Malab数字图像处理

第10章图像压缩编码图像压缩编码是专门研究图像数据压缩的技术，就是尽量减少表示数据图像所需要的数据量。随着当今信息社会的飞速发展，图像数据的存储和传输技术越来越扮演着日益重要的角色。特别是网络及通信技术的发展使得图像的存储、处理和传输问题更加突出，从而促进数据压缩技术成为数字图像处理中的一项关键技术。本章主要介绍图像压缩编码的基础知识，重点讲解常用的图像压缩编码方法，如霍夫曼编码、香农编码、算术编码、行程编码和预测编码及编码方法的MATLAB实现，最后介绍了静态图像压缩标准JPEG标准。10.1图像压缩编码基础数字图像通常需要很大的比特数，这给图像的传输和存储带来相当大的困难。例如用8bit存储一幅512512的灰度图像的比特数为256K。而一部60分钟的彩色电影，如果每秒放映24帧，数字化后每帧包含512512像素，每像素的R、G、B分量分别占8bit，则这样一部电影的总比特数为64800M，若用一张600M的CD存储则需要100多张CD光盘来存储。由此可见对图像数据进行压缩显得非常必要。减少存储空间、缩短传输时间这成为促进图像压缩编码技术发展的主导因素。图像压缩是通过编码来实现的，所以通常将压缩与编码统称为图像的压缩编码。图像压缩编码从本质上来说就是对要处理的图像数据按照一定的规则进行变换和组合，从而达到以尽可能少的数据来表示尽可能多的数据信息。10.2霍夫曼编码及其MATLAB实现霍夫曼在1952年提出了一种构造最佳码的方法，称之为霍夫曼编码（Huffman）。霍夫曼编码是一种无损的统计编码方法，利用信息符号概率分布特性的改变字长进行编码。霍夫曼编码适用于多远独立信源，对于多元独立信源来说它是最佳码。本小节主要介绍霍夫曼编码的基本原理及其MATLAB实现方法。10.2.1基本原理霍夫曼编码是一种利用信息符号概率分布特性的变字长的编码方法，即对于出现概率大的信息符号编以短字长的码，对于出现概率小的信息符号编以长字长的码。如果码字长度严格按照所对应符号出现概率大小逆序排列，则编码结果的平均码字长度一定小于任何其他排列形式。霍夫曼编码则是严格按照信源符号出现的概率大小来构造码字，因此这种编码方式形成的平均码字长度最短。10.2.2

MATLAB实现霍夫曼编码系统主要分为压缩对象输入、概率统计、构造Huffman树、生成Huffman树、压缩编码环节组成，如图所示霍夫曼编解码系统构成。编程思路依据霍夫曼的编程步骤进行，实现对数据的压缩及其压缩参数的计算。10.3香农编码及其MATLAB实现香农编码也是一种常见的可变字长编码，解决了霍夫曼编码过程中需要多次排序的问题。本小节主要介绍了香农编码的基本原理及其MATLAB实现方法。10.3.1基本原理香农编码的理论基础是符号的码字长度Ni完全由该符号出现的概率来决定，即：其中D为编码时所用的数值。当信源符号出现的概率为2的负幂次方时，采用香农编码同样能达到100%的编码效率。香农编码的具体方法如下：1．将信源符号按其出现的概率从大到小排序；2．按照上式计算出各个概率对应的码字长度；3．计算累加概率，其定义为：4．把各个累加概率由十进制转化为二进制，取该二进制数的前位作为对应信源符号的码字。10.4算术编码及其MATLAB实现算术编码是20世纪80年代提出的一种无损数据压缩编码方法，也是一种熵编码方法。该方法克服了霍夫曼编码中对自信息量所占码位为小数的信息压缩效果不理想的问题，在图像数据压缩标准，如JPEG中起到重要作用。本小节主要介绍了算术编码的基本原理及其MATLAB实现方法。10.4.1基本原理算术编码的基本思想是把整个信息源表示为实数线上的0-1之间的一个区间，其长度等于该序列的概率；然后在该区间内选择一个代表性的小数，将其转化为二进制作为实际的编码输出。消息序列中的每个元素都要缩短为一个区间。消息序列中的元素越多，所得到的区间就越小。当区间变小时，就需要更多的数位来表示这个区间，通过算术运算得到最终的编码，因而称之为算术编码。采用算术编码，每个符号的平均编码长度可以为小数。10.4.2MATLAB实现算术编码在图象数据压缩标准(如JPEG)中扮演了重要的角色。在算术编码中，消息用0到1之间的实数进行编码，算术编码用到两个基本的参数：符号的概率和它的编码间隔。图所示算术编码系统构成。10.5行程编码及其MATLAB实现行程编码是一种无损数据压缩编码方法。该压缩编码技术直观和经济，运算也相当简单，因此解压缩速度很快。行程编码适用于计算机生成的图形图像，对减少存储容量很有效果。本小节主要介绍了行程编码的基本原理及其MATLAB实现方法。10.5.1基本原理行程编码的基本原理是用一个符号值或串长代替具有相同值的连续符号（连续符号构成了一段连续的“行程”。行程编码因此而得名），使符号长度少于原始数据的长度。只在各行或者各列数据的代码发生变化时，一次记录该代码及相同代码重复的个数，从而实现数据的压缩。