数字图像处理技术PPT图像数据压缩.ppt
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1、第五章 图像数据压缩,1. 信息传输方式发生了很大的改变 通信方式的改变 文字+语音图像+文字+语音 通信对象的改变 人与人人与机器,机器与机器,5.1 概述:图像编码的研究背景,5.1 概述:图像编码的研究背景,数码图像的普及,导致了数据量的庞大。 图像的传输与存储,必须解决图像数据的压缩问题。,2.图像传输与存储需要的信息量空间: 1)彩色视频信息 对于电视画面的分辨率640*480的彩色图像,每秒30帧,则一秒钟的数据量为: 640*480*3*8*30=221.12M 所以播放时,需要221Mbps的通信回路。 存储时,1张CD可存640M,则仅可以存放2.89秒的数据。,5.1 概述
2、:图像编码的研究背景,2.图像传输与存储需要的信息量空间: 2)传真数据 如果只传送2值图像,以200dpi(点/英寸)的分辨率传输,一张A4稿纸的内容的数据量为: 1654(行点数)*2337(行数)*1=3888768bit=390K 按14.4K的电话线传输速率,需要传送的时间是:270秒(4.5分),5.1 概述:图像编码的研究背景,图像压缩的必要性: 由于通信方式和通信对象的改变带来的最大问题是: 传输带宽、速度、存储器容量的限制。 给我们带来的一个难题,也给了我们一个机会: 如何用软件的手段来解决硬件上的物理极限。,5.1 概述:图像编码的研究背景,5.1 概述:图像通信系统模型,
3、5.1 概述:图像压缩的可能性,3. 图像压缩的可能性 (1)冗余度的概念 对于描述一幅图像所需要的最少信息之外的多余信息,称为冗余度。 一般图像中都含有冗余度,去除图像里的冗余度便完成了数据压缩,5.1 概述:图像压缩的可能性,在下面的例子中,用一种最简的方式来发送一封电报:,结论:只要接收端不会产生误解,就可以减少承载信息的数据量。,你的妻子,Helen,将于明天晚上6点零5分在上海的虹桥机场接你。 (23*2+10=56个半角字符) 你的妻子将于明天晚上 6点零5分在虹桥机场接你。 (20*2+3=43个半角字符) Helen将于明晚6点在虹桥接你。 (10*2+7=27个半角字符),5
4、.1 概述:图像压缩的可能性,描述语言 1)“这是一幅 2*2的图像,图像的第一个像素是红的,第二个像素是红的,第三个像素是红的,第四个像素是红的”。,2)“这是一幅2*2的图 像,整幅图都是红色的”。,由此我们知道,整理图 像的描述方法可以达到 压缩的目的。,5.1 概述:图像压缩的可能性,图像冗余无损压缩的原理,(采用8级量化) 从原来的16*3*8=284bits压缩为:(1+3)*8=32bits,5.1 概述:图像压缩的可能性,图像冗余有损压缩的原理,5.1 概述:图像压缩的可能性,实际图像中冗余信息的表现(灰度图),5.1 概述:图像压缩的可能性,图像的视觉冗余 (彩色),256级
5、量化,5.1 概述:图像压缩的可能性,图像冗余信息分析结论 由于一幅图像存在数据冗余和主观视觉冗余,我们的压缩方式就是从这两方面着手来开展的。 1)因为有数据冗余,当我们将图像信息的描述方式改变之后,可以压缩掉这些冗余。 2)因为有主观视觉冗余,当我们忽略一些视觉不太明显的微小差异,可以进行所谓的“有损”压缩。,5.1 概述:图像压缩的分类,4.图像压缩的分类 以图像信息保真为出发点,图像压缩技术分两种: 1)冗余度压缩 又称为无损压缩或无失真压缩。 2)熵压缩 又称为有损压缩。,5.1 概述:图像压缩保真度准则,5. 图像压缩保真度准则 保真度准则即压缩后图像质量评价的标准,分两种: 1)客
6、观保真度准则 压缩前后图像之间的均方根误差或均方根信噪比。 2)主观保真度准则 以人的视觉为主,来评价图像的质量。,5.1 概述:图像压缩术语,6. 编码器的若干知识 如图为一编码器的示意图,输入X为信号单元;输出W为代码,Wi为码字;A是构成码字的符号集合,其元素称为码元。 编码器的作用: (1)用符号集合A中的符号构成代码W (2)建立输入X和输出W的对应关系,5.1 概述:图像压缩术语,(1)独立信源的熵 设信源符号表为X1,X2,Xq,出现的概率分别为P(X1),P(X2),P(Xq), 则信源的熵为,5.1 概述:图像压缩术语,(2)香农无干扰编码理论 在无干扰条件下,总存在一种无失
7、真编码方法,使编码的平均长度L(x)与信息源的熵H(x)任意的接近。即无失真编码的平均码长存在一个下限,这个下限就是原始图像的熵。由此定义: 编码效率 冗余度,5.1 概述:图像的压缩编码,第一代压缩编码 八十年代以前,主要是根据传统的信源编码方法。 第二代压缩编码 八十年代以后,突破信源编码理论,结合分形、模型基、神经网络、小波变换等数学工具,充分利用视觉系统生理心理特性和图像信源的各种特性。,5.1 概述:图像的压缩编码,5.1 概述:图像的压缩编码,5.2 预测编码,1、PCM编码 又称脉冲编码调制,是图像数字化和图像编码的合称 数字化后可采用两种方法编码:等长和变长编码,5.2 预测编
8、码,2、预测编码 (1)帧内预测:对预测差值编码以消除空间冗余度 即差分脉冲编码调制DPCM,原理框图如下:,5.2 预测编码,工作过程: (1)预测器根据存储的前若干个样值对当前值进行预测,得到预测值 (2)待编码值与预测值相减得到预测误差 (3)对预测误差进行量化 (4)量化后的误差一方面进行熵编码并经信道传出去;另一方面与预测值相加,得到“有量化失真的复原值”,存储到预测器中,供对下一个样值预测之用 (5)发送端的本地解码器与接收端的解码器完全相同,线性预测,预测编码根据前面若干个样本值对当前值进行预测,若预测值是样本值的线性组合,则称为线性预测 预测器的设计是DPCM系统的核心问题,因
