数字图像处理(冈萨雷斯)-8 图像和视频的压缩标准共28页文档

这是一幅pgm格式的彩色照片
这是pgm格式彩色照片16进 位制部分代码。原代码是不 分行的字符串。这里写成分 行的形式 (注意：LF=换行； SP=空格； #=注解行)：
0x50 0x35 0x0A 表示P5 (LF);
0x23 0x20 0x20 0x49 …0x0A 表示#(SP)(SP)I…(LF) ;
0x36 0x34 0x30 0x20 0x34
0x38 0x30 0x0A 表示640(SP)480(LF);
0x32 0x35 0x35 0x0A ………………………………… 表示255(LF) ………………………………… 0x27 0x27 …
表示23, 23,…(像素灰度值)
这幅图象文件的解码:
图像理解 符号
抽 象 程 度
数
图像分析 数据
据
量
图像处理 图像
1.1.3 相关学科和领域
• 图象工程是一门系统地研究各种图象理论、技术和应用的 交叉学科。 从它的研究方法看，它与数学、物理学、生物学、心 理学、电子学、计算机科学可以互相借鉴，从它的研究范 围看，它与模式识别、计算机视觉、计算机图形学等学科 交叉。
bmp(Bitmap)格式
• BMP(Bitmap-File)图形文件是Windows采用的图形文件格 式，在Windows环境下运行的所有图象处理软件都支持 BMP图象文件格式。Windows系统内部各图像绘制操作都 是以BMP为基础的。
图象文件的数据结构
一个完整的图象处理程序的基本功能有:打开图象文件、 显示图象、对图象文件进行指定的处理、存储图象文件。 由于图象文件比较大，通常需要在储存前进行压缩。所以 打开和存储图象文件涉及到文件的格式。
• 图象文件的格式 图像文件指包含图像数据的文件。文件内除图像数据本身 以外，一般还有图像的描述信息，以便图像的读取和显示。 表示图像常用矢量形式或光栅形式。 矢量形式中图像用一系列线段或线段的组合体来表示， 线段的灰度可以不同，组合体的各部分可用不同的灰度来 填充。矢量形式文件中有一系列的命令和数据，执行的结 果是画出图像来。

y
y
x
彩色图像可以用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来表示。 通常，三元组的每个数值也是在0到255之间，0表示相应 的基色在该像素中没有，而255则代表相应的基色在该像 素中取得最大值
数字图像的像素表示
什么是像素？
数字图像由二维的元素组成，每一个元素具有一个 特定的位置（x,y）和幅值f(x,y),这些元素就称为像素
考试内容
平时作业50%，考试成绩50% 平时作业选择下列两个之一：
分组完成一个大作业 其（基本概念、原理和算法）
助教老师
曹磊 E_mail: caolei@ 电 话：82529384
注意：有不懂的地方多问助教老师，充分发挥助教老师的 指导作用
上课主要内容（续）
9. 图像压缩（2） 10. 形态学图像处理 11. 图像分割 12. 表示与描述 13. 基于内容的视频分析和检索技术（补充） 14. 考试复习
课程目的与要求
掌握数字图像处理的基本概念、原理和 方法
初步运用所学知识解决实际问题 为图像处理及相关领域的研究打下基础
图像处理 计算机视觉 基于内容的图像、视频检索 人脸识别、指纹识别、掌纹识别、虹膜识别 图像分类、图像和视频的语义概念检测、……
Rafael C. Gonzalez, Richard E. Woods， Digital Image Processing(Second Edition) ，Prentice Hall，2003。
教材及参考书（续）
参考书
Kenneth R. Castleman著，朱志刚、林学訚、石定 机等译，数字图像处理，电子工业出版社，2002年。 章毓晋，图象工程上册—图象处理和分析，清华大 学出版社，2003年。

