数字电视技术-第4章--图像压缩编码0课件

通信工程系,*,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,*,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,*,通信工程系,*,第四章 图像压缩编码,数字电视技术,第四章 图像压缩编码 数字电视技术,通信工程系,2,2024/11/20,4.1,图像压缩编码概述,图像,压缩编码,技术是学习数字电视的重点内容,为什么要进行图像压缩？（图像压缩的目的）,一路彩色,DVD,电视未经压缩时的数据量为：,Y 13.5MHz8bit=108Mb/s,U 6.75MHz8bit=54Mb/s,V 6.75MHz8bit=54Mb/s,合计,=216Mb/s,图像信号是有必要也有可能被压缩。,通信工程系22023/8/64.1图像压缩编码概述,通信工程系,3,2024/11/20,4.1.1,图像数据压缩基理,1.,图像数据压缩基理主要来自两个方面：,1),图像信号中存在大量,冗余度,可供压缩，且这种冗余度在解码后还可,无失真,地恢复；,2),利用人的,视觉特性,，在,不被主观视觉察觉,的容限内，通过减少表示信号的精度，以,一定的客观失真,换取数据压缩。,通信工程系32023/8/64.1.1 图像数据压缩基理1.,通信工程系,4,2024/11/20,4.1.1,图像数据压缩基理,2.,图像信号的,冗余度,图像信号的冗余度存在于,结构,和,统计,两方面。,图像信号的,结构冗余度,图像信号结构上的冗余度表现为很强的,空间,(,帧内的,),和,时间,(,帧间的,),相关性,帧内相邻点的相关性,帧间相邻点的相关性,通信工程系42023/8/64.1.1 图像数据压缩基理2.,通信工程系,5,2024/11/20,4.1.1,图像数据压缩基理,图像信号帧内相关性,8,倍,通信工程系52023/8/64.1.1 图像数据压缩基理图像,通信工程系,6,2024/11/20,4.1.1,图像数据压缩基理,信号统计上的冗余度来源于,被编码信号概率密度分布的不均匀,预测编码,：不直接传送图像信号，而传送图象信号之间的,差值,。这种差值呈,拉普拉斯分布,。,通信工程系62023/8/64.1.1 图像数据压缩基理信号,通信工程系,7,2024/11/20,4.1.1,图像数据压缩基理,预测编码时，,出现概率高的预测误差信号,(0,及小误差,),短码,，,出现概率低的大预测误差,长码,，,使总的平均码长要比用固定码长编码短很多。,通信工程系72023/8/64.1.1 图像数据压缩基理预测,通信工程系,8,2024/11/20,4.1.1,图像数据压缩基理,3.,利用人眼的视觉特性进行压缩,人眼对图像的,细节分辨率,、,运动分辨率,和,对比度分辨率,都有一定的限度,通信工程系82023/8/64.1.1 图像数据压缩基理3.,通信工程系,9,2024/11/20,4.1.2,图像编码过程,图像编码过程分三步完成,:,映射,：即变换一下描写信号的方式。,目的：去除相关性，降低图像的结构冗余度。,量化,：在满足对图像质量一定要求的前提下，减小表示信号的精度,目的：利用人眼主观视觉特性压缩图像,统计编码,目的：消除图像的统计冗余度。,通信工程系92023/8/64.1.2 图像编码过程图像编码,通信工程系,10,2024/11/20,4.1.2,图像编码过程,信号映射和统计编码是可逆的过程，而量化是不可逆的。,当不加入量化时，通过解码端的反映射和统计解码可无失真地恢复原始信号；加入量化后，整个编解码过程造成的失真完全由量化引起。