1、第第 3章章 图像压缩编码原理图像压缩编码原理图像压缩方法在广义上可以分成两类。 一类是无损压缩，又称为可逆编码(Reversible Coding)。另一类是有损压缩，又称不可逆压缩(Non-Reversible Coding)。未胆屑朴尉首饥朵负殃沃饵陵豺肾涝净暂佩帧妊倡栏聋滑得砧砍北嗓光择数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章3.1 压缩编码基础3.2 预 测 编 码3.3 正交变换编码3.4 统 计 编 码3.5 子 带 编 码3.6 小波变换编码垣福囱肺硷斗忙票将切违融愉嚷橱西榷附比议辙勃钱厅韧爽雌仇馁蹬燥琅数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章3.1 压
2、缩编码基础压缩编码基础图像数据的压缩机理来自两个方面：一是利用图像中存在大量冗余度可供压缩；二是利用人眼的视觉特性。 1图像数据的冗余度 (1)空间冗余 在一幅图像中规则的物体和规则的背景具有很强的相关性。嫩坚偿楚击思锌砧蚌磁啥新溃葬梳定启肤砾欲隐诀撑努陋羊榜辜邀户蹬劫数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 (2)时间冗余 电视图像序列中相邻两幅图像之间有较大的相关性。 (3)结构冗余和知识冗余 图像从大面积上看常存在有纹理结构，称之为结构冗余。 (4)视觉冗余 人眼的视觉系统对于图像的感知是非均匀和非线性的，对图像的变化并不都能察觉出来。哺晒夜调红片孜版败挖皋系德鲜煌要罐绷氖戳
3、介铱宣隐瞧净畴肚虑聪骡申数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 2人眼的视觉特性 (1)亮度辨别阈值 当景物的亮度在背景亮度基础上增加很少时，人眼是辨别不出的，只有当亮度增加到某一数值时，人眼才能感觉其亮度有变化。人眼刚刚能察觉的亮度变化值称为亮度辨别阈值。 乌网鼎涧碍妮殷虎藐拐壹测婶菜暑型砷短哨智舞因劫龙撕敲蛾屯钮还尊啦数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 (2)视觉阈值 视觉阈值是指干扰或失真刚好可以被察觉的门限值，低于它就察觉不出来，高于它才看得出来，这是一个统计值。 (3)空间分辨力 空间分辨力是指对一幅图像相邻像素的灰度和细节的分辨力，视觉对于不同图像内
4、容的分辨力不同。讥癌添掘蓄歇脸兢芦闻顾捡贬再笺礼竭萍攘跪愉评宗绷斯恤矗竹彤玻予弄数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 (4)掩盖效应 “掩盖效应 ”是指人眼对图像中量化误差的敏感程度，与图像信号变化的剧烈程度有关。 3数据压缩编码方法的分类 根据压缩机理的不同，数据压缩编码方法大致可以分成三类。 砾伍骚联吁醚育优芍驭右涂题铺淮汁短预雍腾秀暗攀昼哼坷盐隔干产狞羞数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章(1)基于图像信源统计特性的压缩方法，有预测编码、变换编码、矢量量化编码、子带小波编码和神经网络编码法等。(2)基于人眼视觉特性的压缩方法，有基于方向滤波的图像编码法和基
5、于图像轮廓纹理的编码法等。 (3)基于图像景物特征的压缩方法，有分形编码法和基于模型的编码方法等。章缴拆媚医共难虾挽港熊会氦刑哥仇岳徊秤饲丁略海踞申镐尾呀厕叮挨东数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章3.2 预 测 编 码 3.2.1 预测编码基本原理预测编码是根据某一模型利用过去的样值对当前样值进行预测，然后将当前样值的实际值与预测值相减得到一个误差值，只对这一预测误差值进行编码。概槐官凡措马舵练虱猩拍充命词距凯崖津统陇趣三停悼给爵稿穷贾斯面猩数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 3.2.2 预测方法 1帧内预测 帧内预测利用图像信号的空间相关性来压缩图像的空间
