第5章 图像编码(第1讲)

1、第二章 数字图像处理基础 1数字图像处理基础数字图像处理基础第第5章章 图像编码图像编码（第一讲）（第一讲）第二章 数字图像处理基础 25.5.1 1 图像编码概述图像编码概述一、什么是图像压缩编码？一、什么是图像压缩编码？ 在满足一定保真度和图像质量的前提下，对图像数在满足一定保真度和图像质量的前提下，对图像数据进行变换、编码和压缩，去除多余的数据以减少表示据进行变换、编码和压缩，去除多余的数据以减少表示数字图像时需要的数据量，便于图像的存储和传输。即数字图像时需要的数据量，便于图像的存储和传输。即以较少的数据量有损或无损地表示原来的像素矩阵的技以较少的数据量有损或无损地表示原来的像素矩阵的

2、技术术,也称图像编码。也称图像编码。 第二章 数字图像处理基础 3二、为什么要进行图像编码？二、为什么要进行图像编码？必要性必要性 数字图像的庞大数据对计算机的处理速度、存储容量都提数字图像的庞大数据对计算机的处理速度、存储容量都提出过高的要求。因此必须把数据量压缩。出过高的要求。因此必须把数据量压缩。 从传送图像的角度来看，则更要求数据量压缩。在信道带从传送图像的角度来看，则更要求数据量压缩。在信道带宽、通信链路容量一定的前提下，采用编码压缩技术，减宽、通信链路容量一定的前提下，采用编码压缩技术，减少传输数据量，是提高通信速度的重要手段少传输数据量，是提高通信速度的重要手段 。第二章 数字图

3、像处理基础 4三、为什么能进行图像编码压缩？三、为什么能进行图像编码压缩？可能性可能性1 1、组成图像的、组成图像的各像素之间各像素之间，无论是在图像的行方向还是在列，无论是在图像的行方向还是在列方向，都存在着一定的方向，都存在着一定的相关性相关性，或者说存在冗余信息，去，或者说存在冗余信息，去掉这些冗余信息后可以有效压缩图像，同时又不会损害图掉这些冗余信息后可以有效压缩图像，同时又不会损害图像的有效信息。像的有效信息。 -（数据本身的特征）（数据本身的特征） 常见的静态图像数据冗余包括：常见的静态图像数据冗余包括：空间冗余空间冗余 ，结构冗余，知，结构冗余，知识冗余，视觉冗余，图像区域的相同

4、性冗余，纹理的统计识冗余，视觉冗余，图像区域的相同性冗余，纹理的统计冗余冗余 。第二章 数字图像处理基础 52 2、应用环境允许图像有一定程度失真：、应用环境允许图像有一定程度失真： 1 1）接收端图像设备分辨率较低，则可降低图像分辨率。）接收端图像设备分辨率较低，则可降低图像分辨率。 2 2）用户所关心的图像区域有限，可对其余部分图像采）用户所关心的图像区域有限，可对其余部分图像采 用空间和灰级上的粗化。用空间和灰级上的粗化。 3 3）根据人的视觉特性对不敏感区进行降分辨率编码）根据人的视觉特性对不敏感区进行降分辨率编码 （视（视觉冗余）。觉冗余）。 第二章 数字图像处理基础 6四、图像编码

5、分类四、图像编码分类 根据解压重建后的图像和原始图像之间是否具有误差，可根据解压重建后的图像和原始图像之间是否具有误差，可以将图像编码与压缩方法分为以将图像编码与压缩方法分为无误差无误差( (亦称无失真、无损、亦称无失真、无损、信息保持信息保持) )编码和编码和有误差有误差( (有失真或有损有失真或有损) )编码两大类。编码两大类。 根据编码作用域划分，图像编码分为根据编码作用域划分，图像编码分为空间域编码空间域编码和和变换域变换域编码编码两大类。两大类。 若从具体编码技术来考虑，又可分为若从具体编码技术来考虑，又可分为预测编码预测编码、变换编码变换编码、统计编码、轮廓编码、模型编码统计编码、

