【大学课件】图像压缩编码标准
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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。
图像压缩编码ppt课件
11
7.1.3、 图像压缩编码分类 (Coding methods of Image Compression
数字图像压缩编码分类方法有很多，但从不同的角度，可以有 不同的划分。从信息论角度分，可以将图像的压缩编码方法分为无 失真压缩编码和有限失真编码。
无失真图像压缩编码利用图像信源概率分布的不均匀性， 通过变长编码来减少信源数据冗余，使编码后的图像数据接 近其信息熵而不产生失真，因而也通常被称为熵编码。
图7.3 时间冗余
8
7.1.2、图像数据冗余 (Image data redundancy)
3. 信息熵冗余
信息熵冗余是针对数据的信息量而言的。设某种编码的平均码长 为
k 1
L p(si )l(si ) i0
式中，l(si )为分配给第符号 si 的比特数，p(si为) 符号出现的概率。
这种压缩的目的就是要使L接近 H X
随着人们认识的深入，某些图像所具有的先验知识，如人脸 图像的固有结构（包括眼、耳、鼻、口等）为人们所熟悉。这些由 先验知识得到的规律结构就是知识冗余。
6. 视觉冗余
由于人眼的视觉特性所限，人眼不能完全感觉到图像画面的所有细 小的变化。例如人眼的视觉对图像边缘的剧烈变化不敏感，而对图 像的亮度信息非常敏感，因此经过图像压缩后，虽然丢了一些信息， 但从人眼的视觉上并未感到其中的变化，而仍认为图像具有良好的 质量。
有限失真编码则是根据人眼视觉特性，在允许图像产生一 定失真的情况下（尽管这种失真常常不为人眼所觉察），利用 图像信源在空间和时间上具有较大的相关性这一特点，通过某 一种信号变换来消除信源的相关性、减少信号方差，达到压缩 编码的目的。
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7.1.4、压缩技术的性能指标(Evaluation Index of Image Compression approaches)
7.1.3、 图像压缩编码分类 (Coding methods of Image Compression
数字图像压缩编码分类方法有很多，但从不同的角度，可以有 不同的划分。从信息论角度分，可以将图像的压缩编码方法分为无 失真压缩编码和有限失真编码。
无失真图像压缩编码利用图像信源概率分布的不均匀性， 通过变长编码来减少信源数据冗余，使编码后的图像数据接 近其信息熵而不产生失真，因而也通常被称为熵编码。
图7.3 时间冗余
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7.1.2、图像数据冗余 (Image data redundancy)
3. 信息熵冗余
信息熵冗余是针对数据的信息量而言的。设某种编码的平均码长 为
k 1
L p(si )l(si ) i0
式中，l(si )为分配给第符号 si 的比特数，p(si为) 符号出现的概率。
这种压缩的目的就是要使L接近 H X
随着人们认识的深入，某些图像所具有的先验知识，如人脸 图像的固有结构（包括眼、耳、鼻、口等）为人们所熟悉。这些由 先验知识得到的规律结构就是知识冗余。
6. 视觉冗余
由于人眼的视觉特性所限，人眼不能完全感觉到图像画面的所有细 小的变化。例如人眼的视觉对图像边缘的剧烈变化不敏感，而对图 像的亮度信息非常敏感，因此经过图像压缩后，虽然丢了一些信息， 但从人眼的视觉上并未感到其中的变化，而仍认为图像具有良好的 质量。
有限失真编码则是根据人眼视觉特性，在允许图像产生一 定失真的情况下（尽管这种失真常常不为人眼所觉察），利用 图像信源在空间和时间上具有较大的相关性这一特点，通过某 一种信号变换来消除信源的相关性、减少信号方差，达到压缩 编码的目的。
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7.1.4、压缩技术的性能指标(Evaluation Index of Image Compression approaches)
课件：第14章 图像编码与压缩
Huffman编码示意图
• 左图所示为建立码的过程
• 右图所示为从根开始，经各中间节点到叶节点的路径采用 二进制编码的情况
3．Huffman编码的性能
• 优点：
– 实现Huffman编码的基础是统计源数据集中各信号的概率分布。
– Huffman编码在无失真的编码方法中效率优于其他编码方法，是 一种最佳变长码，其平均码长接近于熵值。
• 图像的尺寸为w·h。
典型图像的数据量
图像种类
图像参数
二值传真图像 灰度图像
A4（210 297 mm）大小、1728 2376 2色分辨 率
512512，8 bit灰度等级
VGA图像 CIF视频图像 HDTV亮度信号
640 480 256色
352 288 256色，亮度取样率为3 MHz，亮度和两 色差按4∶1∶1取样，亮色量化位数共12 bit，帧频 29.97，按1 s计算
• 编码效率
n H (x) R(x)
压缩比
• 定义为压缩前图像每像素码长的平均值与
压缩后每像素码长的平均值之比
MN
rb(i, j)
Cr
i 1 M
j 1 N
rc(i,
j)
rb rc
i1 j1
客观评价SNR
