第8章数字图像通信系统
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编码方法采用了改进的运动补偿、DCT和量化等技术。
支持的典型数据传输速率为每秒 1.5兆比特，此时提供的 图像质量与家用录像系统的质量相当。
最高编码速率可达每秒 4兆比特 ~ 5兆比特，随着速率的 提高，解码后的图像质量有所降低。 应用于VCD、MP3和数字电话网络上的视频传输，如视 频点播，它也可被用来在因特网上传输音频。
15
压缩编码方法——限失真编码
压缩编码后可能造成失真，编码后的复原图像与编码前 的原始图像有差别。
预测编码、离散余弦变换
注: A´ 是A在下一帧的对应点 A´ A 第 N帧 第N-1帧 (b)有运动位移 A A´ B 第N帧 第N-1帧
ห้องสมุดไป่ตู้
(a)没有运动位移
图8-4 运动图像的预测编码
16
8.2.3 数字图像信号的编码标准
18
H.263标准
H.263 核心仍然是 DPCM/DCT 混合编码，也采用了四层 的分层结构进行编码。 与H.261标准不同之处是，H.263做了一些修改或扩充 支持CIF、QCIF和另外三种图像格式，它们的分 辨率分别为QCIF分辨率的一半、4倍和16倍。 预测编码估值精度可以达到半个像素。 增加了四种可选项以提高编码效率。 采用算术编码代替哈夫曼编码，编码效率更高。
提供让信号通过的通道，同时也会对信号产生限制 和损害。
狭义信道为传输媒质。
广义信道还包括相关的转换器和设备，因此，电话 网、移动通信网和因特网等网络是广义信道。
7
数字图像通信系统的组成
解码器
解调器、解码器分别是上述编码器和调制器的逆 过程。
显示终端
用来显示被复原的图像的设备，可以是电视荧光屏、 液晶显示屏、打印机、图像拷贝机等。
14
压缩编码方法——无失真编码
压缩编码时不丢失有效信息，编码后的复原图像与编码 前的原始图像完全相同。 两种典型方法：哈夫曼编码和算术编码。
A(0.375) B(0.175) C(0.175) D(0.15) E(0.125) 0 1 0 1 1 P1 0 P2 1 P3 0 P4
图8-3 哈夫曼编码方法
31
8.2.4 数字图像的传输
除了压缩编码，数字图像通信系统的关键技术还包括
用户的接入网络 数据的传输网络
信息的交换网络
32
1.数字图像的传输方式
基带传输 直接传输数字化后的图像信号。 实现简单，但是传输距离有限。
频带传输
长距离传输。 将基带信号进行数字调制，然后再将调制后的信号 送上信道传输。
三大系列：H.26x、JPEG和MPEG
三大组织 国际电信联盟远程通信标准化组 ITU-T: ITU for Telecommunication Standardization Sector 国际标准化组织 ISO: International Organization for Standardization 国 际 电 工 委 员 会 IEC: International Electrotechnical Commission
28
MPEG-4
其他特点
提供了更高的编码效率，在相同的比特率下，更好 的视觉听觉质量使得在低带宽的信道上传送视频、 音频成为可能。 MPEG-4还支持具有不同带宽、不同存储容量的传 输信道和接收端，这使得它适用于许多应用场合。
主要应用于因特网视音频广播、无线通信、静止图像压 缩、电视电话、计算机图形、动画与仿真和电子游戏。
第8章 数字图像通信系统
8.1 概述
8.2 数字图像通信原理 8.3 数字传真通信 8.4 活动数字图像通信系统
1
8.1 概述
图像通信是一种视觉通信，已成为当代通信领域主要 手段之一。 图像通信传送和接收的图像信息可以是静止的或活动 的。 图像信息可以采用模拟或数字的形式进行传送，传送 和接收数字图像信号的通信系统就是数字图像通信系统。
5
数字图像通信系统的组成
输入设备：产生静止或活动的图像信号。 编码器 信源编码器 模拟的图像信号转换为数字信号 压缩图像信号 信道编码器 将信源编码器输出的比特流转变为适合信道传 输的形式，包括差错控制编码和调制，以及数 据打包和传输层控制等。
6
数字图像通信系统的组成
信道
8
8.2 数字图像通信原理
模数变换
图像压缩编码
数字传输、宽带接入与交换等关键技术
9
8.2.1 图像信号数字化