6、轮廓编码、模型编码等。等。第二章 数字图像处理基础 7 5. 2 图像编码中的保真度准则图像编码中的保真度准则 图像信号在编码和传输过程中会产生误差，尤其是图像信号在编码和传输过程中会产生误差，尤其是在熵压缩编码中，产生的误差应在允许的范围之内。在在熵压缩编码中，产生的误差应在允许的范围之内。在这种情况下，这种情况下，保真度准则保真度准则可以用来衡量编码方法或系统可以用来衡量编码方法或系统质量的优劣。通常，这种衡量的尺度可分为客观保真度质量的优劣。通常，这种衡量的尺度可分为客观保真度准则和主观保真度准则。准则和主观保真度准则。第二章 数字图像处理基础 8 5.2.1 客观保真度准则客观保真度准

7、则 通常使用的客观保真度准则有输入图像和输出图像的通常使用的客观保真度准则有输入图像和输出图像的均方均方根误差根误差和和均方根信噪比均方根信噪比两种。两种。设输入图像是由设输入图像是由NN个像素组成，令其为个像素组成，令其为f(x,y)，其中其中 x,y=0,1,2,3N-1 。图像经过压缩编码处理后，送至受信端，再经译码处理，图像经过压缩编码处理后，送至受信端，再经译码处理，重建原来图像。令其为重建原来图像。令其为 g(x,y) 。它同样包含它同样包含 N N 个像素，个像素，并且并且 x,y=0,1,2N-1 第二章 数字图像处理基础 9则输入像素和对应的输出图像之间的误差为：则输入像素和

8、对应的输出图像之间的误差为：而包含而包含NN像素的图像之均方误差为像素的图像之均方误差为e x yg x yf x y( , )( , )( , ) 2101022101022),(),(1),(1y xfy xgN y xeNeNyNxNyNx第二章 数字图像处理基础 10如果把输入、输出图像间的误差看作是噪声，那么，重建如果把输入、输出图像间的误差看作是噪声，那么，重建图像图像g（x，y）可表示为：）可表示为：重建图像的均方信噪比：重建图像的均方信噪比：g x yf x ye x y( , )( , )( , ) 21010210102101021010),(),(),(),(),(y x

9、fy xgy xg y xey xgNSNyNxNyNxNyNxNyNxs m第二章 数字图像处理基础 11 均方根信噪比为：均方根信噪比为：SNgx yg x yf x yr msxNyNxNyN 010120101212( , ) ( , )( , )第二章 数字图像处理基础 125.2.2 主观保真度准则主观保真度准则 图像处理的结果，绝大多数场合是给人观看，由研究人图像处理的结果，绝大多数场合是给人观看，由研究人员来解释的，因此，图像质量的好坏与否，既与图像本身的员来解释的，因此，图像质量的好坏与否，既与图像本身的客观质量有关，也与人的视觉系统的特性有关。客观质量有关，也与人的视觉系统

10、的特性有关。有时候客观有时候客观保真度完全一样的两幅图像可能会有不相同的视觉质量，所保真度完全一样的两幅图像可能会有不相同的视觉质量，所以又规定了主观保真度准则。以又规定了主观保真度准则。 一种常用的方法是对一组一种常用的方法是对一组( (不少于不少于2020人人) )观察者显示图像，观察者显示图像，并将他们对该图像的评分取平均，用来评价一幅图像的主观并将他们对该图像的评分取平均，用来评价一幅图像的主观质量。质量。 第二章 数字图像处理基础 13 一种方法是规定一种绝对尺度，例如：一种方法是规定一种绝对尺度，例如：（）优秀的：具有极高质量的图像；（）优秀的：具有极高质量的图像；（）好的：是可供

