第6章 数字图像与视频压缩编码标准模板
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第六章 数字视频压缩标准
6.2 静态图像压缩国际标准
在对图像采样时，可以采用不同的采样频率， 在对图像采样时， 可以采用不同的采样频率，这 种技术称为二次采样。由于亮度比色彩更重要， 种技术称为二次采样。由于亮度比色彩更重要，因而 分量的采样频率可高于对C 的采样频率， 对Y分量的采样频率可高于对Cb、Cr的采样频率，这样 有利于节省存储空间。 常用的采样方案有YUV YUV422 有利于节省存储空间 。 常用的采样方案有 YUV422 和 YUV411。把采样频率最低的分量图像中一个DU 所对应 DU所对应 YUV411。把采样频率最低的分量图像中一个DU 411 的像区上覆盖的所有各分量上的DU按顺序编组为一个 的像区上覆盖的所有各分量上的DU按顺序编组为一个 DU 最小编码单元（MCU） 对灰度图像而言，只有一个Y 最小编码单元（MCU ）。对灰度图像而言，只有一个Y 分量， MCU就是一个数据单元 而对彩色图像而言， 就是一个数据单元。 分量 ， MCU 就是一个数据单元 。 而对彩色图像而言 ， 的采样方案为例，则一个MCU MCU由 分量的DU DU、 以4:1:1的采样方案为例，则一个MCU由 4个Y分量的DU、 分量的DU DU和 分量的DU组成。 DU组成 1个Cb分量的DU和1个Cr分量的DU组成。
1、 JPEG 国际静止图像压缩标准
6.2 静态图像压缩国际标准
JPEG是面向静态图像编码的国际标准 JPEG 是面向静态图像编码的国际标准 。 在 是面向静态图像编码的国际标准。 相同图像质量条件下， JPEG文件拥有比其他 相同图像质量条件下 ， JPEG 文件拥有比其他 图像文件格式更高的压缩比。JPEG目前被广泛 图像文件格式更高的压缩比。JPEG目前被广泛 应用于多媒体和网络程序中， 应用于多媒体和网络程序中 ， 是现今万维网 中使用最广泛的两种图像文件格式之一。 中使用最广泛的两种图像文件格式之一。JPEG 是一种有损压缩， 是一种有损压缩， 即在压缩过程中会丢失数 据，每次编辑JPEG图像后，图像就会被重复压 每次编辑JPEG图像后， JPEG图像后 缩一次，损失就会有所增加。 缩一次，损失就会有所增加。
z6数字图像的压缩编码PPT课件
I(di)=-log2P(di) 可见 越是不可能出现的消息，它的出现对信息的贡献量越大： 一个消息出现的可能性越小，其信息量就越多； 而消息出现的可能性越大，其信息量就越少。
熵：信源的平均信息量称为“熵”（entropy），即
m
H p(di)lo2gp(di) i1
17
➢ 概述
压缩编码系统评价 1)名词术语 平均码字长：
第六章 数字图像的压缩编码
1
➢ 概述
图像压缩编码的必要性 例：640*480*24bit＝7372800bit
＝7372800/8/1024 ＝900KB
若以每秒30帧的速度播放，每秒的数据量为：
640*480*24*30bit ＝ 210.9Mbit = 26.3MB 650MB/ 26.3MB ＝ 24s
4
➢ 概述
必要性： 容量很大、存储、处理和传输困难。
5➢ 概述ຫໍສະໝຸດ 图像 采集信源 编码
图像 显示或 存储
信源 解码
信道 编码 图 像
通信
信道 解码
6
➢ 概述
信源
– 需要传输或存储的原始信息称为“信源”。包 括语音、图像、视频等信息源。
– “信源编码”的主要任务是利用一定的编码方 法降低数码率，即比特率。
13
➢ 概述
14
➢ 概述
图像压缩编码的分类 1)从图像压缩技术的发展过程分类
20世纪80年代以前 传统的信源编码方法(有关 信息熵、编码方法及数据压缩比) 20世纪80年代以后 突破信源编码理论(结合分 形、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)
15
➢ 概述
m
R i p(di ) i1 i 为灰度级di对应的码字长
熵：信源的平均信息量称为“熵”（entropy），即
m
H p(di)lo2gp(di) i1
17
➢ 概述
压缩编码系统评价 1)名词术语 平均码字长：
第六章 数字图像的压缩编码
1
➢ 概述
图像压缩编码的必要性 例：640*480*24bit＝7372800bit
＝7372800/8/1024 ＝900KB
若以每秒30帧的速度播放，每秒的数据量为：
640*480*24*30bit ＝ 210.9Mbit = 26.3MB 650MB/ 26.3MB ＝ 24s
4
➢ 概述
必要性： 容量很大、存储、处理和传输困难。
5➢ 概述ຫໍສະໝຸດ 图像 采集信源 编码
图像 显示或 存储
信源 解码
信道 编码 图 像
通信
信道 解码
6
➢ 概述
信源
– 需要传输或存储的原始信息称为“信源”。包 括语音、图像、视频等信息源。
– “信源编码”的主要任务是利用一定的编码方 法降低数码率，即比特率。
13
➢ 概述
14
➢ 概述
图像压缩编码的分类 1)从图像压缩技术的发展过程分类
