第6章 图像压缩编码 6.1 概述 6.2 图像编码的基本理论 6.3 无损压缩编码 6.4 限失真编码 6.5 二值图像编码 6.6 小波变换及在图像压缩编码中的应用 6.7 图像压缩国际标准简介 Digital Image Processing
Digital Image Processing Digital Image Processing ◆6.1 概述 ◆6.2 图像编码的基本理论 图像编码的基本理论 ◆6.3 无损压缩编码 ◆6.4 限失真编码 ◆6.5 二值图像编码 ◆6.6 小波变换及在图像压缩编码中的应用 小波变换及在图像压缩编码中的应用 ◆6.7 图像压缩国际标准简介 图像压缩国际标准简介 第6章 图像压缩编码
6.1概述 。图像压缩的必要性 图像作为信息的重要表现形式，其具有数据量 大、带宽宽等特点。 一方面： 需要增加信道，但这很有限， 因为信道的 增加永远赶不上信息的爆炸式增长，况且 还要受到环境的限制。 另一方面：必须减少表示图像的数据量，以达到压缩 图像数据的目的。 Digital Image Processing
Digital Image Processing Digital Image Processing ◘ 图像压缩的必要性 图像压缩的必要性 图像作为信息的重要表现形式，其具有数据量 作为信息的重要表现形式，其具有数据量 大、带宽宽等特点 大、带宽宽等特点。 一方面： 需要增加信道，但这很有限，因为信道的 需要增加信道，但这很有限，因为信道的 增加永远赶不上信息的爆炸式增长，况且 增加永远赶不上信息的爆炸式增长，况且 还要受到环境的限制。 还要受到环境的限制。 另一方面： 必须减少表示图像的数据量，以达到压缩 必须减少表示图像的数据量，以达到压缩 图像数据的目的。 图像数据的目的。 6.1 概 述
6.1概述 图像压缩的可能性 空间上的冗余：相邻像素或者序列相邻帧间有较大的相关性； ■人的视觉特性：人眼的分辨率非常有限； ■去除数字图像中的冗余，来减少数据量。 图像压缩编码的概念 图像数据的压缩和编码表示。 图像压缩编码系统： ()图像编码：对图像信息进行压缩和编码。在存储、处理 和传输前进行，也称图像压缩； (2)图像解码：对压缩图像进行解压以重建原图像或其近以 图像。 Digital Image Processing
Digital Image Processing Digital Image Processing ◘图像压缩的可能性 图像压缩的可能性 ▓ 空间上的冗余：相邻像素或者序列相邻帧间有较大的相关性； 空间上的冗余：相邻像素或者序列相邻帧间有较大的相关性； ▓ 人的视觉特性：人眼的分辨率非常有限； 人的视觉特性：人眼的分辨率非常有限； ▓ 去除数字图像中的冗余，来减少数据量。 去除数字图像中的冗余，来减少数据量。 ◘图像压缩编码的概念 图像压缩编码的概念 ▓ 图像数据的压缩和编码表示。 图像数据的压缩和编码表示。 ▓ 图像压缩编码系统： 图像压缩编码系统： (1)图像编码: 对图像信息进行压缩和编码，在存储、处理 对图像信息进行压缩和编码，在存储、处理 和传输前进行，也称图像压缩； 和传输前进行，也称图像压缩； (2)图像解码：对压缩图像进行解压以重建原图像或其近似 图像解码：对压缩图像进行解压以重建原图像或其近似 图像。 6.1 概 述
6.1概述 图像压缩方法分类 ·按压缩前及解压后的信息保持程度和方法的原理来分类： 1.按照压缩前及解压后的信息保持程度分成三类： (1)信息保持（存）型 压缩、解压中无信息损失。主要用于图像存档，其特点是信息无失真，但 压缩比有限，也称无失真/无损/可逆型编码。 (2)信息损失型 牺性部分信息，来获取高压缩比，数字电视、图像传输和多媒体等应用场 合常用这类压缩，其特点是通过忽略人的视觉不敏感的次要信息来提高压缩 比，也称有损压缩。 (3)特征抽取型 仅对于实际需要的（提取） 特征信息进行编码，而丢掉其它非特征信息， 属于信息损失型。 这里的第三类是针对特殊的应用场合，因此，一般就将图像压缩编码分 成无损和有损两大类。 Digital Image Processing
Digital Image Processing Digital Image Processing ◘图像压缩方法分类 图像压缩方法分类 ▓ 按压缩前及解压后的信息保持程度和方法的原理来分类 按压缩前及解压后的信息保持程度和方法的原理来分类： 1．按照压缩前及解压后的信息保持程度分成三类： 按照压缩前及解压后的信息保持程度分成三类： （1） 信息保持（存）型 信息保持（存）型 压缩、解压中无信息损失，主要用于图像存档，其特点是信息无失真，但 压缩比有限，也称无失真/无损/可逆型编码。 （2） 信息损失型 牺牲部分信息，来获取高压缩比，数字电视、图像传输和多媒体等应用场 合常用这类压缩，其特点是通过忽略人的视觉不敏感的次要信息来提高压缩 比，也称有损压缩。 （3） 特征抽取型 仅对于实际需要的（提取）特征信息进行编码，而丢掉其它非特征信息， 属于信息损失型。 这里的第三类是针对特殊的应用场合 ，因此，一般就将图像压缩编码分 成无损和有损两大类。 6.1 概 述