原始图像的数字化包括以下三个过程
空间位置的数字化
幅度值的数字化 编码
10
空间位置的数字化
本质上就是对连续分布的空间位置进行抽样，选取有 限个位置来表示整幅图像。 在二维空间中，包括垂直和水平两个位置或方向的数 字化。 • 在垂直位置上进行扫描，即用若干等距离的水平扫 描行来表示图像； • 在水平方向上进行抽样，即按照一定的间隔选取信 号。
MPEG标准
活动图像及其声音的数字编码标准。 包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG21等多个版本。 比其他数据压缩标准兼容性好，能够提供更高的压缩比 率，对数据造成的损失小。
24
MPEG-1
用于数据传输率不超过每秒 1.5兆比特的数字存储媒体上 活动图像及其伴音的编码。
29
MPEG-7
多媒体内容描述接口。 是为了快速、有效地搜索用户所需要的不同类型的多媒 体信息而提出的标准。 规定了各种类型的多媒体信息的标准化描述，将该描述 与所描述的内容相联系，以实现快速有效地搜索和索引 可以独立于其他 MPEG 标准使用，但 MPEG-4 中所定义 的音频、视频对象的描述适用于MPEG-7。 不仅包含了MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4标准现有内容 的识别，还包括了更多的数据类型，可以是静止图像、图 形、音频、动态视频以及这些元素的组合。 支持非常广泛的应用。
33
信道差错编码
常规的信道差错编码
检错重发、前向纠错和混合纠错等多种编码方式 图像通信系统采用的差错编码技术
前向纠错编码
增加信源编码差错控制的能力 联合设计信道编码与信源编码以提高图像信息传输 的抗干扰性能
34
数字调制技术
重要性
可以在相同的信道带宽下传输更多的图像数据 可以提高图像信号传输的可靠性
27
MPEG-4
“基于对象编码”的概念 将一幅图像分成若干在时间和空间上相互联系的视 频、音频对象，分别编码后，再经过复用传输到接 收端，然后再对不同的对象分别解码，再组合成所 需要的视频和音频。 好处 便于对不同的对象采用不同的编码方法和表示方法， 在压缩效率与解码质量间得到较好的平衡。 使得数据的接收者不再是被动的，具有操纵对象的 能力，可以对不同的对象进行独立的删除、添加、 移动等操作。
19
H.263标准
H.263＋进一步提高了压缩编码性能 支持更多的图像格式类型，允许自定义图像的尺寸。 采用更好的编码方法。 通过一些技术增强了图像信息在易误码、易丢包的网 络环境下的传输 。
20
JPEG标准
主要用于连续彩色静止图像的数据压缩。 以DCT技术为基础，能够提供较好的图像质量和较高的 压缩率。 由ISO和ITU-T于1991年联合公布。
2
8.1.1 图像通信的特点
直观性强 --图像表示形象直观，易于理解。 数据量大 --数字图像的数据量比语音要大一个数量级，比文本数 据大两个数量级。
信息确切性好
--与听觉获取相比，视觉获取的信息内容更容易确认， 不易发生歧义。
3
8.1.2 图像通信的分类
按业务性质分
传真、可视电话、会议电视、图文电视、有线电视、 高清晰度电视和智能用户电报等。
30
MPEG-21
正式名称是“多媒体框架”，又称“数字视听框架” 它是在电子商务蓬勃发展的背景下应运而生的产物，是为了 解决新市场所面临的问题。 如何获取数字视频、音频以及合成图形等“数字商品” 如何保护多媒体内容的知识产权 如何为用户提供透明的媒体信息服务 如何检索内容 如何保证服务质量等而制定的标准 目标是建立一种高效、透明和互操作的真正跨平台的多媒体 框架，实现在各种不同的网络间的数据交换，完成内容描述、 创建、发布、使用、识别、收费管理、产权保护、用户隐私权 保护、终端和网络资源抽取、事件报告等功能。
由于MPEG-2的功能包括了MPEG-3，后来MPEG-3被取消。
26
MPEG-4
针对数字电视、交互式图形应用、交互式多媒体整合和 压缩技术的需求而制定。
不只是具体的压缩算法，它将众多的多媒体应用集成在 一个完整的框架内，目的是为多媒体通信及应用环境提供 标准的算法和工具，从而建立起一种能被多媒体传输、存 储、检索等应用领域普遍采用的统一数据格式。
21
JPEG 2000
