数字图像处理与分析课件全图像压缩

1、数字图像处理与分析第六章图像压缩2刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心2010年春季学期1第六章图像压缩图像压缩（2）n 第六章Ø 图像压缩基本概念Ø 图像压缩模型Ø 图像压缩中的信息论观点Ø 图像压缩编码的基本方法Ø 无损压缩ü 霍夫曼编码、香农范诺编码、算术编码、 RLE 编码、 LZW编码Ø 有损压缩ü 预测编码、变换编码Ø 图像压缩标准ü 静止图像编码标准、连续帧图像编码标准2第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 变换编码的基本思想n 变换编码的基

2、本理论Ø 正交变换压缩编码模型Ø 变换编码的基本理论Ø 变换编码、解码基本流程n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 变换的选择Ø 子图尺寸的选择Ø 截取、量化和编码3第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 变换编码的基本思想Ø 预测编码希望通过对信源建模来尽可能的预测源数据； 而变换编码则考虑将原始数据变换到另一个表示空间， 使数据在新的空间上尽可能相互独立，而能量更集中Ø 实现基本思路ü 用一个可逆的、线性的变换（如傅立叶变换），把图像映射到变换空间，将图像像素集合转化为

3、变换系数的集合ü 对系数集合进行量化和编码ü 对于大多数自然图像，重要系数的数量总是比较少的，因而可仅以较小的图像失真为代价，进行量化或完全抛弃4第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 变换编码的基本思想Ø 正交变换在压缩编码中的作用与特性9正交变换具有熵保持特性9正交变换具有能量保持特性9能量的重新分配与集中9去相关特性5第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 变换编码基本理论Ø 正交变换压缩编码模型X T= X设一原始图像为：, X ,., XN -101Y = T X 经过变换：

4、Y T= Y ,Y ,.,Y输出向量为：N -101若只保留M个分量，M<N，由M个Y值来恢复X，得到近似值X：X ' = T -1Y ' 如何选择正交矩阵T，使上述近似带来的失真尽可能小，同时压缩率尽可能大6第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 变换编码基本理论Ø 最佳变换最佳变换的基本条件1） 全部消除变换系数之间的相关性2） 变换系数的能量高度集中考察正交变换输出向量Y的协方差矩阵CY = T C X T 式中CX为输入图像的协方差矩阵实现最佳变换的矩阵应使CY成为对角线矩阵，同时能量主要集中在前M个元素上7第六章 图

5、像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 变换编码基本理论Ø 均方误差准则下的最佳统计变换KL变换9理论上对于一阶马尔可夫图像信源可实现最佳变换9计算复杂，需动态调整变换矩阵Ø 均方误差准则下的准最佳统计变换9变换系数的协方差矩阵接近对角线9具有快速计算能力离散傅立叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）、Walsh- Hadamard变换（WHT）、哈尔变换（HT）、小波变换8第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 变换编码、解码基本流程输入图像NxN压缩图像压缩的图像解压图像9第六章 图像压缩刘定生中科院对地观

6、测与数字地球科学中心合成nxn 的子图反变换符号解码器符号编码器量化器正交变换构造nxn 的子图有损压缩变换编码n 变换编码、解码基本流程Ø nxn子图的构造NxN10第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心nxnnxnnxnnxnnxn nxn有损压缩变换编码n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 变换的选择（1）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）哈尔变换（HT）11第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压

7、缩变换编码n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 变换的选择（2）对变换的评价按信息封装能力排序：KLT，DCT，DFT，WHT，HT由于KLT的基图像是数据依赖的，每次都要重新计算Huv。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。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12第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码实现变换压缩算法的主要问题Ø 子图尺寸的选择子图尺寸的选择有两个原则：1) 如果n是子图的维数，n应该是2的整数次方2) 为便于降低计算复杂度3) n一般选为8x8或16x1

8、6。由实践得到4) 随着n的增加，块效应相应减少13第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 子图尺寸的选择14第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 截取、量化和编码解决变换系数的选取、量化与编码问题截取和量化一般有两种方法：（1） 区域编码（子带编码）（2） 门限编码（阈值编码、适应性编码）15第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 区域编码（子带编码）9基本思想：（

