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1、LZW编码,背景：是Lemple、Ziv最早提出，然后由Welch充实的有专利保护的LZW算法。2.基本思想：去除像素间冗余。,在压缩过程中动态地形成一个字串表(字典)。(2)(a)每当压缩扫描图像发现一个字典中没有的 字符序列，就把该字符序列存到字典中。(b)并用字典的地址（编码）作为这个字符序 列的代码，替换原图像中的字符序列。(c)下次再碰到相同的字符序列，就用字典的 地址代替字符序列。,LZW编码,3 LZW编码例子：,LZW编码,压缩的结果，除了压缩图像外，不需要传输压缩过程中形成的字典，而在解压缩时,临时恢复这个字典。,1.预测编码的基本思想 通过仅提取每个像素中的新信息,并对它们
2、编码来消除像素间的冗余。一个像素的新信息定义为该像素的当前值与预测值的差。正是由于像素间有相关性，所以才使预测成为可能。,无损预测编码,2.无损预测编码 无损预测编解码系统,压缩图像,en,en,fn,解码,编码,无损预测编码,无损预测编码,1.有损压缩概述：有损压缩是：牺牲图像复原的准确度以换取压缩能力的增加。如果产生的失真可以容忍，则压缩能力的增加是有效的。有损压缩方法的压缩比：在图像压缩比大于30:1时，仍然能够重构图像。在图像压缩比为10:1到20:1时，重构图像与原图几乎没有差别。无损压缩的压缩比很少有能超过3:1的。有损压缩和无损压缩的根本差别在于有没有量化模块。,7.4 有损压缩
3、,有损预测编码和变换编码都是有损压缩。有损预测编码系统：直接对像素在图像空间进行操作,称为空域方法。变换编码：基于图像变换的编码方法，称为变换域（频域）方法。,7.4.1 有损预测编码,2 有损预测的基本思想 对预测误差进行量化，通过消除视觉心理冗余，达到对图像进一步压缩的目的。,3 算法的演变a)无损预测压缩的基础是：原图像值fn与预测值 之间的误差en。有公式：解码与编码使用相同的预测器b)有损预测编码的演变引入量化,4 有损预测编码系统,7.4.1 有损预测编码,量化器插在符号编码器和预测误差产生处之间，把原来无损编码器中的整数舍入模块吸收了进来 量化器将预测误差映射到输出 中，确定了有
4、损预测编码中的压缩量和失真量 反馈环的输入是过去预测和与其对应的量化误差的函数,基于图像变换的编码方法。用一个可逆的、线性的变换（如傅立叶变换），把图像映射到变换系数集合，然后对该系数集合进行量化和编码。大多数图像变换得到的系数值都很小，这些系数可以较粗地量化，或忽略不计，且仅以较小的图像失真为代价。虽然失真很小，信息仍然不能完全复原，所以还是有损压缩。,7.4.2 变换编码7.4.2.1 变换编码的基本思想,7.4.2.1 变换编码的基本思想,变换编码系统,7.4.2.2 变换编码系统,构造子图像：一幅NN图像先被分解成尺寸为n n的子图像，通过变换这些子图像，得到(N/n)2个n n的子图
5、像变换数组。正向变换：目的是解除每个子图像内部像素之间的相关性，或将尽可能多的信息集中到尽可能少的变换系数上。量化：有选择地消除或较粗糙地量化携带信息最少的系数，因为它们对重建的子图像的质量影响最小。符号编码：对量化的系数进行编码（常利用变长码）。,7.4.2.2 变换编码系统,变换的选择 子图尺寸的选择 位分配,7.4.2.3 实现变换压缩算法的主要问题,1.变换的选择可以选择的变换1）Karhunen-Loeve变换(KLT)2）离散傅立叶变换（DFT）3）离散余弦变换（DCT）4）Walsh-Hadamard变换（WHT）5）小波变换等,7.4.2.3 实现变换压缩算法的主要问题,对变换