支持各种类型图像压缩，包括二值图像、多分量图像、 遥感图像、医学图像和合成图像等。 在表示像素位数即每像素位低于 0.25 时，恢复出来的图 像具有较好的细节质量，比原标准具有更好的甚低比特率 性能。 对同一码流能同时提供有损或无损压缩。 允许用户自定义感兴趣区域，并对感兴趣区域的图像提 供更好的编码质量。 在通过无线信道传输时码流具有良好的抗误码性能，并 采用数字水印技术提高图像安全保护性能。 采用了压缩率更高的小波变换方法。
17
H.261标准
第一个视频压缩编码国际标准，由ITU-T颁布，在 ISDN 上开展可视电话和会议电视。 数据速率为每秒64千比特~192千比特(N64 kbps) 仅支持CIF和QCIF两种图像格式。 图像数据被划分为四个层次：原始图像即为图像层、块 组层、宏块层、子块层。 预测编码与DCT相配合的混合编码方式。
11
幅度的数字化
量化：用有限的幅度值来表示连续变化的幅度值。
编码：编码使用的码字位数与量化级数有关，量化 级数多固然可以减小量化误差，但是编码时使用的 码字位数也多，占用的传输带宽也越大。
图8-2 图像信息的像素点
12
8.2.2 数字信号的压缩与编码
为什么要进行压缩
压缩的必要性：数字图像包含巨大的信息量，为了 有效地存储和在有限的信道中传输图像信息，有必 要对图像信息进行压缩。 压缩的可能性 图像信息包含有用的信息和无用的多余信息， 消除多余信息可以节约码字，达到数据压缩的 目的。 图像通信允许图像编码存在一定失真。
13
图像压缩的原理和方法
压缩编码：在保证一定的图像质量和满足要求的前提 下，减少原始图像数据量的处理过程。
两种基本思路
利用图像固有的统计特性，从原始图像中提取有效 的信息，尽量去除冗余信息，例如减少相邻像素之 间、相邻帧之间的冗余信息。 利用人的视觉特性，力图发现人眼是根据哪些关键 特征来识别图像，然后根据这些特征来构造图像模 型。
25
MPEG-2
适用于每秒 1.5兆比特～60兆比特，甚至更高数据速率的编码， 编码码率从每秒3兆比特～100兆比特。 特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为标准 数字电视和高清晰度电视的编码标准。 应用范围更广，包括了MPEG-1的工作范围。 区分不同类型的应用，对不同应用下的图像提供不同级别的 图像质量，即低级、主级、高级和更高级。 低级图像质量与 MPEG-1相同 主级图像质量相当于演播室图像质量 高级和更高级图像质量相当于高清晰度电视质量
常用的数字调制方法
多进制相移键控、多进制正交幅度调制、网格编码 调制、正交频分复用调制、编码正交频分复用调制 和残留边带调制等
按图像信息内容的运动状态分
静止图像通信 活动图像通信
按采用的传输技术分
模拟图像通信 数字图像通信
4
8.1.3 数字图像通信系统的组成
编码器 输 入 设 备 信 源 编 码 器 信 道 编 码 器 信 道 解 码 器 解码器 信 源 解 码 器 显 示 设 备
信 道
图8-1 图像通信系统基本组成
22
MJPEG标准
JPEG 标准也用来对活动图像进行编码，此时 JPEG把视 频序列中的每一帧当作一幅静止图像来处理，即所谓 Motion JPEG，简称为MJPEG。 目前JPEG被广泛应用在各种应用场合，比如一般的图片、 医疗图片、卫星图片的保存和传输，多媒体应用和广播电 视后期制作等。
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支持的典型数据传输速率为每秒 1.5兆比特，此时提供的 图像质量与家用录像系统的质量相当。
最高编码速率可达每秒 4兆比特 ~ 5兆比特，随着速率的 提高，解码后的图像质量有所降低。 应用于VCD、MP3和数字电话网络上的视频传输，如视 频点播，它也可被用来在因特网上传输音频。
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压缩编码方法——限失真编码
压缩编码后可能造成失真，编码后的复原图像与编码前 的原始图像有差别。
预测编码、离散余弦变换
注: A´ 是A在下一帧的对应点 A´ A 第 N帧 第N-1帧 (b)有运动位移 A A´ B 第N帧 第N-1帧
ห้องสมุดไป่ตู้
(a)没有运动位移
图8-4 运动图像的预测编码
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8.2.3 数字图像信号的编码标准
