数字图像处理-第10章-静止图像编码-北邮出版社-2008-10

1《数字图像处理与图像通信》朱秀昌刘峰胡栋北京邮电大学出版社2第10章静止图像编码10.1方块编码10.2比特面编码10.3静止图像压缩标准10.4二值图像编码方法简介3静止图像：内容本身是静止的图像某一时刻“凝固”的图像静止图像编码的要求：清晰度：与活动图像编码传输相比，要求更高的清晰度；逐渐浮现的显示方式：先轮廓，后细节；抗干扰：编码与调制都要有较强的抗干扰能力；编码方式：由于实时性要求不高，可采用复杂的编码方式。410.1方块编码10.1.1基本编码方法：子块大小:m=N×N（即子块中共有m个像素）第i个像素为Pi，其灰度Xi两个代表性亮度为a0、a1称为亮度级分量亮度阈值Xt若Xi≥Xt，则用a1代替原来的灰度（即Xi）。若Xi＜Xt，则用a0代替原来的灰度（即Xi）。5Yi：编码后的亮度фi：是一个二元码，指明像素Pi编码后属于a0或a1则：10aaYiii其中iTTXXiiX0X1＝显然：分块编码有失真。6经上述代替后，可以用{a0,a1}和{ф1,……фm}的组合表示编码后子块像素的灰度Y1、Y2…Ym。{a0,a1}具有与亮度值相同的等级，Pbit(一般6～8bit)表示。{ф1,……фm}是一个mbit的比特面。则编码后每个像素的平均比特数为：含义：可见，m越大，B越小，但失真也越严重。原因：这是因为子块尺寸越大，子块内像素的相关性越小，用两个灰度作近似，逼真度就越差。B=(m+2P)/m=1+2P/m710.1.2参数的选择问题的提出：当子块大小m一定时，a0、a1、Xt该如何确定？解决方法：方法1：保持一阶矩，二阶矩的参数选择方法2：均方误差最小的参数选择。810.1.3进一步降低数码率的方法①选择合适的传输用的亮度级分量，并采用成组编码的方式，从而降低传输码率。②通过比特面的再划分，降低传输数码率•4×4的子块比特面分为4个2×2的次比特面。此时次比特面全0或全1的相对次数要高。•对高次数（大概率）的次比特面分配较少码字。•对低次数（小概率）的次比特面分配较长码字。910.2比特面编码比特面编码的含义：把对灰度图像的编码转化为对各个比特面的二值图像的编码。在二值编码前，通常将每个比特面分为不重叠的大小为m×n的子块。每像素8bit表示灰度图像，共有8个比特面。（思考：如果每像素7bit表示，则有几个比特面？）比特面编码应用：逐渐浮现。10比特面编码的常用措施1.次最佳方块编码（无失真）对于m×n大小的子块，全“0”和“1”的概率较大，而且，全“0”的概率更大。因此分配码字时：全“0”子块―――――“0”全“1”―――――“11”其它―――――“10”+“XX…X”11平均码长L：用P（0；n,m）和P（1；n,m）表示m×n个全“0”和全“1”的概率，则：L=P（0；n,m）+2P（1；n,m）+(2+nm)[1-P（0；n,m）-P（1；n,m）]压缩比从上式可以看出：当m、n一定时，P(0；n,m)和P(1；n,m)越大，Cr越大。即全“0”和全“1”子块越多，压缩比越大。11(0;,)(1;,)[2(0;,)]/rnmCLPnmPnmPnmnm122.用格雷码表示像素亮度（无失真）格雷码特点：任意相邻的十进制表示的两个数，其格雷码只相差1位，且最大数与最小数之间也只是相差一位。举例：格雷码自然二进制701000111811001000优点：一般图像相邻像素的灰度相差不大，如果用自然二进制来表示其亮度，码字有可能会相差多个比特位，形成的比特面缺乏相关性。而用格雷码表示，相差不大，比特面上全“0”和全“1”的面积也会增大，即P（0；n,m）和P（1；n,m）增大，压缩比也随之增大。133.视觉心里编码（有失真）允许恢复图像有一定失真，只要视觉感觉不出；具体做法：子块内不超过k个“1”的子块视为全“0”子块。