第5章-JPEG图像压缩与编码课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,/25,多媒体技术教程,第,5,章,JPEG,图像压缩与编码,第,5,章,JPEG,图像压缩与编码目录,第,5,章,JPEG,图像压缩与编码,5.1 JPEG,算法概要,5.1.1 JPEG,是什么,5.1.2 JPEG,算法概要,5.2 JPEG,算法的主要计算步骤,5.2.1,离散余弦变换,5.2.2,量化,5.2.3 Z,字形编排,5.2.4,熵编码,5.3 JPEG,压缩和编码举例,5.4 JPEG,文件格式,5.4.1,颜色空间,5.4.2,文件结构,5.5 JPEG 2000,简介,5.5.1 JPEG 2000,是什么,5.5.2 JPEG 2000,的基本结构,5.5.3 JPEG 2000,的主要功能,参考文献和站点,2,5.1 JPEG,算法概要,5.1.1,JPEG,是什么,Joint Photographic Experts Group,的缩写，,联合图像专家组,由,ISO,和,IEC,两个组织机构联合组成的专家组，负责制定静态的数字图像数据压缩编码标准,JPEG,标准,静态图像数据压缩标准，用于,压缩灰度图像和彩色图像,。两种基本压缩算法：,1,、有损压缩算法：,以离散余弦变换,(DCT),为基础，在压缩比为,251,的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比，非图像专家难于找出它们之间的区别,2,、采用以预测技术为基础的无损压缩算法,3,5.1 JPEG,算法概要,(,续,1),5.1.2 JPEG,算法概要,利用视觉系统特性，使用变换、量化和熵编码相结合的方法，以去掉或减少视觉的冗余信息和数据本身的冗余信息,JPEG,标准的压缩算法大致分成三个步骤：,使用正向离散余弦变换,(FDCT),把,空间域,表示的图变换成,频率域,表示的图,使用加权函数对,DCT,系数进行量化，加权函数对人的视觉系统是最佳的,使用霍夫曼编码器对量化系数进行编码,4,5.1 JPEG,算法概要,(,续,2),图,5-1 JPEG,压缩,-,解压缩算法框图,5,5.1 JPEG,算法概要,(,续,3),JPEG,算法与颜色空间无关,RGB,和,YUV,之间的变换不包含在,JPEG,算法中,JPEG,算法处理单独的图像彩色分量,，因此可压缩来自不同颜色空间的数据，如,RGB,YCbCr, CMYK,5.1.3. JPEG,标准文档,标准名：,Information technology Digital compression and coding of continuous-tone still images (,信息技术,连续色调静态图像的数字压缩和编码,),6,5.1 JPEG,算法概要,(,续,4),ISO/IEC,ITU-T,各部分的功能,10918-1,(1994),Part 1,T.81,编码静态图像的基本标准,10918-2,(1995),Part 2,T.82,软件性能符合,Part 1,的测试,10918-3,(1997),Part 3,T.83,添加包括,SPIFF*,格式在内的扩展,10918-4,(1999),Part 4,T.84,定义注册扩展,JPEG,功能的参数的方法,14495-1(1998),T.87,数据无损压缩的标准,(JPEG-LS),表,5-1 JPEG,标准文档,7,5.2 JPEG,算法的主要计算步骤,JPEG,压缩编码算法的主要计算步骤,(1),正向离散余弦变换,(FDCT),(2),量化,(quantization),(3) Z,字形编码,(zigzag scan),。,(4),使用差分脉冲编码调制,(DPCM),对直流系数,(DC),进行编码,(5),使用行程长度编码,(RLE),对交流系数,(AC),进行编码,(6),熵编码,(entropy coding),8,5.2 JPEG,算法的主要计算步骤,(,续,1),5.2.1,离散余弦变换,(DCT),用余弦函数的离散值构成的变换矩阵对信号的一系列样本值进行运算的数学变换,可将能量集中到频率较低的系数上,将,分量图像分成,88,的图块,，如图,5-2,所示,图,5-2,离散余弦变换,9,在编码器色输入端，,8*8,的图像数据块，原始图像的采样精度为,p,位，是无符号整数，输入时把,【0,，,2,p-1,】,范围的无符号整数变成,【-2,p-1,，,2,p-1,-1】,范围的有符号整数，以此作为,离散余弦正变换,FDCT,（,forward DCT,）,的输入。