• SNR（信噪比）指压缩前的图像信号方差与
解压缩后重建信号误差方差的比值
S
NR
1
0lo
g
2 x 2 e
图像质量的主观评价等级
评分 5 4
3
2
评价 优秀 良好
中等
差
说明 图像质量非常好 图像质量高,有很小的干扰但不影响观看 图像质量可接受,但有一些干扰,对观看稍 有妨碍
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
第24页/共107页
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）
第12页/共107页
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；
第13页/共107页
• (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。
33K
15K
第14页/共107页
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
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素*288行
ppt课件
5
视频编码图像格式一览表
ppt课件
6
图像帧
I帧 P帧 B帧 D帧
ppt课件
7
图像的传输顺序和显示顺序不同
ppt课件
8
二、H.26x建议
1、H.261建议
H.261又称为P*64，其中P为64kb/s的取值范围， 是1到30的可变参数，它最初是针对在ISDN上实现 电信会议应用特别是面对面的可视电话和视频会 议而设计的，色度采用4:2:0采样。
欧洲、我国：720像素*576行 美国、日本：720像素*480行
像素减半 丢掉一场
MPEG-1 SIF：360像素*288行
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3
宏块： 16*16像
素
SIF左右各
360不能被16整除 舍4像素
SIF：360 像素
SIF有效像 素区362像 素*288行
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4
SIF有效像 素区362像 H.261 公用中间格式 CIF（common intermedia format）
H.264/MPEG-4 AVC是一种面向块的基于运动补偿的编解码器标准。由ITUT视频编码专家组与ISO/IEC联合工作组——即动态图像专家组（MPEG）— —联合组成的联合视频组（JVT，Joint Video Team）开发。因ITU-T H.264 标准和 ISO/IEC MPEG-4 AVC标准（正式名称是ISO/IEC 14496-10 — MPEG-4 第十部分，高级视频编码）有相同的技术内容，故被共同管理。 H.264因其是蓝光盘的一种编解码标准而著名，所有蓝光盘播放器都必须 能解码H.264。它也被广泛用于网络流数据源如Vimeo、YouTube、以及 iTunes Store，网络软件如Adobe Flash Player和Microsoft Silverlight，以及各 种HDTV陆基广播（ATSC，ISDB-T，DVB-T或DVB-T2），线缆（DVB-C）以 及卫星（DVB-S和DVB-S2）。 H.264/AVC项目意图创建一种视频标准。与旧标准相比，它能够在更低带 宽下提供优质视频（换言之，只有MPEG-2，H.263或MPEG-4第2部分的一 半带宽或更少），也不增加太多设计复杂度使得无法实现或实现成本过 高。另一目的是提供足够的灵活性以在各种应用、网络及系统中使用， 包括高、低带宽，高、低视频分辨率，广播，DVD存储，RTP/IP网络，以 及ITU-T多媒体电话系统。
图像压缩编码标准
ppt课件
1
分类：
图像压缩 编码标准
静止
JPEG JPEG2000
运动
ITU制定：H.26X（H.261、 H.263 、 H.264 ） ISO、IEC制定：MPEG-x（ MPEG-1、 2、4、7）
ppt课件
2
一、图像尺寸的规定及帧类型定义
亮度：Y
720像素
色差:CB、CR 360像素
编码模式：
ppt课件
14
ppt课件
15
ppt课件
16
ppt课件
17
ppt课件
18
3、H.263+、H.263++
H.263v2（通常也叫做H.263+或者1998年版H.263）是ITU-T H.263 视频编码标准第 二版的非正式名称。 它保持了原先版本H.263的所有技术，但是通过增加了几个 附录显著的提高了编码效率并提供了其它的一些能力，例如增强了抵抗传输信道 的数据丢失的能力（Robustness）。 H.263+ 项目于1998年2月在ITU正式通过。接下来一个被称为"H.263++" 的项目被 随即推出，在H.263+的基础上增加了更多的新的功能。H.263++（亦称H.263v3或 2000版H.263）于2000年底完成。
码；(5)采用事先预测和与 MPEG中的P-B帧一样的帧预测 方法；(6)H.263支持5种分辨率， 即除了支持H.261中所支持的 QCIF和CIF外，还支持SQCIF、 4CIF和16CIF，SQCIF相当于 QCIF一半的分辨率，而4CIF和 16CIF分别为CIF的4倍和16倍。
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13