11、观赏的高质量的图像，干扰并不明显；（）好的：是可供观赏的高质量的图像，干扰并不明显；（）可通过的：图像质量可以接受，干扰不讨厌；（）可通过的：图像质量可以接受，干扰不讨厌；（）边缘的：图像质量较低，希望能加以改善，干扰有些（）边缘的：图像质量较低，希望能加以改善，干扰有些 讨厌；讨厌；（）劣等的：图像质量很差，尚能观看，干扰显著地令人（）劣等的：图像质量很差，尚能观看，干扰显著地令人 讨厌；讨厌；（）不能用：图像质量非常之差，无法观看（）不能用：图像质量非常之差，无法观看。第二章 数字图像处理基础 14另外常用的还有两种准则，即妨害准则和品质准则。另外常用的还有两种准则，即妨害准则和品质准则。

12、 妨害准则如下五级：妨害准则如下五级： （）没有妨害感觉；（）没有妨害感觉； （）有妨害，但不讨厌；（）有妨害，但不讨厌； （）能感到妨害，但没有干扰；（）能感到妨害，但没有干扰； （）妨害严重，并有明显干扰；（）妨害严重，并有明显干扰； （）不能接收信息。（）不能接收信息。第二章 数字图像处理基础 15品质准则如下七级：品质准则如下七级： （）非常好；（）非常好； （）好；（）好； （）稍好；（）稍好； （）普通；（）普通； （）稍坏；（）稍坏； （）恶劣；（）恶劣； （）非常恶劣。（）非常恶劣。第二章 数字图像处理基础 16 除此之外，还可以采用成对比较法，也就是同时出示除此之外，还可以采

13、用成对比较法，也就是同时出示两幅图像，让观察者表示更喜欢哪一幅图像，借此排出图两幅图像，让观察者表示更喜欢哪一幅图像，借此排出图像质量的等级。也有采用随机抽取法来评定图像质量的。像质量的等级。也有采用随机抽取法来评定图像质量的。这种方法是把数量相等的原始图像和经编译码后的图像混这种方法是把数量相等的原始图像和经编译码后的图像混杂在一起，然后让观察者挑出他认为质量差的图像。杂在一起，然后让观察者挑出他认为质量差的图像。 总之，主观保真度评价方法的准则可不同，但其基本总之，主观保真度评价方法的准则可不同，但其基本原理都一样，当然，对观察者的视觉条件应有一定的要求。原理都一样，当然，对观察者的视觉条

14、件应有一定的要求。第二章 数字图像处理基础 175. 3 编码编码 5.35.3.1 .1 PCM PCM 编码的基本原理编码的基本原理 5.35.3.2 .2 PCM PCM 编码的量化噪声编码的量化噪声 5.35.3.3 .3 编码编码器、译码器器、译码器 第二章 数字图像处理基础 18 5.35.3.1 .1 PCM PCM 编码的基本原理编码的基本原理PCM: Pulse coding Modulation,PCM: Pulse coding Modulation,脉冲编码调制脉冲编码调制. . 将模拟图像信号变为数字信号的基本手段。将模拟图像信号变为数字信号的基本手段。 图像信号，特

15、别是电视信号占的频带宽，要求响图像信号，特别是电视信号占的频带宽，要求响应速度快，因此，电路设计与实现上有较大的难应速度快，因此，电路设计与实现上有较大的难度。度。第二章 数字图像处理基础 19图像低通滤波取样保持编码传输信道解码低通滤波解码图像量化PCM编译码的原理第二章 数字图像处理基础 20 前置低通滤波器的作用：前置低通滤波器的作用： 1 1）为满足取样定理的带限要求，以减少折迭误差；）为满足取样定理的带限要求，以减少折迭误差； 2 2）对杂散噪声也有一定的抑制作用。）对杂散噪声也有一定的抑制作用。 取样保持电路：取样保持电路： 将完成把时间上连续的模拟信号进行时间离散化的任将完成把时