,在解码端经过,离散余弦逆变换,IDCT,（,inverse DCT,）,后，得到一系列的,8*8,的图像数据块，需要将数值范围从,【-2,p-1,，,2,p-1,-1】,变回到,【0,，,2,p-1,】,，,来获得重构图像。,注：如果,FDCT,和,IDCT,变换计算精度足够高，且系数未经过量化，那么原始的,64,点信号能精确的恢复,10,5.2 JPEG,算法的主要计算步骤,(,续,2),8*8,像素点的,DCT,变换使用下式计算,逆变换使用下式计算,当,u,v,=0,；,其他,其中，,11,M*N,的矩阵,FDCT,变换公式,逆变换,12,DCT,示例：,矩阵,A= 1 2,3 4,求,DCT,变换,-1,-2 0,13,14,lena.bmp,原图矩阵,lena.bmp,DCT,矩阵,15,16,能量集中在第一个数值，矩阵的第一个为低频系数,-,主要值，后面的为高频分量,-,细节值,17,5.2 JPEG,算法的主要计算步骤,(,续,3),二维,DCT,的计算,将二维,DCT,变成一维,DCT,，如图,5-3,所示,实际的快速计算方法可参看参考文献,C.,Loeffler,当计算精度足够高时，,DCT,变换不会损失图像质量,图,5-3,二维,DCT,变换方法,18,5.2 JPEG,算法的主要计算步骤,(,续,4),5.2.2,量化,-,有损的,对,FDCT,变换后的,(,频率的,),系数进行量化,量化目的,是降低非“,0”,系数的幅度以及增加“,0”,值系数的数目,量化是造成图像质量下降的最主要原因,量化用下式计算,图,5-4,均匀量化器,四舍五入,DCT,系数,量化矩阵,注：通过心理视觉实验，来确定不同频率的视觉阈值，得到量化器的步长,19,5.2 JPEG,算法的主要计算步骤,(,续,5),量化步距,16,11,10,16,24,40,51,61,12,12,14,19,26,58,60,55,14,13,16,24,40,57,69,56,14,17,22,29,51,87,80,62,18,22,37,56,68,109,103,77,24,35,55,64,81,104,113,92,49,64,78,87,103,121,120,101,72,92,95,98,112,100,103,99,17,18,24,47,99,99,99,99,18,21,26,66,99,99,99,99,24,26,56,99,99,99,99,99,47,66,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,99,表,5-2,亮度量化表,表,5-3,色差量化表,按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值来确定的,人眼对,亮度信号,比对,色差信号,更敏感，亮度的区分比较细致,人眼对,低频分量,的图像比对,高频分量,的图像更敏感，因此表中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小,20,5.2 JPEG,算法的主要计算步骤,(,续,6),5.2.3 Z,字形编排,为增加连续的“,0”,值系数的个数，即,“,0”,的游程长度，如图,5-5,所示,DCT,系数的序号如图,5-6,所示，序号小的位置表示频率较低，把一个,8,8,的矩阵变成一个,1,64,的矢量,图,5-5,量化,DCT,系数的编排,图,5-6 DCT,系数序号,21,DC,系数,（直流分量）,-,能量一般较大，相邻的,8*8,块之间的,DC,系数有强的相关性，,JPEG,中对其采用,差分编码，,记录差值,DIFF=DC,j,-DC,j-1,AC,系数,（交流分量）,-63,个交流分量采用,Z,字形行程编码,22,5.2 JPEG,算法的主要计算步骤,(,续,7),5.2.4,熵编码,用于进一步压缩采用,DPCM,编码后的,DC,系数差值和,RLE,编码后的,AC,系数,将,DC,、,AC,系数用中间符号表示，中间符号由两个符号组成,由于,DC,系数和,AC,系数的统计特性不同，因此在熵编码时需要对,DC,系数和,AC,系数分别处理,用霍夫曼编码器,可用简单的查表,(lookup table),方法进行编码,霍夫曼编码器对出现频度比较高的符号分配比较短的代码，而对出现频度较低的符号分配比较长的代码,这种可变长度的霍夫曼码表可事先定义,23,（,1,）,DC,系数（书本,P67,）,1,、,DIFF=DC,j,-DC,j-1,，,得到差分的系数值,2,、生成中间符号,（,SSSS,，,DIFF,）,位数,s,可以表示的范围,【-2,s,+1,，,-2,s-1,】,，,【 