子块内不超过k个“0”的子块视为全“1”子块。通过上述做法，等效于让全“0”和全“1”的概率变大。4.子块尺寸的选择n=m=4较合适5.逐渐浮现的编码传输将图像从高到低次序传送比特面，则为由粗到细的显示图像。可用于窄带传输。1410.3亚抽样与内插什么是亚抽样？一般地，在数字图像系统中，若抽样的频率低于奈奎斯特频率，则称之为亚抽样。亚抽样能直接降低图像的数据量，是一种简单实用的图像压缩方法，并且得到广泛的应用。什么是内插？从亚抽样图像重建原尺寸大小的图像时采用相反的处理过程，即用一定的方法重构在抽样间丢掉的数据，称之为内插。由于总体抽样频率低于奈奎斯特频率，因此经过亚抽样－内插后恢复的图像和原图像相比会有一定的失真。151：2的亚抽样，其抽样结构为交叉型，如图10.6(a)所示。内插公式：电视中的亚抽样－亚场抽样方式，如图10.6(b)。x0abcd：抽样点：内插点(a)奇场扫描行偶场扫描行(b)图10.6亚抽样及内插示例(a)1/2抽样结构及内插(b)一帧电视信号位置示意20bax20dcx20dcbax1610.4具有多种表示能力的编码根据显示效果的不同，编码提供的表示能力主要分为两大类型：一类是在保持图像尺寸不变的情况下，提供质量由粗到细的编码，即所谓逐渐显示或渐进显示的编码；另一类是编码重建的图像由小到大、从而提供细节逐步增加的编码，即分等级、多分辨率编码。统称为逐渐浮现的编码。此外，还可以把两种方法组合起来，实现更多的质量控制等级。1710.4.1四杈树编码的逐渐浮现方式1）图像的四杈树表示如图10.7(b)，考虑图像中的第一个2×2子块，f0,f1,f2,f3为其四个亮度值，由下式建立4个新值：（均值）(10.16)j=1,2,3（差值）(10.17)30041iifg0gfgjj01230级1级2级0001020330313233000102031230313233图10.7四杈树及其对应的图像方阵(a)四杈树(b)图像方阵18遍历图像的所有2×2子块，如图10.8，并把它们构成的两个数组分别记为均值数组和差值数组，则其元素个数分别是1/4(2n×2n)和3/4(2n×2n)，元素总数保持不变。这一过程一直进行下去，最后由4个均值I1推出其上一层的I0和D0。I0为整幅图像的均值，D0含3个差值。1nI第n层（原图像）第n-1层第n-2层g1g2g3g5g6g7I0(g0)I4(g4)Dn-1In-11nD图10.8四杈树的建立192）由四杈树获得逐渐浮现的图像如何从I0，D0,D1,...,Dn-1获得逐渐浮现的图像显示？1）当接收到I0时，接收端可以在N×N(N=2n)大小的整幅画面上显示I0；2）当收到D0后，根据(10.18)和(10.19)式，可以得到I1，它包括4个值，显示的精度增加了一倍。3）随着D1,D2,...的接收，显示的画面将越来越清晰，直至原图像，从而实现了逐渐浮现的显示目的。假如在传送过程中，接收端收到某一Di时清晰度已足够，则可通知不再发送后续的差值Di+1,...,Dn-1，这就减少了传输数据率。2010.4.2金字塔编码基本原理金字塔编码：图像四杈树表示中，其相邻层次之间图像尺寸在水平和垂直方向都相差2倍，如图10.9(a)表示。金字塔编码的实现：一般情况下，金字塔编码的最高层是具有一定分辨率的显示图像，如图10.9(b)。可通过1：2的亚抽样实现。塔顶塔底（原图像）塔顶（低分辨率图像）塔底（原图像）(a)四杈树的层次(b)一般金字塔的层次图10.9金字塔编码的图像层次关系示意图2110.4.3比特面传输的逐渐浮现方式发送端：将灰度图像按从最高位(MSB)到最低位(LSB)的次序依次传送比特面，如图10.10。接受端：接收端将收到的各比特面依次累加后输出。结果：可以得到由粗到细的显示图像。