1、eg：電話線傳輸速率一般為56Kbits/s（波特率） 一幅彩色圖像51251224bit = 6M bits大小。傳一幅圖像需2分鐘左右。 實時傳送：51251224bits25幀/秒=150Mbits/S 如壓縮20倍，傳一幅圖6秒左右，可以接受，實用。 實時，要專用信道（衛(wèi)星、微波網(wǎng)、專線網(wǎng)等技術）。 另外，大量資料需存貯遙感、故宮、醫(yī)學CT、MR。圖像一大特點是數(shù)據(jù)量大，為其存貯、傳輸帶來困難，需壓縮。圖像的數(shù)據(jù)量特別大，同時現(xiàn)在對圖像需求的增長超過了網(wǎng)絡帶寬的限制，所以壓縮是圖像傳輸和存儲的一個關鍵技術。 由于圖像壓縮的巨大商業(yè)潛力，激勵著人們提高現(xiàn)有的技術或發(fā)現(xiàn)新的技術。圖像通信系

2、統(tǒng)模型圖像信息源圖像預處理圖像信源編碼信道編碼調制信道傳輸解調信道解碼圖像信源解碼顯示圖像利用圖像信號中的數(shù)據(jù)冗余度，如統(tǒng)計冗余度、空域冗余 度、時域冗余度等，進行壓縮，利用人眼視覺系統(tǒng)的一些特性忽略掉一些不被人眼所察覺的信號成分 6.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念 你的妻子，Helen，將于明天晚上6點零5分在上海的虹橋機場接你。 (23*2+10=56個半角字符) 你的妻子將于明天晚上 6點零5分在虹橋機場接你。 (20*2+3=43個半角字符） Helen將于明晚6點在虹橋接你。 (10*2+7=27個半角字符）6.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念描述語言1、“這是一幅 2*2的圖像，圖像的第一個

3、像素是紅的，第二個像素是紅的，第三個像素是紅的，第四個像素是紅的”。 2、“這是一幅2*2的圖 像，整幅圖都是紅色的”?？芍?，整理圖像的描述方法可以達到壓縮的目的。6.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念圖像冗余無損壓縮的原理RGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGB16RGB從原來的16*3*8=284bits壓縮為：(1+3)*8=32bits6.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念圖像冗余有損壓縮的原理36353434343434323434333730343434343434343435343431343434343434343434343434343

4、4343434343434343434343425346.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念實際圖像中冗余信息的表現(xiàn)（灰度圖）6.1 圖像中的數(shù)據(jù)冗余的概念圖像冗余信息分析結論由于一幅圖像存在數(shù)據(jù)冗余和主觀視覺冗余，壓縮方式就是從這兩方面著手來開展的。1）數(shù)據(jù)冗余:將圖像信息的描述方式改變之后，壓縮 掉這些冗余。2）主觀視覺冗余:忽略一些視覺不太明顯的微小差異， 可以進行所謂的“有損”壓縮。6.2 圖像壓縮概述圖像數(shù)字化關鍵是編碼compression code:在滿足一定圖像質量前提下，能獲得減少數(shù) 據(jù)量的編碼一Compression code及分類研究處理的對象: 數(shù)據(jù)的物理容量 傳輸某個指定數(shù)據(jù)

5、序列所需的時間 傳輸某個指定數(shù)據(jù)序列所限定的頻帶寬度數(shù)據(jù)壓縮技術 1、按壓縮技術所依據(jù)和使用的數(shù)據(jù)理論和計算方法進行分類： 統(tǒng)計編碼Statistical coding; 預測編碼Predictwe coding; 變換編碼Tranelorm coding. 6.2 圖像壓縮概述2、按壓縮過程的可逆性進行分類： 熵壓縮Eatropy Compression： (不可逆compression在其壓縮過程中，會失掉一部分信 息，又叫有損壓縮) 冗余度壓縮Redandancy Raduction： (完全除去或盡量除去原數(shù)據(jù)中重復和冗余的部分，保證不丟 失有用信息， 從而保證被壓縮了的數(shù)據(jù)還原后與壓

