第6章圖像壓縮6.1概述圖像壓縮是數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)在數(shù)字圖像上的應(yīng)用，旨在減少圖像中的冗余信息，從而實(shí)現(xiàn)更高效的存儲(chǔ)和傳輸。通過(guò)數(shù)學(xué)變換，圖像壓縮將二維像素陣列轉(zhuǎn)換為統(tǒng)計(jì)上無(wú)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集，使用較少的比特?cái)?shù)有損或無(wú)損地表示原始圖像。由于自然景物獲取的數(shù)字圖像（如通過(guò)數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)等設(shè)備拍攝）數(shù)據(jù)量巨大，未經(jīng)壓縮的圖像會(huì)成為傳輸和存儲(chǔ)的瓶頸，因此圖像壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展對(duì)圖像通信領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響。6.1.1圖像壓縮的相關(guān)概念數(shù)據(jù)冗余是指數(shù)據(jù)之間的重復(fù)，也可以說(shuō)是同一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同數(shù)據(jù)文件中的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)冗余如果一個(gè)信息能傳遞給我們?cè)S多未知的內(nèi)容，其包含的信息量就大；反之，則信息量就小。信息量描述信息源各可能事件發(fā)生的不確定性。信息熵圖像平均編碼長(zhǎng)度是指在使用特定編碼方案對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮時(shí)，每個(gè)符號(hào)（如像素值或變換系數(shù)）的平均比特?cái)?shù)。平均編碼長(zhǎng)度編碼效率是指編碼方案在壓縮數(shù)據(jù)時(shí)的有效性，它衡量的是壓縮算法在減少數(shù)據(jù)量的同時(shí)保持信息質(zhì)量的能力。編碼效率信息源或信號(hào)中超出最小表示所需的、可以預(yù)測(cè)或重復(fù)的部分。冗余度6.1.2圖像壓縮可能性如果采用可變長(zhǎng)編碼技術(shù)，對(duì)出現(xiàn)概率高的符號(hào)用短碼字表示，對(duì)出現(xiàn)概率低的符號(hào)用長(zhǎng)碼字表示，就可以消除符號(hào)冗余度，從而提高編碼效率信源符號(hào)出現(xiàn)的概率不同根據(jù)人眼視覺(jué)特性，人眼的分辨率非常有限，對(duì)于灰度和色彩的細(xì)微變化不敏感，而且在通常的視覺(jué)感知過(guò)程中，有些信息相對(duì)于其他一些信息并不那么重要。人眼具有視覺(jué)冗余特性在靜態(tài)圖像的局部鄰域內(nèi)或視頻圖像相鄰幀的對(duì)應(yīng)像素之間往往存在很強(qiáng)的相關(guān)性，去除或減少這些相關(guān)性，也就是去除或減少圖像信息中的冗余度即可對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行壓縮；原始圖像數(shù)據(jù)是緊密相關(guān)的6.1.3

圖像冗余的種類(lèi)圖像內(nèi)部相鄰像素之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，使成像后的圖像結(jié)構(gòu)趨于有序和平滑，表現(xiàn)為空間數(shù)據(jù)冗余?？臻g冗余編碼冗余又稱(chēng)為信息熵冗余。編碼冗余視頻圖像序列中，相鄰兩幀圖像之間有較大的相關(guān)性，這就反映為時(shí)間冗余。時(shí)間冗余心理視覺(jué)冗余是指人眼不能感知或不敏感的那部分圖像信息。心理視覺(jué)冗余01020304結(jié)構(gòu)冗余是指圖像中存在很強(qiáng)的紋理結(jié)構(gòu)或自相似性。結(jié)構(gòu)冗余知識(shí)冗余是指有些圖像的理解與某些知識(shí)有較大的相關(guān)性，稱(chēng)這種冗余為知識(shí)冗余。知識(shí)冗余05066.1.4壓縮圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

