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图图像像压缩压缩基本概念图像压缩模型信息论基础无损压缩有损压缩图像压缩标准视频压缩标准图图像像压缩压缩基本概念概述数据冗余编码冗余像素间冗余心理视觉冗余图像保真度和质量图图像像压缩压缩为什么需要图像压缩图像的数据量通常很大，对存储、处理和传 输带来许多问题（对比视频）不断扩大的图像应用Internet上的大量图像数字图书馆遥感图像视频，如电视会议、数字电视、IPTV图像压缩的方法消除冗余数据，从数学角度看，将原始图像 转化为从统计角度看尽可能不相关的数据集一般分为两类：无损压缩：在压缩和解压缩过程中没有信息损 失有损压缩：能取得较高的压缩率，但压缩后不能 通过解压缩恢复原状其它：如根据需要，即可进行无损，也可进行有 损压缩的技术；准无损技术图图像像压缩压缩图像压缩的理论基础信息论图像处理的概念和技术压缩方法预测编码方法（对应空域方法）变换编码方法（对应频域方法）图图像像压缩压缩数据冗余的概念数据是用来表示信息的。如果不同的方法为表 示给定量的信息使用了不同的数据量，那么使用 较多数据量的方法中，有些数据必然是代表了无 用的信息，或者是重复地表示了其它数据已表示 的信息，这就是数据冗余的概念。图图像像压缩压缩相对数据冗余的定义（续）如果n1和n2代表两个表示相同信息的数据集合 中所携载信息单元的数量，则n1表示的数据集合 的相对数据冗余RD定义为：CR称为压缩率，定义为1DC RR 1 n 2n1RC图图像像压缩压缩图图像像压缩压缩相对数据冗余和压缩率的一些特例n1相对于n2CRRD对应的情况n1=n210第1种表达相对第2种表达不含冗 余数据n1 n2 1第1种数据集合包含相当多的冗 余数据n1 rmsWHTrmsDCT三种三种变换举变换举例例DFT还原图像WHT还原图像DCT还原图像rmsDFT=1.28rmsWHT=0.86rmsDCT=0.68三种三种变换举变换举例例结论DCT的信息压缩能力比DFT和WHT的能力要强WHT是最容易实现的 DCT在信息压缩能力和计算复杂性之间提供了很好的 平衡，因此，许多变换编码系统都是以DCT变换为基 础的对比其它方法，DCT变换具有使用单一的集成电路就可 以实现，可以将最多的信息包装在最少的系数之中可使“分块噪声”的块效应最小，这些分块噪声是由子图像之间的可见边界造成的三种三种变换举变换举例例结论（续）DFT的n点周期性造成边界中断，当DFT系数被截尾或量 化时，边界值以分块噪声的形式出现，即相邻子图像之 间的边界变得可见。而DCT变换不会产生固有的边界中断DFTDFTDCTDCT变换编码变换编码子图像尺寸选择子图像尺寸是影响变换编码误差和计算复杂度 的一个重要因素一般满足下列2个条件相邻子图像之间的相关（冗余）减少到可接受子图像的长和宽都是2的整数次幂。这主要是为了简 化对子图像变换的计算最常用的子图像尺寸是88和1616子子图图像尺寸像尺寸选择选择一个试验例子：把图像分割为nn的子图像(n=2,4,8,16和32)计算每幅子图像的变换，截取75的系数，对截取后的 阵列进行反变换得到 当图像尺寸大于88，WHT和DCT曲线变得比较平缓，而 DFT曲线下降得较快。对更大的n值，DFT将穿过WHT并逼 近DCT当图像尺寸为22时，3条曲线交于同1点。此时各变换 都只保留了4个系数中的1个（25），即直流分量子子图图像尺寸像尺寸选择选择变换编码变换编码比特分配截断误差和2个因素有关截除的变换系数的数量和相对重要性用来表示所保留系数的精度在多数变换编码系统中，保留的系数是根据下列2个准 则之一来选择确定的最大方差准则，称为分区编码最大幅度准则，称为阈值编码整个对变换子图像的系数截断、量化和编码的全过程 称为比特分配比特分配效果比特分配效果举举例例对每个88子图像丢弃87.5%的DCT系数的两种近似阈值编码:保留8个最大的 变换系数，误差 比分区编码小(64-8)/64=87.5%分区编码变换编码变换编码其它编码方法子带(subband)编码小波编码分形（fractal）编码矢量量化(vector quantization,VQ)编 码统计编码/熵编码图图像像压缩标压缩标准准相关的国际组织ISO（InternationalStandardization Organization,国际标准化组织）ITU（International Telecommunication Union,国 际电信联盟），前身是CCITT（国际电话电报咨询委员 会）相关工作 覆盖了从二值到灰度（彩色）值的静止和运动图像采用的大部分基本技术前面已经介绍，主要包括预测 和变换编码技术图图像像压缩标压缩标准准可分成下面几个系列用于压缩二值图像用于压缩静止图像，包括灰度和彩色图像用于压缩运动图像（视频），包括灰度和彩 色图像上述2个组织还在制定一些新的标准，其 中一些已经超出纯图像编码的范围二二值图值图像像压缩标压缩标准准G3和G4这2个标准是由CCITT的两个小组(Group 3 和 Group 4)负责制定的最初是CCITT为传真应用而设计的，现也用于 其它方面G3采用了非自适应、1维行程编码技术。