6、縮前的原 數(shù)據(jù)完全一致，可逆壓縮又稱無 失真codingNoisdess coding,用于文本、程序等。)3、壓縮方法： 按時間分： 靜圖：靜止圖像（要求質量高） 動圖：活動的序列圖像（相對質量要求低，壓縮倍數(shù)要高） 壓縮比未壓縮的圖像的存貯字節(jié)數(shù)壓縮后圖像存貯字節(jié)數(shù) 失真與否分： 無失真壓縮：經壓縮后再恢復圖像與原圖像無任何區(qū)別，一般 壓縮倍數(shù) H。RH引起失真，丟失information。目的，減少R,使1，r 0。6.2 圖像壓縮概述Eg: 碼字 信息 Pk 0 0 u1 0.25 1 0 u2 0.25 1 1 u3 0.20 0 0 0 u4 0.15 0 0 1 0 u5 0.1

7、0 0 0 1 1 u6 0.056.2 圖像壓縮概述6.2 圖像壓縮概述2、基于保真度準則的評價： 客觀保真度準則 主觀保真度準則1）客觀保真度準則： a）輸入圖和輸出圖之間的均方根（rms）誤差b）輸入圖和輸出圖的均方根信噪比均方根信噪比6.2 圖像壓縮概述一般2，或PSNR40dB 人眼看不出來30 dB 的圖像不能用35dB 可接受 到目前為上，國際上沒有一個通用的評價圖像壓縮的客觀標準 6.2 圖像壓縮概述2) 主觀保真度準則： a）損傷程度：不能察覺、剛察覺、不討厭、有點討厭、很討 厭，不能用 b）質量：優(yōu)、良、中、次、劣 c）比較：2，好得多，1，好，0，同，1，壞，2壞 的多主

8、觀（人判別）專家投票的方法，實用方法。 人的視覺的主觀亮度是光強的對數(shù)函數(shù)。 人眼對黑暗區(qū)誤差比明亮區(qū)更敏感。 人眼對灰度突變邊緣比較敏感。6.2 圖像壓縮概述6.3 圖像壓縮編碼6.3.1 無失真編碼 一、 行程編碼(RLE編碼) 二、 Huffman編碼6.3.2 率失真coding（熵編碼） 一、 預測編碼 二、 變換編碼 三、 子波編碼 基本原理：將一行中顏色值相同的相鄰像素用一個計數(shù)值和該顏色值來代替。舉例說明：aaaa bbb cc d eeeee fffffff (共22*8=176 bits) 4a3b2c1d5e7f (共12*8=96 bits)To:混合編碼一、行程編碼(

9、RLE編碼) ：6.3.1 無失真編碼二、 Huffman 編碼（熵編碼）基本原理：將在圖像中出現(xiàn)次數(shù)多的像素值給一個短的編碼，將出現(xiàn)次數(shù)少的像數(shù)值給一個長的編碼。舉例說明： aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 f=00 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101 110,110,110,110,1111,1111,1111,11100,11100,11101,10,10,10,10,10,0,0,0,0,0,0,0 (共 7*2+5*2+4*3+3*4+2*5+1*5=63 bits) 6.

10、3.1 無失真編碼Huffman編碼Step: 1)pk由大到小 2）最小兩個概率相加，形成一個新的概率集合，再按1） 重排，直至只有兩個概率 3）分配碼字，Eg：灰度級 pk step1 step2 step3 step4 step5 step6W1 0.40 0.40 0.40 0.40 0.40 0.40 0.6 1 1 1 1 1 1 0W2 0.18 0.18 0.18 0.19 0.23 0.37 0.4 001 001 001 000 01 00 1W3 0.10 0.10 0.13 0.18 0.19 0.23 011 011 010 001 000 01 W4 0.10 0.