18
H.263标准
H.263 核心仍然是 DPCM/DCT 混合编码，也采用了四层 的分层结构进行编码。 与H.261标准不同之处是，H.263做了一些修改或扩充 支持CIF、QCIF和另外三种图像格式，它们的分 辨率分别为QCIF分辨率的一半、4倍和16倍。 预测编码估值精度可以达到半个像素。 增加了四种可选项以提高编码效率。 采用算术编码代替哈夫曼编码，编码效率更高。
提供让信号通过的通道，同时也会对信号产生限制 和损害。
狭义信道为传输媒质。
广义信道还包括相关的转换器和设备，因此，电话 网、移动通信网和因特网等网络是广义信道。
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数字图像通信系统的组成
解码器
解调器、解码器分别是上述编码器和调制器的逆 过程。
显示终端
用来显示被复原的图像的设备，可以是电视荧光屏、 液晶显示屏、打印机、图像拷贝机等。
14
压缩编码方法——无失真编码
压缩编码时不丢失有效信息，编码后的复原图像与编码 前的原始图像完全相同。 两种典型方法：哈夫曼编码和算术编码。
A(0.375) B(0.175) C(0.175) D(0.15) E(0.125) 0 1 0 1 1 P1 0 P2 1 P3 0 P4
图8-3 哈夫曼编码方法
31
8.2.4 数字图像的传输
除了压缩编码，数字图像通信系统的关键技术还包括
用户的接入网络 数据的传输网络
信息的交换网络
32
1.数字图像的传输方式
基带传输 直接传输数字化后的图像信号。 实现简单，但是传输距离有限。
频带传输
长距离传输。 将基带信号进行数字调制，然后再将调制后的信号 送上信道传输。
三大系列：H.26x、JPEG和MPEG
三大组织 国际电信联盟远程通信标准化组 ITU-T: ITU for Telecommunication Standardization Sector 国际标准化组织 ISO: International Organization for Standardization 国 际 电 工 委 员 会 IEC: International Electrotechnical Commission
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MPEG-4
其他特点
提供了更高的编码效率，在相同的比特率下，更好 的视觉听觉质量使得在低带宽的信道上传送视频、 音频成为可能。 MPEG-4还支持具有不同带宽、不同存储容量的传 输信道和接收端，这使得它适用于许多应用场合。
主要应用于因特网视音频广播、无线通信、静止图像压 缩、电视电话、计算机图形、动画与仿真和电子游戏。
第8章 数字图像通信系统
8.1 概述
8.2 数字图像通信原理 8.3 数字传真通信 8.4 活动数字图像通信系统
1
8.1 概述
图像通信是一种视觉通信，已成为当代通信领域主要 手段之一。 图像通信传送和接收的图像信息可以是静止的或活动 的。 图像信息可以采用模拟或数字的形式进行传送，传送 和接收数字图像信号的通信系统就是数字图像通信系统。
5
数字图像通信系统的组成
输入设备：产生静止或活动的图像信号。 编码器 信源编码器 模拟的图像信号转换为数字信号 压缩图像信号 信道编码器 将信源编码器输出的比特流转变为适合信道传 输的形式，包括差错控制编码和调制，以及数 据打包和传输层控制等。
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数字图像通信系统的组成
信道
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8.2 数字图像通信原理
模数变换
图像压缩编码
数字传输、宽带接入与交换等关键技术
9
8.2.1 图像信号数字化
原始图像的数字化包括以下三个过程
空间位置的数字化
幅度值的数字化 编码
10
空间位置的数字化
本质上就是对连续分布的空间位置进行抽样，选取有 限个位置来表示整幅图像。 在二维空间中，包括垂直和水平两个位置或方向的数 字化。 • 在垂直位置上进行扫描，即用若干等距离的水平扫 描行来表示图像； • 在水平方向上进行抽样，即按照一定的间隔选取信 号。
MPEG标准