,通信工程系102023/8/64.1.2 图像编码过程,通信工程系,11,2024/11/20,4.1.3,图像编码算法的分类,1.,传统的图像编码技术,空间和时间子抽样编码,预测编码,变换编码,熵编码,矢量量化,子带编码,混合编码方案,（,MPEG-1,，,MPEG-2,）,空间和时间子抽样,统计编码,基于运动估计和补偿的,DPCM,游程长度编码,二维,DCT,通信工程系112023/8/64.1.3 图像编码算法的分类,通信工程系,12,2024/11/20,4.1.3,图像编码算法的分类,2.,新一代编码压缩算法,模型基编码,分形编码,小波变换编码,神经网络编码,通信工程系122023/8/64.1.3 图像编码算法的分类,通信工程系,13,2024/11/20,4.1.3,图像编码算法的分类,3.,总结（,1,）,无损压缩,方法仅仅删除图像数据中的冗余信息，回放压缩文件时，能够准确无误地恢复原始数据。它可分为两大类,:,基于统计概率的方法,和,基于字典方法,。,通信工程系132023/8/64.1.3 图像编码算法的分类,通信工程系,14,2024/11/20,基于统计概率的方法,基于统计概率的方法是依据信息论中的变长编码定理和信息熵的有关知识，用较短代码代表出现概率大的符号，用较长代码代表出现概率小的符号，而实现的数据压缩。,统计概率编码方法中最有代表性的是霍夫曼,(Huffman),编码方法，它根据概率分布大小进行一一对应地编码。在,H.264,标准中，采用了基于上下文自适应变字长编码，压缩效率得到了进一步提高。另外，算术编码也是一种利用概率分布特性的编码方法。算术编码是利用字符序列而不是单个字符进行编码，其效率比,Huffman,编码方法高。,通信工程系142023/8/6基于统计概率的方法 基于统,通信工程系,15,2024/11/20,基于字典的方法,基于字典的方法的数据压缩有两种：,一种是,游程编码,(Runing Length Coding,，,RLC),，在,MPEG,标准中使用,;,另一种是,LZW,(Lampel,、,Ziv,、,Welch,，三个人名,),编码,。采用,LZW,编码时，可将数据文件生成特定字符序列的表以及它们对应的代码。,LZW,编码对二值图像可以得到非常显著的压缩效果，但对灰度图像压缩效果不显著，其压缩比一般在,11.513,以内。,通信工程系152023/8/6基于字典的方法基于字典的方,通信工程系,16,2024/11/20,4.1.3,图像编码算法的分类,3.,总结（,2,）,有损压缩,算法靠丢掉大量冗余信息来降低数字图像所占的空间，回放时也不能完整地恢复原始图像，而将有选择地损失一些细节，损失多少信息由需要多高的压缩率决定。,通信工程系162023/8/64.1.3 图像编码算法的分类,通信工程系,17,2024/11/20,有损压缩最常用的方法是,空间,和,时间亚抽样编码,。,在某些,(,如,VCD,和电视电话等,),应用中，高分辨率不是必需的。这时，我们可以使用空间和时间亚抽样来降低数据速率。在编码器中，从,每几个像素中选择一个像素,，,从一帧的两场中取一场,，或,从每几帧中选择一帧,，然后加以传输。在译码器中，可根据接收的像素和帧内插丢失的像素、场和帧，再生出分辨率较低的原始视频序列。,如果,像素是由色度和亮度分量,表示的，那么可以以较高的比率,(,如,21,或,41),对色度分量进行亚抽样，量化更粗略一些，这是因为人眼对色度分量的高频分量敏感性较低。,通信工程系172023/8/6有损压缩最常用的方法是空间,通信工程系,18,2024/11/20,4.1.3,图像编码算法的分类,通信工程系182023/8/64.1.3 图像编码算法的分类,通信工程系,19,2024/11/20,4.1.3,图像编码算法的分类,通信工程系192023/8/64.1.3 图像编码算法的分类,通信工程系,20,2024/11/20,4.1.4,图像编码压缩比,由于压缩技术层出不穷，图像编码的压缩比不断提高，它遵循,Musmann,定律,。,Musmann,定律是以德国著名图像专家,Musmann,教授命名的。