第五章图像编码(1)
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数字图像处理
第5章 图像编码（1）
阮秋琦教授
模拟图像信号在传输过程中极易受到各种噪声的 干扰，而且模拟图像信号一旦受到污染则很难完 全得到恢复。另外，在模拟领域中，要进行人与 机器（计算机或智能机），机器与机器之间的信 息交换以及对图像进行诸如压缩、增强、恢复、 特征提取和识别等一系列处理都是比较困难的。
主要方法： a)关联识别，需要一定数量的样本。信息 与样本比较，判别相似程度。
b)、逻辑识别 没有样本，是用逻辑表达式判别被识别对象。 这种编码方法与实际应用还有距离。
从压缩的角度也可以分为; 1)、熵压缩法：不可逆的编码法，压缩中
有信息损失，但在视觉角度看失去的信息是无 关紧要的信息。
2）、无失真编码：是可逆的编码方法。 没有信息损失。
信源
信源编码
信道编码
调制
噪声
传输信道
信宿
信源解码
信道解码
解调
图5—1 数字通信系统模型
图5—1所示的模型是一个数字通信系统模型。 在这样一个模型中有二次编、译码，
信源编码、信源译码 信道编码、信道译码。
信源编码的主要任务是解决有效性问题，也就是对 信源实现压缩处理，使处理后的信号更适宜数字通 信系统。解决有效性问题就是在编码过程中尽量提 高编码效率，也就是力求用最少的数码传递最大的 信息量。
所以无论从完成图像通信与数据通信网的结合 方面来看，还是从对图像信号进行各种处理的 角度来看，图像信号数字化都是首当其冲的重 要问题。图像数字化的关键是编码。本章将对 图像编码进行较为详细的讨论。
5. 1 信源编码
图像编码属于信源编码范畴。其特点是利用图 像信号的统计特性及人眼睛的生理和心理特性 对图像进行高效编码。 在信息论中将数字通信过程概括为图5—1的形 式。
M.Kunt把1948年至1988年这四十年中研究的以 去除冗余为基础的编码方法称为第一代编码， 如：PCM、DPCM、△M、亚取样编码法，变换域 的DFT、DCT、Walsh-Hadamard变换编码等方法 以及以此为基础的混合编码法均属于经典的第 一代编码法。
第二代编码方法多是八十年代以后提出的新的 编码方法，如金字塔编码法、Fractal编码、 基于神经元网络的编码方法、小波变换编码法、 模型基编码法等。
率分布相匹配。如：出现概率大的编短码，概 率小的编长码，总的码率就会下降。
这种编码的长短不一，使得传输、译码、存储均 不方便，另一个缺点是编码的先决条件是要知道 图像信源的概率分布。
解决办法： 1）、寻找一个大体上能代表图像信源的数
学模型，如正态分布，指数分布等； 2）、实际统计图像信源的概率分布，这种
方法更切合实际，但是，往往找不到合适的数 学模型，给分析带来不便。
（2）、变换编码 首先把图像信源从一个空间变换到另外一个
空间，然后对变换系数进行编码。变换方式大 体上可分为两类;
预测变换 函数变换
（3)、识别编码 这种方法的关键是识别。基本原理是用另
外一套符号代替原来的信源中的消息，如：电 报、速记等均可认为是识别编码的例子。
法
法样
编
码
法
标 自 标自行 轮
准 适 准适程 廓
法 应 法应编 编
法
法码 码
DPCM ΔM
K-L HT, DWT
DFT ST DCT
H ar T
霍夫曼 仙农—费诺
最后需要着重提及的是，上述各种具体方案 并不是孤立的、单一的使用，往往是各种方 法重迭、交叉使用，以达到更高的编码效率， 在ITU-T的建议标准中这一点尤为突出。
信道编码的任务是解决可靠性问题。也就是 尽量使处理过的信号在传输过程中不出错或少 出错，既使出了错也要有能力尽量纠正错误。 因此，在信道编码中往往引进用作误差控制的 数码，以实现自动检错和纠错。
图像编码主要是要研究压缩数码率， 即高效编码问题。
编码是信息处理科学中的经典研究课题，就图像 编码而言，已有近五十年的历史。近年来， M.Kunt提出第一代、第二代编码的概念。
另外，如果从目前已有的实用方案的角度来分 类，可以分为三大类，即预测编码，变换编码 及统计编码。而这些方法既适用于静止图像编 码，也适用于电视信号编码。就具体编码方法 而言可简略地概括在表5—1中。