• G3和G4
–这两个标准是由CCITT的两个小组负责制定的，最初是CCITT为传真应 用而设计的。G3采用了非自适应、1-D行程编码技术，对每组N行扫描 线中的后N-1行也可使用2-D行程编码。G4是G3的一种简化版，其中只 使用2-D行程编码。G3与G4所用的2-D非自适应编码方式与RAC（相对 地址编码）很相似。 –G3的压缩率一般为15：1, G4的压缩率一般比G3高1倍
如果处理的是彩色图像，JPEG算法首先将RGB分量转化成亮度分量和色差
分量，同时丢失一半的色彩信息(空间分辨率减半)。然后，用离散余弦 变换来进行变换编码，舍弃高频的系数，并对余下的系数进行量化，以
进一步减小数据量。最后，使用行程长度编码和Huffman编码来完成压缩
任务。JPEG解压缩过程就是JPEG压缩过程的逆过程，这使得算法具有对 称性。
ˆ fn
8.6.3视频压缩标准
熵编码
编码输出帧
运动补偿
帧间 预测器
• I 帧(Intra-picture)
用静止图像压缩方法进行压缩的独 立编码帧（压缩了的参考帧）; 是P帧和B帧的参考点； 和JEPG编码图像高度相似；
• 向前预测
前一帧 当前帧
• P帧(Predicted-picture):通过向
前预测得到的误差编码帧;
• 双向预测
前一帧 当前帧 下一帧
• B帧(Bidirectional-picture):通
过双向预测得到的误差编码帧。因图 像序列存放在存储器中，可以使用下 一帧。
8.6.3视频压缩标准
MPEG帧的显示顺序（按实际出现顺序排列的 ）：
MPEG 的画面组(GOP)

第8章 图像压缩
8.1 基本概念 8.2 图像压缩模型 8.3 信息论基础 8.4 无损压缩

•表示不同的信息符号； •B2码代表每一延续比特位后有2个 信息位；
a 11 a 2 a 7
1 01
0 00 0 10
a 11 a 2 a 7
或者
0 01 0 10
1 00 1 10 0 01
1 01 1 10
B编码
a1 a5 a8
B 1码 ： 0 0
C 代 表 延 续 比 特 ， 取 “ 0” 或 “ 1”
用自然二进制编码需3位，所以用S3
C5
100
C2
001
C3
010
C4
011
C6
101
C7
110
C8
111
C 1 ~ C 7分 配 给 符 号 a1 ~ a 7
， C 8作 为 移 位 符 号
表8.5中的霍夫曼平移码可以类似获得。 只是基准块的7个单独符号 a 1 ~ a 7 用huffman编码；
a 8 ~ a 2 1 所有概率相加，得0.39，移位符号是具有最大概

无损压缩的压缩率一般为2～10 无误差压缩技术
①减少像素间冗余:
建立一种可替代的图像表达方式 ②减少编码冗余: 对这种表达方式进行编码
变长编码

霍夫曼(Huffman)编码 其它变长编码 算术编码


LZW编码
位平面编码
无损预测编码
8.4.1 变长编码
8.4 无损压缩
无误差图像压缩的最简单方法就是减少仅有的编
o a1 o p1
o a2 o p2
为止；
8.4.1
变长编码
（一）霍夫曼编码信源化简
大
大
大
大
小

31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
数字图像处理课件(冈萨雷斯第三版) 精编版
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯

SNRms

x0 M 1 N 1
y0
[ fˆ (x, y) f (x, y)]2
x0 y0
电视图像的等级量表
图像压缩系统的模型
1. 图像f(x,y)输入到编码器(Encoder)中，编码器可以根 据输入数据生成一组符号
2. 通过信道(Channel)进行传输 3. 编码后的表达符号送入解码器(Decoder)，经过重构
就生成了输出图像 fˆ ( x, y)
信息量与熵(Entropy)
•中某国个举事重件队x的夺信得息奥量运I用冠事军件发！生概率p(x)的倒数的对数表 中示国男子足球队勇夺奥运冠军！！！
I ( x) log 1 log p( x) p( x)
• 对数以2底时，信息量表示记录信息所用的最小位 数
无误差压缩之一：变长编码
• 码字长度是变化的、不均匀的 • 出现概率较大的信源符号 → 较短的字长 • 出现概率小的信源符号 → 较长的字长
霍夫曼(Huffman)编码
• Huffman编码完全依据信源字符出现的 概率进行编码
• Huffman编码有时也称为最佳编码
Huffman编码用不同码字代表 不同灰度，并非量化灰度值
首先，将信源符号按出现频率由大到小排列
符号 出现概率
• 按压缩过程的可逆性分类： 1) 无误差压缩： 去除原数据中的重复和冗余部分，不丢失任何有用信息 还原后与压缩前的原数据完全一致，又称无失真编码 主要用于文本、程序文件，不允许出现任何数据失真 2) 有误差压缩： 不可逆，损失部分信息，又称率失真编码或限失真编码 丢弃信息造成的失真应限制在规定范围内 主要用于图像和语音数据的压缩
• 能够产生信息的事物称为信源

