第四章静止图像编码

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1 3 f fi 4 i 0
f
i=1,2,3。
di f i f
4.3 灰度图像编码
于是有:
f i di f
f 0 ( f 0 f 1 f 2 f 3) ( f 1 f 2 f 3) 4 f ( f 1 f 2 f 3) f ( f 1 f f 2 f f 3 f ) f di
当图像达到特定输出设备的分辨率时即停止解码。
4.3 灰度图像编码
1、四叉树渐进编码方式
原理:对于图像中任意一个像素,其相邻 的几个像素值有可能与其非常相似甚至相同。
因此,当我们用相邻几个像素的平均值代替
这几个像素时,仍然可以看出原图的轮廓。
4.3 灰度图像编码
4.3 灰度图像编码
假设一幅 2 n 〓 2 n 像素的图像( n 为正整数) A , 可以将A分成四个方阵A0、A1、A2和A3,它们的 大小均为N/2〓N/2,这一过程可以递归的重复n
部分,黑像素只占图像像素总是的很少一部
分,因此,若能跳过白色区域,只对黑色像
素编码,就能减少传输的数码率。
4.2 二值图像编码
(1) 一维WBS编码
一维 WBS 编码是把每一扫描行分成若干段 , 每段包含 N 个像素。若该段 N 个像素全是白色,那么 只用 1 比特的码字 0 来表示;若不全是白色,即使只 包含一个黑色像素,也都用 (N+1) 比特的码字来表示。 这 (N+1)bit 的码字中,第一个比特用 1 代表,其余的 N 比特采用直接编码,即白色用 0 ,黑色用 1 代表。
4.2 二值图像编码
【例】假如某段像素值是“黑白白黑”,那么 相 应的一维WBS编码是什么?
11001
4.2 二值图像编码
一维WBS编码的平均码字长度为:
PN 1 (1 PN ) ( N 1) 1 bN 1 PN N N (bit / 像素)
PN为某段出现全白的概率。
看到图像的大致轮廓;随着接收和解压的图像越来
越多,显示质量逐渐提高,最后看到一幅清晰的图 像。
4.3 灰度图像编码
渐进编码的好处:

