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1、第四章 图像压缩编码,数字电视技术,通信工程系,2,2023/3/21,4.1图像压缩编码概述图像压缩编码技术是学习数字电视的重点内容为什么要进行图像压缩？（图像压缩的目的）一路彩色DVD电视未经压缩时的数据量为：Y 13.5MHz8bit=108Mb/sU 6.75MHz8bit=54Mb/sV 6.75MHz8bit=54Mb/s 合计=216Mb/s图像信号是有必要也有可能被压缩。,通信工程系,3,2023/3/21,4.1.1 图像数据压缩基理,1.图像数据压缩基理主要来自两个方面：1)图像信号中存在大量冗余度可供压缩，且这种冗余度在解码后还可无失真地恢复；2)利用人的视觉特性，在不被
2、主观视觉察觉的容限内，通过减少表示信号的精度，以一定的客观失真换取数据压缩。,通信工程系,4,2023/3/21,4.1.1 图像数据压缩基理,2.图像信号的冗余度图像信号的冗余度存在于结构和统计两方面。图像信号的结构冗余度图像信号结构上的冗余度表现为很强的空间(帧内的)和时间(帧间的)相关性,通信工程系,5,2023/3/21,4.1.1 图像数据压缩基理,图像信号帧内相关性,通信工程系,6,2023/3/21,4.1.1 图像数据压缩基理,信号统计上的冗余度来源于被编码信号概率密度分布的不均匀预测编码：不直接传送图像信号，而传送图象信号之间的差值。这种差值呈拉普拉斯分布。,通信工程系,7,
3、2023/3/21,4.1.1 图像数据压缩基理,预测编码时，出现概率高的预测误差信号(0及小误差)短码，出现概率低的大预测误差长码，使总的平均码长要比用固定码长编码短很多。,通信工程系,8,2023/3/21,4.1.1 图像数据压缩基理,3.利用人眼的视觉特性进行压缩人眼对图像的细节分辨率、运动分辨率和对比度分辨率都有一定的限度,通信工程系,9,2023/3/21,4.1.2 图像编码过程,图像编码过程分三步完成:映射：即变换一下描写信号的方式。目的：去除相关性，降低图像的结构冗余度。量化：在满足对图像质量一定要求的前提下，减小表示信号的精度目的：利用人眼主观视觉特性压缩图像统计编码目的：
4、消除图像的统计冗余度。,通信工程系,10,2023/3/21,4.1.2 图像编码过程,信号映射和统计编码是可逆的过程，而量化是不可逆的。当不加入量化时，通过解码端的反映射和统计解码可无失真地恢复原始信号；加入量化后，整个编解码过程造成的失真完全由量化引起。,通信工程系,11,2023/3/21,4.1.3 图像编码算法的分类,1.传统的图像编码技术 空间和时间子抽样编码 预测编码变换编码,熵编码 矢量量化 子带编码,混合编码方案（MPEG-1，MPEG-2）空间和时间子抽样 统计编码基于运动估计和补偿的DPCM 游程长度编码二维DCT,通信工程系,12,2023/3/21,4.1.3 图像编
5、码算法的分类,2.新一代编码压缩算法 模型基编码 分形编码 小波变换编码 神经网络编码,通信工程系,13,2023/3/21,4.1.3 图像编码算法的分类,3.总结（1）无损压缩方法仅仅删除图像数据中的冗余信息，回放压缩文件时，能够准确无误地恢复原始数据。它可分为两大类:基于统计概率的方法和基于字典方法。,通信工程系,14,2023/3/21,基于统计概率的方法,基于统计概率的方法是依据信息论中的变长编码定理和信息熵的有关知识，用较短代码代表出现概率大的符号，用较长代码代表出现概率小的符号，而实现的数据压缩。统计概率编码方法中最有代表性的是霍夫曼(Huffman)编码方法，它根据概率分布大小
6、进行一一对应地编码。在H.264标准中，采用了基于上下文自适应变字长编码，压缩效率得到了进一步提高。另外，算术编码也是一种利用概率分布特性的编码方法。算术编码是利用字符序列而不是单个字符进行编码，其效率比Huffman编码方法高。,通信工程系,15,2023/3/21,基于字典的方法,基于字典的方法的数据压缩有两种：一种是游程编码(Runing Length Coding，RLC)，在MPEG标准中使用;另一种是LZW(Lampel、Ziv、Welch，三个人名)编码。采用LZW编码时，可将数据文件生成特定字符序列的表以及它们对应的代码。LZW编码对二值图像可以得到非常显著的压缩效果，但对灰度