10.5.2MATLAB实现行程编码的方法与霍夫曼编码、算术编码等方法相比，算法实现相对简单，图10.8所示行程编码系统。10.6预测编码及其MATLAB实现预测编码应用了现代统计学和控制理论的时间序列分析概念，是有损压缩中的重要方法之一。该编码方法简单，易于硬件实现。本小节主要介绍预测编码中具有代表性的编码方法差分脉冲编码调制方法的基本原理及其MATLAB实现方法。10.6.1基本原理预测编码是根据某一种模型，利用以前的（已收到）一个或几个样值，对当前的（正在接收的）样本值进行预测，将样本实际值和预测值之差进行编码。如果模型足够好，图像样本时间上相关性很强，一定可以获得较高的压缩比。具体来说，从相邻像素之间有很强的相关性特点考虑，比如当前像素的灰度或颜色信号，数值上与其相邻像素总是比较接近，除非处于边界状态。那么，当前像素的灰度或颜色信号的数值，可用前面已出现的像素的值，进行预测（估计），得到一个预测值（估计值），将实际值与预测值求差，对这个差值信号进行编码、传送，这种编码方法称为预测编码方法。10.6.场2瓣MA财TL袍AB实现对图督像数扬据压搁缩来笛说，期预测绵编码秆方法猴是从践相邻耗象素同之间洞有很诵强的何相关绢性特觉点考纱虑的浓。10.7静止凝图像劈燕压缩爪编码役标准-J炉PE文G随着益计算往机网削络技篮术的宜发展幅，图超像通忆信已废越来邀越受青到广某泛的嘴关注过，这亮就需脏要对姜图像侵数据吃进行倍标准弊化传展输，父制定拼图像成压缩租编码踪蝶的标蛙准显抢得尤塌为重徒要。订在静肃态图房诚像编期码标球准中菊，常伍用的页有JP德EG、JB英IG等。递本小抹节主现要介极绍静胃态图恰像的JP哲EG标准丹及其升算法妙实现燥。10.7.吊1JP陆EG标准JP枝EG是由CC食IT唤T(国际晒电报猾电话债咨询差委员叉会)和IS罚O(国际域标准效化组康织)两个润组织荣联合炊组建胡的图愈片专层家组(J鄙oi昆nt通P篮ho丸to大gr购ap遵hi脖c僵Ex棋pe梨rt脖s晚Gr远ou评p脖)。该革组织气于19精91年建雨立并融通过酱第一火个适裁用于驱连续渡色调宣静止怕数字择图像专压缩汗的国株际标贪准(I储SO澡1窗09候18蒸-1输)，称两为国株际JP粒EG标准谅建议绿，从卷而统屋一了件用于蔬彩色每传真凯、静完止图余像、倘可视升会议浩、电蔽子出泻版物术等图乏像的脚压缩屯和传雨输格杨式。警该标啦准广个泛应蔑用于织计算高机和臣通信叛等领影域，原例如哭电视贼图像卵压缩助、多勤媒体抗通信颤、多改媒体灿计算拨机、益图像杏数据疏库等具。经JP好EG压缩脊的图葵像，检可在吊不太好影响委图像分质量稻的前摔提下防，得盗到很啊高的粪压缩燥比。苗该标鹊准既捡可以啄用软剃件实舅现，浩也可训以用惭硬件无实现著。由肆于JP陶EG优良急的品诞质，车使得们它在陆短短抹的几挽年内僵就获慢得极怕大的周成功简，随柄着JP坐EG芯片能价格院下降侧，JP送EG的应嫌用正元日益编普及团。10.7.胸2闯JP猜EG算法坟实现JP敬EG压缩那是有苍损压刊缩，两它利饥用了交人的卧视角任系统尘的特且性，堪使用低量化竿和无俩损压润缩编破码相名结合乏来去颂掉视萌角的敌冗余煮信息纽奉和数想据本狂身的贫冗余劲信息炒。JP歉EG算法缴框图号如图扫所示安，压盖缩编利码大太致分希成三塘个步甲骤：1．使遍用正仍向离影散余剃弦变纠换(f扫or掏wa快rd题d搂is猜cr腿et居e搏co伞si帆ne寄t迟ra元ns爆fo恩rm，FD半CT咏)把空尺间域胁表示密的图届变换兰成频疏率域滴表示肯的图知。2．使逐用加悦权函匙数对DC筹T系数软进行穗量化梁，这筝个加厕权函桐数对尽于人去的视链觉系羊统是和最佳柔的。3．使抹用霍扣夫曼基可变沈字长惰编码渴器对嘱量化黄系数救进行艇编码专。10.8本章捐小结数字喉图像势压缩舱编码遍技术纠是多屈媒体圣技术婶的重价要组糖成部暂分。借本章宴主要暑介绍琴了数门字图火像压盒缩编旬码的呢基础羊，包晕括图什像压资缩编傲码的绝必要东性、矩图像欧冗余膛信息里、编立码参叼数及旗基于皇保真预度准扩则的形评价定；还斗介绍逆了霍炸夫曼场编码凳及其葵在MA滚TL发AB中的税实现躁方法酸、算滋术编吉码及程其在MA券TL告AB中的举实现误、行催程编越码及极其在MA麦TL之AB中的误实现舰、预唐测编写码及误其在MA耕TL令AB中的居实现钥和小章波编钉码及防其在MA趁TL赏AB中的跳实现培。由察于MA办TL拦AB在数列字图管像压传缩和躬编码合中应冲用十先分广川泛，贤本章捞均给远出各厅种编获码方申法的MA么TL亲AB实现踪蝶例程袍，为溉用户悟提供蚂实践围支持辅。最维后本称章介训绍了角静态患图像奇的编花码标娇准JP悬EG标准抖及其弓算法仇实现收步骤课。习迎题10卫.1设输愿入图滤像的彻灰度少级出园现的留概率缴对应仪为。爽试进施行霍狠夫曼贱编码晋，并栗计算锻编码蚀效率粗、压蜓缩比得和冗堤余度非。10亩.2在MA跑TL衬AB中编皂写一摇个实胞现霍深夫曼亭编码嘉