对每 组N行（N=2或N=4）扫描线中的后N-1行也可以 用2维方式编码G4是G3的1种简化版本，其中只使用2维编码二二值图值图像像压缩标压缩标准准G3和G4（续）CCITT在制定标准期间曾选择了1组共8幅具有 一定代表性的“试验”图用来评判各种压缩方法它们既包括打印的文字，也包括用几种语言 手写的文字，另外还有少量的线绘图G3对它们的压缩率约为15:1G4的压缩率一般比G3高1倍二二值图值图像像压缩标压缩标准准JPEG(Joint Picture Expert Group)由ISO和CCITT联合成立的专家组负责制定静 态图像（彩色与灰度图像）的压缩算法定义了3种编码系统基于DCT的有损编码基本系统，可用于绝大多数 压缩应用场合用于高压缩比、高精确度或渐进重建应用的扩展 编码系统用于无失真应用场合的无损系统二二值图值图像像压缩标压缩标准准JPEG(Joint Picture Expert Group)JPEG对录像机质量的静止图像的压缩率一般 可达到25:1JPEG基本系基本系统编码统编码器框器框图图源源图图像像DCTDCT正正变换变换量化器量化器熵编码熵编码器器压缩压缩图图像像表表说说明明表表说说明明压缩过程DCT计算量化变长码赋值JPEG基本系基本系统编码统编码器框器框图图具体压缩过程先把整个图像分解成多个88的图像块；88的图像块经过DCT变换后，低频分量都集中在左上角，高 频分量则分布在右下角（DCT变换类似于低通滤波器），因为低 频分量包含了图像的主要信息，所以可以忽略高频分量，达到压 缩的目的；使用量化操作去掉高频分量，量化操作就是将某一个值除以量 化表中的对应值。由于量化表中左上角的值较小，而右下角的值 较大，这样达到保持低频分量，抑制高频分量的目的；在左上角的低频分量中,F(0,0)代表了直流(DC)系数，即88 子块的平均值。由于两个相邻图像块的DC系数相差很小，所以采 用差分编码DPCM,其它63个元素是交流（AC）系数，采用之字型（zig-zag）顺序进行行程编码，使系数为0的值更集中；JPEG基本系基本系统编码统编码器框器框图图具体压缩过程 在得到DC码字和AC行程码字后，为了进一步提高压缩比，再 进行熵编码，采用了Huffman编码视频压缩标视频压缩标准准视频压缩标准基本概念电视会议标准H.261、H.263MPEG标准MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7 和MPEG-21一个运一个运动图动图像例子像例子DEMODEMO观观察一段察一段视频视频解解压缩压缩后的后的图图像像I帧（Intra-picture）不需要参考其它画面而独立进行压缩编码的画面P帧（Predicted-picture）参考前面已编码的I或P画面进行预测编码的画面B帧（Bidirectional-picture）既参考前面的I或P画面、又参考后面的I或P画面 进行双向预测编码的画面MPEG帧帧的分的分类类视频压缩标视频压缩标准准连续帧图像压缩的基本思想 可以根据同帧附近像素来加以预测，被 称为：帧内编码技术 可以根据附近帧中的像素来加以预测，被称为：帧间编码技术帧间预测编码向前预测双向预测前一前一帧帧当前当前帧帧前一前一帧帧当前当前帧帧下一下一帧帧视频压缩标视频压缩标准准MPEG帧帧的分的分类类MPEMPEG G 的画面的画面组组(GOP)(GOP)MPEG帧帧的分的分类类运动矢量由于画面内容有连贯 性,因此当前画面的内容可以看作是前面画 面内容的位移(运动)。画面各处相应的位移 量(幅度、方向)各有不同，因此画面应细 分成块(宏块)，以宏 块为单位，找出两帧 画面中相应宏块之间 的位移量-运动矢量画面的显示顺序是:B B I B B P B B P B I画面的编码顺序是:2 0 1 5 3 4 8 6 7 10 9 因此,每一个GOP中的画面在编码前和解码后都必须重排序BBBPBBPBIB0123910例例IGOP(Group of Pictures)45678画面的重新排序画面的重新排序0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10I B B P B B P B B IBMPEG帧帧的分的分类类DEMODEMO观观察察MPEGMPEG的运的运动动矢量矢量工作组草案(WD)=委员会草案(CD)=国际标 准草案(DIS)=国际标准(IS)工作组草案WD(Working Draft)：工作组WG(Working Group)准备的工作文件委员会草案CD(Committee Draft)：从WD提升上来的文 件。这是ISO文档的最初形式，它由ISO内部正式调查研 究和投票表决。