数字图像处理图像压缩

7.2.3 关于编码器的若干基本知识
第 七 章 图 像 压 缩
7.2.3.1 通信系统模型（图像压缩模型） 图像压缩模型）
X(n)
消息 源 信源 编码
Y(n)
信道 编码 信道 （存储) 存储 信道 解码 信源 解码
Y
用户
编码器
解码器
• 图像传输环境中图像压缩模型 信源编码：完成源数据的压缩， 信源编码：完成源数据的压缩，图像编码属于信源编码的范 畴。 信道编码：为了抗干扰，增加一些容错、校验位、 信道编码：为了抗干扰，增加一些容错、校验位、版权保护 实际上是增加冗余。 ，实际上是增加冗余。 信道：如Internet、广播、通讯、可移动介质。 信道： 、广播、通讯、可移动介质。
•为什么需要图像压缩 为什么需要图像压缩
图像的数据量通常很大，对存储、 √ 图像的数据量通常很大，对存储、处理和传输带来许 多问题（如视频） 多问题（如视频） √ 不断扩大的图像应用 ➣ Internet上的大量图像 上的大量图像 ➣ 数字图书馆 遥感图像、 ➣ 遥感图像、医学图像 视频，如视频会议、数字电视、 ➣ 视频，如视频会议、数字电视、IPTV、视频监控 、
7.2.1 数据冗余
第 七 章 图 像 压 缩
什么是心理视觉冗余？ • 什么是心理视觉冗余？
√ 这是由于眼睛对所有视觉信息感受的灵敏度 不同。 不同。在正常视觉处理过程中各种信息的相对重 要程度不同。 要程度不同。 有些信息在通常的视觉过程中与另 外一些信息相比并不那么重要， 外一些信息相比并不那么重要，这些信息被认为 是心理视觉冗余的， 是心理视觉冗余的，去除这些信息并不会明显降 低图像质量。 低图像质量。
7.3.1.3 哈夫曼（Huffman）编码方法 哈夫曼（ ）
第 七 章 图 像 压 缩 哈夫曼编码是根据最佳编码定理， 哈夫曼编码是根据最佳编码定理，应用哈夫曼 算法而产生的一种编码方法。 算法而产生的一种编码方法。它的平均码字长度在 具有相同输入概率集合的前提下， 具有相同输入概率集合的前提下，比其它任何一种 单义码都小。因此也常称其为紧凑码。 单义码都小。因此也常称其为紧凑码。通过减少编 码冗余来达到压缩的目的。 码冗余来达到压缩的目的。
第 七 章 图 像 压 缩
7.2.1 数据冗余
• 数据冗余的概念
数据是用来表示信息的。如果不同的方法为表 数据是用来表示信息的。 示给定量的信息使用了不同的数据量， 示给定量的信息使用了不同的数据量，那么使用 较多数据量的方法中， 较多数据量的方法中，有些数据必然是代表了无 用的信息， 用的信息，或者是重复地表示了其它数据已表示 的信息，这就是数据冗余的概念。 数据冗余的概念 的信息，这就是数据冗余的概念。
7.2.2 保真度准则
第 七 章 图 像 压 缩
1. 客观保真度准则
√ 当所损失的信息量可以用初始图像（或输入图 当所损失的信息量可以用初始图像（ 像）与先被压缩而后被解压缩的输出图像的函数表 示时，它就是基于客观保真度准则的。 示时，它就是基于客观保真度准则的。 √ 常用的两种客观保真度准则 ➣ 均方根误差 ➣ 均方根信噪比
7.2.1 数据冗余
第 七 章 图 像 压 缩
• 三种基本的数据冗余
√ 编码冗余 √ 像素间冗余 √ 心理视觉冗余
• 如果能减少或消除上述三种冗余的一种或 多种冗余，就能取得数据压缩的效果。 多种冗余，就能取得数据压缩的效果。
7.2.1 数据冗余
第 七 章 图 像 压 缩
什么是编码冗余？ • 什么是编码冗余？
7.1 概述
第 七 章 图 像 压 缩 • 图像压缩的理论基础
√ 信息论 √ 图像处理的概念和技术
• 压缩方法
熵编码（统计编码） √ 熵编码（统计编码）方法 预测编码方法（对应空域方法） √ 预测编码方法（对应空域方法） 变换编码方法（对应频域方法） √ 变换编码方法（对应频域方法） ……
7.2 基础知识
• 信源解码器
7.3 无误差压缩
第 七 章 图 像 压 缩 • 无误差压缩的必要性