9、1） 找出具有最大方差的m个系数的位置，并同时确定系数的坐标u和v，对所有子图像，这m个系数的Y(u,v)值是保留的，其他的Y值被抛弃。其中m是一个可选常数。（2） 所有子图像使用相同的编码模板大部分的信息应该包含在最大方差的变换系数中。每一个DCT变换系数被认为是一个随机变量，该变量的分布可以在所有变换子图像的集合上进行计算。16第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 区域编码（子带编码）9构建变换系数截取模板编码模板Muv定义变换系数截取模板函数0如果Y(u,v)满足一个特定的截断标准m(u,v) =1 1 1 1

10、 0 0 0 01否则1 1 1 1 0 0 0 01 1 1 0 0 0 0 01 1 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 017第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 区域编码（子带编码）9构建变换系数截取模板编码模板对于u,v = 0,1,n-1，X 可以从截断表达式获得：X ' = T -1M Y M中元素的选择，用以消去对等式的总合贡献最小的基本系数；原则：1） 根据最大方差的分布情况得到系数截取模

11、板2） 方差最大的地方置1，其它地方置018第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 区域编码（子带编码）9最大方差的计算：1） 方差本身可以直接由(N/n)2个变换子图像数组的集合计算得到2） 或者基于一个假想的图像模型得到19第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 区域编码（子带编码）9算法实现：1） 计算模板：方差最大的地方置1，其它地方置02） 量化系数：线性、非线性或自适应量化器3） 结果编码：有两种分配二进制位的编码方法：1系数被赋予

12、相同数量的二进制位2系数之间固定地分配一定的二进制位20第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 门限编码（阈值编码、适应性编码）ü 基本思想：没有一个消取系数的固定模板。不同的子图保留不同的系数。通过一个阈值T，来决定每个系数的去留。If a(系数) > T(阈值)m(u,v) = 1Elsem(u,v) = 0ü 由于其简单性，阈值编码是实际应用中更常使用的编码方法。ü 理论根据：1） 取值最大的变换系数，在重构子图的质量中起的作用也最重要。2） 最大系数的分布随子图的不同而不同。

13、21第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 门限编码（阈值编码、适应性编码）ü 阈值的选取：常有三种取法：1) 所有子图使用同一个全局阈值压缩率的大小随图像的不同而不同。由超过全局阈值的系数的个数所决定2) 对每个子图使用不同的阈值每个子图保留的系数个数事先确定，即总保留N个最大 的。称为N-最大化编码。对于每个子图同样多的系数被丢弃。因此，每个子图的压缩率是相同的，并且是预先知道的。3) 阈值作为子图系数位置的函数所有子图使用同一个全局阈值模板，但阈值的取值，与系 数的位置相关，阈值模板给出了不同位置上系数

14、的相应阈值。22第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 实现变换压缩算法的主要问题Ø 门限编码（阈值编码、适应性编码）9对系数的编码：a）将系数按45度对角顺序展开成序列(Zig-Zag排序)，得到一个一维数据序列例： -19 -20 5 21 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0b）用RLE编码对上述序列编码23第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 小波变换图像压缩Ø 基本算法步骤ü 按照图像特性，选择合适的小波基ü 对图像进行小波变换ü 确定一个门限值，使超过该门限

15、值的所有系数所具有的能量总和大于某个界限（例：99.99%）ü 对超过门限值的系数进行编码24第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 小波变换图像压缩Ø 小波基的选择ü 小波基是决定压缩性能的关键ü 具有对称性的小波基压缩效果较好ü 常用的小波基为：Haar小波25第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 小波变换图像压缩Ø 小波基的选择ü 常用的小波基为： Daubechies小波26第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n

16、 小波变换图像压缩Ø 小波基的选择ü 常用的小波基为：Coiflet小波ü Coiflet小波为Daubechies小波的改进，具有更为对称的特性27第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 小波变换图像压缩Ø 小波基的选择ü 常用的小波基为： Symlets小波ü Symlets小波同样为Daubechies小波的改进，目标也是为了改善对称性28第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心有损压缩变换编码n 小波变换图像压缩Ø 对比于传统的DCT 块变换，小波变换具有以下优点：