如果在显示过程中,接收者觉得不用收看更为仔
细的部分,就可以通知发送端立即停止发送后续
的细节部分,从而提高了传输的效率。

如果图像经过多次压缩,并需在不同分辨率的设
备上显示时,解码器可以根据需要确定解码过程,
4.2 二值图像编码
二值图像只有两个亮度值,所以采集时每 像素用一个比特表示,用“1”代表黑,“0”代 表 白,或者反之,这通常称为直接编码。
直接编码时,代表一帧图像的码元数对于 该图像的像素数。
4.2 二值图像编码
目前传输二值图像最常用、最典型的通信 方式是传真。 ITU-T已经为传真建议了一些国际标准。 首先,它选出了 8 张标准文件样本作为标准的 测试图像;其次,它根据对传真文件的质量要 求,规定一幅A4大小的文件应该有1188条(或 2376条)扫描线,相当于 3.85(或 7.7)条线 / 毫米,每条扫描线上有1728个像素。
细节,因此要求所传输的图像具有更高的清 晰度。
在窄带信道中传输时往往需要几十秒钟才能
传完一幅完整的图像,现在多采用逐渐浮现 的编码方式。
4.2 二值图像编码
二值图像是指只有黑白两个亮度值的图 像,因此有时又称为黑白图像。
很少有自然存在的二值图像,它们大都是 人为产生的,如文件图像、建筑工程绘图、电 路设计图等。 灰度图像经比特平面分解或抖动处理后也 成为二值图像。
级数的增加,就浮现出越来越清晰的图像。
4.3 灰度图像编码
【记录四叉树的方法】
f0 f2
f1 f3
f d2
d1 d3
f f
f f
第 k级 (a)
第k级 (b)
第k-1级 (c)
4.3 灰度图像编码
对一幅图像按照 2 〓 2 的子块进行分割。现 在考虑图像中的第一个 2 〓 2 的子块, f 0 、 f 1 、 f2和f3为它的4个灰度值,计算它们的均值 和差值di:
1 0 0 0 1024 64 0 16 4 (a) 码树的建立 (b) 码字的分配 直接编码 1 1 1 1024 64 16 4 其他 0 10 110 1110 1111+XXXX
4.3 灰度图像编码
在灰度图像中,每一像素可呈现多种亮度 值。
对灰度图像的编码通常可分为两类,一类 是直接对灰度图像的亮度值进行编码 ,常用 的方法有方块编码、逐渐浮现图像的编码、 帧间编码和内插法编码。
当输入值超过阈值时输出为 1 ,反之,为 0 。这样所
建立的二值图像由于黑、白像素的空间密度不同, 就产生出灰度图像的视觉。
4.3 灰度图像编码
阈值矩阵称为抖动矩阵,它是一个
m〓m的模板,每个元素值均不相同,取值为
0 , 1 , … , 2 m -1 ,表示 0 到 2 m -1 个灰度级别 的值。
4.3 灰度图像编码
另一类是将灰度图像转化为二值图像 ,
然后再对所得的二至图像编码 ,常用的方法
有比特平面编码和抖动编码。
4.3 灰度图像编码
一、抖动编码
抖动编码是将灰度图像转换为二值图像,然后再
对二值图像进行编码的方法。
抖动其实是一种图像处理技术 ,它将灰度图 像
的矩阵与一个和空间位臵有关的阈值矩阵做比较。
对常见的典型二值文件图像,N一般约为10。
4.2 二值图像编码
(2) 二维WBS编码
二维WBS编码是把要传送的图像分成若
干块,每块含有 M 〓 N 个像素。全白像素的块
用一比特的码字0表示,而非全白块用 (MN+1)bit 的码字表示,其中第一比特为 1 , 其余的MN个比特采用直接编码。
4.2 二值图像编码
4.1 概述
利用现有的电话信道和电视信道进行窄带 静止图像的传输没有增加线路的费用,这一特 点是静止图像的优势。
4.1 概述
静止图像数字传输系统的一般结构
摄像 A/D 帧存储 压缩编码 调制
信道
显示
D/A
帧存储
解码
解调
4.1 概述
静止图像传输的特定要求:
由于图像是静止的,人眼易于观察图像中的
次,直至达到单个像素级。我们可以把 A 的图像称
为0级,A0、A1、A2和A3四个方阵的图像称为1 级,最后的单个像素为 n 级。某一个方阵可以标记为 符号 0 、 1 、 2 、 3 中的一个,该方阵与它的前一级方 阵的标记相连。
4.3 灰度图像编码
可以把图像的这种递归安排表示为树。树 的根相当于整个图像,树的叶相当于单个像 素。树的结点相当于方阵,每个结点往下都 是四条分枝,因而称这样的树为四叉树。
4.3 灰度图像编码
【抖动编码的过程】
将抖动矩阵在整幅灰度图像上做周期性
移动,并与灰度图像作比较,当图像的像素 值大于对应抖动矩阵的像素值时输出为 1 ,反 之输出为0,这样就可获得二值图像。
抖动法建立二值图像的过程
5 6 7 8 4 6 7 9 5 7 8 9 8 9 12 13 0 12 3 15 8 4 11 7 2 14 1 13 10 6 9 5
4.2 二值图像编码
1、游程长度编码(RLC编码)
也叫行程长度编码,其基本思想是:当按照 二值图像从左到右的扫描顺序去观察每一行 时,一定数量的连续白点和一定数量的连续黑 点总是交替出现。
4.2 二值图像编码
若干取相同值的连续像素的数目叫做游程 长度,简称游长,把连续白点和黑点的数目分 别叫做“白长”和“黑长”。对不同长度的白 长和 黑长按其不同的出现概率分配以不同长度的码 字,就是游程长度编码。
