数字图像处理ppt

DigitalImageProcessing◆6.1概述◆6.2图像编码的基本理论◆6.3无损压缩编码◆6.4限失真编码◆6.5二值图像编码（不要求）◆6.6小波变换及在图像压缩编码中的应用◆6.7图像压缩国际标准简介（自学）第6章图像压缩编码DigitalImageProcessing◘图像压缩的必要性图像作为信息的重要表现形式，其具有数据量大、带宽宽等特点。一方面：需要增加信道，但这很有限，因为信道的增加永远赶不上信息的爆炸式增长，况且还要受到环境的限制。另一方面：必须减少表示图像的数据量，以达到压缩图像数据的目的。6.1概述DigitalImageProcessing◘图像压缩的可能性▓空间上的冗余：相邻像素或者序列相邻帧间有较大的相关性；▓人的视觉特性：人眼的分辨率非常有限；▓去除数字图像中的冗余，来减少数据量。◘图像压缩编码的概念▓图像数据的压缩和编码表示。▓图像压缩编码系统：（1）图像编码:对图像信息进行压缩和编码，在存储、处理和传输前进行，也称图像压缩；（2）图像解码：对压缩图像进行解压以重建原图像或其近似图像。6.1概述DigitalImageProcessing◘图像压缩方法分类▓按压缩前及解压后的信息保持程度和方法的原理来分类：1．按照压缩前及解压后的信息保持程度分成三类：（1）信息保持（存）型压缩、解压中无信息损失，主要用于图像存档，其特点是信息无失真，但压缩比有限，也称无失真/无损/可逆型编码。（2）信息损失型牺牲部分信息，来获取高压缩比。数字电视、图像传输和多媒体等应用场合常用这类压缩，其特点是通过忽略人的视觉不敏感的次要信息来提高压缩比，也称有损压缩。（3）特征抽取型仅对于实际需要的（提取）特征信息进行编码，而丢掉其它非特征信息，属于信息损失型。这里的第三类是针对特殊的应用场合，因此，一般就将图像压缩编码分成无损和有损两大类。6.1概述DigitalImageProcessing6.1概述2．按照图像压缩的方法原理可分成四类：（1）像素编码编码时只对每个像素单独处理。如脉冲编码调制、熵编码、行程编码等。（2）预测编码通过去除相邻像素之间的相关性和冗余性，只对新的信息进行编码。常用的有差分脉冲编码调制。（3）变换编码对给定图像采用某种变换，使得大量的信息能用较少的数据来表示。通常采用的变换包括：离散傅立叶变换(DFT），离散余弦变换(DCT)和离散小波变换(DWT)等。（4）其它方法早期的编码，如混合编码(hybridcoding)、矢量量化(vectorquartzite,VQ)、LZW算法。近些年来也出现了很多新的压缩编码方法，如使用人工神经元网络(artificialneuralnetwork,ANN)的压缩编码算法、分形(Fractal)、小波(Wavelet)、基于对象(ObjectBased)的压缩编码算法、基于模型(Model-Based)的压缩编码算法等。DigitalImageProcessing◘数据冗余▓概念代表无用信息或重复表示了其它数据已经表示过的信息的数据称为数据冗余。常用压缩比和冗余度表示。设和代表用来表示相同信息的两个数据的容量,那么压缩比可以定义为是压缩前的数据量，是压缩后的数据量。用表示的相对冗余度（即相对于）可以定义为：6.2图像编码的基本理论12RnCn12111RnnDCnR1n2n1n2n1n1n2nDigitalImageProcessing其中，的取值范围为(0,∞)，的取值范围为(-∞,1)。①当时,,,相对于不包含冗余。②当时,表示几乎100％的压缩和几乎全部的冗余。③当时，表示没有压缩，反而是几乎100％的放大。数据冗余主要有三种：编码冗余、像素间冗余和心理视觉冗余，减少或消除了其中的一种或多种时，就实现了图像的压缩。6.2图像编码的基本理论DRRC21nn1RC0DR1n2n21nn,1,RDCR21nn0,,RDCRDigitalImageProcessing6.2图像编码的基本理论◘编码冗余对于给定图像其数据量就已确定，即完全确定。因此，图像压缩后的数据量就决定了压缩比。其中表示图像像素个数，是平均码字长。由此引入如下几个概念：(1)码字：信息编码中每个符号的二进制编码值。(2)码字长：码字的长度，即其二进制编码值的位数，也就是比特数。(3)平均码字长:每个像素所需的平均比特数。若设图像的灰度级为k，则k出现的概率为:这里L是灰度级数，是第k个灰度级在图像中出现的次数，n是图像的总像素个数。1n2n2avgnLnnavgL,0,1,...,1knPkLknknDigitalImageProcessing▓若每个灰度级k的编码长度为l(k)，则平均码字长为：（4）自然编码：每个灰度级（或每个像素）均用m位的二进制码表示，也称等长编码，此时（5）变长（不等长）编码：对于图像中的不同灰度级采用不同长度的码字表示。此时（6）编码冗余：不同的编码方法可能会有不同的，由此引出两种编码冗余。①相对编码冗余：大的编码相对于小的编码就存在相对编码冗余。②绝对编码冗余：使的编码就存在绝对编码冗余。6.2图像编码的基本理论10()()LavgkLlkPk()avgLlkmavgLmavgLavgLavgLminavgLLDigitalImageProcessing◘像素间的冗余由于像素间存在相关性，那么对于任一给定的像素值，原理上都可以通过它的相邻像素值预测得到。这就带来了像素间的冗余。◘心理视觉冗余人观察图像是基于目标物特征而不是像素，这就使得某些信息显得不重要，可以忽略，表示这些可忽略信息的数据就称为心理视觉冗余。去掉心理视觉冗余的过程称为量化，是信息损失型。