20世纪80年代以前 传统的信源编码方法(有关 信息熵、编码方法及数据压缩比) 20世纪80年代以后 突破信源编码理论(结合分 形、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)
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➢ 概述
m
R i p(di ) i1 i 为灰度级di对应的码字长
第六章 视频缩编码标准及编码技术-
计算机与信息学院
第六章 视频编码标准及编码技术
6.1.1 MPEG视频编码标准 （2）
种类 MPEG-1 功能 低分辨率数字视频编码标准（数 字存储的运动图象及伴音：VCD, MP3、视频监控等） MPEG-2 高分辨率数字视频编码标准（运 编码 DCT +视觉加权量化+ 熵编码+运动补偿+帧 间预测 似MPEG-1 格式 CIF：25或30帧/秒， 288行×360列 或240行×352列、8位量化，低于 1.5Mb/s 低：352×288×29.79、主：
计算机与信息学院
多媒体信息技术 2016
第六章 视频编码标准及编码技术
6.1 视频编码标准 （2）
H标准 对应MPEG标准 发布时间
H.261 ~ MPEG-1 1993.3 可视电话 与视频会 议
H.262 = MPEG-2 1995.7
H.263 ~ MPEG-4 1998.2 网络与移动 视频
检索的媒体材料可包括静态图像、图形、3D模型、声音、
话音、电视以及在多媒体演示中它们之间的组合关系。
在某些情况下，数据类型还可包括面部特性和个人特性的
表达。
MPEG-7
标准可以独立于其他 MPEG 标准使用 ,
MPEG-7
的适用范围广泛 , 既可以应用于存储,也可以用于流式应 用,它还可以在实时或非实时的环境下应用。
专家组”，负责制定适用于 B-ISDN 信道 ATM 编码传输标准。 该 专 家 组于 1993 年 11 月 与 ISO 的 MPEG 专 家 组 联合 提 出 了 H.262建议草案（MPEG-2），用于数字存储介质和数字视频 通信中图像信息的编码表示和解码规定。该标准向下兼容， 能够在很宽的范围内对不同分辨率和不同输出比特的图像信 号有效的进行压缩。
数字视频压缩编码.
304.13kB×25×60=456195kB=445.5MB
数据压缩的可能性
– 能够对多媒体信息进行压缩的前提就 是因为数据中存在大量的冗余，尤其 是声音和图像； – 数据压缩的目的就是尽可能的消除这 些冗余；
冗余的类型
在静态图像中存在空间冗余
一幅图像中有较大的背景区域，在此区域中所 有的点具有相近的物理特性（亮度、颜色等）， 这种空间的连贯性就称为空间相关或空间冗余。
预测模型 设 t N 时刻之前的样本 x N 1与预测值之间的关系 x 2 ，„， 值 x1 ， 呈现某种函数形式 N 1 ˆN ai xi 线性预测编码器 x
i 1
非线性预测编码器
帧内预测编码
在图像数据压缩中，常用如下几种 线性预测方案： ˆ N xN 1 前值预测，即 x 一维预测，即采用同一扫描行中前面已 知的若干个样值来预测 x ˆN 二维预测，即不但用同一扫描行中的前 面几个样值，而且还要用以前几行扫描 行中样值来预测 x 举例如下 ˆN
帧间预测编码中的运 动补偿
最简单的时域预测就是 用前一帧作为当前帧的 预测参考帧。 一个视频序列里两个相 邻帧如右图所示。 第 一帧作为第二帧的参考 帧，残差是第二帧与参 考帧之差。
帧间预测编码中的运动 补偿
在 右 图中 ， 中 间灰度代 表 差 值为零 ， 浅灰和深 灰分别对应正、负差值。 这 种 简单预 测 的明显问 题 是 残差帧 中 剩余能量 太 多 ，也就 是 说预测后 还有很多信息需要压缩 。 多 数 残差是 由 于两帧之 间物 体运动 引 起的 ，所 以 更 好的预 测 是在两帧 之间进行运动补偿。
X是待编码（或解码）像素，如帧处理按光栅顺序，那么它的相邻像素 A, B和 C是已经编码（或解码）得到的。编码器用已编码像素的组合来预测X， 然后对预测值与实际值的残差进行编码。解码器用同样的预测方法加上解 码得到的残差来重构像素。 编码像素 P(X) = (2A + B + C)/4 残差 R(X) = X – P(X) ，对残差编码并传送. 解码器解码 R(X) 并进行同样的预测: P(X) = (2A + B + C)/4 重构像素 X = R(X) + P(X)
数据压缩的可能性
– 能够对多媒体信息进行压缩的前提就 是因为数据中存在大量的冗余，尤其 是声音和图像； – 数据压缩的目的就是尽可能的消除这 些冗余；
冗余的类型
在静态图像中存在空间冗余
一幅图像中有较大的背景区域，在此区域中所 有的点具有相近的物理特性（亮度、颜色等）， 这种空间的连贯性就称为空间相关或空间冗余。
预测模型 设 t N 时刻之前的样本 x N 1与预测值之间的关系 x 2 ，„， 值 x1 ， 呈现某种函数形式 N 1 ˆN ai xi 线性预测编码器 x
i 1
非线性预测编码器
帧内预测编码
