1、第四章像壓縮第四節壓縮標準數字圖像處理北京大學計算機研究所陳曉鷗第四章第四節壓縮標準像壓縮第四節壓縮標準4. 4. 1壓縮標準簡介4. 4.2連續調圖像壓縮標準4. 4.3二值圖像壓縮標準4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章4. 4. 1壓縮標準簡介4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準第四章4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮圖像標準的制定：是在ISO（國際標準化組織）和CCITT （國際電報 電話咨詢委員會）聯合組織下進行制定的標準的類型（三類）:-二值圖像壓縮標準：（1）面向傳真而設計連續調圖像壓縮標準：靜止幀黑白、彩色壓縮：（

2、2）面向靜止的單幅圖像連續幀黑白、彩色壓縮：（3）面向連續的視頻影像4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準連續調圖像壓縮標準-靜止幀黑白、彩色壓縮（JPEG）-連續幀單色、彩色壓縮（MPEG）4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章圖像壓縮第四節壓縮標準-靜止幀黑白、彩色壓縮(JPEG) JPEG標準簡述 JPEG壓縮流程JPEG壓縮算法的實現-顏色變換零偏置轉換-頻域變換系數量化-符號編碼 JPEG壓縮舉例第四章圖像壓縮第四節壓縮標準4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮- JPEG標準簡述有三種壓縮系統：(1) 基線編碼系統:而向大多數有損壓縮的應丿IJ,采用DCT變換壓

3、縮。(2) 擴展編碼系統:而向遞進式應丿IJ,從低分辨率到高分辨率逐步遞進傳遞的應用(3) 獨立編碼系統:而向無損壓縮的應丿IJ,采川無損預測壓縮，符號編碼采用哈夫曼或算術編碼 一個產品或系統必須包括對呈線系統的支持。4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮4.4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮壓縮勻日輸入圖像NxN 第 四f-JPEG壓縮流程壓縮圖像壓縮的圖像解壓圖像符號 解碼器DCT 逆向變換-顏色空間 轉換零偏置 轉換合成8x8 的子圖第四章!14.4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準構造子圖像 子圖像尺寸：8x8顏色空間轉換人眼對亮度更敏感，提取亮度特征，將RGB轉換為YCbQ

4、模型，編碼時對亮度采用特殊編碼：f Y =0. 299R + 0. 5870G + 0. U40B彳 Cb = -0. 1787R - 0. 3313G +0.5000B +128lcr = 0. 5000R - 0. 4187G - 0. 0813B + 128顏色解碼：r R = Y + 1. 40200(Cr - 128)- G = Y - 0. 34414(Cb - 128) - 0. 71414(Cr - 128)I B = Y + 1.77200 (Cb -128)4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準零偏置轉換-對于灰度

5、級是2*的像素，通過減去2葉1,替 換像素本身-對于n=8,即將0255的值域，通過減去128, 轉換為值域在-128127之間的值-目的：使像素的絕對值出現3位10進制的概 率大大減少4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準52556166706164736359669010985697262596811314410466736358711221541067069676168104126886870796560707768587585716459556165838779696865767894用8x

6、8的JEPG基線標準，壓縮并重構下列子圖4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章圖像壓縮第四節壓縮標準第四章圖像壓縮第四節壓縮標準o偏置轉換后-76-73-67-62-58-67-64-55-65-69-62-38-19-43-59-56- 66-69-60-1516_24-62-55-65-70-57-626-22-58-59-61-67-60-24-2-40-60-58-49-63-68-58-51-65-70-53-43-57-64-69-73-67-63-45-41-49-59-60-63-52-50-344. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮頻域變換-頻域變換產生64個系數，第一個系

7、數稱為 育流系數（DC系數），其余的63個系數稱 為交流系數（AC系數）。4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮正向DCT變換（N=8）后變成-415-29-622555-20-137-21-62911-7-66-46877-25-30107-5-501335-15-960311-8-13-2-11-41-1013-3-102-1-4-12-12-31-2-1-1-1-2-1-10-1第四章圖像壓縮第四節壓縮標準4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章圖像壓縮第四節壓縮標準系數量化-采用閾值作為子圖系數位置函數的量化方式所

8、有子圖使用同一個全局閾值模板，但閾值的取值，與系數的位置相關，閾值模板給 出了，不同位置上系數的相應閾值。-對于亮度和顏色使用不同的量化閾值模板， 并取整第四章像壓縮第四節壓縮標準系數量化1) 正向量化：Squv = round (Suv / Quv)其中：Sg是DCT系數，Quv量化模板系數2) 逆向量化：Ruv = Sqv QUv例：Sq (0, 0) = round -415/16=round-25. 9=-26Ruv (0, 0) = -26 * 16 二-4164. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章4.4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮像壓縮第四節

