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图像编码与压缩技术共166页文档
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四.图像编码新技术
图像编码已经发展了几十年，人们不断提出新 的压缩方法。如，利用人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）的压缩编码、分形编码 （Fractal Coding）、小波编码（Wavelet Coding）、 基于对象的压缩编码（Object Based Coding）和基 于模型的压缩编码（Model Based Coding）等等。
图像编码与压缩技术
第6章 图像编码与压缩技术
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• 二.数据压缩的可能性
1. 图像作为信源有很大的冗余度，通过编码的方法减少或去掉这些冗余信 息后可以有效压缩图像，同时又不会损害图像的有效信息。数字图像的冗 余主要表现为以下几种形式： ✓空间冗余：规则物体或规则背景的物体表面特性具有的相关性，这种相 关性使图像结构趋于有序和平滑。内部相邻像素之间存在较强的相关性。 ✓频间相关性：多频段图像中各频段图像对应像素之间灰度相关性很强。 ✓时间冗余：视频图像序列中的不同帧之间的相关性很强，很多局部甚至 完全相同，或变化极其微妙。由此造成的冗余。 ✓信息熵冗余：也称编码冗余，如果图像中平均每个像素使用的比特数大 于该图像的信息熵，则图像中存在冗余，这种冗余称为信息熵冗余 ✓结构冗余：是指图像中存在很强的纹理结构或自相似性。 ✓知识冗余：是指在有些图像中还包含与某些先验知识有关的信息。 ✓视觉冗余：是指人眼不能感知或不敏感的那部分图像信息。 ✓其他冗余。
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1)分形编码
• 分形编码是在分形几何理论的基础上发展起来的 一种编码方法。分形编码最大限度地利用了图像 在空间域上的自相似性（即局部与整体之间存在 某种相似性），通过消除图像的几何冗余来压缩 数据。 M.Barnsley将迭代函数系统用于描述图像 的自相似性，并将其用于图像编码，对某些特定 图像获得了10 000: 1的压缩比。分形编码过程十 分复杂，而解码过程却很简单，故通常用于对图 像编码一次，而需译码多次的信息传播应用中。
图像压缩编码标准
号处在第5～6段。
《现代通信系统》
第2章 信源数字编码技术
D4 时刻 , 因为 A3=0, 本地解码器输出 IS=256Δ, 即第 5 、
6段的分界电平,因IC>IS,比较器输出“1”,即A4=1,说明信 号处在第6段。 D5时刻,本地解码器输出 IS=256Δ+128Δ=384Δ,即由 段落起点电平和A5位电平构成,因IC<IS,比较器输出“0”, 即A5=0。 D6 时刻 , 因为 A5=0,A5 位电平不保留 , 本地解码器输 出IS=256Δ+64Δ=320Δ,即由段落起点电平和A6位电平构
NA 2
NA , k 3, 4, , 2
第2章 信源数字编码技术
表2.2 A(87.6)律曲线和13折线段端点坐标和斜率
《现代通信系统》
第2章 信源数字编码技术
由于 A 律曲线是分段连续曲线 , 若要求所有折线端
点 仍 在 曲 线 上 , 则 应 有 : 在 0≤x≤1/A/ 区 域 内 ,A=87.6; 在 1/A≤x≤1 区域内 ,A=94.2, 即在两段曲线上 ,A 应取不同的
m
N 2
1
(2.3.10)
采用二进制编码时,通常取m=2,若取Nμ=16,则有
28 1 255
图2.7画出了μ255/15折线正半轴的折线图,表2.1 给出了μ255/15折线各折线段的参数。
《现代通信系统》
第2章 信源数字编码技术
y 1 7 8 6 8 5 8 4 8 3 8 2 8 1 8
成,因IC>IS,比较器输出“1”,即A8=1。
《现代通信系统》
第2章 信源数字编码技术
2. 差值脉冲编码是对抽样信号当前样值的真值与估 值的幅度差值进行量化编码调制。
图象压缩编码标准
图象压缩编码标准国际标准化协会(ISO)、国际电子学委员会(IEC)、国际电信协会（ITU）等国际组织，于90年代领导制定了许多重要的多媒体数据压缩标准。
如JPEG、H.26 1、H.263、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等等。