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2、灰度变换法

照片或电子方法得到的图像，常表现出低对比 度即整个图像偏亮或偏暗，为此需要对图像中 的每一像素的灰度级进行灰度变换，扩大图像 灰度范围，以达到改善图像质量的目的。
这一灰度调整过程可用imadjust( )函数实现。

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3、平滑滤波

平滑技术用于平滑图像中的噪声，基本采用在 空间域上的求平均值或中值。或在频域上采取 低通滤波，因在灰度连续变化的图像中，我们 通常认为与相邻像素灰度相差很大的突变点为 噪声点，灰度突变代表了一种高频分量，低通 滤波则可以削弱图像的高频成分，平滑了图像 信号，但也可能使图像目标区域的边界变得模 糊。
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四、图像增强功能
图像增强是数字图像处理过程中常用的 一种方法，目的是采用一系列技术去改 善图像的视觉效果或将图像转换成一种 更适合于人眼观察和机器自动分析的形 式。
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图像增强方法

灰度直方图均衡化。
灰度变换法。 平滑与锐化滤波。


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3、灰度图像平滑与锐化处理(cont.)
“board_new.bmp”的 灰度化图像（原图）
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采用自适应滤波平滑
利用拉氏算子卷积锐化
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一、图像直方图 灰度直方图描述了一副图像的灰度级统计信息，主要应用于图像分 割和图像灰度变换等处理过程中。从数学角度来说，图像直方图描述图 像各个灰度级的统计特性，它是图像灰度值的函数，统计一幅图像中各 个灰度级出现的次数或概率。归一化直方图可以直接反映不同灰度级出 现的比率。横坐标为图像中各个像素点的灰度级别，纵坐标表示具有各 个灰度级别的像素在图像中出现的次数或概率。 图像直方图归一化

数字图像处理
伦琴因发现X射线获得 首届诺贝尔物理学奖。
Hounsfield和Cormack因发明CT获得 1979年诺贝尔医学和生理学奖。
Bloch和Purcell因发现NMR现象获得 1952年诺贝尔物理学奖。
发明MRI中Fourier重建方法的Ernst 获得1991年诺贝尔化学奖。
航天器拍摄的 西藏东南山 区雷达图像
1.5.6 无线电波成像
无线电波段成像主要应用在医学和天文学
在医学中，无线电波用于磁共振成像（MRI)
1.5.7 其他图像模式应用的实例
超声波成像系统（应用医学 如妇产科） 超声波图像产生的步骤：
1.超声波系统向身体传输高频（1～5MHz）声脉冲。 2.声波传入体内并碰撞组织间的边缘，声波的一部
分返回到探头，一部分继续传播直到另一边界并被反射回来。
3.反射波被探头收集起来并传给计算机。
4. 计算机根据声波在组织中的传播速度和每个回波返回 的时间计算从探头到组织或者器官边界的距离。 5. 系统在屏幕上显示回波的距离和亮度形成的二维图像。
超声图象
电子显微镜成像
过热损坏的钨丝 （250倍）
损坏的IC电路 （2500倍）

3. 图像理解：研究图像中各目标的性 质和它们之间的相互联系；得出对图
像内容含义的理解及原来客观场 景的解释；

以客观世界为中心，借助知识、经 验来推理、认识客观世界，属于高 层操作（符号运算）。

可见，图像处理、图像分析和图像理解是处在三 个抽象程度和数据量各有特点的不同层次上。图 像处理是比较低层的操作， 它主要在图像像素级 上进行处理， 处理的数据量非常大。图像分析则 进入了中层，分割和特征提取把原来以像素描述 的图像转变成比较简洁的非图像形式的描述。图 像理解主要是高层操作， 基本上是对从描述抽象 出来的符号进行运算，其处理过程和方法与人类 的思维推理有许多类似之处。 根据本课程的任务和目标，本书重点放在图 像处理上，并学习图像分析的基本理论和方法。