表5—1
图象高效编码法
PCM
预测法 正交变换法 统计编码 其他方法
Βιβλιοθήκη Baidu常亚标 自
规奈准 适
编氏法 应
码取
5. 2 图像编码中的保真度准则
图像信号在编码和传输过程中会产生误差，尤 其是在熵压缩编码中，产生的误差应在允许的 范围之内。在这种情况下，保真度准则可以用 来衡量编码方法或系统质量的优劣。通常，这 种衡量的尺度可分为客观保真度准则和主观保 真度准则。
随着多媒体技术的发展已有若干编码标准由ITU-T 制定出来，如JPEG、H.261、H.263、MPEG1、MPEG2、 MPEG4、MPEG7、JBIG(二值图像压缩) (Joint Bolevel Image Coding Expert Group)等。
信源编码的目的是提高编码效率。 是否能提高编码效率？ 回答是肯定的。
压缩的可能。
去掉了冗余成分的信源固然精练了，但是， 也变得脆弱了。抗干扰性能也变差了。因此， 在传书过程中，还要加入一些冗余成分以增 加抗干扰能力。这就是信道编码的任务了。
图像编码的分类 图像编码大致可分位三类：
1）、匹配编码； 2）、变换编码； 3）、识别编码：
（1）、匹配编码 这种编码方法是使代码长度与图像信源的概
现代编码法的特点是： ①充分考虑人的视觉特性； ②恰当地考虑对图像信号的分解与表述； ③采用图像的合成与识别方案压缩数据 率。
这种分法尽管并没得到图像编码界全体同仁的 广泛认可，但笔者认为对了解图像编码发展进 程是有益的。 图像编码这一经典的研究课题，经五十多年的 研究已有多种成熟的方法得到应用，特别是所 谓的第一代编码更是如此。
从信息论的角度看，各种信源都存在大量的冗余 成分。如果去掉这些冗余成分，就能提高编码效 率。所以，所谓第一代编码就是围绕着去除冗余 度这一中心思想实现数据压缩的。
冗余度在那里？ 冗余度主要存在于两个主要方面： 1）、存在于信源的相关性之中； 2）、存在于图像信源各个元素出现概率的不均
等之中。 因此，无论是记忆性信源还是无记忆性信源都由
第5章 图像编码（1）
阮秋琦教授
模拟图像信号在传输过程中极易受到各种噪声的 干扰，而且模拟图像信号一旦受到污染则很难完 全得到恢复。另外，在模拟领域中，要进行人与 机器（计算机或智能机），机器与机器之间的信 息交换以及对图像进行诸如压缩、增强、恢复、 特征提取和识别等一系列处理都是比较困难的。
主要方法： a)关联识别，需要一定数量的样本。信息 与样本比较，判别相似程度。
b)、逻辑识别 没有样本，是用逻辑表达式判别被识别对象。 这种编码方法与实际应用还有距离。
从压缩的角度也可以分为; 1)、熵压缩法：不可逆的编码法，压缩中
有信息损失，但在视觉角度看失去的信息是无 关紧要的信息。
2）、无失真编码：是可逆的编码方法。 没有信息损失。
信源
信源编码
信道编码
调制
噪声
传输信道
信宿
信源解码
信道解码
解调
图5—1 数字通信系统模型
图5—1所示的模型是一个数字通信系统模型。 在这样一个模型中有二次编、译码，
信源编码、信源译码 信道编码、信道译码。
信源编码的主要任务是解决有效性问题，也就是对 信源实现压缩处理，使处理后的信号更适宜数字通 信系统。解决有效性问题就是在编码过程中尽量提 高编码效率，也就是力求用最少的数码传递最大的 信息量。
所以无论从完成图像通信与数据通信网的结合 方面来看，还是从对图像信号进行各种处理的 角度来看，图像信号数字化都是首当其冲的重 要问题。图像数字化的关键是编码。本章将对 图像编码进行较为详细的讨论。
5. 1 信源编码
图像编码属于信源编码范畴。其特点是利用图 像信号的统计特性及人眼睛的生理和心理特性 对图像进行高效编码。 在信息论中将数字通信过程概括为图5—1的形 式。
M.Kunt把1948年至1988年这四十年中研究的以 去除冗余为基础的编码方法称为第一代编码， 如：PCM、DPCM、△M、亚取样编码法，变换域 的DFT、DCT、Walsh-Hadamard变换编码等方法 以及以此为基础的混合编码法均属于经典的第 一代编码法。
