chap08 图像压缩编码

图像压缩编码技术分类
行程编码
第 一 代 压 缩 编 码
像素编码
算术编码
熵编码
增量调制
预测编码
DPCM调制
变换编码 其他编码
DCT变换
位平面编码
图像压缩编码
图像压缩编码技术分类
子带编码 第 二 代 压 缩 编 码 分层编码 分型编码
模型编码
图像压缩编码
图像压缩编码技术分类
无损（无失真）编码； 有损（有失真）编码；
图像压缩编码
8.2 统计编码技术
8.2.2 香农-范诺编码
香农范诺编码；
可变字长编码方式；
基本原则：符号的码字长度Ni完全由该符号出现
的概率来决定；
公式：
log D Pi N i log D Pi 1
（D为所用的编码进制；）
图像压缩编码
8.2 统计编码技术
8.2.2 香农-范诺编码
34
35
34
34
31
实际图像中冗余信息的表现（灰度图）
图像压缩编码
图像压缩
相邻两帧；
Mother_daughter第0帧
Mother_daughter第1帧
图像压缩编码
视频之间的时间冗余
图像压缩
相邻两帧；
第1帧
第2帧
视频之间的时间冗余
图像压缩编码
图像压缩
结构冗余
图像压缩编码
图像压缩
图像编码与压缩就是对图像数据按一定的规则进行 变换和组合，达到以尽可能少的代码（符号）来表 示尽可能多的图像信息。即在保证图像观察质量的 前提下，尽可能最大限度地降低码率，以利于节省 图像数据的存储空间，减少传输时间、传输通道， 降低成本。
图像压缩编码
8.2 统计编码技术
8.2.2 香农-范诺编码 编码举例；
已知某信源发出的8个消息，其信源概率分布是不均匀的，分别为
｛0.1，0.18，0.4，0.05，0.06，0.1，0.07，0.04｝;
图像压缩编码
8.2 统计编码技术
8.2.2 香农-范诺编码
二分法香农范诺编码法；



8.1 图像编码基础
8.1.2 图像压缩编码的系统评价
客观保真度评价准则； 峰值信噪比PSNR；
一般，PSNR <30 dB 的图 像不能用； PSNR 在35dB 左右可接受
f 2 max PSNR 10 lg M 1 N 1 2 ˆ f x, y f x, y x 0 y 0
图像压缩编码
图像压缩
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）
图像压缩编码
图像压缩
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


ˆ x, y f x, y 2 f
1 M 1 N 1 f f x, y MN x 0 y 0
图像压缩编码

2 M 1 N 1 f x, y f x 0 y 0 SNR 10 lg M 1 N 1 2 ˆ f x, y f x, y x 0 y 0
具体流程如下：传输前压缩；接收端解压重建；
图像压缩传输系统框图
图像压缩编码
图像压缩编码技术分类
各种图像压缩技术，出发点： 改变图像信息的描述方式，以压缩掉图像中的数据冗余；
忽略一些视觉不太明显的微小差异，以压缩掉图像中的视
觉冗余；
统计编码、预测编码、 变换编码 模型编码、混合编码等等
图像压缩编码
li 1 1 li 1
n n li 1 1 li 1
n
n
p ( li 1li ) 2
条件熵； H (li / li 1 ) 高阶熵； 可取N个像素的子块； 称一
阶熵
p p(li 1li ) log 2 (li / li1 )
H 0 (l ) H1 (l ) H 2 (l ) H 3 (l )......
平均码字长度R；
编码效率； 压缩比；