2,s-1,，,2,s,-1 】,0,位和,1,位单独,3,、符号编码,位数,SSSS,的霍夫曼编码查表，（书,p68,页）,幅度,DIFF,用补码表示，正数时最高有效位为,1,，负数时最高有效位为,0,表示差值所需要的位数,起始值或差值,24,（,2,）,AC,系数（书本,P69,）,1,、生成中间符号,（,RRRR,SSSS,，,AC,幅度值）,RRRR,SSSS,用,R/S,表示,用,4,位表示,RRRR,的最大值为,2,4,-1=15,，如果出现连续的超过,15,个,0,时，用增加扩展符号表示 分别有,R/S=0/0-,-EOB,R/S=15/0=F/0,-ZRL,（表示有,16,个,0,）,2,、符号编码,R/S,的霍夫曼编码查表，（书,P70,页）,幅度,用补码表示，正数时最高有效位为,1,，负数时最高有效位为,0,表示,AC,值,所需要的位数,表示,0,的行程长度,25,幅度值如果是负数采用其补码来表示，也可以使用另一种方法，编码规则如下：,假设,幅度值,DIFF,用,S,位来表示，,如果,DIFF0,，附加位用其最低的,S,位表示,如果,DIFF0,，附加位用,DIFF-1,的补码的最低的,S,位表示（,或者也可以扣除符号位取反码,）,26,5.3 JPEG,压缩和编码举例,假设有一个,88,亮度图像块，在它之前的一个,88,图像块计算得到的,DC,系数值为,20,，整个编码过程如图,5-8,所示。说明如下,(1),在这个例子中，计算正向离散余弦变换,(FDCT),之前对源图像中的每个样本数据减去了,128,，在逆向离散余弦变换之后对重构图像中的每个样本数据加了,128,。,(2),经过,DCT,变换和量化之后的系数如图,5-8(f),所示,(3),经过,Z,字形排列后的系数为,15,，,0,，,-2,，,-1,，,-1,，,-1,，,0,，,0,，,-1,，,0,，,，,0,。,(4) DC,系数和,AC,系数的中间符号以及经过编码后的代码如下所示,27,系数的,Z,字形编码：,15,，,0,，,-2,，,-1,，,-1,，,-1,，,0,，,0,，,-1,，,00,28,5.3 JPEG,压缩和编码举例,(,续,),图,5-8 JPEG,压缩编码举例,235.6,-,1.0,-,12.1,-,5.20,2.1,-,1.7,-,2.7,1.3,-,22.6,-,18.5,-,6.2,-,3.2,-,2.9,-,0.1,0.4,-,1.2,-,10.9,-,9.3,-,1.6,1.5,0.2,-,0.9,-,0.6,-,0.1,-,7.1,-,1.9,0.2,1.5,0.9,-,0.1,0.0,0.3,-,0.6,-,0.8,1.5,1.6,-,0.1,-,0.7,0.6,1.3,1.8,-,0.2,-,1.6,-,0.3,-,0.8,1.5,1.0,-,1.0,-,1.3,-,0.4,-,0.3,-,1.5,-,0.5,1.7,1.1,-,0.8,-,2.6,1.6,-,3.8,-,1.8,1.9,1.2,-,0.6,-,0.4,240,0,-,10,0,0,0,0,0,-,24,-,12,0,0,0,0,0,0,-,14,-,13,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,15,0,-,1,0,0,0,0,0,-,2,-,1,0,0,0,0,0,0,-,1,-,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,144,146,149,152,154,156,156,156,148,150,152,154,156,156,156,156,155,156,157,158,158,157,156,155,160,161,161,162,161,159,157,155,163,163,164,163,162,160,158,156,163,164,164,164,162,160,158,157,160,161,162,162,162,161,159,158,158,159,161,161,162,161,159,158,16,11,10,16,24,40,51,61,12,12,14,19,26,58,60,55,14,13,16,24,40,57,69,56,14,17,22,29,51,87,80,62,18,22,37,56,68,109,103,77,24,35,55,64,81,104,113,92,49,64,78,87,103,121,120,101,72,92,95,98,112,100,103,99,(,a,),源图像样本,(,b,),重