数字图像处理数字图像的压缩编码

debbie. bmp BMP是一种与设备无关的位图格式。 256×256，65KB 一般采用非压缩模 式
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400×400，10.9KB，
原图像数据468KB
5.1.1 图像压缩编码的必要性
2000年5月植被指数遥感图.bmp，原图像数据976×720＝2MB
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
Buaa.jpg，0.98MB ,原图像数据1900×1560＝8.5MB
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5.1.3 图像压缩编码的分类
3．按压缩方法进行分类
静图：静止图像（要求质量高） 动图：活动的序列图像（相对质量要求低，压缩 倍数要高）
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5.1.3 图像压缩编码的分类
4．按失真与否进行分类
无失真压缩：经压缩后再恢复图像与原图像无任何 区别， 一般压缩倍数 < 2
有限失真压缩：单帧（静）4～20倍。图像序列 （x、y、t）50～200倍
像素相关性大：压缩潜力大
评价受人的影响大（军标）
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5.1 概述
图像的特点
数据量大，为其存储、传输带来困难，需压缩
例：电话线传输速率一般为56kbit/s（波特率）
一幅彩色图像640×480×24bit = 7Mbit大小 1．传输一幅图像：时间约2分钟左右 如压缩20倍，传一幅图6s左右，可以接受，实用 2．实时传送：640×480×24bit×25帧/s=175Mbit/s，
小，这种信息就被称为视觉心理冗余。
33K
15K
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5.1.2 图像压缩编码的可能性
图像无损压缩的原理
RGB RGB RGB RGB
RGB
RGB RGB
RGB
RGB RGB
RGB
RGB RGB
RGB
RGB RGB
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RGB
从原来的16×3×8bit=284bit 压缩为：(1+3)×8bit=32bit
到，单个像素携带的信息相对是小的。 对于一个图像，很多单个像素对视觉的贡献是冗余的。这 是建立在对邻居值预测的基础上。
例：原图像数据：234 223 231 238 235
压缩后数据：234 11
-8
-7
3
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5.1.2 图像压缩编码的可能性
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
另外，大量资料需存储（遥感、医学CT、MR）
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
图像的数据量特别大，同时现在对图像需求的增长 超过了网络带宽的限制，所以压缩是图像传输和存储 的一个关键技术 由于图像压缩的巨大商业潜力，激励着人们提高现 有的技术或发现新的技术
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
火星腐蚀.jpg
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5.1.3 图像压缩编码的分类
图像数字化关键是编码
压缩编码:在满足一定图像质量前提下，能获得 减少数据量的编码
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5.1.3 图像压缩编码的分类
研究处理的对象
数据的物理容量 传输某个指定数据序列所需的时间 传输某个指定数据图像压缩编码的分类
１．按压缩技术所依据和使用的数据理论和计 算方法进行分类：
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5.1.2 图像压缩编码的可能性
3）频域冗余
将空域的图像变换到频域中，使得大量的信息能用较少的数 据来表示，从而达到压缩的目的
4）信息熵冗余
图像中像素灰度出现的不均匀性，造成图像信息熵冗余。即 用同样长度比特表示每一个灰度，则必然存在冗余。若将出 现概率大的灰度级用长度较短的码表示，将出现概率小的灰 度级用长度较长的码表示，有可能使编码总长度下降
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
RM格式：Real Networks公司所制定的音频视频压缩规范称为Real Media，主要用来在低速率的广域网上实时传输活动视频影像，可以 根据网络数据传输速率的不同而采用不同的压缩比率，从而实现影 像数据的实时传送和实时播放。 优点：可以把比较大的电影压缩成比较小的文件。 缺点：文件模糊不清，没有收藏价值。
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5.1.2 图像压缩编码的可能性
图像冗余信息分析结论
由于一幅图像存在数据冗余和主观视觉冗余，压缩方 式从这两方面着手来开展
