第7章图像压缩标准
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
3. JPEG压缩算法的实现
• 1) 构造子图像 子图像尺寸：8 x 8 • 2) 颜色空间转换
人 眼 对 亮 度 更 敏 感 ， 提 取 亮 度 特 征 ， 将 RGB 转 换 为 YCbCr模型，编码时对亮度采用特殊编码：
Y = 0.299R + 0.5870G + 0.1140B Cb = –0.1787R – 0.3313G +0.5000B +128 Cr = 0.5000R – 0.4187G – 0.0813B + 128 颜色解码： R = Y + 1.40200(Cr – 128) G = Y – 0.34414(Cb – 128) – 0.71414(Cr – 128) B = Y + 1.77200(Cb –128)
b1
b2
a0
图像处理实验室
新a0
Fra Baidu bibliotek
a1
a2
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
（2）水平编码方式： • 条件：a1到b1之间的距离大于3，放弃利用上一行编码 • 编码：001+M(a0a1)+M(a1a2) ， M：一维行程编码 • 动作：把a0移到a2。
1. 基本思想：
• 采用行程编码与静态的哈夫曼编码相结合 • 由于是二值图像，不用为灰度值编码。 • 只给行程长度编码，且黑和白的长度分别使用不 同的编码。 。 • 按行压缩 • CCITT Group3采用一维编码与二维编码结合 • CCITT Group4采用二维编码
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
例子：
用8x8的JEPG基线标准，压缩并重构下列子图
52 63 62 63 67 79 85 87 55 59 59 58 61 65 71 79 61 66 68 71 68 60 64 69 66 90 113 122 104 70 59 68 70 109 144 154 126 77 55 65 61 85 104 106 88 68 61 76 64 69 66 70 68 58 65 78 73 72 73 69 70 75 83 94
图像处理实验室
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
静止图象压缩国际标准
1. JPEG 基本系统：
交流分量（AC）用变长码编码 直流分量（DC）系数用相对差值进行编码
图像处理实验室
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
• 制定图像标准的国际组织：
– ISO（international standardization organization 国际标准化组织 ） – ITU（international telecommunication union 国际电信联盟）,其 前身为CCITT（国际电报电话咨询委员会） 联合组织下进行制定的
7.6.1 二值图像压缩标准
– – – – – –
1. 基本思想 2. 一维压缩 3. 二维压缩 4. CCITT Group3 5. CCITT Group4 6.JBIG
图像处理实验室
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
7.6.1 二值图像压缩标准
b1
参考行 当前行
b2 a2
a0
图像处理实验室
a1
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
3) 编码方法：对三种情况的三种编码方式：
（1）通过编码方式： • 条件：b2在a1的左边，排除参考行两个改变元素都在 a1左边的情况 • 编码：0001， • 动作：把a0移到b2的下面
5. CCITTGroup4基本思想： Group4标准是Group3标准简化或改进版本； 只用二维压缩编码。且为非适应二维编码方法； 每一个新图像的第一行的参考行是一个虚拟的白 行。 G4压缩比比G3高一倍
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
黑编码
0000110111 11 10 011 0011 000001011010 000001100110 000001011011
图像处理实验室
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
长度大于63的组合编码 行程长度
64 128 192 256 320 384 1600 1664 1728
a1 b1
b1
b2
a0
a1
a2
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
（3）垂直编码方式： 条件：a1到b1之间的距离小于等于3，利用上一行编码。 编码：见CCITT二维编码表（下页） 动作：把a0移到a1
a1b1
b1
b2
a0
图像处理实验室
可用于渐进（累进）的传输与重建应用
图像处理实验室
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
7.6.2 静止图像压缩标准
• 1. JPEG标准简述 • 2. JPEG压缩流程 • 3. JPEG压缩算法的实现
– 颜色变换 – 零偏置转换 – 频域变换 – 系数量化 – 符号编码
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
第七章 图像压缩标准简介
• • •
7.6.1 二值图像压缩标准 7.6.2 静止图像压缩标准 7.6.3 运动图像压缩标准
图像处理实验室
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
图像处理实验室
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