构图像样本,(,c,),FDCT,系数,(,d,),逆量化后的系数,亮度量化值表,(,e,),规格化量化系数,15,0,-,1,0,0,0,0,0,-,2,-,1,0,0,0,0,0,0,-,1,-,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,(,f,),规格化量化系数,熵编码,存,储,或,传,输,IDCT,加,128,(,),Fuv,(,),fij,(,),(,)(),(,),Fuv,Fuvround,Quv,=,(,),Fuv,(,),Fuv,(,)(,)*(,),FuvFuvQuv,=,对应矩阵元素相乘,对应矩阵元素相除,(,),Fuv,(,),fij,中,间,符,号,:,(,3,-,5,),(,1,/,2,，,-,2,),(,0,/,1,，,-,1,),(,0,/,1,，,-,1,),(,0,/,1,，,-,1,),(,2,/,1,，,-,1,),(,0,/,0,),编,码,输,出,：,1,0,0,0,1,0,1,1,0,1,1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,0,1,0,1,0,139,144,149,153,155,155,155,155,144,151,153,156,159,156,156,156,150,155,160,163,158,156,156,156,159,161,162,160,160,159,159,159,159,160,161,162,162,155,155,155,161,161,161,161,160,157,157,157,162,162,161,163,162,157,157,157,162,162,161,161,163,158,158,158,熵解码,FDCT,减,128,29,5.4 JPEG,文件格式,JPEG,格式,广泛使用的,JPEG,文件格式是,JPEG,文件交换格式,(,JPEG File Interchange Format,，,JFIF),，,由于,JFIF,文件格式直接使用,JPEG,标准为应用程序定义的许多标记，,因此,JFIF,格式就成了事实上的,JPEG,文件交换格式标准,颜色空间,ITU-R BT.601,YCbCr,每个用,8,位表示，一个亮度，,2,个色度,30,5.5 JPEG 2000,简介,5.5.1 JPEG 2000,是什么,开发工作始于,1996,年,1,月，,其目标是增强对连续色调图像的压缩效率、管理和传输，而又不使图像质量有明显的损失,使用小波技术提高压缩比，,用户可控制图像的分辨率，,用在网络上传输时可按照用户要求下载各种分辨率的图像。此外，该标准,可提供无损压缩,的图像，在文档中可提供更多的颜色信息,31,5.5 JPEG 2000,简介,(,续,1),5.5.2 JPEG 2000,的基本结构,JPEG 2000,编码器的方框图如图,5-9(a),所示。首先对源图像数据进行变换，再对变换的系数进行量化，然后在形成代码流,(,codestream,),或称位流,(,bitstream,),之前进行熵,(entropy),编码。,解码器与编码器正好相反，如图,5-9(b),所示。首先对码流进行熵解码，然后进行逆量化和逆向变换，最后重构图像,32,5.5 JPEG 2000,简介,(,续,2),图,5-9 JPEG 2000,的基本结构,33,5.5 JPEG 2000,简介,(,续,3),5.5.3 JPEG 2000,的主要功能,与过去的图像压缩标准相比，,JPEG 2000,标准既,提高了性能又增加了功能,。在相同质量的前提下与,JPEG,标准相比，,JPEG 2000,标准的压缩比可提高,20%,以上,JPEG 2000,能实现渐进传输,，可先传输低分辨率的图像或图像的轮廓，然后逐步传输其他数据，不断提高图像质量，以满足用户的需要,支持兴趣区,(region of interest, ROI),的编码,可指定感兴趣的图像区域，在压缩时对这些图像区指定特定的压缩质量，这给用户带来了极大的方便。例如，在有些情况下图像中只有一小块区域对用户是有用的，对这些区域采用低压缩比，而其他区域采用高压缩比，在保证不丢失重要信息的同时能有效地压缩数据量,34,课堂作业,假设有一个,8*8,的亮度图像块，其前,2,个,8*8,图像块的,DC,系数为,27,，,32,，该图块规格化后的量化系数表为，求其中间符号输出,26,0,4,0,0,0,0,0,6,-5,-2,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,35,