,通信工程系202023/8/64.1.4 图像编码压缩比,通信工程系,21,2024/11/20,2006,年,4,月，,Musmann,教授在北京主持了“图像编码的过去与未来”专题讨论会，并首先发言，对图像编码压缩技术的过去几十年工作作了总结，他认为广播质量的视频编码的压缩比大约每,5,年翻一番，被公认为,Musmann,定律。,通信工程系212023/8/6 2006年4,通信工程系,22,2024/11/20,4.2,熵编码,熵编码的,基本原理,：给出现概率较大的符号一个短码字，而给出现概率较小的符号一个长码字,熵编码的目的：,使得最终的平均码长最短,常用的熵编码方法：,游程编码,RLE(run-length coding),Huffman,编码,算术编码,通信工程系222023/8/64.2 熵编码熵编码的基本原理,通信工程系,23,2024/11/20,游程编码,主要用于量化后出现大量零系数的情形，利用游程来表示连零码，以降低为表示零码所用的数据量。,算术编码,是,20,世纪,80,年代发展起来的一种熵编码方法，它已渐渐受到人们的注意。它的基本原理是，任何一个数据序列均可表示成,0,和,1,之间的一个间隔，该间隔的位置与输入数据的概率分布有关。有关的实验数据表明，在未知信源概率分布的大部分情形下，算术编码要优于,Huffman,编码。,通信工程系232023/8/6算术编码是20世纪80年代,通信工程系,24,2024/11/20,4.2.1,前缀码,设有一个由,K,个信源符号,(,以下简称符号,),组成的离散、无记忆符号集,:,其中每一符号通过一个二进制码字,(,代码,),表示，但,字长不等,。各符号出现的概率分别为,:,若符号 以 个码元,(,位,),编码，则在变字长编码时编码每个符号的,平均码长,为,通信工程系242023/8/64.2.1 前缀码设有一个由,通信工程系,25,2024/11/20,4.2.1,前缀码,编码要求：,编码必须是,单译,和,可逆,的,编码的,平均码长最短,码,III,是,前缀码,:,0111100,可以唯一地解码为,a,1,a,4,a,2,a,1,通信工程系252023/8/64.2.1 前缀码编码要求：,通信工程系,26,2024/11/20,4.2.1,前缀码,前缀码的定义,:,在码表中没有码字与任何一个比它长的码字的前缀,(,码头,),相同，,即,不存在能在短码字后面续加若干码元构成的长码字,，所以前缀码又称,非续长码,。,前缀码的码树,:,通信工程系262023/8/64.2.1 前缀码前缀码的定义,通信工程系,27,2024/11/20,码树的每一个节点有两个分枝，分别以二进制的两个码元符号“,0”,和“,1”,表示；,一个前缀码的码树应遵守这样的规定：,1,）,信源符号只能以,端点,表示，不能以节点表示；,2,）,分配给每个符号的码字可以由码树得到，它们由沿着从码树的根出发到该符号对应端点的路径连续遇到的码元顺序排列而成。,通信工程系272023/8/6码树的每一个节点有两个分枝，分,通信工程系,28,2024/11/20,码,也是单译可逆的，但它不是前缀码。这种码每一个码字都以“,0”,开头，不满足前缀码的要求。,比较码,和码,可以看到码,的平均码长比码,长。,作为对比，,码,给出定长码,。为了编码,a,1,、,a,2,、,a,3,、,a,4,4,个符号，定长码的码长是,2 bit,，而采用码,的平均码长，是,1.75 bit,，要比定长码节省,0.25 bit/,符号。,通信工程系282023/8/6 作为对比，码给出定长,通信工程系,29,2024/11/20,4.2.2,离散无记忆信源的信息量,离散无记忆信源,离散：信源产生信号是不连续的，某一时刻只产生一个符号,无记忆：某符号在某时刻出现的概率与在此之前信源的状态无关,符号,a,k,的信息量,I,(,a,k,),单位为,bit,p,(,a,k,),为,a,k,出现的概率,通信工程系292023/8/64.2.2 离散无记忆信源的信,通信工程系,30,2024/11/20,4.2.2,离