这些标准已在数字电视、多媒体领域得到广泛应用。
4.1 JPEGJPEG(Joint Photo Graphic Experts Group)是联合图象专家组的英文缩写。
JP EG主要是针对静止图象的压缩编码标准，但是在电视图象序列的帧内压缩中也常采用JPEG，是一个适用范围广泛的通用标准。
JPEG包含两种基本压缩方法，各有不同的工作模式。
包括以DCT为基础的有损压缩方法和以二维DPCM为基础的无损压缩方法。
以DCT为基础的压缩方法压缩比较高，得到广泛应用。
1.基于DCT的JPEG算法框图该算法主要有三个步骤：(l) 用DCT去除图象数据的空间冗余；(2) 用人眼视觉最佳效果的量化表来量化DCT系数；(3) 对数据进行熵编码。
2.JPEG算法编码过程在编码端:一个8×8亮度图象块进行JPEG压缩编解码过程如图所示。
（1)分块:把原始图象分成8×8像块f(x,y)之后分别进入DCT变换器。
(2)电平搬移、DCT变换：由于平均电平较高，在作变换之前首先将电平下移1 28。
然后作DCT变换得系数块F(u,v)。
在DCT系数块中，直流系数F(0,0)最大，能量主要集中在左上角低频区，高频系数较小。
(3)量化：对系数F(u,v)进行量化，[F(u,v)]Q= [F(u,v)/Q(u,v)]取整数，Q(u,v)称为量化系数矩阵。
JPEG推荐了Q(u,v)量化表。
量化后的[F(u,v)]Q高频系数已经大部分为零，能量主要集中在低频系数上。
（4)之字型扫描读出：由于右下角高频区的大部分系数为0，编码时不对单个0编码，而只对0的游程(连续0的个数)编码，为了制造更长的0游程，对变换系数矩阵采用之字型扫描读出方式。
图像压缩标准
– 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
• 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：
图像处理实验室
Digital Image Processing
哈尔滨工业大学（威海）
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
图像处理实验室
Digital Image Processing
哈尔滨工业大学（威海）
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
• 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：
图像编码与压缩
符号集{xi}
x1
x2
x3
x4
x5
x6
概率分布{pi} 0.40 0.20 0.12 0.11 0.09 0.08
Huffman编码 1 010 000 001 0110 0111
第十九页，共78页
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
• 写成矩阵形式为Yule-Walker方程组
N1
R(i) akR(ki) k1
R(0)
R(1) R(N2) a1 R(1)
R(1)
R(0)
R(N3)•a2
R(2)
R(N2）R(N3)
R(0)
an1
R(N1)
若R（i）已知，该方程组可以用递推算法来求解ai。
第三十六页，共78页
第四十二页，共78页
（
5.4.2 变换编码的系统结构
多变样率变换编码系统
图 像 输
入
二 维 变 换
交 换
域
采
量 化
编
【例5.3】图5.6以表5.3的信源为例说明Fano编码。
第二十五页，共78页
5.2.3 算术编码
• 在信源各符号概率接近的条件下，算术编码是一种优于
Huffman编码的方法。 • 【例6-1】根据信源的概率分布进行算术编码。已知信源的概率
分布为
0 1 X 2 3
5 5
• 求二进制序列01011的编码。
• 在某种模型的指导下，根据过去的样本序列 推测当前的信号样本值，然后用实际值与预 测值之间的误差值进行编码。
第4章图像压缩编码
而医学图像处理和其他科研应用的图像的灰度量化可用到 12bit以上，因而所需数据量太大。 1024×1024 × 12 =12Mbit
遥感图像如SAR图像用8bit量化，100公里X100公里，10m
分辨率的图像的大小为10000X10000。这样一个地区的图像需 108B以上。这无疑对图象的存储、处理、传送带来很大的困
对二进制码进一步简化为：
log2 Pi ti log2 Pi 1
可见码字长度是由信息符号出现的概率来决定的。这 就是下面要介绍的香农编码方法理论基础
12
6.