16、间上连续的模拟信号进行时间离散化的任务。取样周期由奈奎斯特（务。取样周期由奈奎斯特（NyquistNyquist）定理限定。）定理限定。第二章 数字图像处理基础 21第二章 数字图像处理基础 22可用一个适当的低通滤波器取出一个完整的原信号频谱可用一个适当的低通滤波器取出一个完整的原信号频谱第二章 数字图像处理基础 23量化器：量化器： 把模拟信号的幅值离散化，经取样与量化处把模拟信号的幅值离散化，经取样与量化处理后就可产生多值数字信号。理后就可产生多值数字信号。 编码：编码： 把多值的数字信号变成二进制的数字的多比把多值的数字信号变成二进制的数字的多比特信号，以便传输或进行后续处理。特信号，

17、以便传输或进行后续处理。第二章 数字图像处理基础 24译码器的原理比较简单，它包括一个译码电路和一个低译码器的原理比较简单，它包括一个译码电路和一个低通滤波器。通滤波器。译码器：译码器： 把数字信号恢复为模拟信号，这个模拟信号就是在接把数字信号恢复为模拟信号，这个模拟信号就是在接收端的解码图像信号。收端的解码图像信号。滤波器：滤波器： 内插和平滑作用。内插和平滑作用。第二章 数字图像处理基础 25 5.35.3.2 .2 PCM PCM 编码的量化噪声编码的量化噪声 量化是对时间离散的模拟信号进行幅度离散化的过程，量化是对时间离散的模拟信号进行幅度离散化的过程，这个过程是去零取整的过程。量化后

18、的样值与原信号相比大这个过程是去零取整的过程。量化后的样值与原信号相比大部分是近似关系。这样，把连续的数值限制在固定的台阶式部分是近似关系。这样，把连续的数值限制在固定的台阶式的变化之下必然会带来畸变。的变化之下必然会带来畸变。 量化误差指量化前后信号之差，由于误差是在一定数值量化误差指量化前后信号之差，由于误差是在一定数值范围内随机出现的，类似于电噪声的概率特性，所以称之为范围内随机出现的，类似于电噪声的概率特性，所以称之为量化噪声，量化噪声，通常由功率表示。通常由功率表示。第二章 数字图像处理基础 26 由量化带来的噪声可分为由量化带来的噪声可分为量化噪声和过载噪声量化噪声和过载噪声。 以

19、正弦波输入为例，以正弦波输入为例，(a)是输入信号超过编码范围时的量化是输入信号超过编码范围时的量化 噪声和过载噪声的形成；噪声和过载噪声的形成； (b) 是信号未超过编码范围，只有是信号未超过编码范围，只有 量化噪声的情况。量化噪声的情况。第二章 数字图像处理基础 27 在在PCM PCM 编码中，量化噪声主要取决于码的位数，码位编码中，量化噪声主要取决于码的位数，码位数越多（即量化阶数多）量化噪声的功率越小。一个数越多（即量化阶数多）量化噪声的功率越小。一个量化阶的电压可由下式表示：量化阶的电压可由下式表示：2nV 式中：式中：V 为输入信号满量程电压值；为输入信号满量程电压值；n为样值用

20、二进制数为样值用二进制数表示的比特数。表示的比特数。第二章 数字图像处理基础 28 如果在整个输入幅度内量化阶是一个常数，就称这个量化为如果在整个输入幅度内量化阶是一个常数，就称这个量化为均匀量化均匀量化，否则就是，否则就是非均匀量化非均匀量化。线性。线性PCM 编码中均采用编码中均采用均匀量化法。在均匀量化中，设量化阶为均匀量化法。在均匀量化中，设量化阶为，量化噪声在，量化噪声在 内可看成是均匀分布的，则量化噪声出现的概内可看成是均匀分布的，则量化噪声出现的概率是相等的，即：率是相等的，即：221)(eP第二章 数字图像处理基础 291212222dxxPQ量化噪声功率为：量化噪声功率为：

