使用差分脈沖編碼調(diào)制(differentialpulsecodemodulation，dpcm)對

1、2024年3月3日12時9分,1,第7章 圖象編碼與壓縮,主要內(nèi)容：1.圖象編碼的必要性?2.圖象編碼的分類?3.圖象編碼中的保真度準(zhǔn)則?4.編碼的性能參數(shù)?5.統(tǒng)計編碼6.預(yù)測編碼7.變換編碼8.圖象編碼的國際標(biāo)準(zhǔn),,2024年3月3日12時9分,2,1.圖象編碼的必要性,圖象編碼與壓縮,圖象編碼與壓縮，本質(zhì)上來說，就是對圖象源數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則進(jìn)行變換和組合，從而達(dá)到以盡可能少的代碼來表示盡可能多的數(shù)

2、據(jù)信息。壓縮通過編碼來實現(xiàn)，或者說編碼帶來壓縮的效果，所以，一般把此項處理稱之為壓縮編碼。,編碼的必要性,一幅模擬圖象必須經(jīng)過脈碼調(diào)制（PCM—Pulse Code Modulation)才能變成數(shù)字圖象。（PCM有時也指對信號進(jìn)行采樣、量化并以適當(dāng)碼字將其編碼的各個過程的總稱）,2024年3月3日12時9分,3,模擬圖象,,空間采樣,PCM的過程：,,,,,中間體,幅值量化,中間體,,,數(shù)字圖象,編碼,例1設(shè)一幅活動圖象的空間分辨率

3、為N,灰度分辨率為b, 時間分辨率為fB, 則在實時傳輸過程中，該圖象在傳輸通道里的傳輸率至少應(yīng)該為ρ=NbfB,若N=512?512, b=8, fB=25, 則ρ=52.4Mbps,2024年3月3日12時9分,4,例2地球資源衛(wèi)星(LANDSAT)一幀圖象(4幅)的數(shù)據(jù)量為 2340 ? 2340 ? 7 ? 4 = 153,316,800 ?153Mb衛(wèi)星每天要獲取很多幅圖象，這些數(shù)據(jù)都先暫時存儲在衛(wèi)星體內(nèi)的

4、磁性存儲器中，當(dāng)衛(wèi)星飛過地面接收站的有效接收區(qū)域時，迅速將這些數(shù)據(jù)全部送到地面。,2024年3月3日12時9分,5,圖象編碼的目的：節(jié)省存儲空間；減少傳輸時間；利于處理，降低處理成本。,圖象數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼壓縮、傳輸、解碼以及重建圖象數(shù)據(jù)的流程如下圖所示：,原始圖象數(shù)據(jù),編碼器,被壓縮的圖象數(shù)據(jù)流,,,重建圖象數(shù)據(jù),解碼器,被壓縮的圖象數(shù)據(jù)流,,,,,,信道,信源編(解)碼,信道編(解)碼,,,,2024年3月3日12時9分,6,,2.圖象

5、編碼壓縮分類,a)從應(yīng)用角度分類,靜止圖象編碼，活動圖象編碼，二值圖象編碼,b)從信息保持程度角度分類,有損壓縮（保真度編碼，特征抽取編碼）無損壓縮（信息保持壓縮，熵保持壓縮）,c)從具體的編碼技術(shù)角度分類,空域法，變換域法,預(yù)測編碼，變換編碼，統(tǒng)計編碼，等,2024年3月3日12時9分,7,3.圖象編碼中的保真度準(zhǔn)則,圖象品質(zhì)的核心問題是逼真度問題。經(jīng)過處理的圖象（包括經(jīng)過壓縮編碼后的圖象）與一個標(biāo)準(zhǔn)圖象之間的偏差可以作為圖象逼真度

6、（保真度）的度量。這一偏差，包括亮度，色度，分辨率以及某些心理物理學(xué)參數(shù)。,a)客觀保真度準(zhǔn)則,設(shè)f(x,y)是輸入圖象，f’(x,y)是輸出圖象, 定義偏差e(x,y)=f(x,y)-f’(x,y),則以下的參數(shù)可作為保真度準(zhǔn)則：,2024年3月3日12時9分,8,b)主觀保真度準(zhǔn)則,挑選一定數(shù)量的觀察者,2024年3月3日12時9分,9,4.編碼的性能參數(shù),圖象信息熵與平均碼字長度,令,是圖象象素灰度級集合,其對應(yīng)的頻率為,定義,（

7、單位：比特/象素）,令,是對應(yīng)象素灰度級的編碼長度,定義,（單位：比特/象素）,問題：如何度量編碼方法的優(yōu)劣？,2024年3月3日12時9分,10,稱H(d)為該圖象的平均信息熵，R(d)為平均編碼長度。,編碼效率,冗余度,冗余大致分為三類1）編碼冗余 符號序列?碼字?（碼字長度）,2024年3月3日12時9分,11,2）象素間相關(guān)性冗余 幀間象素信息冗余，幀內(nèi)象素信息冗余3）視覺冗余 人眼對所有視