1）数据冗余:将图像信息的描述方式改变之后，压缩 掉这些冗余。如统计冗余度、空域冗余度、时域冗余 度等 2）主观视觉冗余:忽略一些视觉不太明显的微小差异， 可以进行所谓的“有损”压缩
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
视频大小：640×480 帧率：23.976fps 持续时间：40.04s 总帧数：960f 原始码流：176770kbit/s 视频平均码流： 828kbit/s 压缩比：213.5
WMV是一种ASF格式升级延伸来得。在同等视频质量下，WMV格式的 体积非常小，因此很适合在网上播放和传输。 WMV格式的主要优点 包括：本地或网络回放、可扩充的媒体类型、部件下载、可伸缩的 媒体类型、流的优先级化、多语言支持、环境独立性、丰富的流间 关系以及扩展性等 。
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5.1.2 图像压缩编码的可能性
图像有损压缩的原理
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35 34 37 34
34 32 30 34
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34 34 34 34
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34 34 34 34
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
图像信息源 图像预处理 图像信源 编码
信道编码
调制
信道传输
解调
信道解码
图像信源 解码
显示图像
图像通信系统模型
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
总之，大数据量的图像信息会给存储器的存储容量、通 信干线信道的带宽以及计算机的处理速度增加极大的压 力。单纯靠增加存储器容量，提高信道带宽以及计算机 的处理速度等方法来解决这个问题是不现实的，这时就 要考虑压缩。因此，图像数据在传输和存储中，数据的 压缩都是必不可少的。
统计编码（Statistical Coding） 预测编码（Predict Coding） 变换编码（Transform coding）
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5.1.3 图像压缩编码的分类
2．按压缩过程的可逆性进行分类
熵压缩（Entropy Compression） 不可逆，在其压缩过程中，会失掉一部分信息，又叫有 损压缩 冗余度压缩（Redundancy Reduction） 完全除去或尽量除去原数据中重复和冗余的部分，保 证不丢失有用信息， 从而保证被压缩了的数据还原后 与压缩前的原数据完全一致，可逆压缩又称无失真编 码,用于文本、程序等。
第5章 数字图像的压缩编码
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 概述 预测编码 统计编码 变换编码 位平面编码 静止图像压缩编码实例 图像压缩的国际标准简介
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5.1 概述
5.1.1 幅度特征 5.1.2 直方图特征 5.1.3 变换系数特征
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5.1 概述
图像预处理 图像分割 图像分析 特征提取 目标识别
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
Water.tiff,640×480,905KB,无损
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
GIF（Graphics Interchange Format）是由 为了方便网络传送图像数据 而制定的一种图像文件格式， 主要采用无损数据压缩方法 中压缩效率较高的LZW(字典 压缩)算法。 214×155 12帧 43.1KB
原图像数据1166KB
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
PNG是Fireworks的文 件格式，专门针对网 页设计的一种无损压 缩图像文件格式 。 PNG使用从LZW派生的 无损数据压缩算法 。 1024×768 1.62MB 原图像数据2.36MB
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
视频大小：1280×720 帧率：29.915fps 持续时间：30.854s 总帧数：923f 原始码流：661672kbit/s 视频平均码流： 4644kbit/s 压缩比：142.5 AVI（Audio Video Interleave）
图像变换 图像增强 图像恢复
灰度分割 边缘检测 区域分割 数字图像处理过程
图像特征 图像描述 图像分析
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5.1 概述
问题1：数字图像的特点？
数据量大：512×512×8bit＝256KB 256KB×25帧/秒＝6400KB=6.25MB 占用的频带较宽：电视图像的带宽5～6MHz，而语 言带宽4KHz，频带越宽，技术实现难度越大