6、的评价按信息封装能力排序：KLT，DCT，DFT，WHT 但KLT的基图像是数据依赖的，计算量大，因而很少使用。DFT的块效应严重。常用的是DCT，已被国际标准采纳，作成芯片。其优点有：(1)基本没有块效应。(2)信息封装能力强，把最多的信息封装在最少的系数中。,7.4.2.3 实现变换压缩算法的主要问题,7.4.2.3 实现变换压缩算法的主要问题,2.子图像尺寸的选择子图像尺寸的选择有两个原则：子图的长和宽n应该是2的整数次幂，为便于降低计算复杂度。n一般选为88或1616。由实践得到：随着n的增加，块效应相应减少。,7.4.2.3 实现变换压缩算法的主要问题,1BMP图像文件格式 不进行任
7、何压缩。2PCX图像文件格式编码形式 图像数据以压缩的方式存放，采用扫描线游程压缩编码。以重复数据为压缩对象。,7.5 静态图像的一些主要数据文件压缩方式,3TIFF图像文件格式编码形式 TIFF不是一种采用固定压缩方法的图像存储方式，用这种方式存储的图像可能根本没有压缩，或采用了某种压缩方法。因此很难为TIFF图像文件编制一个通用的解码程序。不过TIFF文件大部分使用游程编码或使用哈夫曼编码及其变种或不压缩。4GIF图像文件格式 GIF使用LZW 压缩原理进行编码。5JPG图像文件格式 使用JPEG压缩方法。,7.5 静态图像的一些主要数据文件压缩方式,相关的国际组织 ISO（Interna
8、tional Standardization Organization,国际标准化组织）ITU（International Telecommunication Union,国际电信联盟），前身是CCITT（国际电话电报咨询委员会）相关工作 覆盖了从二值到灰度（彩色）值的静止和运动图像。采用的大部分基本技术前面已经介绍，主要包括预测和变换编码技术,7.6 图像压缩标准,可分成下面几个系列：用于压缩二值图像（面向传真而设计）用于压缩静止图像（面向静止的单幅图像）包括静止帧灰度和彩色图像（JPEG）用于压缩运动图像（面向连续的视频影像)包括连续帧灰度和彩色图像（MPEG）上述两个组织还在制定一些新的
9、标准，其中一些已经超出纯图像编码的范围。,7.6 图像压缩标准,G3和G4 这两个标准是由CCITT的两个小组(Group 3和Group 4)负责制定的。最初是CCITT为传真应用而设计的，现也用于其它方面。G3采用了非自适应、1-D行程编码技术。对每组N行（N=2或N=4）扫描线中的后N-1行也可以用2-D方式编码。G4是G3的一种简化版本，其中只使用2-D编码。,7.6.1 二值图像压缩标准,CCITT在制定标准期间曾选择了1组共8幅具有一定代表性的“试验”图用来评判各种压缩方法。它们既包括打印的文字，也包括用几种语言手写的文字，另外还有少量的线绘图。G3对它们的压缩率约为15:1。G4
10、的压缩率一般比G3高1倍。,7.6.1 二值图像压缩标准,由ISO和CCITT两个组织的灰度图像联合专家组JPEG（Joint Picture Expert Group）建立的静态灰度（或彩色）图像压缩的公开算法,于1991年开始使用。它定义了三种编码系统：,7.6.2 静止图像压缩标准,DCT有损编码系统（基本编码系统或基线编码系统，Baseline System）基于DCT的有损编码基本系统，可用于绝大多数压缩应用场合。压缩比一般可达到25:1。2)扩展编码系统(Extended System)面向递进式应用，从低分辨率到高分辨率逐步递进传递的应用，即用于高压缩比、高精确度或渐进重建应用的