唯一可译编码
为了减少表示图像的平均码字长度，对码字之间往往不加同步
码，这样就要求所编码字序列能被唯一译出来。满足这个条件的编码 称为唯一可译编码，或单义可译码。 （a）续长代码和非续长代码 非续长代码：不能在某一代码后面添加一些码元而构成另一个码字。 例如：[0，10，11]是非续长代码； [0，01，11]是续长代码。 （b）单义代码
难。
3
2.
图像压缩的主要目的：
传输 从传送图像的角度来看: 与 存储
某些图像采集有时间性；
图像存储体的存储时间也有限制。它取决于存储器件的最短存 取时间，若单位时间内大量图像数据来不及存储，就会丢失信息。
从图像存储的角度：
通过压缩可以减少存储设备的用量，产生经济效益。
4
3.
图像数据压缩的可能性：
10
5.
可变长度最佳编码的平均码字长度
设：
可变长度编码所用码元进制为D（一般为2），
被编码的信息符号总数为N，
第i个符号出现的概率为 i，
与其对应的码字长度为
p
ti
H H R 1 logB D logB D
图像压缩编码.
第四章
图像压缩编码
2019/2/25
4.1 概述
4.1.1 视频压缩编码的必要性 现以一路电视信号为例，看看将它数字化 后 的 数 码 率 ， 按 CCIR （ Consultative Committee International Radio ） 制 定 的 CCIR601标准，数字化后的分辨率为720×576， 每秒25帧，Y：U：V为4：2：2，若以8bit表示Y 信号，则每像素占 16bit ，数码率为 165.9Mbps 。 以 64kbps 作为一个数字话路，若不加压缩，为 传输一路电视要占用 2592 个有效数字话路。这 在实际应用中是难以接受的。
K 1
M
(1)
熵值反映了图像的平均信息量，即图像中各 个灰度级比特数的统计平均值。熵的单位是位 /字符(bits per symbol)。
2019/2/25
(1)式的前提条件是像素的灰度级互不相 关，即为无记忆信源熵值，称为0阶熵H0(.); 其含义是将一个输入序列的每一个编码所要 求的平均比特数的界限。 对于有记忆信源，即后续的输入不是独立 的，则对每一个输入来讲，与输入序列相联 系的熵小于单独输入之熵。此时，需要考虑 联合概率密度函数或条件概率：
2019/2/25
图像编码技术就是要把种种压缩的可能性 变为现实。
2019/2/25
4.1.4
图像压缩编码一般框图
图像编码的过程可以概括成图 1 所示的 三个步骤，原始图像经映射变换后的数据,经 量化器和熵编码器成为码流输出。
原始图像 f(m,n) 映射变换 映射后数据 量化器 量化后数据 熵编码器 码流C
2019/2/25
由于人眼视觉系统是一种最优的图像编码 系统，人眼视觉特性应该与图像中传递的本质 特征一致，基于模型的编码方法正是基于这一 思路发展而来的。1985年正式提出了第二代图 像编码。
图像压缩编码
2019/2/25
4.1 概述
4.1.1 视频压缩编码的必要性 现以一路电视信号为例，看看将它数字化 后 的 数 码 率 ， 按 CCIR （ Consultative Committee International Radio ） 制 定 的 CCIR601标准，数字化后的分辨率为720×576， 每秒25帧，Y：U：V为4：2：2，若以8bit表示Y 信号，则每像素占 16bit ，数码率为 165.9Mbps 。 以 64kbps 作为一个数字话路，若不加压缩，为 传输一路电视要占用 2592 个有效数字话路。这 在实际应用中是难以接受的。
K 1
M
(1)
熵值反映了图像的平均信息量，即图像中各 个灰度级比特数的统计平均值。熵的单位是位 /字符(bits per symbol)。
2019/2/25
(1)式的前提条件是像素的灰度级互不相 关，即为无记忆信源熵值，称为0阶熵H0(.); 其含义是将一个输入序列的每一个编码所要 求的平均比特数的界限。 对于有记忆信源，即后续的输入不是独立 的，则对每一个输入来讲，与输入序列相联 系的熵小于单独输入之熵。此时，需要考虑 联合概率密度函数或条件概率：
2019/2/25
图像编码技术就是要把种种压缩的可能性 变为现实。
2019/2/25
4.1.4
图像压缩编码一般框图