7、图像压缩效果不显著，其压缩比一般在11.513以内。,通信工程系,16,2023/3/21,4.1.3 图像编码算法的分类,3.总结（2）有损压缩算法靠丢掉大量冗余信息来降低数字图像所占的空间，回放时也不能完整地恢复原始图像，而将有选择地损失一些细节，损失多少信息由需要多高的压缩率决定。,通信工程系,17,2023/3/21,有损压缩最常用的方法是空间和时间亚抽样编码。在某些(如VCD和电视电话等)应用中，高分辨率不是必需的。这时，我们可以使用空间和时间亚抽样来降低数据速率。在编码器中，从每几个像素中选择一个像素，从一帧的两场中取一场，或从每几帧中选择一帧，然后加以传输。在译码器中，可根据接收
8、的像素和帧内插丢失的像素、场和帧，再生出分辨率较低的原始视频序列。如果像素是由色度和亮度分量表示的，那么可以以较高的比率(如21或41)对色度分量进行亚抽样，量化更粗略一些，这是因为人眼对色度分量的高频分量敏感性较低。,通信工程系,18,2023/3/21,4.1.3 图像编码算法的分类,通信工程系,19,2023/3/21,4.1.3 图像编码算法的分类,通信工程系,20,2023/3/21,4.1.4 图像编码压缩比,由于压缩技术层出不穷，图像编码的压缩比不断提高，它遵循Musmann定律。Musmann 定律是以德国著名图像专家Musmann教授命名的。,通信工程系,21,2023/3/
9、21,2006年4月，Musmann教授在北京主持了“图像编码的过去与未来”专题讨论会，并首先发言，对图像编码压缩技术的过去几十年工作作了总结，他认为广播质量的视频编码的压缩比大约每5年翻一番，被公认为Musmann定律。,通信工程系,22,2023/3/21,4.2 熵编码,熵编码的基本原理：给出现概率较大的符号一个短码字，而给出现概率较小的符号一个长码字熵编码的目的：使得最终的平均码长最短常用的熵编码方法：游程编码RLE(run-length coding)Huffman编码算术编码,通信工程系,23,2023/3/21,游程编码主要用于量化后出现大量零系数的情形，利用游程来表示连零码，以
10、降低为表示零码所用的数据量。,算术编码是20世纪80年代发展起来的一种熵编码方法，它已渐渐受到人们的注意。它的基本原理是，任何一个数据序列均可表示成0和1之间的一个间隔，该间隔的位置与输入数据的概率分布有关。有关的实验数据表明，在未知信源概率分布的大部分情形下，算术编码要优于Huffman编码。,通信工程系,24,2023/3/21,4.2.1 前缀码,设有一个由K个信源符号(以下简称符号)组成的离散、无记忆符号集:其中每一符号通过一个二进制码字(代码)表示，但字长不等。各符号出现的概率分别为:若符号 以 个码元(位)编码，则在变字长编码时编码每个符号的平均码长为,通信工程系,25,2023/
11、3/21,4.2.1 前缀码,编码要求：编码必须是单译和可逆的编码的平均码长最短 码III是前缀码:0111100可以唯一地解码为a1a4a2a1,通信工程系,26,2023/3/21,4.2.1 前缀码,前缀码的定义:在码表中没有码字与任何一个比它长的码字的前缀(码头)相同，即不存在能在短码字后面续加若干码元构成的长码字，所以前缀码又称非续长码。前缀码的码树:,通信工程系,27,2023/3/21,码树的每一个节点有两个分枝，分别以二进制的两个码元符号“0”和“1”表示；一个前缀码的码树应遵守这样的规定：1）信源符号只能以端点表示，不能以节点表示；2）分配给每个符号的码字可以由码树得到，它们