17、（1） 小波变换具有熵保持特性，能够有效地改变图像的能量分布，同时不损伤原始图像所包含的信息；（2） 小波分解后大部分能量集中在低频子图的少量系数上；而大量的高频子图系数值普遍较小，且存在明显的相关性，有利于获得较高的编码效益；（3） 小波变换作用于图像的整体，既能去除图像的全局相关性， 又可将量化误差分散到整个图像内，避免了方块效应的产 生；（4） 多级分解后形成的不同分辨率和频率特性的子带信号，便于在失真编码中综合考虑视觉特性，同时有利于图像的渐进传输。Ø 压缩效果具有对称性的小波基压缩效果较好929第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准简介图像标准

18、的制定：Ø 在ISO/IEC（国际标准化组织/国际电工委员会）和CCITT（国际电报电话咨询委员会）联合组织下制定ü ITU-Tv ITU-T标准称为建议，以字母排序，如H.261，H.262和H.263v ITU-T的建议标准主要用于实时视频通信，如视频电视会议、可视电话等ü ISO/IECISO标准按序号排列，如MPEG-1相对应的是11172，MPEG-2相对应的是13818，MPEG-4相对应的是14496MPEG标准主要用于广播电视、DVD和视频流媒体30第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准简介Ø 两个标准组织独

19、立制定不同的标准，但在许多方面也有共同之处，例如H.262标准和MPEG-2的视频编码标准基本上就是同一个标准ITU-TISO/IEC31第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心MPEG-1H.261MPEG-2H.262H.263/+/+MPEG-4H.26LH.264MPEG-4 AVC图像压缩标准简介Ø 两个标准组织经常形成联合工作组，共同制定一些视频编码标准Ø JVT由ISO/IECMPEG和ITU-TVCEG成立的联合视频工作组（JointVideoTeam），致力于新一代数字视频压缩标准的制定Ø JVT标准在ISO/IEC 中的正式名称

20、为：MPEG-4 AVC标准在 ITU-T 中 的 名称为： H.264（早期被称为H.26L）32第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准简介Ø 视频编码技术标准的发展历史（H.264 /MPEG-4 AVC）自主AVS33第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心中国参与国际标准MPEG-China图像压缩标准简介n 标准的类型（三类）：Ø 二值图像压缩标准：(1) 面向传真而设计Ø 连续调图像压缩标准：静止帧黑白、彩色压缩：(2) 面向静止的单幅图像(3) 面向连续的视频影像连续帧黑白、彩色压缩：34第六章 图像压缩刘

21、定生中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准简介n 静止帧黑白、彩色压缩Ø JPEG标准n 连续帧单色、彩色压缩Ø H.261标准简介Ø MPEG标准概述Ø MPEG1标准Ø MPEG2标准Ø MPEG4标准Ø MPEG7标准35第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEGn JPEG标准简述Ø JPEG 全名为 Joint Photographic Experts Group有三种压缩系统：（1） 基线编码系统：面向大多数有损压缩的应用，采用DCT变换压缩。（2） 扩展编码系统：

22、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（3） 独立编码系统：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。36第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEG标准JPEG压缩流程YCbCr无损RGB输出无损有损无损8x837第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心熵编码量化DCT描述头压缩数据编码表量化表Table分块颜色转换图像压缩标准JPEGn 标准JPEG解压缩流程输入文件YCbCr颜色组合RGB8x838第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心分块组合

23、IDCT逆量化解码描述头压缩数据量化表编码表图像压缩标准JPEGn 构造子图像：子图像尺寸：8 x 8n 颜色空间转换人眼对亮度更敏感，提取亮度特征，将RGB转换为YCbCr 模型，编码时对亮度采用特殊编码，赋予更多的码速率； 而对色差分量可给与较少的码速率：Y = 0.299R + 0.5870G + 0.1140BCb = 0.1787R 0.3313G +0.5000B +128 Cr = 0.5000R 0.4187G 0.0813B + 128颜色解码：R = Y + 1.40200(Cr 128)G = Y 0.34414(Cb 128) 0.71414(Cr 128) B = Y