6.2無(wú)損圖像壓縮編碼6.2.1哈夫曼編碼無(wú)損圖像壓縮編碼又稱(chēng)無(wú)失真圖像壓縮編碼，是指圖像經(jīng)過(guò)壓縮、編碼后恢復(fù)的圖像與原始圖像完全一樣，沒(méi)有任何失真。01將信源符號(hào)按出現(xiàn)概率大小排序，概率大的在前，概率小的在后。02合并概率最小的兩個(gè)符號(hào)，形成新符號(hào)，其概率為兩者之和。重新排序。03重復(fù)步驟1和步驟2，直到最后剩下兩個(gè)概率為止。04從最后兩個(gè)符號(hào)開(kāi)始向前編碼，每步對(duì)兩個(gè)分支賦予二進(jìn)制碼。05寫(xiě)出每個(gè)信源符號(hào)對(duì)應(yīng)的編碼序列。6.2.2行程編碼

一維行程編碼示意圖6.2.3算術(shù)編碼初始化，按信源各個(gè)符號(hào)的概率在［0,1）區(qū)間為其劃分相應(yīng)大小的子區(qū)間。01①將當(dāng)前待編碼符號(hào)對(duì)應(yīng)的區(qū)間作為“當(dāng)前區(qū)間”，并將該區(qū)間按照信源各個(gè)符號(hào)的概率分成若干個(gè)子區(qū)間，每個(gè)子區(qū)間的長(zhǎng)度正比于符號(hào)的概率。②選擇下一個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)的子區(qū)間，并將其作為新的“當(dāng)前區(qū)間。02將整個(gè)信息處理后，在“當(dāng)前區(qū)間”中任取一個(gè)小數(shù)，將該數(shù)作為整個(gè)輸入信息流的算術(shù)編碼。036.3有損圖像壓縮編碼6.3.1有損預(yù)測(cè)編碼損壓縮編碼，又稱(chēng)有限失真編碼，其思想是在滿(mǎn)足香農(nóng)第三定理的條件下，以犧牲圖像重構(gòu)后的準(zhǔn)確度為代價(jià)，換取高壓縮比。

