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數(shù)字圖像處理圖像編碼.ppt

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數(shù)字圖像處理圖像編碼.ppt

7.3.2 LZW編碼,背景:是Lemple、Ziv最早提出,然后由Welch充實的有專利保護的LZW算法。 2. 基本思想:去除像素間冗余。,在壓縮過程中動態(tài)地形成一個字串表(字典)。 (2) (a) 每當壓縮掃描圖像發(fā)現(xiàn)一個字典中沒有的 字符序列,就把該字符序列存到字典中。 (b) 并用字典的地址(編碼)作為這個字符序 列的代碼,替換原圖像中的字符序列。 (c) 下次再碰到相同的字符序列,就用字典的 地址代替字符序列。,7.3.2 LZW編碼,3 LZW編碼例子:,7.3.2 LZW編碼,壓縮的結果,除了壓縮圖像外,不需要傳輸壓縮過程中形成的字典,而在解壓縮時,臨時恢復這個字典。,1. 預測編碼的基本思想 通過僅提取每個像素中的新信息, 并對它們編碼來消除像素間的冗余。 一個像素的新信息定義為該像素的當前值與預測值的差。 正是由于像素間有相關性,所以才使預測成為可能。,7.3.4 無損預測編碼,2. 無損預測編碼 無損預測編解碼系統(tǒng),壓縮圖像,en,en, fn,解碼,編碼,7.3.4 無損預測編碼,7.3.4 無損預測編碼,1. 有損壓縮概述: 有損壓縮是: 犧牲圖像復原的準確度以換取壓縮能力的增加。 如果產生的失真可以容忍,則壓縮能力的增加是有效的。 有損壓縮方法的壓縮比: 在圖像壓縮比大于30:1時,仍然能夠重構圖像。 在圖像壓縮比為10:1到20:1時,重構圖像與原圖幾乎沒有差別。 無損壓縮的壓縮比很少有能超過3:1的。 有損壓縮和無損壓縮的根本差別在于有沒有量化模塊。,7.4 有損壓縮,有損預測編碼和變換編碼都是有損壓縮。 有損預測編碼系統(tǒng):直接對像素在圖像空間進行操作, 稱為空域方法。 變換編碼:基于圖像變換的編碼方法,稱為變換域(頻域)方法。,7.4.1 有損預測編碼,2 有損預測的基本思想 對預測誤差進行量化,通過消除視覺心理冗余,達到對圖像進一步壓縮的目的。,3 算法的演變 a) 無損預測壓縮的基礎是: 原圖像值fn與預測值 之間的誤差en。有公式: 解碼與編碼使用相同的預測器 b) 有損預測編碼的演變引入量化,4 有損預測編碼系統(tǒng),7.4.1 有損預測編碼, 量化器插在符號編碼器和預測誤差產生處之間,把原來無損編碼器中的整數(shù)舍入模塊吸收了進來 量化器將預測誤差映射到輸出 中, 確定了有損預測編碼中的壓縮量和失真量 反饋環(huán)的輸入是過去預測和與其對應的量化誤差的函數(shù), 基于圖像變換的編碼方法。 用一個可逆的、線性的變換(如傅立葉變換),把圖像映射到變換系數(shù)集合,然后對該系數(shù)集合進行量化和編碼。 大多數(shù)圖像變換得到的系數(shù)值都很小,這些系數(shù)可以較粗地量化,或忽略不計,且僅以較小的圖像失真為代價。 雖然失真很小,信息仍然不能完全復原,所以還是有損壓縮。,7.4.2 變換編碼 7.4.2.1 變換編碼的基本思想,7.4.2.1 變換編碼的基本思想,變換編碼系統(tǒng),7.4.2.2 變換編碼系統(tǒng), 構造子圖像:一幅NN圖像先被分解成尺寸為n n的子圖像,通過變換這些子圖像,得到(N/n)2個n n的子圖像變換數(shù)組。 正向變換:目的是解除每個子圖像內部像素之間的相關性,或將盡可能多的信息集中到盡可能少的變換系數(shù)上。 量化:有選擇地消除或較粗糙地量化攜帶信息最少的系數(shù),因為它們對重建的子圖像的質量影響最小。 符號編碼:對量化的系數(shù)進行編碼(常利用變長碼)。,7.4.2.2 變換編碼系統(tǒng), 變換的選擇 子圖尺寸的選擇 位分配,7.4.2.3 實現(xiàn)變換壓縮算法的主要問題,1. 