图像编码的过程可以概括成图 1 所示的 三个步骤，原始图像经映射变换后的数据,经 量化器和熵编码器成为码流输出。
原始图像 f(m,n) 映射变换 映射后数据 量化器 量化后数据 熵编码器 码流C
2019/2/25
由于人眼视觉系统是一种最优的图像编码 系统，人眼视觉特性应该与图像中传递的本质 特征一致，基于模型的编码方法正是基于这一 思路发展而来的。1985年正式提出了第二代图 像编码。
图像压缩标准
2011-8-8 南京大学多媒体研究所 23
图
原始图象组
1/4 1/1 1/16 1/64 1/256
_
JPEG编码
压缩 后的 图象
传 输 信 道 ) (
插值
+
JPEG解码
原始图象 +
的图 象 插值
2011-8-8 24
JPEG解码
JPEG的压缩比与图象质量 JPEG的压缩比与图象质量
压缩比(CR)
AC系数
0 1 2 63 10 9 8 7 6 5 1
Encropy coder
(缓冲器) 位序号
频谱选择法
连续逼近法
2011-8-8
南京大学多媒体研究所
21
Examples of Progressive JPEG
2011-8-8
南京大学多媒体研究所
22
5. DCT_based 层次编码
目的:高分辨率图像在任意分辨率设备上输出(scalable). 算法：
2011-8-8 南京大学多媒体研究所 10
颜色转换
Y = (77/256)*R+(150/256)*G+(29/256)*B Cr = (131/256)*R- (110/256)*G-(21/256)*B+128 Cb = -(44/256)*R-(87/256)*G+(131/256)*B+128
交流系数符号1的H学多媒体研究所 18
JPEG压缩编码过程图解 JPEG压缩编码过程图解
DCT
Zig-zag
Quantize
011010001011101... Run-length 2011-8-8 Code Huffman 南京大学多媒体研究所 Code
图
原始图象组
1/4 1/1 1/16 1/64 1/256
_
JPEG编码
压缩 后的 图象
传 输 信 道 ) (
插值
+
JPEG解码
原始图象 +
的图 象 插值
2011-8-8 24
JPEG解码
JPEG的压缩比与图象质量 JPEG的压缩比与图象质量
压缩比(CR)
AC系数
0 1 2 63 10 9 8 7 6 5 1
Encropy coder
(缓冲器) 位序号
频谱选择法
连续逼近法
2011-8-8
南京大学多媒体研究所
21
Examples of Progressive JPEG
2011-8-8
南京大学多媒体研究所
22
5. DCT_based 层次编码
目的:高分辨率图像在任意分辨率设备上输出(scalable). 算法：
2011-8-8 南京大学多媒体研究所 10
颜色转换
Y = (77/256)*R+(150/256)*G+(29/256)*B Cr = (131/256)*R- (110/256)*G-(21/256)*B+128 Cb = -(44/256)*R-(87/256)*G+(131/256)*B+128
交流系数符号1的H学多媒体研究所 18
JPEG压缩编码过程图解 JPEG压缩编码过程图解
DCT
Zig-zag
Quantize
011010001011101... Run-length 2011-8-8 Code Huffman 南京大学多媒体研究所 Code
第12章图像压缩编码资料
方法： i. 将信源符号按出现概率从大到小排成一列，
然后把最末两个符号的概率相加，合成一个 概率。
ii.把这个符号的概率与其余符号的概率按从大到小排 列，然后再把最末两个符号的概率加起来，合成一 个概率。
iii.重复上述做法，直到最后剩下两个概率为止。 iv.从最后一步剩下的两个概率开始逐步向前进行编码
曼编码的效率，在图像通信中常用它来取代哈夫曼编码; 实现算术编码算法的硬件比哈夫曼编码复杂。
编码原理
算术编码方法是将被编码的信源消息表示成0-1之间的一个间 隔，即小数区间，消息越长，编码表示它的间隔就越小;
以小数表示间隔，表示的间隔越小所需的二进制位数就越多， 码字就越长。反之，间隔越大，编码所需的二进制位数就少， 码字就短。
输入 输入概率第一步第二步第三步第四步