在图像数据压缩中，常用如下几种 线性预测方案： ˆ N xN 1 前值预测，即 x 一维预测，即采用同一扫描行中前面已 知的若干个样值来预测 x ˆN 二维预测，即不但用同一扫描行中的前 面几个样值，而且还要用以前几行扫描 行中样值来预测 x 举例如下 ˆN
帧间预测编码中的运 动补偿
最简单的时域预测就是 用前一帧作为当前帧的 预测参考帧。 一个视频序列里两个相 邻帧如右图所示。 第 一帧作为第二帧的参考 帧，残差是第二帧与参 考帧之差。
帧间预测编码中的运动 补偿
在 右 图中 ， 中 间灰度代 表 差 值为零 ， 浅灰和深 灰分别对应正、负差值。 这 种 简单预 测 的明显问 题 是 残差帧 中 剩余能量 太 多 ，也就 是 说预测后 还有很多信息需要压缩 。 多 数 残差是 由 于两帧之 间物 体运动 引 起的 ，所 以 更 好的预 测 是在两帧 之间进行运动补偿。
X是待编码（或解码）像素，如帧处理按光栅顺序，那么它的相邻像素 A, B和 C是已经编码（或解码）得到的。编码器用已编码像素的组合来预测X， 然后对预测值与实际值的残差进行编码。解码器用同样的预测方法加上解 码得到的残差来重构像素。 编码像素 P(X) = (2A + B + C)/4 残差 R(X) = X – P(X) ，对残差编码并传送. 解码器解码 R(X) 并进行同样的预测: P(X) = (2A + B + C)/4 重构像素 X = R(X) + P(X)
《数字视频处理及应用》课件第6章
图 6-3 基于DCT的顺序编/解码过程的系统框图
1) DCT变换 JPEG将源图像的每个8×8子块进行DCT变换，以消除 图像块各像素在空间域的相关性。在变换之前，除了要对 原始图像进行分割(一般是从上到下、从左到右)之外，还要 将数字图像采样数据从无符号整数转换到带正负号的整数， 即把范围为[0，28－1]的整数映射为[－28－1，28－1－1]范围内 的整数，目的是为了降低DCT运算时的内部精度要求。二 维8×8子块的DCT /IDCT分别定义为
6.2 图像编码标准
JPEG是联合图像专家组(Joint Photographic Experts Group)的缩写，该专家组隶属于ISO/IEC的联合技术第1委 员会第29研究委员会的第1工作组(ISO/IEC JTC1/ SC29/ WGl)，WGl已经制定了几种图像压缩编码的国际标准，其 中包括JPEG和JPEG 2000。
根据上述分析，采用累进编码模式的系统结构与图6-3 基本相同，只是在量化器与熵编码之间应增加一个缓冲存 储器，以供存放一幅图像数字化后的全部DCT系数。这样， 系统便可以多次对缓冲器中存储的DCT系数进行扫描，并 分批进行熵编码。
4. 基于DCT的分层编码模式 在分层编码模式中，一幅原始图像被分成多个低分辨 率的图像，然后分别针对每个低分辨率的图像进行编码， 具体过程如下：首先把一幅图像分成若干低分辨率的图像， 然后对单独的一个低分辨率的图像进行压缩编码，其编码 方法可以选用无失真编码，也可以采用基于DCT的顺序编 码，或基于DCT的累进编码。根据不同的用户要求，采用 不同的编码方法。当接收端接收上述发送信息后，进行解 码，进而重建图像，然后将恢复的下一层低分辨率的图像 插入已重建图像之中，以此来提高图像的分辨率，直至图 像分辨率达到原图像的质量水平。必须说明的是，基于 DCT的JPEG压缩算法，其压缩效果与图像的内容有关，一 般高频分量少的图像可以获得较高的压缩比。
第六章图象编码与压缩.ppt
(248,27,4)
(251,32,15)
(248,27,4)
(248,27,4)
2019年10月30日1时57分
第六章 图像编码与压缩
13
3. 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， 我们的压缩方式就是从这两方面着手来开展 的。
1）因为有数据冗余，当我们将图像信息的描 述方式改变之后，可以压缩掉这些冗余。
编 码
例1
数字图象
设一幅活动图象的空间分辨率为N,灰度分辨率为 b, 时间分辨率为fB, 则在实时传输过程中，该图 象在传输通道里的传输率至少应该为
ρ=NbfB 若N=512512, b=8, fB=25, 则ρ=52.4Mbps
2019年10月30日1时57分
第六章 图像编码与压缩
16
例2
地球资源卫星(LANDSAT)一帧图象(4幅)的数据 量为：
r
=
原始图象平均码长 原始图象的熵
1 =
R(d ) H (d )
1
编码效率
= H(d) = 1
R(d) 1 r
冗余大致分为三类
1）编码冗余
符号序列码字（码字长度）
2019年10月30日1时57分
第六章 图像编码与压缩
23
2）象素间相关性冗余 帧间象素信息冗余，帧内象素信息冗余
3）视觉冗余 人眼对所有视觉信息并不是都具有相同的敏感度； 人眼的空间分辨率，时间分辨率。
使编码后的图象的平均码字长度尽可能接近 图象的熵H。
基本思路是：概率大的灰度级用短码字，概 率小的，用长码字。
2019年10月30日1时57分
第六章 图像编码与压缩
28
行程编码(RLE编码)
第六章 图像编码基础(2015)
fˆn 是根据前面几个像素的亮度值
f n1, f n2 , , f nk
预测而得.
n fn fˆn
量化器：对n进行舍入，整量化.