9、壓縮標準1611101624405161121214192658605514131624405769561417222951878062182237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399亮度的量化模板系數4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮顏色的量化模板系數1718244799999999182126669999999924265699999999994766999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999

10、99999994. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮量化變換后的數組，比例化并消去系數-26-3-6 220001-2-400000-315-1-1000-412 -10000100 00000000 00000000 00000000 00000第四章像壓縮第四節壓縮標準第四章像壓縮第四節壓縮標準4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章圖像壓縮第四節壓縮標準第四章圖像壓縮第四節壓縮標準4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮符號編碼-將量化后的系數，按Z字形重新排序成矢量, 全零結尾用特殊符號EOB-26 -31-3-2-62-41-41150200-1 2 0 0 0 0 0 -1 -1 EO

11、B-DC和AC用不同的方式分別編碼-DC的編碼方式（預測+統計）:編碼由兩部分組成：區間號編碼（SSSS） +系數預測誤差本身編碼（WVV）-DC的編碼方式（預測+統計）第一步：求DPCM （差分脈沖調制碼），用當前 的DC,減去前一個子圖的DCWVV :DIFF = DC - PREDC第二步：根據DIFF求出區間號：SSSS-通過DIFF查區間編號表得出區間號SSSS-根據SSSS查哈夫曼編碼表得出SSSS的哈夫曼編 碼。第三步：對VVVV編碼，正數是自己，負數用 補碼（求反）。第四章像壓縮第四節壓縮標準-DC的編碼方式（預測+統計） 例子：DC = -26PREDC = -17DIFF

12、= -26 - （-17） = -9 用-9查區間表得：SSSSPrcDC -17DC 26=4用4查哈夫曼編碼表得：哈夫曼編碼：101VVVV = -9二進制編碼為：1001求反：1001 = 0110最后的編碼為：101+0110= 1010110解碼時如果VVVV部分首位為0為負數4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準- DC的編碼方式（預測+統計）范圍DC差區間AC區間00N/A-1, 1113, -2, 2, 3227,廠4 4,733& ,1544-35566區間表4. 4.2壓縮標準：

13、連續調圖像壓縮第四章圖像壓縮第四節壓縮標準第四章圖像壓縮第四節壓縮標準間度 IX-.K編碼長度區間編碼0010361110101()11471111()12210058111110143005911111101641017A111111101851108B111111110?04.4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮-DC的編碼方式(預測+統計) 區間DC哈夫曼編碼表符號編碼-AC的編碼方式編碼由兩部分組成： 區間號編碼(RRRR/SSSS) +系數木身(VVVV) 第一部分：SSSS：區間號RRRR：該系數前值為0的系數的個數。 第二部分：VVVV：系數本身編碼4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮

14、第四章像壓縮第四節壓縮標準-AC的編碼方式區間AC哈夫曼編碼表0/01010(=EOB)40/6111000 120/10030/71111000140/20140/81111110110 180/310060/911111111100000100/4101180/A11111111100000110/511010101/111005行程/區間 編碼長度 行程/區間 編碼長度第四章4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準-AC的編碼方式舉例：0 -7RRRR = 1查表得區間號：SSSS = 3RRRR/SSSS = 1/3 查表得：1111

15、001VVVV = -7111 求反得：000最后編碼：11110010004. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章圖像壓縮第四節壓縮標準符號編碼完成后的編碼數組（重排的）是：1010110 0100 001 0100 0101 100001 0110100011 001 100011 001 001 10010111100110 110110 0110 11110100 000 1010-其中空格是為了可閱讀性而插入的-完成編碼的重排數組的總位數是92,不壓縮需要 8x8x8=512位。結果的壓縮率是512/92,或5.6:1。第四章圖像壓縮第四節壓縮標準4.4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮

16、-連續幀單色、彩色壓縮連續幀圖像的定義連續幀圖像壓縮的基本思想幀間運動補償預測編碼技術H. 261標準 MPEG1/2/4/7 標準4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章圖像壓縮第四節壓縮標準第四章圖像壓縮第四節壓縮標準4.4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮連續幀圖像的定義-由多幅尺寸相冋的靜止圖像組成的圖像 序列，被稱為連續幀圖像。-與靜止幀圖像相比，連續幀圖像多了一 個時間軸，成為三維信號，因此連續幀圖 像也被稱為三維圖像。連續幀圖像壓縮的基本思想-基于如下基本假設：在各連續幀Z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）可以根據風幀附近像索來加以預測，被稱為： 幀內編碼技