9、为预测器越好,差值就越集中分布在零附近,码率就能压缩得越多 最经典的方法是采用最小均方误差准则来进行最佳设计,预测阶数的选择,直观上,增大预测阶数N可提高预测准确度,但实际情况并非如此。当N较小时,增大N可提高预测度;但当N足够大时,效果不明显 一般说来,当输入信源为平稳的m阶马尔可夫过程,则N=m阶最佳线性预测器就是在MMSE准则下最好的预测器,5.2 预测编码,(2)帧间预测:消除时间冗余度 主要针对活动图像,有两种技术:运动估计ME和运动补偿MC,5.3 行程编码(RLE编码),行程编码是一种最简单的,在某些场合是非常有效的一种无损压缩编码方法。 虽然这种编码方式的应用范围非常有限,但是
10、因为这种方法中所体现出的编码设计思想非常明确,所以在图像编码方法中都会将其作为一种典型的方法来介绍。,5.3 行程编码(RLE编码),基本原理: 通过改变图像的描述方式,来实现压缩。将一行中颜色值相同的相邻像素用一个计数值和该颜色值来代替。 举例说明: aaaa bbb cc d eeeee fffffff (共22*8=176 bits) 4a3b2c1d5e7f (共12*8=96 bits),压缩比为:176:96=1.83:1,压缩比为: 176:70=2.5:1,5.3 行程编码(RLE编码),在传真中的应用: 传真件中一般都是白色比较多,而黑色相对比较少。所以可能常常会出现如下的情
11、况: 600W 3b 100w 12b 4w 3b 200w 上面的行程编码所需用的字节数为:5126001024 计数值必须用10bit来表示:10*7=70bit,因为只有白或黑,而且排版中一定要留出页边距, 因此,一般情况下,可以只传输计数值即可。,5.3 行程编码(RLE编码),现在,根据传真文件的特点,对其进行改进。 既然已经可以预知白色多黑色少,所以可对白色和黑色的计数值采用不同的位数。 白色:10bit,黑色:4bit 600W 3b 100w 12b 4w 3b 200w 所需字节数为: 4*10+3*4=52bit 比原来的方式10*7=70bit减少了18bit,提高了压缩
12、比,二维行程编码 基本概念,二维行程编码要解决的核心问题是: 将二维排列的像素,采用某种方式转化成一维排列的方式。之后按照一维行程编码方式进行编码。,二维行程编码 数据排序,如下图所示,是两种典型的二维行程编码的排列方式:,(a),(b),二维行程编码例,例:,数据量:64*8=512(bit),二维行程编码例,如果按照行扫描的顺序排列的话,数据分布为:,130,130,130,129,134,133,129,130; 130,130,130,129,134,133,130,130; 130,130,130,129,132,132,130,130; 129,130,130,129,130,13
13、0,129,129; 127,128,127,129,131,129,131,130; 127,128,127,128,127,128,132,132; 125,126,129,129,127,129,133,132; 127,125,128,128,126,130,131,131,二维行程编码例,一维行程编码后为:,(3,130),(1,129),(1,134),(1,133),(1,129),(4,130),(1,129),(1,134),(1,133),(5,130),(1,129),(2,132),(2,130),(1,129),(2,130),(1,129),(2,130),(2,1
14、29),(1,127),(1,128),(1,127),(1,129),(1,131),(1,129),(1,131),(1,130),(1,127),(1,128),(1,127),(1,128),(1,127),(1,128),(2,132),(1,125),(1,126),(2,129),(1,127),(1,129),(1,133),(1,132),(1,127),(1,125),(2,128),(1,126),(1,130),(2,131),数据量为:46*(3+8)=506(bit) 压缩比为:512:506=1.02:1,二维行程编码例,如果按照列扫描的顺序排列的话,数据分布为:
15、,130,130,130,129,127,127,125,127; 130,130,130,130,128,128,126,125; 130,130,130,130,127,127,129,128; 129,129,129,129,129,128,129,128; 134,134,132,130,131,127,127,126; 133,133,132,130,129,128,129,130; 129,130,130,129,131,132,133,131; 130,130,130,129,130,132,132,131,二维行程编码 例,一维行程编码为:,数据量为:42*(3+8)=462(
16、bit) 压缩比为:512:462=1.11:1,(3,130),(1,129),(2,127),(1,125),(1,127),(4, 130),(2,128),(1,126),(1,125),(4,130),(2,127),(1,129),(1,128),(5,129),(1,128),(1,129),(1,128),(2, 134),(1,132),(1,130),(1,131),(2,127),(1,126),(2,133),(1,132),(1,130),(1,129),(1,128),(1,129),(1,130), (1,129),(2,130),(1,129),(1,131),
17、(1,132),(1,133),(1,131),(3,130),(1,129),(1,130),(2,132),(1,131),二维行程编码 例,如果按照方式(a)扫描的顺序排列的话,数据分布为:,130,130,130,130,130,130,130,130, 130;129,129,129,129,130,130,129; 127,128,127,129,131,130,132,134, 134;133,133,132,130,129,128,127, 128,127,128,127,125,126,129,129; 127,129,133,132,131,129,130,130; 129
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