24、 + 1.77200(Cb 128)39第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEGn 零偏置转换Ø 对于灰度级是2n的像素，通过减去2n-1，替换像素本身Ø 对于n=8，即将0255的值域，通过减去128，转换为值域在-128127之间的值Ø 目的：使像素的绝对值出现3位10进制的概率大大减少40第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEG例：用8x8的JEPG基线标准，压缩并重构下列子图52636263677985875559595861657179616668716860646966901131

25、22104705968701091441541267755656185104106886861766469667068586578737273697075839441第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEG例：用8x8的JEPG基线标准，压缩并重构下列子图Ø 0偏置转换后-76-65-66-65-61-49-43-41-73-69-69-70-67-63-57-49-67-62-60-57-60-68-64-59-62-38-15-6-24-58-69-60-58-191626-2-51-73-63-67-43-24-22-40-65-67-52-6

26、4-59-62-58-60-70-63-50-55-56-55-59-58-53-45-3442第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEGn 频域变换Ø 频域变换产生64个系数，第一个系数称为直流系数（DC 系数），其余的63个系数称为交流系数（AC系数）。43第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEG例：正向DCT变换（N = 8）结果-4157-46-5011-10-4-1-29-21813-81-1-1-62-627735-1332-1259-25-15-2-3-1-25511-30-9-1-12-1-20-71

27、0610-3-1-1-670-421036-531-1-2-144第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEGn 系数量化Ø 采用阈值作为子图系数位置函数的量化方式所有子图使用同一个全局阈值模板，但阈值的取值，与系数的位置相关，阈值模板给出了不同位置上系数的相应阈值。Ø 对于亮度和颜色使用不同的量化阈值模板，并取整1）正向量化：Squv = round(Suv / Quv)其中： Suv是DCT系数， Quv为量化模板系数2）逆向量化：Ruv= SquvQuv例：Sq(0,0) = round-415/16= round-25.9=-26 Ru

28、v(0,0) = -26 * 16 = -41645第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEG亮度的量化模板系数é16ê11101624405161 ùúê1255 ú121419265860êêúúê1456 ú131624405769êêúúê14êê1817222951878062 úú77 ú22375668109103ê&#

29、234;ê24êúú92 úú35556481104113ê49101ú647887103121120êêêë72úú 112 100 103 99 úû刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心92959846第六章 图像压缩图像压缩标准JPEG颜色的量化模板系数é1718244799999999ùêúê 1899 ú212666999999êêú

30、úê 2499 ú265699999999êêúúê 47êê 9966999999999999 úú99 ú999999999999êêê 99êúú99 úú999999999999ê 9999 ú999999999999êúêúêë 99 99 99 99 99 99 99 99 úû

31、;47第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEG对前例，量化后得到数组-261-3-41000-3-2110000-6-452000020-1-1000020-10000000000000000000000000000048第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEGn 符号编码Ø 将量化后的系数，按之字形重新排序成矢量，全零结尾用特殊符号EOB-26 -3 1 -3 -2 -6 2 -4 1 -4 1 1 5 0 2 0 0 -1 2 0 0 0 0 0 -1 -1EOBØ DC和AC用不同的方式分别编码&#

32、216; DC的编码方式（预测+统计） ：编码由两部分组成：区间号编码(SSSS) + 系数预测误差本身编码(VVVV)49第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEGØ DC的编码方式（预测+统计）9算法步骤：第一步：求DPCM 去前一个子图的DC(差分脉冲调制码)，用当前DC，减VVVV ：DIFF = DC PREDC第二步：根据DIFF求出区间号： SSSS通过DIFF查区间编号表得出区间号SSSS根据SSSS查哈夫曼编码表得出SSSS的哈夫曼编码。第三步：对VVVV编码，正数是自己，负数用补码（求反）。50第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观

33、测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEGØ DC的编码方式（预测+统计）例： DC = -26PRE-DC = -17DIFF = -26 - （-17）= -9用-9查区间表得：SSSS = 4 用4查哈夫曼编码表得： 哈夫曼编码：101VVVV = -9 二进制编码为: 1001求反:1001 = 0110最后的编码为: 101= 10101109解码时如果VVVV部分首位为0为负数51第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEGØ DC的编码方式（预测+统计）区间表52第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心范围DC差区