8、覺信息并不是都具有相同的敏感度； 人眼的空間分辨率，時間分辨率。,消除冗余能達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的效果。,Kunt的觀點：1948-1988年40年研究的以去除冗余為基礎(chǔ)的編碼方法為第一代編碼方法。（PCM, DPCM, 經(jīng)典變換編碼，統(tǒng)計編碼等）,2024年3月3日12時9分,12,80年代以后發(fā)展的許多新方法，是第二代編碼方法?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，小波變換理論，分形理論等開發(fā)的編碼技術(shù)，大多屬于這一類。,從實用方案角度來分，可分

9、為三大類：預(yù)測編碼，統(tǒng)計編碼，變換編碼。,5.統(tǒng)計編碼,根據(jù)圖象像素灰度值出現(xiàn)的概率的分布特性而進(jìn)行的壓縮編碼叫統(tǒng)計編碼。,2024年3月3日12時9分,13,熵與平均碼字長度,1）H(d) < R(d)時，一定可以設(shè)計出某種平均碼字 長更短的無失真編碼方法。2）平均碼字長小于H(d)的無失真編碼方法不存在,熵編碼,使編碼后的圖象的平均碼字長度盡可能接近圖象的熵H。基本思路是：概率大的灰度級用短碼字，概率小的，用長碼

10、字。,2024年3月3日12時9分,14,編碼技術(shù)中的幾個常用的概念,碼，碼字（字符集）變長碼 等長碼單一性代碼任意一個有限長度的碼字序列，只有一個有意義的分割。 [00，10，001，101]? [0，01，1，11] ?非續(xù)長代碼 前綴碼；任意一個碼字都不是另一個的續(xù)長。 [0，10，11] ? [0，01，11] ?,2024年3月3日12時9分,15,即時碼最佳編

11、碼 平均碼長最接近于熵的無損編碼。,2024年3月3日12時9分,16,Huffman編碼,基本哈夫曼編碼系統(tǒng)框圖,2024年3月3日12時9分,17,算法1）將灰度等級按概率大小進(jìn)行排序（降序）， 每個灰度等級作為一個葉子結(jié)點，形成一棵樹；2）將兩個根節(jié)點概率最小的樹，合并（規(guī)則：這 兩個結(jié)點構(gòu)造一個雙親結(jié)點，雙親結(jié)點的概率 大小是兩者之和）；重復(fù)1) 2), 直到只有一個樹為止；3）設(shè)所有

12、左后代為0，右后代為1,2024年3月3日12時9分,18,特點優(yōu)點：即時碼；最優(yōu)碼缺點：當(dāng)需要對大量符號進(jìn)行編碼時，構(gòu)造最優(yōu)哈 夫曼碼的計算量會很大。,2024年3月3日12時9分,19,,,,,,,,,例3,x8:0.04,x7:0.05,0.9,x6:0.06,x5:0.07,0.13,x4:0.10,x3:0.10,0.19,0.23,x2:0.18,0.37,0.60,x1:0.40,,,,,,,,

13、,,,,,,,,,,,,,,0.10,,黃色連線表示0，紅色連線表示1,x1:0x2:100x3:110x4:1011x5:1111x6:1110x7:10101x8:10100,2024年3月3日12時9分,20,,平均碼長：,信息熵：,編碼效率：,2024年3月3日12時9分,21,Shannon-Fano編碼,算法1）將消息非遞增排序2）按概率之和相近或相等原則將消息集一分為二3）將以上分割準(zhǔn)則遞歸地應(yīng)用到消息

14、子集，直止 最終 子集只有一個消息為止4）在分割過程中，分別給所分得的兩個子集賦予0和1,2024年3月3日12時9分,22,例4,x1:00x2:01x3:100x4:101x5:1100x6:1101x7:1110x8:1111,2024年3月3日12時9分,23,,平均碼長：,信息熵：,編碼效率：,2024年3月3日12時9分,24,6.預(yù)測編碼,預(yù)測編碼（Predictive Coding)，就是根據(jù)

15、“過去”的時刻的像素值，運(yùn)用一種模型，預(yù)測當(dāng)前的像素值，預(yù)測編碼通常不直接對信號編碼，而是對預(yù)測誤差進(jìn)行編碼。當(dāng)預(yù)測比較準(zhǔn)確，誤差較小時，即可達(dá)到編碼壓縮的目的。,原理：對圖象的一個像素的離散幅度的真實值，利用其相鄰象素的相關(guān)性，預(yù)測它的下一個象素的可能值，再求兩者差，對這種具有預(yù)測性質(zhì)的差值，量化，編碼，就可以達(dá)到壓縮的目的。,2024年3月3日12時9分,25,輸入圖象,,,,,預(yù)測器,,,,?n,量化器,,編碼器,,?‘n,,解碼

16、器,傳輸,,,?‘n,,輸出圖象,,預(yù)測器,,,,預(yù)測編碼示意圖,2024年3月3日12時9分,26,,預(yù)測器：,是根據(jù)前面幾個像素的亮度值,預(yù)測而得,量化器：對?n進(jìn)行舍入，整量化,編碼器：可采用成熟的編碼技術(shù)，如Huffman編碼等,解碼器：編碼器的逆,線性預(yù)測器：,,2024年3月3日12時9分,27,例5,246884210,24357863,24331447,2468842