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5.1.2 图像压缩编码的可能性
2．应用环境允许图像有一定程度失真
1）接收端图像设备分辨率较低，则可降低图像分辨率 2）用户所关心的图像区域有限，可对其余部分图像采 用空间和灰级上的粗化 3）根据人的视觉特性对不敏感区进行降分辨率编码 （视觉冗余）
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5.1.2 图像压缩编码的可能性
三种数据冗余： •编码冗余 •像素冗余 •视觉心理冗余
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5.1.2 图像压缩编码的可能性
1. 数字图像本身的特征带来数据压缩的可能性
1）空域冗余
也称为空间冗余或几何冗余，是一种与像素间相关 性直接联系的数据冗余
2）时域冗余
又称时间冗余。视频序列每秒有25-30帧图像，连 续播放，相邻帧之间的时间间隔很小；同时实际生 活中的运动物体具有运动一致性，使得视频序列图 像之间有很强的相关性
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
RMVB格式：这是一种由RM视频格式升级延伸出的新视频格式，比RM多 了VB两字，在这里VB是VBR（Variable Bit Rate--可变比特率）的缩 写。
打破了原先RM格式那种平均压缩采样的方式，在保证平均压缩比的基 础上合理利用比特率资源，在保证了静止画面质量的前提下，大幅地 提高了运动图像的画面质量。 要想播放这种视频格式，可以使用RealOne Player2.0或 RealPlayer8.0加RealVideo9.0以上版本的解码器形式进行播放。 视频大小：640×256 帧率：25fps 持续时间：28.48s 总帧数： 712f 原始码流：98304kbit/s 视频平均码流： 605.7kbit/s 压缩比： 162.3
同样是以AVI为后缀的视频文件，其采用的压缩算法可能不同，需要相 应的解压软件才能识别和回放该AVI文件
AVI文件目前主要应用在多媒体光盘上，用来保存电影、电视等各种影 像信息，有时也出现在Internet上，供用户下载、欣赏新影片的精彩 片断。
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
视频大小：640×480 帧率：25fps 持续时间：32.04s 总帧数：801f 原始码流：184320kbit/s 视频平均码流： 847kbit/s 压缩比：217.6 ASF是ADVANCED STEAMING FORMAT的缩写。它是一种采用流式传输 方式在Internet播放的媒体格式，它可以将整个媒体文件分压成 一个个的数据包，再由视频服务器向用户计算机进行连续、实时 的传送。
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5.1.1 图像压缩编码的必要性
MOV是美国Apple公司开发的一种视频格式，播放器是QuickTime Player。具有较高的压缩比率和较完美的视频清晰度等特点。 MOV也可以作为一种流文件格式。QuickTime能够通过Internet提供实 时的数字化信息流、工作流与文件回放功能 视频大小：480×288 帧率：23.98fps 持续时间：90.05s 总帧数： 2159f 原始码流：79546.6kbit/s 视频平均码流： 616.58kbit/s 压缩 比：129.0
551位平面分解77552位平面编码位平面分解之后每个位平面都是二值图像编码方法有1d游程编码2d游程编码常数块编码和边界跟踪编码等方法78二值图像位平面图79灰度变码位平面图80561jpeg基本系统562应用举例563编码比特率的控制56静止图像压缩编码实例8156静止图像压缩编码实例561jpeg基本系统jpeg标准主要采用了基于块的dct变换编码综合利用了以上谈到的游程编码霍夫曼编码等方法jpeg有损压缩算法编码的流程如图所示82fdct系数编码量化量化表码表图像分割压缩的图像数据系数编码逆量化idct量化表码表图像拼接解压的图像数据jpeg基本系统框图561jpeg基本系统83不同的应用目的需要不同的编码质量或编码比特率另外jpeg编码的输出比特率将随图像局部的特性而变化而大多数的传输信道是固定比特率的
时间为50min左右
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5.1 概述
3．40G硬盘，40000MB×8÷175Mbit/s=约30min 4．如果以200bpi的分辨率传输，一张A4稿纸内容的数 据量为(200×210/25.4)×（200×297/25.4bit) =3866948 bit， 需要传送的时间是67s 实时，要专用信道（卫星、微波网、专线网等技术）
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5.1.2 图像压缩编码的可能性
编码冗余：
如果一个图像的灰度级编码，使用了多于实际
需要的编码符号，就称该图像包含了编码冗余。
例：如果用8位表示该图像的像素，我们 就说该图像存在着编码冗余，因为该图像 的像素只有两个灰度，用一位即可表示。
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5.1.2 图像压缩编码的可能性
像素冗余：
由于任何给定的像素值，原理上都可以通过它的邻居预测