√ 在医疗或商业文件的归档，有损压缩因为法律原因而 在医疗或商业文件的归档， 被禁止。 被禁止。 卫星成像的收集，考虑数据使用和所花费用， √ 卫星成像的收集，考虑数据使用和所花费用，不希望 有任何数据损失。 有任何数据损失。 光拍片， √ X光拍片，信息的丢失会导致诊断的正确性 光拍片 信息的丢失会导致诊断的正确性……
• 信源编码器
第 七 章 图 像 压 缩
信源编码器 减少或消除输入图像中的编码冗余、 减少或消除输入图像中的编码冗余、像素间冗余及心理 视觉冗余。 视觉冗余。 转换器：减少像素间冗余，如使用行程编码。 转换器：减少像素间冗余，如使用行程编码。或进行图像变 换。 量化器：减少心理视觉冗余，该步操作是不可逆的。 量化器：减少心理视觉冗余，该步操作是不可逆的。 符号编码器：减少编码冗余，如使用哈夫曼编码。 符号编码器：减少编码冗余，如使用哈夫曼编码。 并不是每个图像压缩系统都必须包含这3种操作 种操作， 并不是每个图像压缩系统都必须包含这 种操作，如进行 无误差压缩时，必须去掉量化器。 无误差压缩时，必须去掉量化器。
7.2.3.1 通信系统模型（图像压缩模型） 图像压缩模型）
第 七 章 图 像 压 缩 符号解码器： 符号解码器：进行符号编码的逆操作 反向转换器： 反向转换器：进行转换器的逆操作 因为量化操作是不可逆转的， 因为量化操作是不可逆转的，所以信源解码器 中没有对量化的逆操作。 中没有对量化的逆操作。
如果一个图像的灰度级编码， 如果一个图像的灰度级编码，使用了多于实际需 要的编码符号，就称该图像包含了编码冗余。 要的编码符号，就称该图像包含了编码冗余。 例： 黑白二值图像编码 如果用8位表示该图像 如果用 位表示该图像 的像素， 的像素，我们就说该图像 存在编码冗余， 存在编码冗余，因为该图 像的像素只有两个灰度， 像的像素只有两个灰度， 位即可表示。 用1位即可表示。 位即可表示
7.2.1 数据冗余
第 七 章 图 像 压 缩 心理视冗余压缩是不可恢复的， √ 心理视冗余压缩是不可恢复的，量化的 结果导致了数据有损压缩。 结果导致了数据有损压缩。 通常采用量化来消除心理视觉冗。 √ 通常采用量化来消除心理视觉冗。
7.2.2 保真度准则 评价压缩算法的 保真度准则—评价压缩算法的 准则
第七章 图像压缩
第 七 章 图 像 压 缩
7.1 概述 7.2 基础知识 7.3 无误差压缩 7.4 有损压缩 7.5 静态图像的一些主要数据文件压缩方式 7.6 图像压缩标准
7.1 概述
第 七 章 图 像 压 缩 •图像数据压缩的目的
使表示一幅图像的数据位数最小。 使表示一幅图像的数据位数最小。
第 七 章 图 像 压 缩
• 保真度准则
图像压缩可能会导致信息损失， √ 图像压缩可能会导致信息损失，如去除心理视 觉冗余数据。 觉冗余数据。 √ 需要评价信息损失的测度以描述解码图像相对 于原始图像的偏离程度，这些测度称为保真度准则。 于原始图像的偏离程度，这些测度称为保真度准则。 常用保真度准则分为两大类： √ 常用保真度准则分为两大类： ➣ 客观保真度准则 ➣ 主观保真度准则
7.3.1.3 哈夫曼（Huffman）编码方法 哈夫曼（ ）
第 七 章 图 像 压 缩 哈夫曼编码基本思想
1) 统计一下符号的出现概率， 统计一下符号的出现概率， 2) 建立一个概率统计表， 建立一个概率统计表， 将最常出现（概率大的） − 将最常出现（概率大的）的符号用最短的 编码， 编码， 最少出现的符号用最长的编码。 − 最少出现的符号用最长的编码。 设有数字图像， 例：设有数字图像，其灰度集合为 X={x1,x2,x3,x4,x5,x6}其概 其概 率分布分别为P(x 率分布分别为 1)=0.4, P(x2)=0.3, P(x3)=0.1, P(x4)=0.1, P(x5)=0.06, P(x6)=0.04, 现求其最佳哈夫曼编码 W={w1,w2,w3,w4,w5,w6}。 。
元素 概率
xi P(xi) wi
x1 0.4 1 0.4 0.3 0.1
x2 0.3 00
x3 0.1 011 0.4 0.3