编码器：可采用成熟的编码技术，如Huffman编码等.
解码器：编码器的逆.
线性预测器：
n1
fˆn F ( fn1, fn2 , , fnk ) ak fk , ak 1 k l
（5） 编码定理 问题：如何度量编码方法的优劣？（编码的性能参数）
➢图像信息熵与平均码字长度
令 d {d1, d2 , , dm} 是图像象素灰度级集合 其对应的频率为 p(d1), p(d2 ), , p(dm ) 定义
m
H (d ) p(di ) log 2 p(di )（单位：比特/象素） i 1
编码效率： H (d ) (%) 2.25 / 2.61 97.8%
R(d )
例6-2
信源符号
a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7
概率
编码过程
0.20
0
0.19 0.18
1
1
0.39
0.17 0.15 0.10 0.01
0
0
1 0.35
0
0
1 0.61
0
1 0.261ຫໍສະໝຸດ 0.11Huffman编码过程
根据图像像素灰度值出现的概率的分布特性而进行的压缩编码叫统 计编码。
几个基本概念
信源编码:通过对表示信息的数据体的形式的变换,祛除数据冗余,从而 达到以尽可能少的数据代码表示尽可能多的信息的目的,实现数据压 缩目标.
信道编码:主要指用于确保信道传输可靠性和安全性的各类纠错编码、 密码（加密）、信息隐藏等。通过信道编码，对数码流进行相应的处 理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传 送中误码的发生 .
第六章 图象编码标准的进展
CIF格式下的图像的层次结构：
每个GOB 包含33个 MB 每个B包含 88像素
每帧图像包 含12个GOB 每个MB包含4 个亮度数据块 和各1个Cr和Cb
其中每个B包含88像素，由变换系数和块结 束符组成。GOB和MB都是以一定顺序存放的 。 图像复用编码器把上述层次数据按一定方式连列 起来，就构成1帧数据流。编码图如下：
6.1.1 MPEG系列标准
MPEG是活动图像专家组(Moving Picture Expert Group)的缩写，1988年成立，任务是负责开 发数字图像和声音的编码、解码和两者同步等标准 。 目前已经开发和正在开发的MPEG标准有： MPEG-1：1.5Mbps , 中等数据率 ; VCD和MP3 MPEG-2：10Mbps , 高数据率 ; 数字电视和DVD MPEG-3：起初为HDTV设计,后来合到MPEG2。 MPEG-4：低于64kbps甚低数据率,交互式多媒体 应用标准 MPEG-7：多媒体内容描述接口标准
2～30倍
JPEG2000
ISO/IEC
2～50倍
小波变换EBCOT ROI编码 空间可分级码流 质量可分级码流 改进算术编码 容错编码
针对实时视频通信应用，如视频会议和可视电话等
H.26x系列标准，如H.261, H.263, H.264
ISO(国际标准化组织)和IEC(国际电工委员会)制定：
针对视频数据的存储（DVD等），广播电视和视频 流的网络传输等
MPEG系列标准，如MPEG1, MPEG2, MPEG4, MPEG7
Байду номын сангаас频编码标准体系结构组成：
MPEG-4视频信息的表示结构
MPEG-4编码器是基于对象的视频编码器。 视频对象VO：指视频序列中用户可访问/操作的个体 视频对象平面VOP：指视频对象在某一时刻(即在某 一帧画面)中的描述场景中感兴趣的物体对象或内容 的图像区。
压缩编码标准
2、数据压缩方法
无损压缩 有损压缩
统计编码
行 程 编 码 哈 夫 曼 编 码 香 农 编 码 算 LZW 术 编 编 码 码
PCM编码 PCM编码
预测编码
变换编码
混合编码
DPCM编码 DPCM编码 ADPCM编码 ADPCM编码 帧间预测 编码
离散余弦 变换 K-L变换 小波变换
JPEG MPEG H.261
二、有损压缩：压缩时会丢失部分数据，且丢失的数 据无法恢复。是不可逆的压缩，即解压缩以后的数据 将模拟量经过采样、量化和编码得到其数字编码。 （脉冲编码调制） 根据算法模型，用已有的样本值对新样本进行预测，得 到一个预测值，将实际值与预测值相减得到预测误差， 再对该误差值进行编码，如果预测越准确，误差值就 对该误差值进行编码， 对该误差值进行编码 越小（那误差的幅度肯定小于原始信号），那编码所需 的位数就可以减少，达到压缩的目的。 将原始信号从一个域（如时间域）变换到另一个域（如 频率域），然后对变换后的信号进行编码。主要用于图 像数据的压缩。
第6章 多媒体数据的压缩
6.1 数据压缩概述
数据压缩的必要性 数据冗余
6.2 数据压缩的基本原理
信息编码基础 数据压缩方法
6.3 数据压缩的编码算法
统计编码（ 统计编码（行程编码 预测编码 变换编码
哈夫曼编码