R ni p li
i 1
m
H R
L s Ld Pr 100 % Ls (原数据量--压缩后数据量)/原数据量；
编码前后平均码长之比r=n/R；
冗余度r；
r 1
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
8.1.2 图像压缩编码的系统评价
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
8.1.2 图像压缩编码的系统评价
图像压缩编码：既要考虑数据量的压缩，也要重
视图像编码质量； 基于压缩编码参数的评价； 基于保真度准则的评价； 算法的适用范围； 算法的复杂度；
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
8.1.2 图像压缩编码的系统评价
基于压缩编码参数的评价；
图像压缩编码技术的分类
从图像压缩技术 的历史发展过程 进行分类
第一代压缩编码； 八十年代以前，主要是根据传统的信源编码方法；
第二代压缩编码；
八十年代以后，突破信源编码理论，结合分形、模型
基、神经网络、小波变换等数学工具，充分利用视觉 系统生理心理特性和图像信源的各种特性；
图像压缩编码
图像处理与通信
第8章 图像压缩编码
图像压缩
压缩的原因（必要性）； 图像数据量巨大；
实时传输，信道带宽；存储； 如：分辨率640*480的彩色图像，每秒30帧，
640*480*24*30=221.12M；
图像压缩编码
图像压缩
GIF
214×155
43.1KB
12帧
原图像数据1166KB PNG 1024×768 1.62MB 原图像数据 2.36MB
编码步骤；
将信源符号按其出现概率从大到小排序;
计算出各概率对应的码字长度Ni; 计算累加概率Ai; 把各个累加概率Ai由十进制转化为二进制，取
该二进制数的前Ni位作为对应信源符号的码字;
A1 0; Ai Ai 1 Pi 1 ;(i 2,3,......, N )
8.1.1 图像信息的熵值概念
考察图像信源； 图像的信源熵值（图像熵值）；
等概时；
ni / N pi
实际非等概时； H (l ) 8比特/符号
定义相对熵h； h H (l ) / H (l ) max
定义剩余度r；
r 1 h
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
8.1.1 图像信息的熵值概念
基于保真度准则的评价；
图像的品质：核心为保真度（逼真度）； 与标准图像之间的偏差；
亮度、对比度、色度和分辨率等；
两类； 客观保真度准则（定量评价）；
用公式对逼真度给出具体数据的描述；
主观保真度准则（定性评价）；
由人去观察给出主观的评价；
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
8.1.2 图像压缩编码的系统评价 客观保真度评价准则；
图像压缩编码的系统评价；
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
8.1.1 图像信息的熵值概念
信息量的度量； 信源的熵； 表征平均信息量；
信源的最大熵；
等概分布时取得；
当信源概率非等概分布时；
H (l )max log
m 2
实际的信源熵小于最大熵；
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
2这个行程最后编码输出为1101101862基于dct的顺序编码模式图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式编码小结图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式1子图分割图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式2像素层次移动128图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式3dct变换图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式4量化图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式5熵编码预测编码行程编码无损压缩编码26332611eob图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式5熵编码无损压缩编码26332610101100100001010001011000100110100011001100011110011001011111001101101100110111101001eob0001010图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式解码过程101数据流变成十进制数据图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式2反向量化图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式3逆dct变换图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式4像素层次的还原图像压缩编码862基于dct的顺序编码模式图像压缩编码jpeg压缩比为1100以30倍左右效果为好
图像的零阶熵值，记为
H 0 (l ) ；
图像的条件熵
基于无记忆的信源；
实际图像信息源各符号是相关的； 条件概率；
联合概率；
联合熵；
p(li / li 1 ) p(li 1li ) p(li 1 ) p(li / li 1g
编码种类 无损压缩 编码方法 霍夫曼编码、算术编码、行程编码 预测编码 频率域方法 空间域方法 模型方法 分形编码、 模型基编 码
从图像解码结 果是否保真角 度进行分类
有损压缩
DPCM、 运动估计 补偿
变换编码 统计分块编 （DCT等）、 码 子带编码 （小波变换 等）
混合编码
JPEG、H.26X系列、MPEG-X系列
图像压缩编码
图像压缩
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
图像压缩编码
图像压缩
压缩的可能性；
理论基础：信息论；
图像数据存在各种冗余：空间冗余、时间冗余、
1 erms 均方根误差MSE； MN
均方根信噪比SNR；
M 1 N 1 x 0 y 0
fˆ x, y f x, y
2

1
2
SNRms
M 1 N 1

x 0 y 0
ˆ f x, y
2
M 1 N 1 x 0 y 0


f max max f x, y
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
8.1.2 图像压缩编码的系统评价
主观保真度评价准则；
由专家或外行人对图像进行主观评价，给出评
价等级；
对单幅图像；
对一组图像；
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
8.1.3 测试用的标准图像 为什么要用标准图像；
某种图像压缩编码算法对不同图像的编码效率可能不同；
(a) Lena
(b) Barbara 图像含物体 边缘细节信 息多；
(c) Mandrill
帽子羽毛、头发部分高频信息 多，肩部亮度过渡平滑；
高频信息极 其丰富；
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
8.1.3 测试用的标准图像
将信源符号按照其出现概率从大到小排序；
从这个概率集合中的某个位置将其分为两个子集
合；并尽量使两个子集合的概率和近似相等，给 前面一个子集合赋值为0，后面一个子集合赋值 为1； 重复步骤2，直到各个子集合中只有一个元素为 止； 将每个元素所属的子集合的值依次串起来，即可 得到各个元素的编码；
测试用标准图像
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
8.1.3 测试用的标准图像
测试用标准图像
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
8.1.3 测试用的标准图像
图像压缩编码
8.2 统计编码技术
统计编码； 基于信源熵值理论的一类无损编码；
根据符号出现的概率分布特性进行的；
主要有； 霍夫曼编码； 香农-范诺编码； 行程编码(游程编码RLC)；
图像压缩编码
第8章 图像压缩编码
8.1 图像编码基础； 8.2 图像的统计编码；
行程编码、霍夫曼编码、算术编码等
8.3 预测编码； 8.4 变换编码（DCT）； 8.5 静止图像编码标准JPEG； 8.6 运动图像编码标准MPEG；
图像压缩编码
8.1 图像编码基础
图像信源的熵值概念；
构造一个称为“Huffman树”的二叉树；
对这个二叉树进行编码，就获得了Huffman编码码字；
图像压缩编码
8.2 统计编码技术
8.2.1 霍夫曼编码
图像压缩编码
8.2 统计编码技术
8.2.1 霍夫曼编码 编码性能； 平均码长R：2.61 b/符号； 熵：H = 2.55 b/符号； 编码效率：η=H/R=2.55/2.61=97.8℅； 霍夫曼编码方法是平均码长以最大限度地逼近其 信源熵值的最好方法； 实际，将图像按分块进行； 与其他图像压缩法结合使用；
信息熵冗余、结构冗余、知识冗余、视觉冗余、 其他冗余；
图像相邻像素间、相邻行间及相邻帧之间，都存在
很强的相关性。
许多应用环境允许图像有一定程度失真；
图像压缩编码
图像压缩
一帧图像数据的空间冗余
36 34 33 34
35 34 37 34
34 32 30 34
34 34 34 34
34 34 34 34
算术编码；
图像压缩编码
8.2 统计编码技术
8.2.1 霍夫曼编码
为了达到大的压缩率，提出了一种方法就是将在图像中出 现频度大的像素值，给一个比较短的编码，将出现频度小 的像素值,给一个比较长的编码；
首先求出图像中灰度分布的灰度直方图； 根据该直方图，对其按照分布概率从小到大的顺序进行排列； 每一次从中选择出两个概率为最小的节点相加，形成一个新的节点，