6.1概述 2.按照图像压缩的方法原理可分成四类： (1)像素编码 编码时只对每个像素单独处理。如脉中编码调制、熵编码、行程编码等。 (2)预测编码 通过去除相邻像素之间的相关性和冗余性。只对新的信息进行编码。常用 的有差分脉冲编码调制。 (3)变换编玛 对给定图像采用某种变换，使得大量的信息能用较少的数据来表示。通 常采用的变换包括：离妝傅立叶变换(DFT)，离散余弦变换（①CT)和高牧小波 变换(DWT)。 (4)其它方法 早期的编码，如混合编码、矢量量化、LZW算法。 近些年来也出现了很多新的压缩编码方法，如使用人工神经元网络的压 缩编码算法、分形、小波、基于对象的压缩编码算法、基于模型的压缩编码 算法等。 Digital Image Processing
Digital Image Processing Digital Image Processing 6.1 概 述 2．按照图像压缩的方法原理可分成四类： ．按照图像压缩的方法原理可分成四类： （1）像素编码 编码时只对每个像素单独处理。如脉冲编码调制、熵编码、行程编码等。 （2）预测编码 通过去除相邻像素之间的相关性和冗余性，只对新的信息进行编码。常用 的有差分脉冲编码调制。 （3）变换编码 对给定图像采用某种变换，使得大量的信息能用较少的数据来表示。通 常采用的变换包括：离散傅立叶变换(DFT），离散余弦变换(DCT)和离散小波 变换(DWT)。 （4）其它方法 早期的编码，如混合编码、矢量量化、LZW算法。 近些年来也出现了很多新的压缩编码方法，如使用人工神经元网络的压 缩编码算法、分形、小波、基于对象的压缩编码算法、基于模型的压缩编码 算法等
6.2 图像编码的基本理论 数据冗余 ■概念 代表无用信息或重复表示了其它数据已经表示过的信息 的数据称为数据冗余。常用压缩比和冗余度表示。 设h1和代表用来表示相同信息的两个数据的容量，那么 压缩比可以定义为 Cr= 几，是压缩前的数据量，几2是压缩后的数据量。 用几，表示的相对冗余度（即n相对于几）可以定义为： R,=1-= h1-2 n Digital Image Processing
Digital Image Processing Digital Image Processing ◘ 数据冗余 ▓ 概念 代表无用信息或重复表示了其它数据已经表示过的信息 代表无用信息或重复表示了其它数据已经表示过的信息 的数据称为数据冗余。常用压缩比和冗余度表示。 的数据称为数据冗余。常用压缩比和冗余度表示。 设 和 代表用来表示相同信息的两个数据的容量 代表用来表示相同信息的两个数据的容量,那么 压缩比可以定义为 压缩比可以定义为 是压缩前的数据量， 是压缩前的数据量， 是压缩后的数据量。 是压缩后的数据量。 用 表示的相对冗余度（即 表示的相对冗余度（即 相对于 ）可以定义为： ）可以定义为： 6.2 图像编码的基本理论 图像编码的基本理论 1 2 R n C n = 1 2 1 1 1 R n n RD C n− =− = n1 n2 n1 n1 n2 1 n 2 n
6.2 图像编码的基本理论 其中，CR的取值范围为(0，∞)， R,的取值范围为(-∞，1)。 ① 当n,=时，CR=1,R,=0，几1相对于几2不包含冗余。 ② 当几2几时，CR→0，RD→-oo,表示没有压缩，反而是几乎 100%的放大。 数据冗余主要有三种： 编码冗余、像素间冗余和心理视觉冗余，减少或消除了其中的一种或多 种时，就实现了图像的压缩。 Digital Image Processing
Digital Image Processing Digital Image Processing 其中， 的取值范围为(0, ∞)， 的取值范围为(-∞,1)。 ① 当 时, , , , , , 相对于 不包含冗余。 ② 当 时, , 表示几乎100％的压缩和几乎全 ％的压缩和几乎全 部的冗余。 ③ 当 时， 表示没有压缩，反而是几乎 表示没有压缩，反而是几乎 100％的放大。 数据冗余主要有三种： 数据冗余主要有三种： 编码冗余、像素间冗余和心理视觉冗余，减少或消除了其中的一种或多 种时，就实现了图像的压缩。 D 6.2 图像编码的基本理论 图像编码的基本理论 R CR n n 2 1 = 1 CR = 0 RD = n1 n2 n n 2 1 > 0, , C R R D → → −∞