(a) 输入图像(亮度值)
(b) 抖动矩阵
(c) 输出二值图像
灰度图像的抖动处理
4.3 灰度图像编码
二、逐渐浮现图像的编码(渐进编码)
基本思想:在发送端首先传输一幅低分辨率的
图像,然后随着传输过程的进行,逐渐传送细节部 分;在接收端,解码器可以快速显示一整幅低质量 的图像,虽然图像不甚清晰,但接收者可以较快地
4.2 二值图像编码
游程长度编码先对每一行交替出现的白长和 黑长进行统计,然后进行变长编码。在进行变 长编码时,经常采用哈夫曼编码,在大量统计 的基础上,得到每种白长和黑长的发生概率。
概率可分为两种情况:一种是白长和黑长各 自发生的概率分布;另一种是游长的概率分 布,而不区分黑长和白长。
4.2 二值图像编码
4.3 灰度图像编码
【例】通过四叉树算法对4〓4的矩阵进行编码。
2 4 2 4 5 5 4 6 1 4 5 3 6 1 8 4
4.3 灰度图像编码
【解】首先臵k=2,将2〓2个像素组成一个子块,共划 分出4个子块 。
f00 f02 f20 f22 f01 f03 f21 f23 f10 f12 f30 f32 f11 f13 f31 f33 第一次处理 2 4 2 4 5 5 4 6 1 4 5 3 6 1 8 4 显示为 4 4 4 4 4 3 3 5 5 3 3 5 5 f0 f0 f0 f2 f2 f1 f1 f3 f3 f1 f1 f3 f3
N=4的四叉树
0级 根 00 02 1级 0 1 2 3 2 32 2级 00 01 02 03 … … 30 31 32 33 (b) 图像方阵 33 01 1 03 30 31
(a) 四叉树
4.3 灰度图像编码
四叉树所包含的全部结点数:
n 1 4 1 4 n k L 4 4 3 3 k 0 n
i 1 3
4.3 灰度图像编码
由上面的式子可见,利用图像子块的一个 均值和三个差值,可以恢复出该子块的4个像 素值,因此可以用均值 数据,具体算法如下。
f和差值di作为存储
4.3 灰度图像编码
第一步,臵图像级数k=n,即代表像素级, 此时分辨率最高; 第二步,将第k级图像分为2〓2的子块,对 每个子块计算其均值和三个差值d1~d3; 第三步,将计算的均值构成第k-1级图像,而 差值记为差值数组D(k+1)。如果k>0,则 k=k-1,转第二步;否则,结束。
游长编码主要应用于ITU为传真制定的G3 标准中,在该标准中,对黑长和白长分别建 立了哈夫曼码表,并且规定每一行总以白长 开始,且其长度可以是0,而以一个一维的 EOL码(行尾码)结束。
4.2 二值图像编码
设游程长度编码的信息符号集由长度为 1,2,…,N的各种游长组成。这里N是一条 扫描线上的像素总数。如果不分黑、白游长 而进行统一编码,并设pi为长度为i的游长出 现的概率,则游长的熵H和平均游长分别为:
第四章 静止图像编码
4.1 概述
4.2 二值图像编码 4.3 灰度图像编码 4.4 静止图像编码标准 作业
4.1 概述
所谓静止图像,是相对于运动图像而言, 指观察到的图像内容和状态是不变化的。
静止图像有两种情况,一种是信源为静止 的;另一种是从运动图像中截取的某一帧图像 形成的,有时也称为“凝固”图像。 静止图像是不动的,可以用较长的时间间 隔对其进行抽样。
在实际中,人们常常根据图像的局部结构
或同级特性改变段或子块的大小,进行自适应
编码,则编码效果会得到进一步改善。
4.2 二值图像编码
【例】下图是一种一维自适应WBS。设一行 像素为1024个,编码时将1024个像素分成几 段,每段长度分别为1024,64,16,4,所 涉及的码字如图(b)所示。
自适应WBS举例
为了要存储所有的方阵,以便传输到接收端
以获得逐渐浮现的图像,所需要的存储量大
约增加了1/3。
4.3 灰度图像编码
在逐渐浮现的图像传输中,先传输 0 级图 像,它的值是所有像素亮度值的平均值 ,再 传输 1 级图像,它在四个方阵中的值为各方阵 中所含像素亮度值的平均值,这样,开始传 输的级数低的图像反映了图像的概貌 ,随着
A3码表示15种游长
游程长度 1 2 3 4 5 6 7 8 000 码字 001 010 011 100 101 110 111 001

9 10 000 000 000

111 001


4.2 二值图像编码
2、二值图像的方块编码
跳过白色块(WBS)编码的基本思想:在
实际中,大多数二值图像都是白色背景占大
H p i lbpi
i 1 N
L
ip
i 1
NBiblioteka Baidu
i
4.2 二值图像编码
于是游程长度的符号熵(即平均每个像素 的熵)为:
H h L
4.2 二值图像编码
当游长的分布是短游长出现的概率大,长 游长的概率小时,可以采用所谓线性码,这 种码的码长近似与游长成正比,常称为Ai码。 这里i代表码字固定的长度递增单位(比特)。
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