开始新行 否 a0置于首像素前 检测a 检测 1 、 b1、b2 b2在a1左边 是 通过方式编码 a0置于 2下 置于b 否 |b2a1|≤ 3 ≤ 否 检测a 检测 2 水平方式编码 a0置于 2 置于a 行尾 是 是
b1
参考行 当前行
b2
a0
a1
a2
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2) 定义几个重要符号：
参 考 行：当前处理行的前一行。 改变元素：与前一个像素值不同的像素 参考元素：一共有5个（当前行3个，参考行2个）： 1. a0 ： 当 前 处 理 行 上 ， 与 前 一 个 像 素 值 不 同 的 像 素 。 行首元素是本行的第一个a0 2. a1：a0右边下一个改变元素。 3. a2：a1右边下一个改变元素。 4. b1：参考行上在a0右边，且与a0值相反的改变元素 5. b2： b1右边下一个改变元素。
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3. 二维压缩 1) 基本思想：
• 利用上一行相同改变元素的位置，来为当前行编码 • 假设相临两行改变元素位置相似的情况很多 • 且上一行改变元素距当前行改变元素的距离，小于行程的 长度，从而可以降低编码长度
• 标准的类型（三类）：
– (1) 二值图像压缩标准：面向传真而设计 (2) 静止帧黑白、彩色压缩：面向静止的单幅图像 (3) 连续帧黑白、彩色压缩：面向连续的视频影像 – 连续调图像压缩标准：
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• ３）零偏置转换
– 对于灰度级是2n的像素，通过减去2n-1，替换像 素本身； – 对于n=8，即将0~255的值域，通过减去128， 转换为值域在-128~127之间的值； – 目的：使像素的绝对值出现3位10进制的概率 大大减少。
二值图象压缩国际标准
6. JBIG 二值图联合组（joint bilevel imaging group， JBIG）于1991年制定 采用了自适应技术，提高了压缩比
打印字符的扫描图象：可提高1.1 ~ 1.5倍 计算机生成的打印字符图象：可提高约5倍 用抖动或半调表示的“灰度”图象：可提高2 ~ 30倍
• 4. JPEG压缩举例
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– 1. JPEG标准简述
有三种压缩系统：
（1）基线编码系统：面向大多数有损压缩的应用， 采用DCT变换压缩。 （2）扩展编码系统：面向递进式应用，从低分辨 率到高分辨率逐步递进传递的应用 （3）独立编码系统：面向无损压缩的应用，采用无损 预测压缩，符号编码采用霍夫曼或算术编码 一个产品或系统必须包括对基线系统的支持
垂直方式编码 a0置于 1 置于a 结束编码行
图像处理实验室
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4. CCITTGroup3基本思想： Group3标准应用了一种非适应的，一维和二维混合的 行程编码技术； 在该编码中，每一个K行组的最后K-1行（K = 2或4） ，有选择地用二维编码方式。 对八幅图像测试，压缩比 ： 对八幅图像测试，压缩比15：1
a1
a2
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4) CCITT二维编码表 a1与b1的距离
a1在b1下面： a1在b1右边1个 b 1 a1在b1右边2个 a1在b1右边3个 a1在b1左边1个 a1在b1左边2个 a1在b1左边3个
编码：
1 001 000011 0000011 010 000010 0000010
白编码
黑编码
11011 0000001111 10010 000011001000 010111 000011001001 0110111 000001011011 00110110 000000110011 00110111 000000110100 010011010 0000001011011 0110000000001100100 010011011 0000001100101
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0偏置转换后
-76 -65 -66 -65 -61 -49 -43 -41 -73 -69 -69 -70 -67 -63 -57 -49 -67 -62 -60 -57 -60 -68 -64 -59 -62 -38 -15 -6 -24 -58 -69 -60 -58 -19 16 26 -2 -51 -73 -63 -67 -43 -24 -22 -40 -65 -67 -52 -64 -59 -62 -58 -60 -70 -63 -50 -55 -56 -55 -59 -58 -53 -45 -34
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长度小于63的哈夫曼编码 行程长度
0 1 2 3 4 5 61 62 63
白编码
00110101 000111 010 0111 1000 1011 1100 00110010 00110011 00110100
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7.6.1 二值图像压缩标准
2. 一维压缩的基本思想：
1）每一行行首、尾编码 • 行首：用一个白行程码开始。如果行首是黑像素，则 用零长度的白00110101开始。 • 行尾：用行尾编码字(EOL)000000000001结束。 2）图像首、尾编码 • 图像首行：用一个EOL开始。 • 图像结尾：用连续6个EOL结束。 3）图像内部编码 • 内部编码：长度小于63的用哈夫曼编码，大于63的用组合 编码：大于63的长度编码 + 小于63的余长度编码
2. JPEG压缩流程
压缩图像
零偏置 转换 DCT 正向变换 量化器 符号 编码器
输入图像NxN 输入图像NxN
构造8x8 构造8x8 的子图 颜色空间 转换
解压图像 压缩的图像
符号 解码器 DCT 逆向变换 颜色空间 转换 零偏置 转换 合成8x8 合成8x8 的子图