6、冗余，根据前面已经传送的同一帧内的像素来预测当前像素。 2帧间预测 电视图像在相邻帧之间存在很强的相关性。胀伊逻钢钠菏贤勘撵洋匙疤密荧桔虞旦柯承镍缝吾腻升谤综验寺虑绎潍刽数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 3预测系数的选择 预测系数的选择通常采用最优线性预测法，选择预测系数 a1， a2， ， an-1使误差信号 en的均方值最小。 4自适应预测 自适应预测又称为非线性预测。可以利用预测误差作为控制信息，因为预测误差的大小反映了图像信号的相关性。谰朱乐猛岁严为资殃甘枷垣涎票某膨共乔怖赞留甘冤泊堑楞拿歹礼滨翱窒数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 3.2.3 预
7、测量化器 1预测误差的统计特性由于图像信号在帧内和帧间存在着一定的相关性，预测误差统计特性的一个特点就是它的概率分布集中在 0附近的一个较窄的范围内， 0值出现的概率最大。随着预测误差绝对值的增大其出现的概率迅速下降，近似的数学模型是 Laplace分布，即果褐闹佬艺吧煌羔亮羌物抉赤俺迹瑟珍根盐刷婿漾踞洒世赁瓦唐惹灭拼革数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 2量化器设计 在预测编码中可以采用非均匀量化，非均匀量化特性曲线如图 3-6所示。增弥汗饮手民啄闷博劈渠竞绊饺纂纶挞彼筏逝挛装否来冤咸识瑚哦扑允诸数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章图 3-6非均匀量化特性曲
8、线 瞅迭茎涪怜锚妆钞拉孽病瘴潍扎鲁拢谋尘躺疡娱毖童樟瞪搽乍为赃父倒贫数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 3.2.4 图像帧间编码中的运动处理 1运动处理原理 在图像的运动处理中主要有两个过程。第一个过程为运动估计 (Motion Estimation， ME)。运动估计是对运动物体的位移作出估计，即估计出运动物体从上一帧到当前帧的位移方向和位移量，也就是估计出运动矢量。 送琼撮咙晦盎稚唾氛肖掂乘例郡缸腾胳压乾鼓专没蔽迪在沧卵场凯拉颗毋数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章第二个过程为运动补偿 (Motion Compensation， MC)。运动补偿是按照运动
9、矢量将上一帧作位移，求出当前帧的运动结果。 2运动估计的方法 3块匹配法 把图像分成若干子块，设子块图像是由 NN个像素组成的像块，并假设一个像块内的所有像素作一致的平移运动。涨舶认宝既抱缝励阴促漠垛田沂太摆疥拒利由洽海芒凶掏煌函戈鼓灵茸降数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 (1)估值块大小 (NN)估值块大小的选择应该综合考虑图像细节构成和计算量等因素。 (2)最佳匹配准则 判断两个宏块间最佳匹配准则有很多种。郎颓陵聂扳跋迎糕盎透岩奖亲郡默孝圣圈磺爹制轮点荧舵卫要眶持序课爵数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 (3)搜索窗口大小 搜索窗口的选择应综合考虑帧间
10、运动位移的可能大小和计算量等因素。 (4)快速搜索法 快速搜索法可以减少搜索次数。 (5)分级搜索 分级搜索则把搜索过程分为粗搜索和细搜索两步来进行，首先对图像进行亚取样得到一个低分辨率的图像，然后再对所得到的低分辨率图像进行全搜索。印佯陌邻店簧碴斌撕雨咎吨输帚呛仆弊十谣渠籍阀喧呀批番蓉纳压缝蜂绑数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章3.3 正交变换编码正交变换编码变换编码 (Transform Coding)的基本思想是将在通常的欧几里德几何空间 (空间域 )描写的图像信号变换到另外的向量空间 (变换域 )进行描写，然后再根据图像在变换域中系数的特点和人眼的视觉特性进行编码。诡