活动图像及其声音的数字编码标准。 包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG21等多个版本。 比其他数据压缩标准兼容性好，能够提供更高的压缩比 率，对数据造成的损失小。
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MPEG-1
用于数据传输率不超过每秒 1.5兆比特的数字存储媒体上 活动图像及其伴音的编码。
29
MPEG-7
多媒体内容描述接口。 是为了快速、有效地搜索用户所需要的不同类型的多媒 体信息而提出的标准。 规定了各种类型的多媒体信息的标准化描述，将该描述 与所描述的内容相联系，以实现快速有效地搜索和索引 可以独立于其他 MPEG 标准使用，但 MPEG-4 中所定义 的音频、视频对象的描述适用于MPEG-7。 不仅包含了MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4标准现有内容 的识别，还包括了更多的数据类型，可以是静止图像、图 形、音频、动态视频以及这些元素的组合。 支持非常广泛的应用。
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信道差错编码
常规的信道差错编码
检错重发、前向纠错和混合纠错等多种编码方式 图像通信系统采用的差错编码技术
前向纠错编码
增加信源编码差错控制的能力 联合设计信道编码与信源编码以提高图像信息传输 的抗干扰性能
34
数字调制技术
重要性
可以在相同的信道带宽下传输更多的图像数据 可以提高图像信号传输的可靠性
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MPEG-4
“基于对象编码”的概念 将一幅图像分成若干在时间和空间上相互联系的视 频、音频对象，分别编码后，再经过复用传输到接 收端，然后再对不同的对象分别解码，再组合成所 需要的视频和音频。 好处 便于对不同的对象采用不同的编码方法和表示方法， 在压缩效率与解码质量间得到较好的平衡。 使得数据的接收者不再是被动的，具有操纵对象的 能力，可以对不同的对象进行独立的删除、添加、 移动等操作。
19
H.263标准
H.263＋进一步提高了压缩编码性能 支持更多的图像格式类型，允许自定义图像的尺寸。 采用更好的编码方法。 通过一些技术增强了图像信息在易误码、易丢包的网 络环境下的传输 。
20
JPEG标准
主要用于连续彩色静止图像的数据压缩。 以DCT技术为基础，能够提供较好的图像质量和较高的 压缩率。 由ISO和ITU-T于1991年联合公布。
2
8.1.1 图像通信的特点
直观性强 --图像表示形象直观，易于理解。 数据量大 --数字图像的数据量比语音要大一个数量级，比文本数 据大两个数量级。
信息确切性好
--与听觉获取相比，视觉获取的信息内容更容易确认， 不易发生歧义。
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8.1.2 图像通信的分类
按业务性质分
传真、可视电话、会议电视、图文电视、有线电视、 高清晰度电视和智能用户电报等。
30
MPEG-21
正式名称是“多媒体框架”，又称“数字视听框架” 它是在电子商务蓬勃发展的背景下应运而生的产物，是为了 解决新市场所面临的问题。 如何获取数字视频、音频以及合成图形等“数字商品” 如何保护多媒体内容的知识产权 如何为用户提供透明的媒体信息服务 如何检索内容 如何保证服务质量等而制定的标准 目标是建立一种高效、透明和互操作的真正跨平台的多媒体 框架，实现在各种不同的网络间的数据交换，完成内容描述、 创建、发布、使用、识别、收费管理、产权保护、用户隐私权 保护、终端和网络资源抽取、事件报告等功能。
由于MPEG-2的功能包括了MPEG-3，后来MPEG-3被取消。
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MPEG-4
针对数字电视、交互式图形应用、交互式多媒体整合和 压缩技术的需求而制定。
不只是具体的压缩算法，它将众多的多媒体应用集成在 一个完整的框架内，目的是为多媒体通信及应用环境提供 标准的算法和工具，从而建立起一种能被多媒体传输、存 储、检索等应用领域普遍采用的统一数据格式。