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3. JPEG压缩算法的实现
• 1) 构造子图像 子图像尺寸：8 x 8 • 2) 颜色空间转换
人 眼 对 亮 度 更 敏 感 ， 提 取 亮 度 特 征 ， 将 RGB 转 换 为 YCbCr模型，编码时对亮度采用特殊编码：
Y = 0.299R + 0.5870G + 0.1140B Cb = –0.1787R – 0.3313G +0.5000B +128 Cr = 0.5000R – 0.4187G – 0.0813B + 128 颜色解码： R = Y + 1.40200(Cr – 128) G = Y – 0.34414(Cb – 128) – 0.71414(Cr – 128) B = Y + 1.77200(Cb –128)
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a1
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（2）水平编码方式： • 条件：a1到b1之间的距离大于3，放弃利用上一行编码 • 编码：001+M(a0a1)+M(a1a2) ， M：一维行程编码 • 动作：把a0移到a2。
1. 基本思想：
• 采用行程编码与静态的哈夫曼编码相结合 • 由于是二值图像，不用为灰度值编码。 • 只给行程长度编码，且黑和白的长度分别使用不 同的编码。 。 • 按行压缩 • CCITT Group3采用一维编码与二维编码结合 • CCITT Group4采用二维编码
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哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）
例子：
用8x8的JEPG基线标准，压缩并重构下列子图
52 63 62 63 67 79 85 87 55 59 59 58 61 65 71 79 61 66 68 71 68 60 64 69 66 90 113 122 104 70 59 68 70 109 144 154 126 77 55 65 61 85 104 106 88 68 61 76 64 69 66 70 68 58 65 78 73 72 73 69 70 75 83 94
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静止图象压缩国际标准
1. JPEG 基本系统：
交流分量（AC）用变长码编码 直流分量（DC）系数用相对差值进行编码
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• 制定图像标准的国际组织：
– ISO（international standardization organization 国际标准化组织 ） – ITU（international telecommunication union 国际电信联盟）,其 前身为CCITT（国际电报电话咨询委员会） 联合组织下进行制定的
7.6.1 二值图像压缩标准
– – – – – –
1. 基本思想 2. 一维压缩 3. 二维压缩 4. CCITT Group3 5. CCITT Group4 6.JBIG
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7.6.1 二值图像压缩标准
b1
参考行 当前行
b2 a2
a0
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3) 编码方法：对三种情况的三种编码方式：
（1）通过编码方式： • 条件：b2在a1的左边，排除参考行两个改变元素都在 a1左边的情况 • 编码：0001， • 动作：把a0移到b2的下面
5. CCITTGroup4基本思想： Group4标准是Group3标准简化或改进版本； 只用二维压缩编码。且为非适应二维编码方法； 每一个新图像的第一行的参考行是一个虚拟的白 行。 G4压缩比比G3高一倍
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黑编码
0000110111 11 10 011 0011 000001011010 000001100110 000001011011
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长度大于63的组合编码 行程长度
64 128 192 256 320 384 1600 1664 1728
a1 b1
b1
b2
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（3）垂直编码方式： 条件：a1到b1之间的距离小于等于3，利用上一行编码。 编码：见CCITT二维编码表（下页） 动作：把a0移到a1
a1b1
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可用于渐进（累进）的传输与重建应用
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7.6.2 静止图像压缩标准
• 1. JPEG标准简述 • 2. JPEG压缩流程 • 3. JPEG压缩算法的实现
– 颜色变换 – 零偏置转换 – 频域变换 – 系数量化 – 符号编码
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第七章 图像压缩标准简介
• • •
7.6.1 二值图像压缩标准 7.6.2 静止图像压缩标准 7.6.3 运动图像压缩标准
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开始新行 否 a0置于首像素前 检测a 检测 1 、 b1、b2 b2在a1左边 是 通过方式编码 a0置于 2下 置于b 否 |b2a1|≤ 3 ≤ 否 检测a 检测 2 水平方式编码 a0置于 2 置于a 行尾 是 是