17、術2）町以根據附近幀中的像素來加以預測,被稱為: 勉編碼技術4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章像壓縮第四節壓縮標準第四章4.4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準幀間運動補償預測編碼技術-幀間預測編碼運動補償預測幀間誤差圖像輸入圖像塊 fn幀間 預測器壓縮圖像塊葉n運動補償預測圖像連續幀圖像壓縮的基本思想-通過減少幀間圖像數據冗余,來達到減少數據量、壓縮 連續幀圖像體積的目的。-將連續幀圖像序列，分為參考幀和預測幀,參考幀川靜 止圖像壓縮方法進行壓縮，預測幀對幀差圖像進行壓縮。 由于幀差圖像的數據暈大大小于參考幀的數據暈,從而 可以達到很高的壓縮比。第四章圖像壓縮第四節壓縮

18、標準4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮幀間運動補償預測編碼技術-幀間預測編碼向前預測前一幀 當前幀雙向預測前一幀 當前幀 下一幀第四章圖像壓縮第四節壓縮標準4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮幀間運動補償預測編碼技術-幀間預測編碼 I幀-不進行預測、進行幀內編碼的編碼幀（參考幀）P幀-通過向前預測得到的誤差編碼幀B幀-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4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章像壓縮第四節壓縮標準第四章4.4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮幀間運動補償預測編碼技術-編碼中的運動補償運動補償概念是以對幀間運動的估算為基礎的， 若物體均在空間上有一

19、位移，那么用有限的運動 參數來對幀間的運動加以描述，如對于像素的平 移運動，可用運動矢量來描述。一個來自前一編碼幀的運動補償預測像素，就能 給出一個當前像素的最佳預測。預測誤差和運動 矢量一同參與編碼。4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準幀間運動補償預測編碼技術-編碼中的運動補償由于一些運動矢量之間的空間相關性通常較高， 因此，一個像素的運動矢量，可以代表一個相 鄰像素塊的運動。實現中，畫而一般劃分成一些不連接的像素塊 （在MPEG1和MPEG2標準中一個像素塊為16X16像 素），對丁每個這樣的像素塊，只估算個運 動矢応。4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章圖像壓縮

20、第四節壓縮標準幀間運動補償預測編碼技術-編碼中的運動補償舉例：常用的基于塊的運動估算和補償塊匹配法第四章圖像壓縮第四節壓縮標準4.4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮-H. 261263標準 H. 261263標準是由CCITT制定的-ccitt國際電話與電報咨詢委員會，它現在被稱 為itu-1 （國際標準化組織電訊標準化分部）， 是世界上主要的制定和推廣電訊設備和系統標準 的國際組織.它位于瑞士的geneva.4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準第四章4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮-H. 261標準應用范圍：ISDN的視頻會議主要

21、編碼技術：- DCT變換-向前運動補償預測-Zig-zag排序-霍夫曼編碼IPPPPPPIPPP4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準-H. 263標準應用范圍：可視電話主要編碼技術：- DCT變換-雙向運動補償預測-Zig-zag排序-霍夫曼編碼IBBPBBPBBTBBP 4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章圖像壓縮第四節壓縮標準-MPEG1/2/4/7 標準 MPEG1/2/4/7 標準由 ISO/IEC 制定的ISO是國際標準化組織IEC是國際電工委員會，是非政府性國際 組織，是世界上成立最早的專門國際標準 化機構。正式成立于1906年。第四章圖像壓縮第四節壓縮標

22、準4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮- MPEG 1標準應用范圍：視頻CD_ROM存儲、視頻消費 主要編碼技術：-DCT變換-前向、雙向運動補償預測- Zig-zag排序-霍夫曼編碼、算術編碼-每15幀至少要有一個I幀IBBPBBPBBIBBP 4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章圖像壓縮第四節壓縮標準第四章圖像壓縮第四節壓縮標準-MPEG2標準應用范圍：數字電視、高質量視頻、有線 電視、視頻編輯、視頻存儲主要編碼技術：-DCT變換-前向、雙向運動補償預測-Zig_zag排序-霍夫曼編碼、算術編碼-每15幀至少要有一個I幀IBBPBBPBBIBBP 4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮

23、-MPEG4標準應用范圍：互聯網、交互視頻、移動通信主要編碼技術：-DCT變換、小波變換-前向、雙向運動補償預測-Zig-zag排序臉部動畫、背影編碼-霍夫曼編碼、算術編碼-每15幀至少耍有一個I幀IBBPBBPBBIBBP 4. 4.2壓縮標準：連續調圖像壓縮第四章像壓縮第四節壓縮標準-MPEG7標準下節課介紹第四章4.4.3壓縮標準：二值圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準二值圖像壓縮標準-基本思想-一維壓縮-二維壓縮- CCITT Group3CCITT Group44. 4.3壓縮標準：二值圖像壓縮第四章4. 4.3壓縮標準：二值圖像壓縮像壓縮第四節壓縮標準第四章4. 4.3壓縮標準：二值圖像壓縮-基本思想：-采用行程