有損預(yù)測(cè)編解碼系統(tǒng)原理框圖6.3.2正交變換編碼

6.4圖像壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)6.4.1靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)近30多年來(lái)，國(guó)際電信聯(lián)盟的電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織以及國(guó)際電工委員會(huì)先后頒布了一系列有關(guān)靜態(tài)圖像和動(dòng)態(tài)圖像編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)集成了圖像編碼50多年來(lái)的研究成果，綜合考慮壓縮效率、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度及應(yīng)用便捷性等因素，提出了相對(duì)最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)化方案，對(duì)圖像與多媒體通信的研究、發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化起到了巨大的推動(dòng)作用。1JPEG標(biāo)準(zhǔn)JPEG（JointPhotographicExpertGroupCompression，JPEG）標(biāo)準(zhǔn)是ISO/IEC聯(lián)合圖像專(zhuān)家組于1992年制定的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，是適用于連續(xù)色調(diào)（包括灰度和彩色）靜止圖像壓縮算法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。但是JPEG標(biāo)準(zhǔn)圖像壓縮也有其缺陷，在高壓縮比時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的方塊效應(yīng)，這是由低頻端的量化誤差和塊內(nèi)DCT變換基對(duì)低頻限制引起的。2JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)ISO于2000年12月公布的新的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)（ISO15444），它具有一些JPEG所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。JPEG2000是基于Internet網(wǎng)絡(luò)的多媒體應(yīng)用對(duì)圖像編碼提出的新的要求，其目標(biāo)是在高壓縮率的前提下，有效保證圖像傳輸?shù)馁|(zhì)量。JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一了面向靜態(tài)圖像和二值圖像的編碼方式，將JPEG的四種模式（順序編碼模式、漸進(jìn)編碼模式、無(wú)失真編碼模式、分層編碼模式）集成到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，是既支持低比率壓縮又支持高比率壓縮的通用編碼方式。JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了多樣性的應(yīng)用，包括互聯(lián)網(wǎng)、彩色傳真、打印、掃描、數(shù)字?jǐn)z影、遙感、醫(yī)學(xué)圖像、數(shù)字圖書(shū)館及電子出版物等。6.4.2運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)1．MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/IEC的運(yùn)動(dòng)圖像專(zhuān)家組MPEG于1992年制定了MPEG-1（ISO/IEC11172），其全稱(chēng)是“用于數(shù)字存儲(chǔ)媒體運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音速率為1.5Mbps的壓縮編碼”。該標(biāo)準(zhǔn)的制定使得基于CD-ROM的數(shù)字視頻及MP3等產(chǎn)品成為可能。2．MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)由于MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)達(dá)不到電視圖像質(zhì)量且不能處理隔行掃描等問(wèn)題，其應(yīng)用受到很大的限制。ISO/IEC于1994年推出了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，它的正式名稱(chēng)為“基于數(shù)字存儲(chǔ)媒體運(yùn)動(dòng)圖像和語(yǔ)音的壓縮標(biāo)準(zhǔn)”。MPEG-2利用網(wǎng)絡(luò)提供的3～100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率來(lái)支持具有更高分辨率圖像的壓縮和更高的圖像質(zhì)量，支持隔行掃描視頻格式和許多高級(jí)功能，是對(duì)MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步擴(kuò)展和改進(jìn)。3．MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4針對(duì)低速率條件下的視頻、音頻進(jìn)行編碼，并且更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性。MPEG-4傳輸速率可在4.8～64kb/s之間，分辨率為176×144，可以利用很窄的帶寬，通過(guò)幀重建技術(shù)，壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求得最小的數(shù)據(jù)，獲得最佳的圖像質(zhì)量。4．MPEG-7標(biāo)準(zhǔn)在多媒體應(yīng)用中，對(duì)日趨龐大的圖像、聲音信息的管理和檢索變得越來(lái)越重要，因此，MPEG專(zhuān)家組于2001年底推出了MPEG-7標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-7的目的在于提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的核心技術(shù)，以便描述多媒體環(huán)境下的視頻和音頻內(nèi)容，最終使視頻和音頻的搜索像文本搜索一樣簡(jiǎn)單方便。5．MPEG-21標(biāo)準(zhǔn)MPEG-21標(biāo)準(zhǔn)的正式名稱(chēng)為“多媒體框架”或者“數(shù)字視聽(tīng)框架”，它致力于為多媒體傳輸和使用定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的、可互操作的、高度自動(dòng)化的開(kāi)放框架，在一種互操作的模式下為用戶(hù)提供更豐富的信息。6.4.3音視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)1．H.261標(biāo)準(zhǔn)H.261是1990年ITU-T制定的一個(gè)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，屬于視頻編解碼器，它最初是針對(duì)在ISDN上實(shí)現(xiàn)電信會(huì)議應(yīng)用，特別是面對(duì)面的可視電話和視頻會(huì)議而設(shè)計(jì)的。H.261的編碼算法類(lèi)似于MPEG算法，它在實(shí)時(shí)編碼時(shí)比MPEG所占用的CPU運(yùn)算量少得多。2．H.263標(biāo)準(zhǔn)H.263的編碼算法在H.261的基礎(chǔ)上做了一些改善，以提高性能和糾錯(cuò)能力。H.263的編碼速度快、碼率低，在512K乃至384K帶寬下仍可得到相當(dāng)滿(mǎn)意的圖像效果，十分適用于需要雙向編解碼并傳輸?shù)膱?chǎng)合（如可視電話）和網(wǎng)絡(luò)條件不是很好的場(chǎng)合（如遠(yuǎn)程監(jiān)控）。3．H.264標(biāo)準(zhǔn)H264標(biāo)準(zhǔn)主要包括AccessUnitdelimiter（訪問(wèn)單元分割符），SEI（附加增強(qiáng)信息），primarycodedpicture（基本圖像編碼），RedundantCodedPicture（冗余圖像編碼）、InstantaneousDecodingRefresh（IDR，即時(shí)解碼刷新）、HypotheticalReferenceDecode