6.2 图像编码的基本理论 编码冗余 对于给定图像其数据量就已确定，即几完全确定。因此，图像压缩后 的数据量 戟势定了压缩比。 h2=Lawg×n 其中n表示图像像素个数，Lavg是平均码字长。： 由此引入如下几个概 念： (1) 码字：信息编码中每个符号的二进制编码值。 (2) 码字长：码字的长度，即其二进制编码值的位数，也就是比特数。 (3) 平均码字长：每个像素所需的平均比特数。 若设图像的灰度级为k,则k出现的概率为： P(k)= ,k=0,1,,L-1 n 这里L是灰度级数，几k是第k个灰度级在图像中出现的次数，n 是图像的总像素个数。 Digital Image Processing
Digital Image Processing Digital Image Processing 6.2 图像编码的基本理论 图像编码的基本理论 ◘编码冗余 对于给定图像其数据量就已确定，即 完全确定。因此，图像压缩后 的数据量 就决定了压缩比。 其中 表示图像像素个数， 是平均码字长。由此引入如下几个概 念： (1) 码字：信息编码中每个符号的二进制编码值。 (2) 码字长：码字的长度，即其二进制编码值的位数，也就是比特数。 (3) 平均码字长:每个像素所需的平均比特数。 若设图像的灰度级为k，则k出现的概率为: 这里 L 是灰度级数， 是第 k 个灰度级在图像中出现的次数，n 是图像的总像素个数。 n1 n2 2 avg nL n = × n Lavg ( ) , 0,1,..., 1 nk P kL k n = = − nk
6.2 图像编码的基本理论 若每个灰度级k的编码长度为)，则平均码字长为： L-1 Lg=∑1(k)P(k) k=0 (4)自然编码：每个灰度级（或每个像素）均用位的二进制码表示，也称 等长编码。此时 Lavg =l(k)=m (5)变长（不等长）编码：对于图像中的不同灰度级采用不同长度的码字表 示。此时 Lag≤m (6)编码元余：不同的编码方法可能会有不同的Lg， 由此引出两种编码 冗余。 ①相对编码冗余：Lg大的编码相对于Lg小的编码就存在相对编码冗余。 ②绝对编码冗余：使Lag>Lmin 的编码就存在绝对编码冗余。 Digital Image Processing
Digital Image Processing Digital Image Processing ▓若每个灰度级k的编码长度为l(k)，则平均码字长为： （4）自然编码：每个灰度级（或每个像素）均用m位的二进制码表示，也称 等长编码，此时 （5）变长（不等长）编码：对于图像中的不同灰度级采用不同长度的码字表 示。此时 （6）编码冗余：不同的编码方法可能会有不同的 ，由此引出两种编码 冗余。 ①相对编码冗余： 大的编码相对于 小的编码就存在相对编码冗余。 ②绝对编码冗余：使 的编码就存在绝对编码冗余。 1 0 ()() L avg k L lkPk − = = ∑ ( ) L lk m avg 6.2 图像编码的基本理论 图像编码的基本理论 = = L m avg ≤ L avg L avg Lavg L L avg > min
6.2 图像编码的基本理论 口像素间的冗余 由于像素间存在相关性，那么对于任一给定的像素值，原 理上都可以通过它的相邻像素值预测得到。这就带来了像素间 的冗余。 心理视觉冗余 人观察图像是基于目标物特征而不是像素，这就使得某些 信息显得不重要，可以忽略，则表示这些可忽略信息的数据就 称为心理视觉冗余。电视广播中的隔行扫描就是常见的例子。 Digital Image Processing
Digital Image Processing Digital Image Processing ◘像素间的冗余 由于像素间存在相关性，那么对于任一给定的像素值，原 由于像素间存在相关性，那么对于任一给定的像素值，原 理上都可以通过它的相邻像素值预测得到。这就带来了像素间 理上都可以通过它的相邻像素值预测得到。这就带来了像素间 的冗余。 ◘心理视觉冗余 人观察图像是基于目标物特征而不是像素，这就使得某些 人观察图像是基于目标物特征而不是像素，这就使得某些 信息显得不重要，可以忽略，则表示这些可忽略信息的数据就 信息显得不重要，可以忽略，则表示这些可忽略信息的数据就 称为心理视觉冗余。电视广播中的隔行扫描就是常见的例子。 称为心理视觉冗余。电视广播中的隔行扫描就是常见的例子。 6.2 图像编码的基本理论 图像编码的基本理论