ppt课件
22
H.264 的主要优点包括: 1. 在相同的重建图像质量下，H.264 比H.263+和MPEG-4(SP)减小50%码率。 2. 对信道时延的适应性较强，既可工作于低时延模式以满足实时业务， 如会议电视等；又可工作于无时延限制的场合，如视频存储等。 3. 提高网络适应性，采用“网络友好”的结构和语法，加强对误码和丢 包的处理，提高解码器的差错恢复能力。 4. 在编/解码器中采用复杂度可分级设计，在图像质量和编码处理之间可 分级，以适应不同复杂度的应用。 相对于先期的视频压缩标准，H.264 引入了很多先进的技术，包括4×4 整数变换、空域内的帧内预测、1/4 象素精度的运动估计、多参考帧与多 种大小块的帧间预测技术等。新技术带来了较高的压缩比，同时大大提 高了算法的复杂度。
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12
：(1)H.263的运动补偿使用半 象素精度，而H.261则用全象 素精度和循环滤波；(2)数据 流层次结构的某些部分在
H.263中是可选的，使得编解 码可以配置成更低的数据率或
更好的纠错能力；(3)H.263包 含四个可协商的选项以改善性
能；(4)H.263采用无限制的运 动向量以及基于语法的算术编
H.261规定图象输入格式有两种：CIF和QCIF。 1、2 CIF
当P= >=6 CIF、QCIF
ppt课件
9
结构组成：
图像层P (Picture layer)
块组层GOB
(group of block layer)
宏块层MB
(macro block layer)
块层
H.263+新增几种编码模式用于提高压缩比
增强的PB帧 高级帧内编码模式 块效应消除滤波器 分级编码模式 分片结构模式 附加增强信息模式 参考帧重取样
ppt课件
20
H.263++在H.263+基础上新增三种编码模式 主要用于增强抗误码性能及增强编码效率
ppt课件
21
4、H.264
ppt课件
10
H.261数据结构图：
ppt课件
11
2、H.263建议
H.263是由ITU-T制定的视频会议用的低码率视频编码标准，属于视频 编解码器 基于之前的视频编码国际标准（H.261，MPEG-1和H.262／MPEG-2）， H.263的性能有了革命性的提高。它的第一版于1995年完成，在所有 码率下都优于之前的H.261。 H.263是基于运动补偿的DPCM的混合编码，在运动补偿的DPCM混合 编码，在运动搜索的基础上进行运动补偿，然后运用DCT变换和“之” 字形扫描 编码，从而得到输出码流。H.263在H.261建议的基础上， 将运动矢量的搜索增加为半象素点搜索；同时又增加了无限制运动 矢量、基于语法的算术编码、 高级预测技术和PB帧编码等四个高级 选项；从而达到了进一步降低码速率和提高编码质量的目的。
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图像帧
I帧 P帧 B帧 D帧
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图像的传输顺序和显示顺序不同
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二、H.26x建议
1、H.261建议
H.261又称为P*64，其中P为64kb/s的取值范围， 是1到30的可变参数，它最初是针对在ISDN上实现 电信会议应用特别是面对面的可视电话和视频会 议而设计的，色度采用4:2:0采样。
欧洲、我国：720像素*576行 美国、日本：720像素*480行
像素减半 丢掉一场
MPEG-1 SIF：360像素*288行
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宏块： 16*16像
素
SIF左右各
360不能被16整除 舍4像素
SIF：360 像素
SIF有效像 素区362像 素*288行
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SIF有效像 素区362像 H.261 公用中间格式 CIF（common intermedia format）
H.264/MPEG-4 AVC是一种面向块的基于运动补偿的编解码器标准。由ITUT视频编码专家组与ISO/IEC联合工作组——即动态图像专家组（MPEG）— —联合组成的联合视频组（JVT，Joint Video Team）开发。因ITU-T H.264 标准和 ISO/IEC MPEG-4 AVC标准（正式名称是ISO/IEC 14496-10 — MPEG-4 第十部分，高级视频编码）有相同的技术内容，故被共同管理。 H.264因其是蓝光盘的一种编解码标准而著名，所有蓝光盘播放器都必须 能解码H.264。它也被广泛用于网络流数据源如Vimeo、YouTube、以及 iTunes Store，网络软件如Adobe Flash Player和Microsoft Silverlight，以及各 种HDTV陆基广播（ATSC，ISDB-T，DVB-T或DVB-T2），线缆（DVB-C）以 及卫星（DVB-S和DVB-S2）。 H.264/AVC项目意图创建一种视频标准。与旧标准相比，它能够在更低带 宽下提供优质视频（换言之，只有MPEG-2，H.263或MPEG-4第2部分的一 半带宽或更少），也不增加太多设计复杂度使得无法实现或实现成本过 高。另一目的是提供足够的灵活性以在各种应用、网络及系统中使用， 包括高、低带宽，高、低视频分辨率，广播，DVD存储，RTP/IP网络，以 及ITU-T多媒体电话系统。