S1 0.4 0.4 0.4 0.4 0.6 0 S2 0.3 0.3 0.3 0.3 0 0.4 1 S3 0.1 0.1 0.2 0 0.3 1 S4 0.1 0.1 0 0.1 1 S5 0.06 0 0.1 1 S6 0.04 1
S5=01010
输入 输入概率第一步第二步第三步第四步
因此在解压缩时能精确恢复原图像，无损压缩的压缩比很少有 能超过3：1的,常用于要求高的场合。
2.有损压缩编码
※有损压缩是通过牺牲图像的准确率以实现较大的压缩率，
如果容许解压图像有一定的误差，则压缩率可显著提高。 有损压缩在压缩比大于30：1时仍然可重构图像，而如果 压缩比为10:1到20:1，则重构的图像与原图几乎没有差别
(1) 编码冗余：
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。
例：如果用8位表示该图像的像素，我们就说该图像 存在着编码冗余，因为该图像的像素只有两个灰度， 用一位即可表示。
然后把最末两个符号的概率相加，合成一个 概率。
ii.把这个符号的概率与其余符号的概率按从大到小排 列，然后再把最末两个符号的概率加起来，合成一 个概率。
iii.重复上述做法，直到最后剩下两个概率为止。 iv.从最后一步剩下的两个概率开始逐步向前进行编码
曼编码的效率，在图像通信中常用它来取代哈夫曼编码; 实现算术编码算法的硬件比哈夫曼编码复杂。
编码原理
算术编码方法是将被编码的信源消息表示成0-1之间的一个间 隔，即小数区间，消息越长，编码表示它的间隔就越小;
以小数表示间隔，表示的间隔越小所需的二进制位数就越多， 码字就越长。反之，间隔越大，编码所需的二进制位数就少， 码字就短。
输入 输入概率第一步第二步第三步第四步
S1 0.4 0.4 0.4 0.4 0.6 0 S2 0.3 0.3 0.3 0.3 0 0.4 1 S3 0.1 0.1 0.2 0 0.3 1 S4 0.1 0.1 0 0.1 1 S5 0.06 0 0.1 1 S6 0.04 1
S5=01010
输入 输入概率第一步第二步第三步第四步
因此在解压缩时能精确恢复原图像，无损压缩的压缩比很少有 能超过3：1的,常用于要求高的场合。
2.有损压缩编码
※有损压缩是通过牺牲图像的准确率以实现较大的压缩率，
如果容许解压图像有一定的误差，则压缩率可显著提高。 有损压缩在压缩比大于30：1时仍然可重构图像，而如果 压缩比为10:1到20:1，则重构的图像与原图几乎没有差别
(1) 编码冗余：
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。
例：如果用8位表示该图像的像素，我们就说该图像 存在着编码冗余，因为该图像的像素只有两个灰度， 用一位即可表示。
图像压缩标准
2021/4/9
8
顺序编码基本流程
f(x,y)
F(u,v)
源图象
FDCT
FQ(u,v)
D
P
Q
DC
C M
AC R L C
Huffman DC model
Huffman AC model
1.预处理
Q1(u,v) Q2(u,v)
2.DCT变换 3.量化 4.DPCM/RLC
5.Huffman
Var-length
第 9 章 图像压缩标准
2021/4/9
1
内容
➢ 静止图像压缩编码标准JPEG ➢ 静止图像压缩编码标准JPEG2000
2021/4/9
2
一、静止图象压缩编码标准JPEG (ISO /IEC 10918)
2021/4/9
3
1 引言
JPEG应满足下列需求：
可处理各种连续色调的彩色（黑白）图象 算法先进，图象质量可达“very good /excellent” 压缩比及图象质量可选择（控制） （以CCIR601型测试图像为例，JPEG算法能达到的典型压
V(u,v)=
17 18 24 47 99 99 99 99 18 21 26 66 99 99 99 99 24 26 56 99 99 99 99 99 47 66 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99
2021/4/9
14
交流系数AC的处理
将FQ(u,v)按 ZZ(1) “Z”字形排成 一个一维数组 ZZ(1..63)：