第二代编码方法多是八十年代以后提出的新的 编码方法，如金字塔编码法、Fractal编码、 基于神经元网络的编码方法、小波变换编码法、 模型基编码法等。
率分布相匹配。如：出现概率大的编短码，概 率小的编长码，总的码率就会下降。
这种编码的长短不一，使得传输、译码、存储均 不方便，另一个缺点是编码的先决条件是要知道 图像信源的概率分布。
解决办法： 1）、寻找一个大体上能代表图像信源的数
学模型，如正态分布，指数分布等； 2）、实际统计图像信源的概率分布，这种
方法更切合实际，但是，往往找不到合适的数 学模型，给分析带来不便。
（2）、变换编码 首先把图像信源从一个空间变换到另外一个
空间，然后对变换系数进行编码。变换方式大 体上可分为两类;
预测变换 函数变换
（3)、识别编码 这种方法的关键是识别。基本原理是用另
外一套符号代替原来的信源中的消息，如：电 报、速记等均可认为是识别编码的例子。
法
法样
编
码
法
标 自 标自行 轮
准 适 准适程 廓
法 应 法应编 编
法
法码 码
DPCM ΔM
K-L HT, DWT
DFT ST DCT
H ar T
霍夫曼 仙农—费诺
最后需要着重提及的是，上述各种具体方案 并不是孤立的、单一的使用，往往是各种方 法重迭、交叉使用，以达到更高的编码效率， 在ITU-T的建议标准中这一点尤为突出。
信道编码的任务是解决可靠性问题。也就是 尽量使处理过的信号在传输过程中不出错或少 出错，既使出了错也要有能力尽量纠正错误。 因此，在信道编码中往往引进用作误差控制的 数码，以实现自动检错和纠错。
图像编码主要是要研究压缩数码率， 即高效编码问题。
编码是信息处理科学中的经典研究课题，就图像 编码而言，已有近五十年的历史。近年来， M.Kunt提出第一代、第二代编码的概念。
另外，如果从目前已有的实用方案的角度来分 类，可以分为三大类，即预测编码，变换编码 及统计编码。而这些方法既适用于静止图像编 码，也适用于电视信号编码。就具体编码方法 而言可简略地概括在表5—1中。
表5—1
图象高效编码法
PCM
预测法 正交变换法 统计编码 其他方法
Βιβλιοθήκη Baidu常亚标 自
规奈准 适
编氏法 应
码取
5. 2 图像编码中的保真度准则
图像信号在编码和传输过程中会产生误差，尤 其是在熵压缩编码中，产生的误差应在允许的 范围之内。在这种情况下，保真度准则可以用 来衡量编码方法或系统质量的优劣。通常，这 种衡量的尺度可分为客观保真度准则和主观保 真度准则。
随着多媒体技术的发展已有若干编码标准由ITU-T 制定出来，如JPEG、H.261、H.263、MPEG1、MPEG2、 MPEG4、MPEG7、JBIG(二值图像压缩) (Joint Bolevel Image Coding Expert Group)等。
信源编码的目的是提高编码效率。 是否能提高编码效率？ 回答是肯定的。
压缩的可能。
去掉了冗余成分的信源固然精练了，但是， 也变得脆弱了。抗干扰性能也变差了。因此， 在传书过程中，还要加入一些冗余成分以增 加抗干扰能力。这就是信道编码的任务了。
图像编码的分类 图像编码大致可分位三类：
1）、匹配编码； 2）、变换编码； 3）、识别编码：
（1）、匹配编码 这种编码方法是使代码长度与图像信源的概
现代编码法的特点是： ①充分考虑人的视觉特性； ②恰当地考虑对图像信号的分解与表述； ③采用图像的合成与识别方案压缩数据 率。
这种分法尽管并没得到图像编码界全体同仁的 广泛认可，但笔者认为对了解图像编码发展进 程是有益的。 图像编码这一经典的研究课题，经五十多年的 研究已有多种成熟的方法得到应用，特别是所 谓的第一代编码更是如此。
从信息论的角度看，各种信源都存在大量的冗余 成分。如果去掉这些冗余成分，就能提高编码效 率。所以，所谓第一代编码就是围绕着去除冗余 度这一中心思想实现数据压缩的。
冗余度在那里？ 冗余度主要存在于两个主要方面： 1）、存在于信源的相关性之中； 2）、存在于图像信源各个元素出现概率的不均
等之中。 因此，无论是记忆性信源还是无记忆性信源都由