算术编码） 算术编码）
6.4 常用多媒体数据压缩标准
音频压缩编码标准 静态图像压缩标准 动态图像压缩标准视频压缩编码标准
6.1
数据压缩概述
声音、图像、 声音、图像、视频和动画的数据量太大
1、 压缩的必要性
声音 分钟立体声音乐采样频率为44.1KHZ 16位量化精度的数据量为 44.1KHZ， 1分钟立体声音乐采样频率为44.1KHZ，16位量化精度的数据量为 44.1 * 1000 * 16 * 2 *60 / 8 =10.09MB 存储一首4分钟的歌曲约需40MB 存储一首4分钟的歌曲约需40MB 图像
图像和视频编码和压缩
视频与图像处理技术及其应用图像和视频编码和压缩Outline of Lecture•图像压缩概述•熵编码•预测编码•变换编码•DCT编码•JPEG压缩标准简介•视频压缩标准简介图像和视频压缩概述为什么要进行图像和视频压缩？因为数字图像(视频)的数据量特别大，从而对存储、处理和传输都带来了问题，所以需要有效的减少数字图象的数据量而又不丢失或少丢失图象的信息，这就是图象编码问题——减少表达信息的数据量。
图像视频压缩概述对于电视画面的分辨率640x480的彩色图像，每秒30帧，则一秒钟的数据量为：640x480x24x30=221.12M bits实时传输：如果在10M的宽带网上实时传输，则需要压缩到原来数据量的10/221.12 = 0.045，即0.36bit/pixel。
存储：如果不进行压缩，1张650M的CD则仅可以存放2.89秒的数据。
存2小时的信息则需要压缩到原来数据量的0.0004,即：0.003bit/pixel。
图像视频压缩概述如何进行图像视频压缩？•图象信息之所以可被被压缩，是由于图象信息中有大量的冗余信息。
图象压缩就是利用了图像信号中的冗余度，如数据编码冗余度、视觉冗余度等，进行压缩。
•图像压缩的方法包括9无损压缩（无失真编码）9有损压缩（限失真编码）图像压缩概述这是一幅2x2的图像中，图像的第一个像素是红色的，图像的第二个像素是红色的，图像的第三个像素是红色的，图像的第四个像素还是红的，…一幅2x2的图像，整幅图都是红色的。
图像压缩概述•实际图像中冗余信息的表现（灰度图）图像压缩概述•图像压缩可以从数据冗余和视觉冗余两方面进行：•数据冗余消除可以通过改变图像信息的描述方式（编码）进行•视觉冗余的消除可以通过适当的变换和数据重量化，忽略一些视觉不太明显的微小差异，进行所谓的“有损”压缩。
图像信息源图像信息源图像预处理图像预处理图像信源编码图像信源编码信道编码信道编码调制调制信道传输信道传输解调解调信道解码信道解码图像信源解码图像信源解码显示图像显示图像熵编码–变长最佳编码定理：在变长编码中，对出现概率大的信息符号赋于短码字，而对于出现概率小的信息符号赋于长码字。
数字图像处理第6章_图像编码与压缩技术.
霍夫曼编码
例 假设一个文件中出现了8种符号S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、 S7，那么每种符号编码至少需要3bit S0=000, S1=001, S2=010, S3=011, S4=100, S5=101, S6=110, S7=111 那么，符号序列S0 S1 S7 S0 S1 S6 S2 S2 S3 S4 S5 S0 S0 S1编码后 000 001 111 000 001 110 010 010 011 100 101 000 000 001 （共42bit） 和等长编码不同的一种方法是可变长编码。在这种编码方法中， 表示符号的码字的长度不是固定不变的，而是随着符号出现的概率 而变化，对于那些出现概率大的信息符号编以较短的字长的码，而 对于那些出现概率小的信息符号编以较长的字长的码。
6.3.3 霍夫曼编码
霍夫曼(Huffman)编码是根据可变长最佳编码定理，应用霍夫曼算
1．
对于每个符号，例如经过量化后的图像数据，如果对它们每 个值都是以相同长度的二进制码表示的，则称为等长编码或均匀 编码。采用等长编码的优点是编码过程和解码过程简单，但由于 这种编码方法没有考虑各个符号出现的概率，实际上就是将它们 当作等概率事件处理的，因而它的编码效率比较低。例6.3给出了 一个等长编码的例子。
6.1.1 图像的信息冗余
图像数据的压缩是基于图像存在冗余这种特性。压缩就是去掉 信息中的冗余，即保留不确定的信息，去掉确定的信息（可推知 的）；也就是用一种更接近信息本身的描述代替原有冗余的描述。 8 （1） 空间冗余。在同一幅图像中，规则物体或规则背景的物理表 面特性具有的相关性，这种相关性会使它们的图像结构趋于有序和 平滑，表现出空间数据的冗余。邻近像素灰度分布的相关性很强。 （2） 频间冗余。多谱段图像中各谱段图像对应像素之间灰度相关 （3） 时间冗余。对于动画或电视图像所形成的图像序列（帧序 列），相邻两帧图像之间有较大的相关性，其中有很多局部甚至完
图像压缩编码标准.
