化：对图C信号直接进 行数字化
分量数字化：对图a、d和e信号分 别进行数字化，然后利用时分 复合方法进行处理。
分量数字化由于省去了电视信号 的反复解码和编码，亮度信号 和色差信号被分开处理，相互 间不存在干扰，同时对制式的 兼容性也好，所以目前普遍采 用分量数字化。
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第4章 MPEG压缩编码技术 (三)量化位数和码电平的分配
信号的信噪比与量化位数有关。
单极性信号，其信噪比与量化位数的关系：
S／Ng＝6n十10.8
n为量化位数
量化位数越大，信噪比越高。
综合考虑图像质量和设备技术要求等因素，采用8位量 化数比较合理，此时信噪比可达到59dB。
第4章 MPEG压缩编码技术 (一)视频信号的取样结构
无论何种制式，电视屏幕上的一幅完整图像都是以 隔行扫描的形式进行的，既有水平扫描又有垂直扫 描。这样在取样时就产生了取样点的分布问题，因 取样而构成图像上的样点排列方式称为取样结构。 视频取样结构：移动型、固定型
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第4章 MPEG压缩编码技术
两个色差信号与亮度信号不一样，它们以零 电平为中心上下分布。中心零电平对应的量 化级数为128，二进制表示为l0000000。另外 上下保护带各留16个量化级，即两个色差信 号共占用224级，从16—240，对应的二进制 为00010000一11110000。