34、间AC区间0-1，1-3，-2，2，3-7,-4，4,7-15,-8，8,15-31,-16，16,31-63,-32，32,630123456N/A 123456图像压缩标准JPEGØ DC的编码方式（预测+统计）区间DC哈夫曼编码表53第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心区间编码长度区间编码长度001031011421005300541017511086111010711110128111110149111111016A1111111018B11111111020图像压缩标准JPEGØ AC的编码方式编码由两部分组成：区间号编码(RRRR/SSSS)

35、+系数本身(VVVV) 第一部分：SSSS： 区间号RRRR：该系数前值为0的系数的个数。第二部分：VVVV：系数本身编码54第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEGØ AC的编码方式区间AC哈夫曼编码表55第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心行程/区间 编码长度行程/区间编码长度0/01010(=EOB)40/10030/20140/310060/4101180/511010100/6111000120/71111000140/81111110110180/911111111100000100/A1111111110000011

36、1/111005图像压缩标准JPEGØ AC的编码方式举例：07RRRR = 1查表得区间号：SSSS = 3RRRR/SSSS = 1/3查表得: 1111001求反得: 0001111001000VVVV = -7最后编码:11156第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEGn 前例完成后的编码数组（重排的）是：10101100100001 0100 01011000010110 100011001100011001 001100101111001101101100110111101000001010（其中空格是为了可阅读性而插入）Ø

37、完成编码后重排数组的总位数是92 ，不压缩需要8x8x8=512位。压缩率为512/92，或5.6:1。57第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEGQuantizationDCHuffmanDPCMMatrix8x8 blockDCDCTQACHuffmanZig Zag ScanACCode booksJPEG编码过程58第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEGDCDCHuffmanIDPCM8x8 blockIDCTIQACHuffmanACJPEG 解码过程59第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心

38、图像压缩标准JPEG2000n 基于DCT变换的标准JPEG压缩的缺陷Ø 存在严重的方块效应Ø 抗干扰能力差n JPEG2000简介Ø 克服标准JPEG算法的缺陷Ø 寻求更大的压缩率Ø 1996年开始采用新技术研究静止图像压缩方法ü 分形图像压缩、小波变换图像压缩ü 最终选择小波变换Ø 2000年形成技术整体文本Ø 2001年形成标准60第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEG2000n JPEG2000简介Ø 特征ü 高压缩率：JPEG2000图片

39、压缩比较之JPEG提高30，同时压缩后图像显得更加细腻平滑ü 无损压缩和有损压缩：JPEG2000提供无损和有损两种压缩方式， 允许从有损到无损的渐进解压ü 渐进传输：JPEG2000格式支持渐进传输ü 感兴趣区域压缩：可以指定图片上感兴趣区域的压缩质量，或在 恢复时指定某些区域的解压缩要求ü 码流的随机访问和处理：用户可在图像中随机地定义感兴趣区 域，使得这一区域的的图像质量高于其它图像区域；码流的随机处理允许用户进行旋转、移动、滤波和特征提取等操作。ü 具有容错能力ü 开放的框架结构：编码器只实现核心的工具算法和码流的解析， 解码

40、器可以要求数据源发送未知的工具算法ü 基于内容的描述：JPEG2000压缩系统特性之一61第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEG2000n JPEG2000简介Ø JPEG2000编、解码器结构框图源图像数据（a）存储或传输重建图像数据（b）62第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心压缩图像数据熵解码解量化小波反变换压缩图像数据熵编码量化小波变换图像压缩标准JPEG2000n JPEG2000简介Ø JPEG2000编、解码器结构框图63第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPE

41、G2000n JPEG2000简介主要思想Ø 借助于小波变换进行多级图像变换后，将只有很少部分的系数需要进行编码Ø 具有最佳截断的嵌入式分块编码算法（EBCOT）Ø 采用bit平面编码方式64第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准JPEG2000n JPEG与JPEG 2000的性能比较65第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心标准JPEGJPEG 2000主要编码技术离散余弦变换（DCT） 知觉量化 Zigzag扫描霍夫曼编码算术编码离散小波变化（DWT） EBCOT核心算法 ROI编码空间可扩展编码质量可扩展编码