b1
参考行 当前行
b2
a0
a1
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2) 定义几个重要符号：
参 考 行：当前处理行的前一行。 改变元素：与前一个像素值不同的像素 参考元素：一共有5个（当前行3个，参考行2个）： 1. a0 ： 当 前 处 理 行 上 ， 与 前 一 个 像 素 值 不 同 的 像 素 。 行首元素是本行的第一个a0 2. a1：a0右边下一个改变元素。 3. a2：a1右边下一个改变元素。 4. b1：参考行上在a0右边，且与a0值相反的改变元素 5. b2： b1右边下一个改变元素。
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3. 二维压缩 1) 基本思想：
• 利用上一行相同改变元素的位置，来为当前行编码 • 假设相临两行改变元素位置相似的情况很多 • 且上一行改变元素距当前行改变元素的距离，小于行程的 长度，从而可以降低编码长度
• 标准的类型（三类）：
– (1) 二值图像压缩标准：面向传真而设计 (2) 静止帧黑白、彩色压缩：面向静止的单幅图像 (3) 连续帧黑白、彩色压缩：面向连续的视频影像 – 连续调图像压缩标准：
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• ３）零偏置转换
– 对于灰度级是2n的像素，通过减去2n-1，替换像 素本身； – 对于n=8，即将0~255的值域，通过减去128， 转换为值域在-128~127之间的值； – 目的：使像素的绝对值出现3位10进制的概率 大大减少。
二值图象压缩国际标准
6. JBIG 二值图联合组（joint bilevel imaging group， JBIG）于1991年制定 采用了自适应技术，提高了压缩比
打印字符的扫描图象：可提高1.1 ~ 1.5倍 计算机生成的打印字符图象：可提高约5倍 用抖动或半调表示的“灰度”图象：可提高2 ~ 30倍
• 4. JPEG压缩举例
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– 1. JPEG标准简述
有三种压缩系统：
（1）基线编码系统：面向大多数有损压缩的应用， 采用DCT变换压缩。 （2）扩展编码系统：面向递进式应用，从低分辨 率到高分辨率逐步递进传递的应用 （3）独立编码系统：面向无损压缩的应用，采用无损 预测压缩，符号编码采用霍夫曼或算术编码 一个产品或系统必须包括对基线系统的支持
垂直方式编码 a0置于 1 置于a 结束编码行
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4. CCITTGroup3基本思想： Group3标准应用了一种非适应的，一维和二维混合的 行程编码技术； 在该编码中，每一个K行组的最后K-1行（K = 2或4） ，有选择地用二维编码方式。 对八幅图像测试，压缩比 ： 对八幅图像测试，压缩比15：1
a1
a2
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4) CCITT二维编码表 a1与b1的距离
a1在b1下面： a1在b1右边1个 b 1 a1在b1右边2个 a1在b1右边3个 a1在b1左边1个 a1在b1左边2个 a1在b1左边3个
编码：
1 001 000011 0000011 010 000010 0000010
白编码
黑编码
11011 0000001111 10010 000011001000 010111 000011001001 0110111 000001011011 00110110 000000110011 00110111 000000110100 010011010 0000001011011 0110000000001100100 010011011 0000001100101
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0偏置转换后
-76 -65 -66 -65 -61 -49 -43 -41 -73 -69 -69 -70 -67 -63 -57 -49 -67 -62 -60 -57 -60 -68 -64 -59 -62 -38 -15 -6 -24 -58 -69 -60 -58 -19 16 26 -2 -51 -73 -63 -67 -43 -24 -22 -40 -65 -67 -52 -64 -59 -62 -58 -60 -70 -63 -50 -55 -56 -55 -59 -58 -53 -45 -34
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长度小于63的哈夫曼编码 行程长度
0 1 2 3 4 5 61 62 63
白编码
00110101 000111 010 0111 1000 1011 1100 00110010 00110011 00110100
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7.6.1 二值图像压缩标准
2. 一维压缩的基本思想：
1）每一行行首、尾编码 • 行首：用一个白行程码开始。如果行首是黑像素，则 用零长度的白00110101开始。 • 行尾：用行尾编码字(EOL)000000000001结束。 2）图像首、尾编码 • 图像首行：用一个EOL开始。 • 图像结尾：用连续6个EOL结束。 3）图像内部编码 • 内部编码：长度小于63的用哈夫曼编码，大于63的用组合 编码：大于63的长度编码 + 小于63的余长度编码
2. JPEG压缩流程
压缩图像
零偏置 转换 DCT 正向变换 量化器 符号 编码器
输入图像NxN 输入图像NxN
构造8x8 构造8x8 的子图 颜色空间 转换
解压图像 压缩的图像
符号 解码器 DCT 逆向变换 颜色空间 转换 零偏置 转换 合成8x8 合成8x8 的子图
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