17、10,^,?,f,預(yù)測器,,,2024年3月3日12時9分,28,在預(yù)測編碼中，最常用的是差分脈碼調(diào)制（Differential Pulse Code Modulation, DPCM)，原理圖如下所示：,輸入,,,,,預(yù)測器,,?n,量化器,,編碼器,,?‘n,,解碼器,傳輸,,,?‘n,,,預(yù)測器,,,,,,,,,,輸出,2024年3月3日12時9分,29,收端解碼時的預(yù)測過程與發(fā)端相同，所用預(yù)測器也相同，收端輸出的信號是發(fā)端的近

18、似值，兩者的誤差是,注意：1）多點預(yù)測,,,,x1,x2,,,,x3,x,2024年3月3日12時9分,30,3）預(yù)測系數(shù)隨著不同的圖象而不同，但對每幅圖象都計算預(yù)測系數(shù)太麻煩，也不現(xiàn)實，可參考前人得到的數(shù)據(jù)選擇使用。在靜止圖象壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)(JPEG)中，對這種方法的前置點形式以及預(yù)測系數(shù)有一推薦值可供參考。,2)每行的最開始的幾個像素?zé)o法預(yù)測，這些像素需要用其他方式編碼，這是采用預(yù)測編碼所需要的額外操作,2024年3月3日12時9分

19、,31,7.變換編碼,原理：圖象數(shù)據(jù)經(jīng)過正交變換后，其變換系數(shù)具有一定的相互獨立性，（例如，對于FT來說，頻普系數(shù)大的變換系數(shù)均集中在低頻部分，而高頻部分的幅值均很小，因而可以對低頻的變換系數(shù)量化、編碼和傳輸，對高頻部分不處理，這樣可以達(dá)到圖象壓縮的目的。,構(gòu)造子圖象,正教變換,量化,編碼,解碼,反正交變換,合并子圖象,,,,,,,,,變換編碼的一般系統(tǒng)框圖,輸入,輸出,2024年3月3日12時9分,32,8.圖象編碼的國際標(biāo)準(zhǔn),,圖象

20、編碼標(biāo)準(zhǔn)： JBIG，H.26x，JPEG，MPEG,,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ID）和國際電報電話咨詢委員會（CCITT）聯(lián)合成立的專家組JPEG（Joint Photographic Experts Group）于1991年3月提出了ISO CDIO918號建議草案:多灰度靜止圖像的數(shù)字壓縮編碼（通常簡稱為JPEG標(biāo)準(zhǔn)）。這是一個適用于彩色和單色多灰度或連續(xù)色調(diào)靜止數(shù)字圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。它包括基于DPCM（差分脈沖編碼

21、調(diào)制）、DCT（離散余弦變換）和Huffman編碼的有損壓縮算法兩個部分。,JPEG,2024年3月3日12時9分,33,,JPEG壓縮編碼算法的主要計算步驟如下：正向離散余弦變換(FDCT)。 量化(quantization)。 Z字形編碼(zigzag scan)。 使用差分脈沖編碼調(diào)制(differential pulse code modulation，DPCM)對直流系數(shù)(DC)進(jìn)行編碼。 使用行程長度編碼(run-

22、length encoding，RLE)對交流系數(shù)(AC)進(jìn)行編碼。 熵編碼(entropy coding)。,2024年3月3日12時9分,34,2024年3月3日12時9分,35,2024年3月3日12時9分,36,量化DCT系數(shù)的序號,2024年3月3日12時9分,37,（源于http://www.btc.sh.cn/wsxy/digi/d4z.htm）,2024年3月3日12時9分,38,·MPEG-3：原本針對于H

23、DTV(1920×1080)，后來被MPEG-2代替。 ·MPEG-4：針對多媒體應(yīng)用的圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)。 ·MPEG-7：基于內(nèi)容表示的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于多媒體信息的搜索， 過濾，組織和處理。,MPEG,MPEG（Moving Pictures Experts Group）是 ISO/IEC/JTC/SC2/WG11的一個小組。它的工作兼顧了JPEG標(biāo)準(zhǔn)和CCITT專家組的H.261標(biāo)準(zhǔn)，于1

24、990年形成了一個標(biāo)準(zhǔn)草案。,MPEG標(biāo)準(zhǔn)分成兩個階段:第一個階段（MPEG-I）是針對傳輸速率為 lMb/s到l.5Mb/s的普通電視質(zhì)量的視頻信號的壓縮；第二個階段（MPEG-2）目標(biāo)則是對每秒30幀的720x572分辨率的視頻信號進(jìn)行壓縮；在擴(kuò)展模式下，MPEG-2可以對分辨率達(dá)1440Xl152高清晰度電視（HDTV）的信號進(jìn)行壓縮。,2024年3月3日12時9分,39,回答問題,2024年3月3日12時9分,40,作業(yè)：8.