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JPEG 2000
支持各种类型图像压缩，包括二值图像、多分量图像、 遥感图像、医学图像和合成图像等。 在表示像素位数即每像素位低于 0.25 时，恢复出来的图 像具有较好的细节质量，比原标准具有更好的甚低比特率 性能。 对同一码流能同时提供有损或无损压缩。 允许用户自定义感兴趣区域，并对感兴趣区域的图像提 供更好的编码质量。 在通过无线信道传输时码流具有良好的抗误码性能，并 采用数字水印技术提高图像安全保护性能。 采用了压缩率更高的小波变换方法。
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H.261标准
第一个视频压缩编码国际标准，由ITU-T颁布，在 ISDN 上开展可视电话和会议电视。 数据速率为每秒64千比特~192千比特(N64 kbps) 仅支持CIF和QCIF两种图像格式。 图像数据被划分为四个层次：原始图像即为图像层、块 组层、宏块层、子块层。 预测编码与DCT相配合的混合编码方式。
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幅度的数字化
量化：用有限的幅度值来表示连续变化的幅度值。
编码：编码使用的码字位数与量化级数有关，量化 级数多固然可以减小量化误差，但是编码时使用的 码字位数也多，占用的传输带宽也越大。
图8-2 图像信息的像素点
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8.2.2 数字信号的压缩与编码
为什么要进行压缩
压缩的必要性：数字图像包含巨大的信息量，为了 有效地存储和在有限的信道中传输图像信息，有必 要对图像信息进行压缩。 压缩的可能性 图像信息包含有用的信息和无用的多余信息， 消除多余信息可以节约码字，达到数据压缩的 目的。 图像通信允许图像编码存在一定失真。
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图像压缩的原理和方法
压缩编码：在保证一定的图像质量和满足要求的前提 下，减少原始图像数据量的处理过程。
两种基本思路
利用图像固有的统计特性，从原始图像中提取有效 的信息，尽量去除冗余信息，例如减少相邻像素之 间、相邻帧之间的冗余信息。 利用人的视觉特性，力图发现人眼是根据哪些关键 特征来识别图像，然后根据这些特征来构造图像模 型。
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MPEG-2
适用于每秒 1.5兆比特～60兆比特，甚至更高数据速率的编码， 编码码率从每秒3兆比特～100兆比特。 特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为标准 数字电视和高清晰度电视的编码标准。 应用范围更广，包括了MPEG-1的工作范围。 区分不同类型的应用，对不同应用下的图像提供不同级别的 图像质量，即低级、主级、高级和更高级。 低级图像质量与 MPEG-1相同 主级图像质量相当于演播室图像质量 高级和更高级图像质量相当于高清晰度电视质量
常用的数字调制方法
多进制相移键控、多进制正交幅度调制、网格编码 调制、正交频分复用调制、编码正交频分复用调制 和残留边带调制等
按图像信息内容的运动状态分
静止图像通信 活动图像通信
按采用的传输技术分
模拟图像通信 数字图像通信
4
8.1.3 数字图像通信系统的组成
编码器 输 入 设 备 信 源 编 码 器 信 道 编 码 器 信 道 解 码 器 解码器 信 源 解 码 器 显 示 设 备
信 道
图8-1 图像通信系统基本组成
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MJPEG标准
JPEG 标准也用来对活动图像进行编码，此时 JPEG把视 频序列中的每一帧当作一幅静止图像来处理，即所谓 Motion JPEG，简称为MJPEG。 目前JPEG被广泛应用在各种应用场合，比如一般的图片、 医疗图片、卫星图片的保存和传输，多媒体应用和广播电 视后期制作等。
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