11、10 0.10 0.13 0.18 0000 0000 011 010 001W5 0.07 0.09 0.10 0.10 0100 0001 0000 011W6 0.06 0.07 0.09 0101 0100 0001W7 0.05 0.06 00010 0101W8 0.04 00011Huffman 編碼過程示意圖Huffman編碼在圖像壓縮中的實現(xiàn) 對一幅圖像進行編碼時，如果圖像的大小大于256時，這幅圖像的不同的碼字就有可能是很大，例如極限為256個不同的碼字。 對整幅圖直接進行Huffman編碼時，小分布的灰度值，就有可能具有很長的編碼。 如：100位以上，這樣不但達不到壓縮的

12、效果反而會使數(shù)據(jù)量加大，應該如何處理？二、 Huffman 編碼（熵編碼）常用的且有效的方法是： 將圖像分割成若干的小塊，對每塊進行獨立的Huffman編碼。例如：分成 的子塊，就可以大大降低不同灰度值的個數(shù)（最多是64而不是256）。6.3.2 率失真coding一、predictive coding:鄰近的M個值 預測當前值，當前值與預測值之差量化編碼，（一維、二維、三維預測）DPCM-差分脈沖編碼調制預測值整數(shù)舍入編碼輸入數(shù)字圖像預測值解編碼解壓圖像Eg： 序列圖像（動圖）幀間相關性強1靜止運動部分的關系： Bell實驗室研究成果，人對靜止部分分辨率強，對運動部分分辨率弱要求不高。即：空

13、間分辨率高，時間分辨率低一些。2傳送幀間差對幀間差壓縮傳輸，兩幅之間對應象素的灰度差某一閾值，取為零。3運動檢測：圖像分成一定大小的塊（MN-1616）子塊，在(M+2L,N+2L)范圍內到前一幀圖上搜索與某相關性最大的子塊。二、變換編碼：目的：變換后去相關A）思想：正變換得到的系數(shù)矩陣中，數(shù)值較大的方差總是集中 在少數(shù)系數(shù)中。通常，大幅度系數(shù)集中在低頻率區(qū)， 而且圖像相關性明顯下降，對較少的系統(tǒng)可分配少的比 特數(shù)或不傳送。故正交變換本身只是把分布在變換域中 的信息變得集 中 起來，為合理少分配給某些數(shù)據(jù)比特 數(shù)提供了可能 變換目的：使數(shù)據(jù)按照一定順序排列，更具獨立性，總能量保持 不變。塊分割

14、正交變換量化編碼解碼反變換input88，1616樣本變換確定區(qū)域取樣與閾值取樣決定變換系數(shù)的取舍B）性能比較：KLT,DCT,SLT,DFT,WHT,HRT,SVDi）在變換域中信源能量集中程度（可壓縮性）優(yōu) 劣Ii）按變換算法的簡單，復雜程度（簡 繁）Iii）按運算量大小（小 大）：由于DCT的信息集中能力和計算復雜性綜合的比較好，DCT是各種變換編碼中應用最廣泛的準最佳變換編碼方法DCT編碼壓縮正變換：逆變換：其中：原圖解壓圖三、subband編碼：先把一幅圖像用不同的帶通濾波器分成一系列圖，然后對每個圖都可用DPCM編碼。即它通過把輸入信號分解成多個窄帶信號，解除或減弱它們之間的相關性

15、，從而達到壓縮碼率的效果。優(yōu)點：1）某子帶內的編碼噪聲（失真），在解碼后只局限于該子帶內， 不會擴散到其它的子帶2）可根據(jù)主觀視覺特性，將有限的數(shù)碼率在各個子帶內作合理 的分配，即實行噪聲頻譜成形技術，有利于提高圖像的主觀 視覺質量。這兩個優(yōu)點對實現(xiàn)多分辨率圖像壓縮編碼是非常有用的H0H1Hn量化量化量化CodingCodingCoding一組濾波進行分割6.4 現(xiàn)代壓縮技術設計思想： 除了采用現(xiàn)代的數(shù)學變換等手段之外，更關鍵的是采用混合編碼技術，即若干種編碼技術巧妙地結合在一起，可以達到大大地提高壓縮率的目的。6.4.1 混合編碼混合編碼實現(xiàn)的可能性及有效性： 回顧一下講過的幾個內容的特點1