图像压缩编码标准
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1
分类：
图像压缩 编码标准
静止
JPEG JPEG2000
运动
ITU制定：H.26X（H.261、 H.263 、 H.264 ） ISO、IEC制定：MPEG-x（ MPEG-1、 2、4、7）
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2
一、图像尺寸的规定及帧类型定义
亮度：Y
720像素
色差:CB、CR 360像素
编码模式：
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3、H.263+、H.263++
H.263v2（通常也叫做H.263+或者1998年版H.263）是ITU-T H.263 视频编码标准第 二版的非正式名称。 它保持了原先版本H.263的所有技术，但是通过增加了几个 附录显著的提高了编码效率并提供了其它的一些能力，例如增强了抵抗传输信道 的数据丢失的能力（Robustness）。 H.263+ 项目于1998年2月在ITU正式通过。接下来一个被称为"H.263++" 的项目被 随即推出，在H.263+的基础上增加了更多的新的功能。H.263++（亦称H.263v3或 2000版H.263）于2000年底完成。
码；(5)采用事先预测和与 MPEG中的P-B帧一样的帧预测 方法；(6)H.263支持5种分辨率， 即除了支持H.261中所支持的 QCIF和CIF外，还支持SQCIF、 4CIF和16CIF，SQCIF相当于 QCIF一半的分辨率，而4CIF和 16CIF分别为CIF的4倍和16倍。
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H.264 的主要优点包括: 1. 在相同的重建图像质量下，H.264 比H.263+和MPEG-4(SP)减小50%码率。 2. 对信道时延的适应性较强，既可工作于低时延模式以满足实时业务， 如会议电视等；又可工作于无时延限制的场合，如视频存储等。 3. 提高网络适应性，采用“网络友好”的结构和语法，加强对误码和丢 包的处理，提高解码器的差错恢复能力。 4. 在编/解码器中采用复杂度可分级设计，在图像质量和编码处理之间可 分级，以适应不同复杂度的应用。 相对于先期的视频压缩标准，H.264 引入了很多先进的技术，包括4×4 整数变换、空域内的帧内预测、1/4 象素精度的运动估计、多参考帧与多 种大小块的帧间预测技术等。新技术带来了较高的压缩比，同时大大提 高了算法的复杂度。
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：(1)H.263的运动补偿使用半 象素精度，而H.261则用全象 素精度和循环滤波；(2)数据 流层次结构的某些部分在
H.263中是可选的，使得编解 码可以配置成更低的数据率或
更好的纠错能力；(3)H.263包 含四个可协商的选项以改善性
能；(4)H.263采用无限制的运 动向量以及基于语法的算术编
H.261规定图象输入格式有两种：CIF和QCIF。 1、2 CIF
当P= >=6 CIF、QCIF
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结构组成：
图像层P (Picture layer)
块组层GOB
(group of block layer)
宏块层MB
(macro block layer)
块层
H.263+新增几种编码模式用于提高压缩比
增强的PB帧 高级帧内编码模式 块效应消除滤波器 分级编码模式 分片结构模式 附加增强信息模式 参考帧重取样
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H.263++在H.263+基础上新增三种编码模式 主要用于增强抗误码性能及增强编码效率
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4、H.264
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H.261数据结构图：
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2、H.263建议
H.263是由ITU-T制定的视频会议用的低码率视频编码标准，属于视频 编解码器 基于之前的视频编码国际标准（H.261，MPEG-1和H.262／MPEG-2）， H.263的性能有了革命性的提高。它的第一版于1995年完成，在所有 码率下都优于之前的H.261。 H.263是基于运动补偿的DPCM的混合编码，在运动补偿的DPCM混合 编码，在运动搜索的基础上进行运动补偿，然后运用DCT变换和“之” 字形扫描 编码，从而得到输出码流。H.263在H.261建议的基础上， 将运动矢量的搜索增加为半象素点搜索；同时又增加了无限制运动 矢量、基于语法的算术编码、 高级预测技术和PB帧编码等四个高级 选项；从而达到了进一步降低码速率和提高编码质量的目的。