變換的選擇 可以選擇的變換 1)Karhunen-Loeve變換(KLT) 2)離散傅立葉變換(DFT) 3)離散余弦變換(DCT) 4)Walsh-Hadamard變換(WHT) 5)小波變換等,7.4.2.3 實現(xiàn)變換壓縮算法的主要問題,對變換的評價 按信息封裝能力排序: KLT,DCT,DFT,WHT 但KLT的基圖像是數(shù)據(jù)依賴的,計算量大,因而很少使用。 DFT的塊效應嚴重。常用的是DCT,已被國際標準采納,作成芯片。其優(yōu)點有: (1) 基本沒有塊效應。 (2) 信息封裝能力強,把最多的信息封裝在最少的系數(shù)中。,7.4.2.3 實現(xiàn)變換壓縮算法的主要問題,7.4.2.3 實現(xiàn)變換壓縮算法的主要問題,2. 子圖像尺寸的選擇 子圖像尺寸的選擇有兩個原則: 子圖的長和寬n應該是2的整數(shù)次冪,為便于降低計算復雜度。 n一般選為88或1616。由實踐得到: 隨著n的增加,塊效應相應減少。,7.4.2.3 實現(xiàn)變換壓縮算法的主要問題,1BMP圖像文件格式 不進行任何壓縮。 2PCX圖像文件格式編碼形式 圖像數(shù)據(jù)以壓縮的方式存放,采用掃描線游程壓縮編碼。以重復數(shù)據(jù)為壓縮對象。,7.5 靜態(tài)圖像的一些主要數(shù)據(jù)文件壓縮方式,3TIFF圖像文件格式編碼形式 TIFF不是一種采用固定壓縮方法的圖像存儲方式,用這種方式存儲的圖像可能根本沒有壓縮,或采用了某種壓縮方法。因此很難為TIFF圖像文件編制一個通用的解碼程序。不過TIFF文件大部分使用游程編碼或使用哈夫曼編碼及其變種或不壓縮。 4GIF圖像文件格式 GIF使用LZW 壓縮原理進行編碼。 5JPG圖像文件格式 使用JPEG壓縮方法。,7.5 靜態(tài)圖像的一些主要數(shù)據(jù)文件壓縮方式, 相關的國際組織 ISO(International Standardization Organization, 國際標準化組織) ITU(International Telecommunication Union, 國際電信聯(lián)盟),前身是CCITT(國際電話電報咨詢委員會) 相關工作 覆蓋了從二值到灰度(彩色)值的靜止和運動圖像。 采用的大部分基本技術前面已經(jīng)介紹,主要包括預測和變換編碼技術,7.6 圖像壓縮標準, 可分成下面幾個系列: 用于壓縮二值圖像( 面向傳真而設計) 用于壓縮靜止圖像(面向靜止的單幅圖像) 包括靜止幀灰度和彩色圖像(JPEG) 用于壓縮運動圖像(面向連續(xù)的視頻影像) 包括連續(xù)幀灰度和彩色圖像(MPEG) 上述兩個組織還在制定一些新的標準,其中一些已經(jīng)超出純圖像編碼的范圍。,7.6 圖像壓縮標準, G3和G4 這兩個標準是由CCITT的兩個小組(Group 3和Group 4)負責制定的。 最初是CCITT為傳真應用而設計的,現(xiàn)也用于其它方面。 G3采用了非自適應、1-D行程編碼技術。對每組N行(N=2或N=4)掃描線中的后N-1行也可以用2-D方式編碼。 G4是G3的一種簡化版本,其中只使用2-D編碼。,7.6.1 二值圖像壓縮標準, CCITT在制定標準期間曾選擇了1組共8幅具有一定代表性的“試驗”圖用來評判各種壓縮方法。 它們既包括打印的文字,也包括用幾種語言手寫的文字,另外還有少量的線繪圖。 G3對它們的壓縮率約為15:1。 G4的壓縮率一般比G3高1倍。,7.6.1 二值圖像壓縮標準,由ISO和CCITT兩個組織的灰度圖像聯(lián)合專家組JPEG(Joint Picture Expert Group)建立的靜態(tài)灰度(或彩色)圖像壓縮的公開算法,于1991年開始使用。它定義了三種編碼系統(tǒng):,7.6.2 靜止圖像壓縮標準,DCT有損編碼系統(tǒng)(基本編碼系統(tǒng)或基線編碼系統(tǒng),Baseline System) 基于DCT的有損編碼基本系統(tǒng),可用于絕大多數(shù)壓縮應用場合。壓縮比一般可達到25:1。 2) 擴展編碼系統(tǒng)(Extended System) 面向遞進式應用,從低分辨率到高分辨率逐步遞進傳遞的應用,即用于高壓縮比、高精確度或漸進重建應用的擴展編碼系統(tǒng)。