11、扩展编码系统。,7.6.2 静止图像压缩标准,3)无失真编码系统（独立编码系统，Lossless System）面向无损压缩的应用，采用无损预测压缩，符号编码采用哈夫曼或算术编码。一个产品或系统必须包括对基线系统的支持。,7.6.2 静止图像压缩标准,JPEG基本系统编码器框图,压缩过程 DCT计算 量化 变长码赋值,7.6.2 静止图像压缩标准,具体压缩过程 先把图像分解成一系列88的子块，然后按从左向右从上向下的次序处理 设2n是图像灰度值的最大级数，则其中的64个像素都通过减去2n-1进行灰度平移（零偏置转换）。再计算各子块的2维的DCT变换并量化，并利用之字形扫描重新排序，以组成一个1
12、维的量化序列。,7.6.2 静止图像压缩标准,具体压缩过程（续）该系列是根据频率的增加顺序排列的，JPEG编码技巧充分利用了由于重新排序而造成的值为零的长行程 非零交流分量（AC）用变长码编码，这个变长码确定了系数的值和处在前面位置的零的个数 而直流分量（DC）系数用相对于先前子图的DC系数的差值进行编码,7.6.2 静止图像压缩标准,*JPEG 2000 由ISO和CCITT的灰度图联合专家组于1997年开始征集提案的，并准备将现有JPEG标准进行更新换代的一个新标准。JPEG 2000不仅能提高对图像的压缩质量，尤其是低码率时的压缩质量，而且还将得到许多增加了的功能，包括根据图像质量、视觉
13、感受和分辨率进行渐进传输，对码流的随机存取和处理，开放结构，向下兼容等。JPEG 2000于1999年3月形成工作草案，其中的编码变换采用了小波变换。新标准于2000年问世。,7.6.2 静止图像压缩标准,1 连续帧图像的定义 由多幅尺寸相同的静止图像组成的图像序列，被称为连续帧图像。与静止帧图像相比，连续帧图像多了一个时间轴，成为三维信号，因此连续帧图像也被称为三维图像。,7.6.3 运动图像压缩标准连续帧单色、彩色压缩(MPEG),2 连续帧图像压缩的基本思想 基于如下基本假设：在各连续帧之间存在简单的相关性平移运动。一个特定画面上的像素量值：1）可以根据同帧附近像素来加以预测，被称为：帧
14、内编码技术 2）可以根据附近帧中的像素来加以预测，被称为：帧间编码技术,7.6.3 运动图像压缩标准,通过减少帧间图像数据冗余，来达到减少数据量、压缩连续图像的目的。将连续帧图像序列，分为参考帧和预测帧，用参考帧来对预测帧进行预测，然后对帧差图像进行压缩。由于帧差图像的数据量大大小于原始帧的数据量，从而可以达到很高的压缩比。,7.6.3 运动图像压缩标准,3 帧间运动补偿预测编码技术 帧间预测编码,7.6.3 运动图像压缩标准,7.6.3 运动图像压缩标准,7.6.3 运动图像压缩标准,MPEG帧的分类：I 帧（Intra-picture）不进行预测、进行帧内编码的编码帧（参考帧，不需要参考其
15、它画面，而独立进行压缩编码的画面）P帧（Predicted-picture）通过向前预测得到的误差编码帧（参考前面已编码的I或P画面进行预测编码的画面）B帧（Bidirectional-picture）通过双向预测得到的误差编码帧因图像序列存放在存储器中，可以使用下一帧（既参考前面的I或P画面、又参考后面的I或P画面进行双向预测编码的画面）,将画面一般划分成一些不连接的像素块(在MPEGl和MPEG2标准中一个像素块为1616像素)，对于每一个这样的像素块，只估计一个运动矢量 一个来自参考帧的运动补偿预测像素块，就能给出一个当前像素块的很好预测。所以预测误差和运动矢量一同参与编码。,7.6.3 运动图像压缩标准,举例：常用的基于块的运动估计和补偿块匹配法,7.6.3 运动图像压缩标准,数字图像处理（第二版），R.C.Gonzalez，Richard E.Woods著，阮秋琦，阮宇智等译，电子工业出版社，第8章,参考文献,