• JPEG是联合图像专家组的缩写 （Joint Photographic Experts Group ） • 主要用于计算机静止图像的压缩，在用 于活动图像时，其算法仅限于帧内，便 于编辑。 • JPEG标准的算法是基于DCT(离散余弦变 换)和可变长编码。
现代电视技术
JEPG压缩编码算法的计算步骤
特点
现代电视技术
MPEG的视频数据流结构 Ⅰ 图像序列层（Video Sequence layer） Ⅱ 图像组层（Group of Picture） Ⅲ 图像层（Picture） Ⅳ 宏块条/片层 （Slice） Ⅴ 宏块层（Macro block） Ⅵ 块层（Block layer）
现代电视技术 MPEG的视频数据流结构
现代电视技术
①图像序列：：是一个被处理的连续图像，是由图 像组构成的，它包含序列头、若干个图像组层的数据 以及序列终止符。
现代电视技术
②图像组(GOP) ：图像组是为方便随机存 取而加的，其结构和长度均为可变的， 图像组是随机存取视频单位，它由定义 的一组或多组帧内编码帧（I帧）或非帧 内编码帧（P帧或B帧）图像构成。每组 包括组头，图像层数据，时间信息。
现代电视技术
图JPEG2000标准
二、MPEG标准
现代电视技术
• • • • •
H.261、H.263、H.264（会议电视） JPEG、JPEG2000（静止图像） MPEG-1（VCD） MPEG-2（数字电视） MPEG-4（多媒体通信）
现代电视技术
JPEG
现代电视技术
MPEG中的三种图像类型即码流组成 ①三种图像类型 MPEG是基于DCT、运动补偿和Huffman编 码算法的，在压缩中使用了帧内压缩和帧间压 缩两种方式。MPEG使用三种类型的图像，即： I 帧 P帧 B 帧
现代电视技术
JEPG压缩编码算法的计算步骤
特点
现代电视技术
MPEG的视频数据流结构 Ⅰ 图像序列层（Video Sequence layer） Ⅱ 图像组层（Group of Picture） Ⅲ 图像层（Picture） Ⅳ 宏块条/片层 （Slice） Ⅴ 宏块层（Macro block） Ⅵ 块层（Block layer）
现代电视技术 MPEG的视频数据流结构
现代电视技术
①图像序列：：是一个被处理的连续图像，是由图 像组构成的，它包含序列头、若干个图像组层的数据 以及序列终止符。
现代电视技术
②图像组(GOP) ：图像组是为方便随机存 取而加的，其结构和长度均为可变的， 图像组是随机存取视频单位，它由定义 的一组或多组帧内编码帧（I帧）或非帧 内编码帧（P帧或B帧）图像构成。每组 包括组头，图像层数据，时间信息。
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图JPEG2000标准
二、MPEG标准
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H.261、H.263、H.264（会议电视） JPEG、JPEG2000（静止图像） MPEG-1（VCD） MPEG-2（数字电视） MPEG-4（多媒体通信）
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JPEG
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MPEG中的三种图像类型即码流组成 ①三种图像类型 MPEG是基于DCT、运动补偿和Huffman编 码算法的，在压缩中使用了帧内压缩和帧间压 缩两种方式。MPEG使用三种类型的图像，即： I 帧 P帧 B 帧
第六章图象数据压缩编码基本内容.ppt
• 无损压缩常由两种彼此独立的操作组成： (1)为减少像素间冗余建立一种可替代的图 像表达方式；(2)对这种表达方式进行编码 以便消除编码冗余。
2019-11-6
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24
6.2.1 霍夫曼编码（属于统计编码）
一、基本原理
通过减少编码冗余来达到压缩的目的。将 在图像中出现次数多的像素值给一个短的编码， 将出现次数少的像数值给一个长的编码。
2019-11-6
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13
压缩比
Pr
Ls
Ld Ls
100%
Ls为源代码长度， Ld为压缩后代码长度
2019-11-6
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14
保真度标准
• 保真度标准——评价压缩算法的标准 （1）客观保真度标准 （2）主观保真度标准
2019-11-6
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15
(1) 客观保真度标准
一般地，有损压缩的压缩效率高于无损压
缩。
2019-11-6
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22
No.13
实验二 图像增强
下周二做 ，地点不变 （交邮政编码分割程序）
2019-11-6
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23
6.2 无损压缩
• 在很多应用中，如医疗和商业文档的归档、 卫星成像的处理、数字X光照相术，无损 压缩时唯一可以接受的数据压缩方式。
1 0.4 1 0.3 00 0.1 011 0.1 0100 0.1 0101
2
3
0.4 1 0.4 1
0.3 00 0.3 00
0.2 010 0.3 01
0.1 011
4 0.6 0 0.4 1
