数字图像处理 第6章 图像编码与压缩技术

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1、第6章图像编码与压缩技术6.1概述从信息论角度看，信源编码的一个最主要的目的，就是要解决数据的压缩问题。数据压缩是指以最少的数码表示信源所发出的信号，减少容纳给定消息集合或数据采样集合的信号空间。图像编码与压缩的目的就是对图像数据按一定的规则进行变换和组合，从而达到以尽可能少的代码（符号）表示尽可能多的图像信息。图像编码的国际标准主要是国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）制定的。其主要目的包括：①提供高效的压缩编码算法；②提供统一的压缩数据流格式。经过大量严格的试验测试，从算法压缩性能

2、到实现的复杂度等综合因素的考虑比较之后，最终形成了两个著名的里程碑式的国际标准，这就是人们熟知的用于连续色调静止图像压缩编码的JPEG标准和码率为p×64kbit/s(p=1,2,…,30)的数字视频压缩编码标准H.261建议。6.1.1图像的信息冗余图像数据的压缩是基于图像存在冗余这种特性。压缩就是去掉信息中的冗余，即保留不确定的信息，去掉确定的信息（可推知的）；也就是用一种更接近信息本身的描述代替原有冗余的描述。一般来说，图像数据中存在的冗余有8种。（1）空间冗余。在同一幅图像中，规则物

3、体或规则背景的物理表面特性具有的相关性，这种相关性会使它们的图像结构趋于有序和平滑，表现出空间数据的冗余。邻近像素灰度分布的相关性很强。（2）频间冗余。多谱段图像中各谱段图像对应像素之间灰度相关性很强。（3）时间冗余。对于动画或电视图像所形成的图像序列（帧序列），相邻两帧图像之间有较大的相关性，其中有很多局部甚至完全相同，或变化极其微细，这就形成了数据的时间冗余。图像的信息冗余（4）信息熵冗余。（5）结构冗余。有些图像存在纹理或图元（分块子图）的相似结构，这就是图像结构上的冗余。（6）知识冗

4、余。对有些图像的理解与某些知识有相当大的相关性。（7）视觉冗余。人类视觉对于图像场的任何变化并不是都能感知的。如果因为噪声的干扰使图像产生的畸变不足以被视觉感知，则认为这种图像仍然足够好。（8）其他冗余。6.1.2图像压缩编码技术的分类从图像压缩技术发展过程可将图像压缩编码分为两代，第一代是指20世纪80年代以前，图像压缩编码主要是根据传统的信源编码方法，研究的内容是有关信息熵、编码方法以及数据压缩比；第二代是指20世纪80年代以后，它突破了信源编码理论，结合分形、模型基、神经网络、小波变换等数学

5、工具，充分利用视觉系统生理特性和图像信源的各种特性。图像压缩编码系统的组成框图如图所示。图像压缩编码技术的分类图像数据压缩过程有3个基本环节：变换、量化和编码。变换的作用是将原始图像表示在另一个量化和编码数据较少的域中，对变换器的要求应是高度去相关的、重建均方差最小的、可逆的和方法简便的。常见的变换包括线性预测、正交变换、多分辨率变换、二值图像的游程变换等。量化器要完成的功能是按一定的规则对抽样值作近似表示，使量化器输出幅值的大小为有限个数。量化器可分为无记忆量化器和有记忆量化器2大类。编码器为量

6、化器输出端的每个符号分配一个码字或二进制比特流，编码器可采用等长码或变长码。不同的图像编码系统可能采用上述框图中的不同组合。图像压缩编码技术的分类根据编码的作用域划分，图像编码分为空间域编码和变换域编码2大类。6.2.1基于压缩编码参数的评价1图像熵设数字图像像素灰度级集合为｛d1,d2,…,dm}，其对应的概率分别为p(d1)，p(d2)，…，p(dm)。按信息论中信源信息熵的定义，图像的熵定义为2平均码字长度设βi为数字图像中灰度级di所对应的码字长度（二进制代码的位数）,其相应

7、出现的概率为P(di)，则该数字图像所赋予的平均码字长度为基于压缩编码参数的评价3编码效率η=H/R×100%根据信息论中信源码理论，可以证明在R≥H条件下，总可以设计出某种无失真编码方法。最好编码结果是使R等于或接近于H。这种状态的编码方法，称为最佳编码。4压缩比压缩比是指编码前后平均码长之比，如果用n表示编码前每个符号的平均码长，通常为用自然二进制码表示时的位数，则压缩比可表示为r＝n/R一般来讲，压缩比大，则说明被压缩掉的数据量多。一个编码系统要研究的问题是设法减小编码平均长

8、度R，使编码效率η尽量趋于1，而冗余度趋于0。6.2.2图像的逼真度准则描述解码图像相对原始图像偏离程度的测度一般称为保真度（逼真度）准则。常用的准则可分为2大类：客观保真度准则和主观保真度准则。1.客观保真度准则最常用的客观保真度准则是原图像和解码图像之间的均方根误差和均方根信噪比。令f(x,y)代表大小为M×N的原图像，代表解压缩后得到的图像，对任意x和y，f(x,y)和之间的误差定义为图像的逼真度准则则均方根误差为如果将看作原始图像f(x,y)和噪声信号e(x,y)的和