42、面向对象编码 位图形状编码容错编码、TCQ、零数扫描压缩比230250算法效率30:1以上急剧下降100:1以上急剧衰减速率失真特性比JPEG提高30%图像压缩标准连续帧压缩n 连续帧图像的定义Ø 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Ø 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Ø 典型的连续帧图像视频图像9VCD(352x288)9DVD(720x576)9HDTV(1920x1080)9XDTV(4000x2000)66第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准连续帧

43、压缩n 连续帧图像压缩的基本思想Ø 基于如下基本假设：ü 在各连续帧之间存在简单的相对平移运动，帧与帧之间相互存在极大的相关性Ø 通过减少帧间图像数据冗余，来达到减少数据量、压缩连续帧图像体积的目的Ø 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Ø 将连续帧图像序列，分为参考帧和预测帧，参考帧用静止图像压缩方法进行压缩，预测帧对帧差图像进行压缩。由于帧差图像的数据量大大小于参考帧的数据量，从而可以达到很高的压缩比67第六章 图像压缩刘定生 中科院

44、对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准连续帧压缩n 帧间预测编码技术Ø 帧间预测编码向前预测双向预测68第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心前一帧当前帧下一帧前一帧当前帧图像压缩标准连续帧压缩n 帧间预测编码技术Ø 帧间预测编码9I 帧不进行预测、进行帧内编码的编码帧（参考帧）9P帧通过向前预测得到的误差编码帧9B帧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69第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准连续帧压缩n 帧间预测编码技术Ø 帧间预测编码70第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数

45、字地球科学中心图像压缩标准连续帧压缩n 帧间运动补偿预测编码技术Ø 编码中的运动补偿ü 运动补偿概念是以对帧间运动的估算为基础的，若物体均在空间上有一位移，那么用有限的运动参数来对帧间的运动加以描述， 如对于像素的平移运动，可用运动矢量来描述。ü 一个来自前一编码帧的运动补偿预测像素，就能给出一个当前像素的最佳预测。预测误差和运动矢量一同参与编码ü 由于一些运动矢量之间的空间相关性通常较高，因此，一个像素的运动矢量，可以代表一个相邻像素块的运动。ü 实现中，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16

46、5;16像素)，对于每一个这样的像素块，只估算一个运动矢量71第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准连续帧压缩n 帧间运动补偿预测编码技术Ø 编码中的运动补偿ü 举例：常用的基于块的运动估算和补偿块匹配法72第六章 图心图像压缩标准连续帧压缩n 帧间运动补偿预测编码技术Ø 编码中的运动补偿ü 运动矢量估算的基础上，前后图像块相减差值帧ü 传送运动矢量和差值帧73第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准连续帧压缩n 帧间运动补偿预测编码技术74第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地

47、球科学中心图像压缩标准连续帧压缩n 帧间运动补偿预测编码技术Ø 帧间预测编码运动补偿预测帧间误差图像enfn输入图像帧+å-压缩图像帧Ùfn运动补偿预测图像75第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心帧间预测器运动补偿熵编码图像压缩标准H.261263标准¾H.261263标准9H.261263标准由CCITT制定9CCITT国际电话与电报咨询委员会，它现在被称为ITU-T（国际标准化组织电讯标准化分部），是世界上主要的制定和推广电讯设备和系统标准的国际组织，它位于瑞士的日内瓦76第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图

48、像压缩标准H.261263标准¾H.261263标准¾H.261标准9应用范围：ISDN的视频会议9主要编码技术：DCT变换向前运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码IPPPPPPIPPP.77第六章 图像压缩刘定生中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准H.261263标准¾H.261263标准¾H.263标准9应用范围：可视电话9主要编码技术：DCT变换双向运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码IBBPBBPBBIBBP . . . .78第六章 图像压缩刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心图像压缩标准MPEG标准n MPEG标准概述MPEG(Moving Picture Expert Group)是在1988年由国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)联合成立的专家组，负责开发电视图像数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准。这个专家组开发的标准称为MPEG标准。MPEG技术是近10年国际图像压缩编码技术的结晶，也是伴随信息时代应运而生的热门技术。MPEG主要包括MPEG视频、MPEG音频和MPEG系统（视音频同步）三个部分。 MPEG压缩标准是针对运动图像而设计的，其平均压缩比可达50：1，压缩率比较高，且又有统一的格式，兼