MSBLSBt图10.10比特面传输的逐渐浮现方式2210.5JPEG与JPEG2000JPEG：Jointphotographicexpertsgroup联合图片专家组的简称。ISO：InternationalorganizationforstandardizationIEC：InternationalelectrotechnicalcommissionITU-T：InternationaltelecommunicationunionTelecommunicationstandardizationsectorCCITT：ITU-T前身，Consultativecommitteeforinternationaltelegraphyandtelephone国际电报电话委员会IEEE：Instituteofelectricalandelectronicengineers电气与电子工程师协会常见的国际组织缩写：231）JPEG基本系统JPEG用于连续变化的静止图像，包括灰度等级和颜色的连续变化。JPEG有两种压缩方法：有损压缩：以DCT为基础无损压缩：预测技术为基础JPEG根据不同的应用场合对图像的压缩要求的不同，分为：1．基本系统2.扩展系统3.信息保持型系统10.5.1JPEG标准24所有符合JPEG建议的编解码器都必须支持基本系统。基本系统和扩展系统都是基于DCT的。信息保持型系统就是无损压缩。JPEG标准四种工作模式：①基于DCT的顺序工作模式②基于DCT的渐进工作模式③无损模式④分等级模式（分层模式）25编码过程：①将图像分成8×8的子块。②DCT：低频在左上角，主要信息。③量化：Y和UV分量各有一张量化表，左上角系数小，右下角系数大，且由于人眼对Y比对UV更敏感，所以Y量化等级较多，而UV较少。用DCT系数除以表中相应系数。效果：这样就达到了保留低频信息，去除高频信息的目的，这也是信息损失的主要原因。26④编码：（1）分别对DC系数和AC系数进行处理处理。•DC系数和邻近于子块的DC系数用差分编码：DIFF=DCi－DCi-1•其它63个AC系数“之”字形（Zig-Zag）扫描。（2）对DC系数的差分值和Zig-Zag后AC系数再分两步骤编码。•中间熵编码，也称游程长度编码。•可变长熵编码注：常用的有huffman编码和算术编码：对亮度、色度、直流系数、交流系数用不同的码表。解码过程：跟编码相反。JPEG建议是一种指导性的编码，编码时可采用推荐的量化表和码表，也可以根据具体应用场合自行决定。272）JPEG中的逐渐浮现编码频率选择法：也称频谱选择法。将对DCT系数进行若干次扫描；根据DCT系数的重要性先处理低频子带再依次处理高频子带。连续近似法：通过若干次扫描对DCT系数进行VLC编码；每次扫描中只对其若干有效比特位进行。JPEG中扩展系统中提供的分等级编码是一种金字塔编码方式。2810.5.2JPEG2000产生原因主要组成部分：6个部分。1.输入2.预处理3.DWT4.量化5.熵编码6.码流组织29分成子带编码的优点：①通过频带分裂，频带带宽变窄，可以对各子带更高效地分别编码，减少硬件实现难度。②一个子带内得噪声（失真）在解码后只局限于该子带，不会散布影响到其他子带。二维DWT可以用一维DWT分离得方式进行：①先用一维分析滤波器组对图像进行水品（行）方向滤波②再对每个输出用同样得滤波器组进行垂直（列）方向滤波3010.6二值图像编码方法简介二值图像的定义：只有两个灰度级，“黑”和“白”。每像素可以用一个bit表示。二值图像直接编码：即用“1”代表“黑”，“0”代表“白”。此时代表一帧图像的码元数等于该图像的像素数。二值图像压缩编码方法：为节省传输时间，减少存储空间，必须有压缩编码方法。3110.6.1二值图像的方块编码跳过白色块编码：(whiteblockskip，WBS)基本思想具体方法：对全为白的子块用1比特码字“0”表示，这是因为它出现的概率大，因而分配最短的码字；对至少