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6.2.1 霍夫曼编码（属于统计编码）
一、基本原理
通过减少编码冗余来达到压缩的目的。将 在图像中出现次数多的像素值给一个短的编码， 将出现次数少的像数值给一个长的编码。
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压缩比
Pr
Ls
Ld Ls
100%
Ls为源代码长度， Ld为压缩后代码长度
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保真度标准
• 保真度标准——评价压缩算法的标准 （1）客观保真度标准 （2）主观保真度标准
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(1) 客观保真度标准
一般地，有损压缩的压缩效率高于无损压
缩。
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No.13
实验二 图像增强
下周二做 ，地点不变 （交邮政编码分割程序）
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6.2 无损压缩
• 在很多应用中，如医疗和商业文档的归档、 卫星成像的处理、数字X光照相术，无损 压缩时唯一可以接受的数据压缩方式。
1 0.4 1 0.3 00 0.1 011 0.1 0100 0.1 0101
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0.3 00 0.3 00
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6.1.3 基于DCT的渐进编码
基本步骤
（1）降低原始图像的空间分辨率。 （2）对已经降低分辨率的图像按照顺序编码模式进行
压缩并存储或传输。 （3）对低分辨率图像进行解码，然后用插值法提高图
像的分辨率。 （4）将分辨率已经升高的图像作为原图像的预测值，
并把它与原图像的差值进行基于DCT的编码。 （5）重复步骤3、4直到图像达到完整的分辨率。
coding of continuous-tone still images (信息技术 — 连续色调静态图像的数字压缩和编码)
JPEG 标准适用范围
灰度图像，彩色图像 静止图像的压缩，视频序列帧内图像压缩 JPEG可以大范围地调节图像码率和质量
JPEG算法与颜色空间无关
RGB和YUV颜色空间之间的转换不包含在JPEG算法中。 可压缩来自不同颜色空间的数据，如RGB, YCbCr,
本章学习目标
掌握JPEG基本系统的编解码原理。 了解JPEG2000渐进编码与传输的概念与思想。 理解MPEG-2视频编码中的“类”和“级”的含义。 理解I帧、P帧、B帧图像的编码特点，熟悉MPEG-2视频码流
的分层结构。 掌握MPEG-4标准中基于内容编码的工作原理。 理解视频对象（VO）和视频对象平面（VOP）的概念。 了解H.263视频编码的关键技术。 熟悉H.264视频编码标准的主要特点及性能。 了解我国具备自主知识产权的AVS视频编码技术的性能及应用。
6.1 静止图像编码标准
静止图像包括两类：黑白（二值）静止图像和连续 色调（彩色或灰度）静止图像。
对于静止图像压缩编码，已有多个国际标准，如国 际标准化组织（ISO）制订的JBIG标准（ISO 11544）、JPEG标准（ISO 10918）、JPEG2000标 准（编号为ISO 15444，等同的ITU-T编号为T.800） 等。本节将主要介绍JPEG和JPEG2000标准。
CMYK。 JPEG算法对每个彩色分量进行单独编码，对不同的分
量可以采用不同的量化参数和熵编码表。
6.1.2 JPEG 基本编码系统
基于 DCT 的顺序编码算法 利用视觉系统特性，使用正交变换、量化和熵 编码相结合的方法，以去掉或减少视觉的冗余 和数据本身的冗余 JPEG基本编码系统的算法大致分成三个步骤：
ISO/IEC Standards
MPEG-1
MPEG-4
1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004
JPEG
JPEG2000
第6章 数字图像与视频压缩编码标准
6.1 静止图像编码标准 6.2 数字视频编码的标准化进展 6.3 MPEG-1/MPEG-2视频编码标准 6.4 MPEG-4视频编码标准 6.5 H.263视频编码标准 6.6 H.264/AVC视频编码标准 6.7 AVS视频编码标准
6.3 MPEG-1/MPEG-2视频编码标准
6.3.1 I帧、P帧和B帧 6.3.2 视频码流的分层结构 6.3.3 MPEG-1/-2视频编解码原理 6.3.4 MPEG-2的功能扩展
6.3.1 I帧、P帧和B帧
MPEG标准所规定的视频编码算法在实现高 压缩比的同时，又能获得较高的重建图像质量， 并且还要满足能够随机存取的要求。所以， MPEG标准将编码图像分为三种类型：
两者合作制定标准（例如，MPEG-2/H.262 和 MPEG-4 AVC/H.264）
视频编码标准：历史
ITU-T Standards
H.261
H.263
H.263+
H.263 ++
Joint ITU-T & ISO/IEC
Standards
H.262 / MPEG-2
H.264 / MPEG-4 AVC
（2）解码I帧不需要参考帧，因而可以在I帧进行码流的切换和编 辑等操作，提供随机存取的插入点；
（3）长时间连续地进行预测编码，预测误差会不断累积，使压缩 效率逐渐降低，图像质量不断下降。为防止解码图像损伤的逐 渐加剧，需定时进行帧刷新，即周期性地插入I帧，以便重新开 始一个新的预测编码过程。