12、由沿着从码树的根出发到该符号对应端点的路径连续遇到的码元顺序排列而成。,通信工程系,28,2023/3/21,码也是单译可逆的，但它不是前缀码。这种码每一个码字都以“0”开头，不满足前缀码的要求。比较码和码可以看到码的平均码长比码长。,作为对比，码给出定长码。为了编码a1、a2、a3、a4 4个符号，定长码的码长是 2 bit，而采用码的平均码长，是1.75 bit，要比定长码节省0.25 bit/符号。,通信工程系,29,2023/3/21,4.2.2 离散无记忆信源的信息量,离散无记忆信源离散：信源产生信号是不连续的，某一时刻只产生一个符号无记忆：某符号在某时刻出现的概率与在此之前信源的状
13、态无关 符号ak的信息量I(ak)单位为bit p(ak)为ak出现的概率,通信工程系,30,2023/3/21,4.2.2 离散无记忆信源的信息量,一个离散、无记忆信源产生的一个符号的平均信息量 H(U)被称做信源的熵（统计均值）,通信工程系,31,2023/3/21,4.2.3 无失真信源编码定理,无失真信源编码定理：设单符号、离散、无记忆信源的熵为H(U)，若用二进制码对其作变字长、非续长编码，一定可以找到一种编码方式，其平均码长满足：H(U)H(U)+1即：如果符号ak用等于其信息量的码长编码则可以使平均码长达到其下限-熵,通信工程系,32,2023/3/21,4.2.4 Huffma
14、n码,Huffman码是冗余度最小(平均码长 最小)的编码,a1a2a3a4a5a6,0.250.250.200.150.100.05,0.250.250.200.150.15,0.300.250.250.20,0.450.300.25,0.550.45,1,10010011111011100,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,用线将符号连接起来，从而得到一个前缀码的码树。树的K个端点对应K个信源符号,通信工程系,33,2023/3/21,4.2.4 Hufman码,对于图4.2.2中所给的例子，计算 平均码长=2.45bit/符号 熵 H(U)=2.42bit/符号经Huffman编码
15、后，剩余的冗余度=0.03bit/符号,通信工程系,34,2023/3/21,Huffman码的特点算法是确定的，但编出的码并非是唯一的。编码依据是信源符号的概率分布，故其编码效率取决于信源的统计特性。没有错误保护功能。可变长度码，码字字长参差不齐，因此硬件实现起来不大方便。对信源进行编码后，形成了一个Huffman编码表，解码时，必须参照这表才能正确解码。,通信工程系,35,2023/3/21,4.2.5 游程编码,游程编码（RLE），也称行程编码或游程（行程）长度编码。其基本思想：将具有相同数值（例如，像素的灰度值）的、连续出现的信源符号构成的符号序列用其数值及串的长度表示。其基础是数据的
16、相关性。以图像编码为例，灰度值相同的相邻像素的延续长度（像素数目）称为延续的游程，又称游程长度，简称游程。,通信工程系,36,2023/3/21,图像的水平方向有一串L个像素具有相同的灰度值G,JPEG标准：一幅图像经二维DCT变换之后又经“之”字形扫描，得到DC和AC系数数列。,符号1 符号2（游程长度，位长）（振幅）,通信工程系,37,2023/3/21,符号1 符号2（游程长度，位长）（振幅）,游程长度：0的个数位长：后续AC系数的编码位数,后续AC系数值,符号1 符号2（游程长度，位长）（振幅）,位长：DC系数的编码位数,DC系数值,通信工程系,38,2023/3/21,通信工程系,39,2023/3/21,游程编码的特点 平均游程长度越长，编码效率越高。不适合多值的灰度图像，灰度越多，越难以产生长游程。游程编码多用于二值图像或者经过处理的变换系数编码。,通信工程系,40,2023/3/21,4.2.6 算数编码,算术编码是一种非分组编码，它用一个浮点数值表示整个信源符号序列。算术编码将被编码的信源符号序列表示成实数半开区间0，1）中的一个数值间隔。这个间隔随着信源符号序列中每一个信源符号的加入逐步减小，每次减小的程度取决于当前加入的信源符号的先验概率。,通信工程系,41,2023/3/21,4.2.6 算数编码,