16、、行程編碼：擅長于重復數(shù)字的壓縮。2. Huffman編碼：擅長于像素個數(shù)的不同編碼。3、 DCT變換：擅長將高頻部分分離出來。6.4.1 混合編碼例： aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 行程編碼：4a3b2c1d5e7f (共12*8= 96Bits ) 176 966.4.1 混合編碼 aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 Huffman編碼： f=0 e=10 a=110 b=1111 c=11100 d=11101 11011011

17、011011111111111111100111001110110101010100000000 (共 7*1+5*2+4*3+3*4+2*5+1*5=56 bits) 176 96 566.4.1 混合編碼 aaaa bbb cc d eeeee fffffff （共22*8=176 bits) 4 3 2 1 5 7 Hufman與行程編碼混合： 41103111121110011110151070 (共：3+3+3+4+3+5+3+5+3+2+3+1=38 bits) 176 66 56 386.4.2 變換編碼變換編碼的特點與優(yōu)勢： 變換編碼較非變換編碼要復雜，但可以將空間域上沒有表現(xiàn)

18、出來的冗余可以提取出來。變換編碼方式大多屬于有損壓縮方式。變換編碼的一個極其重要的作用是將信號中的能量盡可能集中在少數(shù)幾個系數(shù)上對這幾個變換系數(shù)進行量化和傳輸，這樣圖像壓縮率有明顯的提高。 在接受端進行反變化就可以得到重構圖像。幾乎所有的圖像變換編碼器都采用基于塊的DCT變換DCT變換之后是量化(通常是均勻標量量化)， 最后是熵編碼。研究表明小波變換編碼效果比DCT編碼效果要好但DCT仍是當今圖像編碼的主流，原因是DCT比較容易理解 并且經過多年的改進，DCT的編碼效果和速度有明顯的提高。在下一代靜止圖像編碼標準中，小波變換有可能替代DCT或作為DCT的補充手段。 6.4.2 變換編碼變換編碼

19、原理框圖原始數(shù)據(jù)恢復數(shù)據(jù)變換變換編碼傳輸譯碼器反變換6.4.3 圖像壓縮的實例1一次小波變換DCT變換.行程編碼哈夫曼編碼一次小波變換哈夫曼編碼變字長行程編碼2差值編碼復原圖原圖算法 1.信噪比：66.02壓縮比:11.83:1復原圖原圖信噪比：64.55壓縮比:26.50:1算法 2.現(xiàn)代壓縮編碼示例原圖JPEG 100：1400:1600:16.5 國際標準簡介用于壓縮二值圖像的：G3,G4,JBIG用于壓縮靜止（灰度、彩色）圖像用于壓縮序列（灰度、彩色）圖像1、JPEG(Joint picture expert group) 91年使用JPEG定義了三種編碼系統(tǒng)：1）基于DCT的有損編碼

20、基本系統(tǒng)，可用于絕對多數(shù)壓縮應用場合2）用于高壓縮比，高精確度或漸進重建應用的擴展編碼系統(tǒng)3）用于無失真應用場合的無損系統(tǒng)輸入DCT量化熵編碼傳送熵解碼逆量化IDCT量化表編碼表Huffman分塊JPEG編碼的總體框架2、JPEG2000：升級、采用小波變換運用新標準不僅能提高對圖像的壓縮質量，尤其是低碼率時的壓縮質量，而且還將得到許多增加了的功能，包括根據(jù)圖像質量，視覺感受和分辨率進行漸進傳輸，對碼流的隨機存取和處理，開放結構，向下兼容等。3、H.261 (H.263):為電視會議等應用而定。也稱p64標準（p 1，2.3） 碼流64，128.1920kb/s,它允許通過T1線路（帶寬1.544Mbit/s）以小于150ms的延遲傳輸運動視頻。它將基于DCT的壓縮方法進行了擴展，并將幀間冗余的方法包含進來Step：1)對序列中的某參考幀用類似于JPEG的DCT壓縮，以減少幀內冗余度2）估計目標的運動（通過計算當前幀與下一幀間的相關），以確定如何壓縮下一幀以減少幀