第二代编码方法即基于心理视觉冗余，电视广播中的隔行扫描就是常见的例子。6.2图像编码的基本理论DigitalImageProcessing[例6.1]变长编码与自然编码的对比：6.2图像编码的基本理论灰度级k直方图P(k)码字码字长自然编码变长编码自然编码变长编码00.19000003210.25001013220.21010103230.160111103340.0810011103450.06101111103560.031101111103670.0211111111136其中自然编码的平均码字长为3，采用表中所示变长编码的平均码字长就减少为：70()()20.1920.2520.2130.1640.0850.0660.0360.022.7avgkLlkPk比特/像素这个例子说明变长编码是用尽量少的比特数来表达尽可能多的灰度级以实现数据的压缩。DigitalImageProcessing◘图像编码解码模型▓信息传输系统模型图6.2.1信息传输系统模型上图给出了一个信息传输系统的模型，它主要由三部分组成（图中的三个虚线框），即编码器、解码器和信号传输。6.2图像编码的基本理论信源信源编码信道编码调制信道传输解调噪声、干扰信宿信源解码信道解码输入输出编码器解码器信号传输DigitalImageProcessing6.2图像编码的基本理论▓图像编解码模型图6.2.2图像编解码模型（a）信源编码器；（b）信源解码器▓变换器对输入数据进行转换，以改变数据的描述形式，减少或消除像素间的冗余（可逆）。▓量化器：根据给定的保真度准则降低变换器输出的精度，以进一步减少心理视觉冗余（不可逆）。),(nmf变换器量化器符号编码器信道信道符号解码器反变换器),(nmg)(a)(bDigitalImageProcessing6.2图像编码的基本理论◘保真度准则对图像的失真程度或质量进行评价，以便将图像失真限制在给定的范围内。▓客观保真度准则将信息损失的多少，表示为原始图像与压缩后又解压缩得到的重建图像的函数，就称为客观保真度准则。通常以均方根误差、均方根信噪比和峰值信噪比三种形式来表示。（1）均方根（RMS）误差若原图像为f(m,n)，压缩又解压后的图像为g(m,n)，则误差图像为：(,)(,)(,)emngmnfmnDigitalImageProcessing6.2图像编码的基本理论均方根（RMS）误差为：（2）均方根信噪比令，即把重建图像g(m,n)和输入图像f(m,n)之间的误差看作是噪声，将重建图像信噪比SNR作为保真度准则，即1111112222110000,,,MNMNrmsMNMNmnmneemngmnfmnrmsSNR111111222200001111220000,,,,,MNMNmnmnrmsMNMNmnmnfmnfmnSNRemngmnfmn(,)(,)(,)(,)(,)gmnfmnmnfmnemnDigitalImageProcessing6.2图像编码的基本理论实际中使用时常将SNR归一化并用分贝（dB）表示，即，其中，为图像平均值。1120021100(,)10lg(,)(,)MNmnMNmnfmnfSNRgmnfmnf11001(,)MNmnffmnMN（3）峰值信噪比如果令那么峰值信噪比为：对于常见的256级灰度图像，＝255。maxmax(,);0,1,,1;0,1,,1ffmnmMnN2max21110010lg(,)(,)MNMNmnfPSNRgmnfmnmaxfDigitalImageProcessing▓主观保真度准则对于最终作为人的视觉感受使用的视觉图像，一般也采用主观保真度准则进行主观评价，包括综合评价法和成对比较打分法。（1）综合评价法不同的观察者对给出的图像进行评价，然后将评价结果加以平均，作为综合评价的结果。表6.2.2电视图像质量评价表6.2图像编码的基本理论评分评价说明5优秀图像质量非常好，如同人想象出的最好质量4良好图像质量高，观看舒服，有干扰但不影响观看3可用图像质量可接受，有干扰但不太影响观看2刚可用图像质量差，干扰有些妨碍观看，希望改进1差图像质量很差，妨碍观看的干扰始终存在，几乎无法观看0不能用图像质量极差，不能使用DigitalImageProcessing（2）成对比较打分法可以按照某种相对的尺度对f(m,n)和g(m,n)进行比较打分，从而获得相对的质量分。比如，可以用{-3，-2，-1，0，1，2，3}来表示主观评价{很差，较差，稍差，相同、稍好、较好、很好}。6.2图像编码的基本理论DigitalImageProcessing◘无损压缩在压缩后不丢失信息，即对图像的压缩编码解码后可以不失真地恢复原图像。我们把这种压缩编码称为无损压缩编码，简称无损编码，或称无失真编码、信息保持编码或熵保持编码。▓信息量一个信息若能传达给我们许多原来未知的内容，我们就认为这个信息很有意义，信息量大；反之，一个信息传达给我们的是已经确知的东西，则这个传达就失去了意义，信息量就为零。所以，信息论中关于信息量是按该信息所传达的事件的随机性来度量的。6.3无损压缩编码DigitalImageProcessing6.3无损压缩编码如果某随机事x出现的概率为P(x)，则此事件包含的信息量为若a=2，则信息量单位为比特（binaryunit，bit），即若a=e,则为奈特（natureunit，nat）；若a=10，则为哈特（hart，以纪念hartley）。一般以2为底取对数，由此定义的信息量等于描述该信息所用的最少二进制位数。1()()loglog()aaPxIxPx2()log()IxPxDigitalImageProcessing▓信源的熵图6.3.1一个简单的信息系统模型信息的来源称