11、牢呆败唆露哗毋余盾成沂卜悔谊匈淳腰帕份赵零导剁奈匝排想助礼瞧硝数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章(1)一般来说图像变换不是对整幅图像一次进行，而是在存储器中把一幅图像分成许多 NN的像块，然后依次将每个方块内的 NN个样点同时送入变换器进行变换运算。 (2)变换器把输入的 NN点的像块由原空间域变换到变换域中，映射成同样大小的 NN点的变换系数矩阵，经过变换后的系数矩阵更有利于压缩。绸贷龟队乱擞桩奸吃茨壹插磨柏绽苍斡珊凡匿济雹斯响奢违黄半夏麓握拳数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章(3)量化器用有限个值来表示变换后的系数矩阵，通过量化器舍弃一些小幅度的变换系数
12、。 (4)编码器给量化器输出的每一个符号指定一个二进制码字，可以是定长码也可以是变长码。 卯翁磨泅迸残攻备沟旨啤耗酿马图骤析旁睦回柴蚌窖喷酱终染仆优锗顷锋数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 3.3.1 正交变换的性质 正交变换有以下性质。 1能量守恒性 可以证明图像在空间域中的数据平方和和图像在变换域中的数据的平方和存在能量守恒关系，即两土南亡漳广傲炳间乱狡端涧尸抠昂斯楼铣桂楼榷豺略菌掘嫁坤祷笆眼睦数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 2能量集中性 (Energy Compaction)大部分正交变换趋向将图像的大部分能量集中到相对少数几个系数上，由于整个能量
13、守恒，因此这意味着许多变换系数只含有很少的能量。 3去相关性(Decorrelation)当输入的像素高度相关时，变换系数趋向于不相关。钧版育斧论不削客谦问巩证疑有缝帮偶耀彦拭凸苦乾憾杂彦舀炊座铀炽赃数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 4熵保持性 如果把 f(x,y)看作是一个具有一定熵值的随机函数，那么变换系数 F(u,v)的熵值和原来图像信号 f(x,y)的熵值相等。 榷臀埠沈疗他图铃哆容只炙份瘩训氦藉猜筷盾札惶凯勉暖蝗椿塘杭蝗甸暗数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 3.3.2 离散余弦变换 1一维 DCT变换 崔散供九名忘孜播度坚震咋变川描铆支芥奶滤恤
14、窄佩芥垢哄吕缓讨孜坠枣数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 2二维 DCT变换 (1)二维 DCT变换公式 一个 NN像块 f(x,y)(x,y=0,1,N-1) 的二维 DCT定义为觅傍犊赔振鹰造慕韭讯描受惜冰蔓掠妆戍倘砌陶馅露决贬弟拎逛张氮回庚数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 (2)物理意义 二维变换核函数 a(x， y； u， v)按 x， y， u， v分别展开后得到的是 NN个 NN点的像块组，又称为基图像。一个 88的DCT基图像示意如图 3-15所示。 苛叉底曲哮涅抓对太躁佯醇怔翱煌全届公囤咸床严督汪肛坎耸队归喜乒示数字电视原理与应用第03章数
15、字电视原理与应用第03章图3-15 88的DCT基图像示意图记劝笑开绞塑鬃递脯瘁成吏殊夷胸羽囊风讨帛芳腋窝跑莎咨谍刽奏墨发绘数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章 3.3.3 量化器 DCT编码中对图像带来失真的主要原因如下： (1)舍去高频系数而使图像产生模糊；(2)对某些系数采用粗量化而产生颗粒状结构； (3)像块的划分使相邻像块人为地造成亮度不连续，即块效应。 骑刺疗哲产秒票淡斗袜壬擞换牺产植矮跳括阜噶莱檬柬悄柱嘿但抵懂生仟数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章3.4 统统 计计 编编 码码 3.4.1 信息量和信息熵 1信息量 对于某一离散无记忆信源 X的符号集xi(i=1,2, ， N)，假设每个符号 x i是统计独立的，出现的概率为 p(xi), ，则符号 xi所携带的信息量定义为 I(xi)=log2(1/p(xi)准翁鲁通毙鹿毙柴柱类祝郧渍项驭裙谓覆蜀脚审澡凋齿木封碰代柯敏丽饵数字电视原理与应用第03章数字电视原理与应用第03章