x4 0.1 0100 0.4 0.3 (00)
(01)
x5 0.06 01010 0.6 (0) 0.4 (1)
x6 0.04 01011
第 七 章 图 像 压 缩
编码 x1 0.4 x2 0.3 x3 0.1 x4 0.1
(SNR)
ms
= ∑∑
x =0 y =0
N −1 N −1
f (x, y) ∑∑e (x, y)
2 2 x =0 y =0
N −1 N −1
相应的均方根信噪比是 相应的均方根信噪比是： 均方根信噪比
(SNR )
rms
பைடு நூலகம்
=
(SNR )
ms
2. 主观保真度准则
一个主观保真度准则规定为： • 一个主观保真度准则规定为： 第 七 章 图 像 压 缩
N −1 N −1 x=0 y=0
2
相应的均方根误差便是： 相应的均方根误差便是： 均方根误差便是
e
rms
e
2
如果把压缩后图像表示成原图像和噪声的叠加， 如果把压缩后图像表示成原图像和噪声的叠加， 即 第 七 章 图 像 压 缩 f(x,y)=g(x,y)+e(x,y) 式中e(x,y)表示编码压缩后新旧图像之间的误差或 表示编码压缩后新旧图像之间的误差或 式中 编码噪声，则压缩后图像的均方信噪比可定义为： 编码噪声，则压缩后图像的均方信噪比可定义为：
H = −∑P log2 P (比 ) 特 k k
M k= 1
熵表示每个像素的平均信息量为多少比特， 熵表示每个像素的平均信息量为多少比特，是 编码所需比特数的下限。 编码所需比特数的下限。
7.3.1.1 一些基本概念
第 七 章 图 像 压 缩
2) 平均码字长度
为数字图像第k个码字 的长度。 个码字C 设ßk为数字图像第 个码字 k的长度。其相应出 现的概率为P 现的概率为 k ，则该数字图像所赋予的码字平均长 m 度为： 度为：
7.2.1 数据冗余
第 七 章 图 像 压 缩
什么是像素间冗余？ • 什么是像素间冗余？
反映图像中像素之间的相互关系。 √ 反映图像中像素之间的相互关系。 √ 因为任何给定像素的值可以根据与这个像素相 邻的像素进行预测， 邻的像素进行预测，所以单个像素携带的信息相对 较少。 较少。 例如：原图像数据：234 223 231 238 235 例如：原图像数据： 压缩后数据： 7 -3 压缩后数据：234 -11 8
N = ∑ β k Pk (比特)
k =1
3) 编码效率
在一般情况下， 在一般情况下，编码效率往往用下列简单公式 表示： 表示： H
η=
N
(% )
7.3.1.1 一些基本概念
第 七 章 图 像 压 缩
2. 变长最佳编码定理
1) [定理 在变长码中，对出现概率大的信息符号 定理] 在变长码中， 定理 赋予短码字， 赋予短码字，而对于出现概率小的信息符号赋予 长码字。 长码字。如果码字长度严格按照所对应符号出现 概率大小顺序排列， 概率大小顺序排列，则编码结果平均码字长度一 定小于任何其它排列方式。 定小于任何其它排列方式。 变长编码是统计编码中最为主要的一种方法。 变长编码是统计编码中最为主要的一种方法。 中最为主要的一种方法
均方根误差
第 七 章 图 像 压 缩 设原图像为g(x,y)，压缩后的图像为f(x,y)，x,y 设原图像为 ，压缩后的图像为 ， 均方误差可表示 取值范围均从0到 取值范围均从 到N-1。新旧图像的均方误差可表示 。新旧图像的均方误差 为：
e
2
=
1
N
=
2
∑ ∑ [f (x , y )− g (x , y )]
• 无误差压缩技术
√ 减少像素间冗余 √ 减少编码冗余
7.3.1 变长编码 7.3.1.1 一些基本概念
第 1. 图像熵和平均码字长度 七 图像熵（ ） 章 1) 图像熵（Entropy） 图 像 压 缩 设数字图像像素灰度级集合为（ 设数字图像像素灰度级集合为（X1,X2, …,Xk, …,XM)，其对应的概率分别为 1,P2, …,Pk, …,PM 。 ，其对应的概率分别为P 按信息论中信源信息熵定义，数字图像的熵H为 按信息论中信源信息熵定义，数字图像的熵 为：