,7.6.2 靜止圖像壓縮標準,3) 無失真編碼系統(tǒng)(獨立編碼系統(tǒng),Lossless System) 面向無損壓縮的應用,采用無損預測壓縮,符號編碼采用哈夫曼或算術編碼。 一個產品或系統(tǒng)必須包括對基線系統(tǒng)的支持。,7.6.2 靜止圖像壓縮標準, JPEG基本系統(tǒng)編碼器框圖, 壓縮過程 DCT計算 量化 變長碼賦值,7.6.2 靜止圖像壓縮標準, 具體壓縮過程 先把圖像分解成一系列88的子塊,然后按從左向右從上向下的次序處理 設2n是圖像灰度值的最大級數(shù),則其中的64個像素都通過減去2n-1進行灰度平移(零偏置轉換)。 再計算各子塊的2維的DCT變換并量化,并利用之字形掃描重新排序,以組成一個1維的量化序列。,7.6.2 靜止圖像壓縮標準, 具體壓縮過程(續(xù)) 該系列是根據(jù)頻率的增加順序排列的,JPEG編碼技巧充分利用了由于重新排序而造成的值為零的長行程 非零交流分量(AC)用變長碼編碼,這個變長碼確定了系數(shù)的值和處在前面位置的零的個數(shù) 而直流分量(DC)系數(shù)用相對于先前子圖的DC系數(shù)的差值進行編碼,7.6.2 靜止圖像壓縮標準,* JPEG 2000 由ISO和CCITT的灰度圖聯(lián)合專家組于1997年開始征集提案的,并準備將現(xiàn)有JPEG標準進行更新?lián)Q代的一個新標準。 JPEG 2000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。 JPEG 2000于1999年3月形成工作草案,其中的編碼變換采用了小波變換。 新標準于2000年問世。,7.6.2 靜止圖像壓縮標準,1 連續(xù)幀圖像的定義 由多幅尺寸相同的靜止圖像組成的圖像序列,被稱為連續(xù)幀圖像。 與靜止幀圖像相比,連續(xù)幀圖像多了一個時間軸,成為三維信號,因此連續(xù)幀圖像也被稱為三維圖像。,7.6.3 運動圖像壓縮標準連續(xù)幀單色、彩色壓縮(MPEG),2 連續(xù)幀圖像壓縮的基本思想 基于如下基本假設: 在各連續(xù)幀之間存在簡單的相關性平移運動。 一個特定畫面上的像素量值: 1)可以根據(jù)同幀附近像素來加以預測,被稱為: 幀內編碼技術 2)可以根據(jù)附近幀中的像素來加以預測,被稱為: 幀間編碼技術,7.6.3 運動圖像壓縮標準, 通過減少幀間圖像數(shù)據(jù)冗余,來達到減少數(shù)據(jù)量、壓縮連續(xù)圖像的目的。 將連續(xù)幀圖像序列,分為參考幀和預測幀,用參考幀來對預測幀進行預測,然后對幀差圖像進行壓縮。 由于幀差圖像的數(shù)據(jù)量大大小于原始幀的數(shù)據(jù)量,從而可以達到很高的壓縮比。,7.6.3 運動圖像壓縮標準,3 幀間運動補償預測編碼技術 幀間預測編碼,7.6.3 運動圖像壓縮標準,7.6.3 運動圖像壓縮標準,7.6.3 運動圖像壓縮標準,MPEG幀的分類: I 幀(Intra-picture) 不進行預測、進行幀內編碼的編碼幀(參考幀,不需要參考其它畫面,而獨立進行壓縮編碼的畫面) P幀(Predicted-picture) 通過向前預測得到的誤差編碼幀(參考前面已編碼的I或P畫面進行預測編碼的畫面) B幀(Bidirectional-picture) 通過雙向預測得到的誤差編碼幀 因圖像序列存放在存儲器中,可以使用下一幀 (既參考前面的I或P畫面、又參考后面的I或P畫面進行雙向預測編碼的畫面),將畫面一般劃分成一些不連接的像素塊(在MPEGl和MPEG2標準中一個像素塊為1616像素),對于每一個這樣的像素塊,只估計一個運動矢量 一個來自參考幀的運動補償預測像素塊,就能給出一個當前像素塊的很好預測。所以預測誤差和運動矢量一同參與編碼。,7.6.3 運動圖像壓縮標準,舉例:常用的基于塊的運動估計和補償塊匹配法,7.6.3 運動圖像壓縮標準,數(shù)字圖像處理(第二版), R.C.Gonzalez , Richard E.Woods著,阮秋琦,阮宇智等譯,電子工業(yè)出版社,第8章,參考文獻,

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