国际标准草案DIS(Draft International Standard)：成员国对CD的内容和说明满意之后由CD提升上来的文 件。国际标准IS(International Standard)：由成员国、ISO的其他部门和其他委员会投票通过之后出版发布的 文件。ISOISO国国际标际标准的制定准的制定过过程程H.261标准应用范围：电视会议主要编码技术：DCT变换向前运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码IPPPPPPIPPP.电视电视会会议标议标准准H.263标准应用范围：可视电话主要编码技术：DCT变换双向运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码IBBPBBPBBIBBP.电视电视会会议标议标准准多媒体多媒体压缩标压缩标准准MPEG系列标准(Moving Picture Expert Group)ISO/IEC/JTC1/SC29的一个工作组WG11,1988年 成立,目前有25个国家(团体)的200多个公司300 多名成员分10个组工作 JPEG的目标是专门集中于静止图像压缩，MPEG 的目标是针对运动图像的数据压缩，但是JPEG和 MPEG有密切联系 MPEG专家小组，不仅限制于数字视频压缩，音 频及音频和视频的同步问题都不能脱离视频压缩 独立进行MPEG-1标准(ISO/IEC11172).1992年发布。用于1.5Mbps数据传输率的运动图像及其伴音的 编码。主要应用于 VCD，MP3音乐等MPEG-1在JPEG和H.261等优秀标准的基础上,对 参加竞争的14个方案,通过反复协调而得到统一,从而成为先进、合理、质量高、成本低的优秀 标准MPEG-1促进了大规模集成电路专用芯片的发展,为多媒体技术和产品的繁荣立下了功劳MPEG-1标标准准MPEG-1标准主要编码技术：DCT变换前向、双向运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码、算术编码每15帧至少要有一个I帧IBBPBBPBBIBBP.MPEG-1标标准（准（续续）MPEG-2标标准准MPEG-2标准(ISO/IEC13818).1994年发布主要针对高清晰度电视(HDTV)的视频及 伴音信号，典型传输速率为10Mbps，与 MPEG-1兼容，适用于1.5Mbps60Mbps甚至更高速率的编码范围以MPEG-2作为视音频压缩标准的数字卫星电视 接收机已在欧美形成了很大市场，美国高级电 视联盟(ATV Grand Alliance)和欧洲数字视频 广播计划(Digital Video Broadcast Project)先后决定将MPEG-2用于高清晰度电视(HDTV)广 播中新一代的数字视盘DVD采用MPEG-2作为其视音频 压缩标准(注:欧、美、日在视频方面采用MPEG-2标准,而在音频方面则采用AC-3标准)MPEG-2标标准（准（续续）MPEG-4 标准(ISO/IEC l4496).1999年5月形成国际标准(版本1),是一种基于对象的 视(音)频编码标准,目标是支持各种多媒体应用(主要 侧重于对多媒体信息内容的访问)为了适应在窄带宽(一般指64kbit/s)通信线路上对动 态图像进行传输的要求 总目标是对各种音频视频，主要包括：静止图像、序 列图像、计算机图形、3D模型、动画、语言、声音等 进行统一有效的编码MPEG-4标标准准MPEG-4 标准(ISO/IEC l4496).既支持固定码流也支持变码流，对3种码流范围的视频 已达最优：64k bit/s64-384k bit/s364 kbit/s 4M bit/s目前还在考虑直到50M bit/s的码流MPEG-4标标准（准（续续）MPEG-7标准“多媒体内容描述接口”(Multimedia Content Description Interface)的标准该标准将确定各种类型的多媒体信息的标准描述方 法,可应用于数字图书馆、各种多媒体目录服务、广播媒体的选择，以及多媒体编辑等领域目标是指定1组描述不同多媒体信息的标准描述 符，这些描述要与信息内容相关以便能快速和有效 地查询各种多媒体信息MPEG-7标标准准MPEG-7标准MPEG-7采取的描述方案和方法与被描述内容是否编 码或如何存储无关，例如视觉信号仍可以用已有的 各种编码方案（如JPEG，MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等）进行编码 计划2001年9月形成，但还有许多研究工作要做MPEG-7标标准（准（续续）MPEG-21标标准准MPEG-21标准.(Multimedia Framework)多媒体框架标准适合于多种应用领域中各种类型用户对各种类型内容的传送和 使用，可通过大范围的网络和设备允许对多媒体资源的透明和增强使用
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