21、对于过载噪声，当量化特性输入过载点为对于过载噪声，当量化特性输入过载点为V时，时，dxxpVxdxxpVxNVVS)()()()(22 (59)式中式中 Ns 为过载噪声，为过载噪声，x 是输入信号值，是输入信号值，p(x)为输入幅度的概为输入幅度的概率密度。如果用信噪比作为客观保真度准则的话，可推得率密度。如果用信噪比作为客观保真度准则的话，可推得PCM 编码在均匀量化下的量化信噪比如下：编码在均匀量化下的量化信噪比如下：第二章 数字图像处理基础 30因为：因为： 2212QnVP 所以：所以： PVQn22212()由信噪比的概念，则：由信噪比的概念，则： )611(2lg2012lg20

22、)2(12lg1012)2(lg10lg1022222nVVPVNSnnnQdB第二章 数字图像处理基础 31 每增加一位码可得到每增加一位码可得到6 6dBdB的信噪比得益。的信噪比得益。 值得注意的是量化噪声不同于其他噪声，它的显著特点值得注意的是量化噪声不同于其他噪声，它的显著特点是仅在有信号输入时才出现，所以它是数字化中特有的噪是仅在有信号输入时才出现，所以它是数字化中特有的噪声。一般情况下，直接测量比较困难。声。一般情况下，直接测量比较困难。210lg(11 6 )dBQSVnNP第二章 数字图像处理基础 32 5.5.3 3.3 .3 编码器、译码器编码器、译码器 编码器的任务是编

23、码器的任务是把一个多值的数字量用多比特的二进把一个多值的数字量用多比特的二进制量来表示制量来表示。如果量化器输出。如果量化器输出M个值，那么，对应于个值，那么，对应于个个值中的任何一个值编码器将给定一个二进制码字。这个码值中的任何一个值编码器将给定一个二进制码字。这个码字将由字将由m个二进制数组成。通常情况下个二进制数组成。通常情况下 M= 2= 2m 。编码器。编码器的输入与输出关系是一一对应的，其过程是可逆的，因此，的输入与输出关系是一一对应的，其过程是可逆的，因此，不会引入任何误差。不会引入任何误差。 线性线性PCM 编码一般采用等长码，也就是说每一个码字都有相同的比特数。其编码一般采用

24、等长码，也就是说每一个码字都有相同的比特数。其中用得最为普遍的是自然二进码，也有用格雷码的。以中用得最为普遍的是自然二进码，也有用格雷码的。以M=8为例的自然二进码为例的自然二进码和格雷码列入表：和格雷码列入表：第二章 数字图像处理基础 33表5.2 M=8的自然二进码和格雷码 m1m2m3m4m5m6m7m8输入自然二进码格雷码0 0 00 0 00 0 10 0 10 1 00 1 10 1 10 1 01 0 01 1 01 0 11 1 11 1 01 0 11 1 11 0 0第二章 数字图像处理基础 34 (a) (b)第二章 数字图像处理基础 35 (c) (d)第二章 数字图像

25、处理基础 36 (e) (f) 图 54 编码位数对画面质量的影响第二章 数字图像处理基础 375 53 34 4 非线性非线性PCM PCM 编码编码 在线性在线性PCMPCM编码中，量化阶是均匀的。这样，在小信号输编码中，量化阶是均匀的。这样，在小信号输入的情况下信噪比较低，在大信号输入的情况下信噪比较入的情况下信噪比较低，在大信号输入的情况下信噪比较高。为了改善小信号在量化过程中的信噪比，采用一种瞬高。为了改善小信号在量化过程中的信噪比，采用一种瞬时压缩扩张技术。时压缩扩张技术。这种技术实际上是降低大信号时的信噪比提高小信号时的这种技术实际上是降低大信号时的信噪比提高小信号时的信噪比，其结果是在不增加数码率的情况下，使信号在整信噪比，其结果是在不增加数码率的情况下，使信号在整个动态范围内有较均衡的信噪比。个动态范围内有较均衡的信噪比。第二章 数字图像处理基础 38两种方案：两种方案：( (一一) )首先将取样后的首先将取样后的P