2．P帧
I（Intra）帧 P（Predicated）帧 B（ Bidirectionally-predictive）帧
1．I帧
I帧，又称帧内编码帧，是作为预测基准的独立帧。该帧采用类 似JPEG算法的帧内DCT编码，压缩比相对较低。
设置I帧的主要理由
（1）当某帧找不到匹配的参考帧时，就只好进行帧内编码，场景 切换或图像中的“遮挡”和“暴露”部分就是这种情况的例子；
6.2 数字视频编码的标准化进展
国际上数字视频编码标准主要有两大系列。一个系 列 由 国 际 标 准 化 组 织 （ ISO ） 和 国 际 电 工 委 员 会 （IEC）制定，另一个系列由国际电信联盟电信标准 部（ITU-T）制定。 ● ISO/IEC: JPEG,JPEG2000,MPEG-1/2/4/7 ● ITU-T: H.261/2/3/4 制定这些标准的背景有所不同，面向的主要应用也 有所区别，它们采用的技术有很多共同点，应用领 域有所重叠。
6.3.2 视频码流的分层结构
视频数据经过压缩编码后形成视频基本码流（ES）。 MPEG为了更好地表示编码比特流，用句法规定了一个 分层结构，共分6层，从高到低依次是：
(1) 视频序列 (sequence)层 (2) 图像组 (group of pictures，GOP)层 (3) 图像 (picture)层 (4) 宏块条(slice)层 (5) 宏块 (macroblock，MB)层 (6) 像块(block)层
6.3.3 MPEG-1/-2视频编解码原理
MPEG-2与MPEG-1的视频编码原理方框图基本相同， 如图6-11所示，采用运动补偿帧间预测编码、DCT 编码以及熵编码相结合的方案。 利用运动补偿帧间预测编码消除电视图像信号的时 间冗余； 利用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱCT消除信号的空间冗余； 对运动矢量和量化后的DCT系数进行熵编码，消除 符号统计冗余，以达到进一步压缩数码率的目的。
开发工作始于1996年1月，其目标是增强对连续色 调图像的压缩效率、管理和传输，而又不使图像质 量有明显的损失。
使用小波变换技术提高压缩比，用户可控制图像的 分辨率，用在网络上传输时可按照用户要求下载各 种分辨率的图像。
可提供无损压缩的图像，在文档中可提供更多的颜 色信息。
JPEG 2000标准的主要内容
6.1.4 基于DCT的分级编码
分级编码的操作模式 是把一幅原始图像的 空间分辨率分成多个 低分辨图像进行“锥 形”编码的方法。例 如，水平方向和垂直 方向分辨率均以 2n的 倍数改变，如图所示。
6.1.5 JPEG2000 标准概述
ITU-T SG8和ISO/IEC JTC1 SC29 WG1联合开发 的静态图像压缩编码标准(ISO/IEC 15444)，标准 名为“JPEG 2000: Image Coding System” 。
6.1.1 JPEG 标准概述
JPEG是Joint Photographic Experts Group（联合图片专家组） 的缩写。
由ISO和IEC两个组织机构联合组成的专家组，负责制定静态的数 字图像数据压缩编码标准
JPEG标准
标准号：ISO/IEC 10918或ITU-T T.81 标准名：Information technology — Digital compression and
P帧使用两种类型的参数表示
当前要编码的图像宏块与参考图像的宏块之间的差值 宏块的运动矢量(motion vector, MV)
3．B帧
B帧，又称双向预测编码帧。它既用源视频序列中位于前面 且已编码的I帧或P帧作为参考帧，进行前向运动补偿预测， 又用位于后面且已编码的I帧或P帧作为参考帧，进行后向运 动补偿预测。即B帧可采用帧内编码、前向预测编码、后向 预测编码、或双向预测编码4种技术，其压缩比最高。但B 帧不能用作对其他帧进行运动补偿预测的参考帧。
（1）JPEG 2000最小编、解码系统，是JPEG 2000核心系统； （2）扩展系统，在核心系统的基础上添加了一些功能； （3）运动JPEG 2000，针对运动图像提出的解决方案； （4）兼容性； （5）参考软件； （6）复合图像文件格式，主要针对印刷和传真应用； （7）技术报告，介绍实现一部分所需的最少支持环境（已被废弃）； （8）JPSEC，针对安全应用（加密、水印技术）； （9）JPIP，针对交互应用协议； （10）JP3D，针对3D图像； （11）JPWL，针对无线应用； （12）基本媒体文件格式。
P帧，又称前向预测编码帧。它用前面最近的I帧或P 帧作为参考进行前向预测，采用带运动补偿的帧间 预测编码方式。由于同时利用了空间和时间上的相 关性，所以P帧比I帧的压缩效率高。P帧也可作为参 考帧。
P帧的压缩编码算法
算法原理
P帧的编码以宏块(MB)为基本单元，一个宏块定义 为16×16像素的像块
图6-11 MPEG-2 视频编码原理框图
Q(quantization): 量化
IQ(Inverse quantization): 逆量化
DCT(discrete cosine transform): 离散余弦变换
JPEG 2000的编、解码原理框图
JPEG2000 压缩效果
JPEG2000 压缩效果
6.1.7 JPEG2000 的主要特点
支持可分级（scalable）编码
分辨率可分级 质量（信噪比）可分级
提供灵活的解码
支持感兴趣区(region of interest, ROI)的编码 可指定感兴趣的图像区域，在压缩时对这些图像区指 定特定的压缩质量，这给用户带来了极大的方便。例 如，在有些情况下图像中只有一小块区域对用户是有 用的，对这些区域采用低压缩比，而其他区域采用高 压缩比，在保证不丢失重要信息的同时能有效地压缩 数据量