第5章图像编码与压缩

数字图像处理学第5章图像编码（第四讲）5. 6 变换编码图像编码中另一类有效的方法是变换编码。

变换编)映射变换量化器编码器变换编码主要由映射变换、量化及编码几部分操作组成。

映射变换是把图像中的各个像素从一种空间变换到另一种空间，然后针对变换后的信号再进行量化与编码操作。

在接收端，首先对接收到的信号进行译码，然后再进行反变换以恢复原图像。

映射变换的关键在于能够产生一系列更加有效的系数，对这些系数进行编码所需的总比特数比对原始图像进行编码所需要的总比特数要少得多，因此，使数据率得以压缩。

映射变换的方法很多。

图像变换编码基本可分为两大类，某些特殊的映射变换编码法，函数变换编码法。

5.6.1 几种特殊的映射变换编码法特殊映射变换编码法包括诸如行程编码，轮廓编码等一些变换编码方法。

它们特别适用于所谓二值图像的编码。

这类图像包括业务信件、公文、气象图、工程图、地图、指纹卡片及新闻报纸等。

当然在编码技术上同样可分为精确编码和近似编码两类。

•精确编码可以不引入任何畸变，在接收端可以从编码比特流中精确恢复出原始图像。

近似编码会引入一些畸变，但是，这种方法却可以在保证可用性的前提下获得较高的压缩比。

下面通过几种具体的编码方法说明这种变换编码法的基本概念。

1、一维行程编码一维行程编码的概念如图5—42所示。

假如沿着某一扫描行的像素为，它们所具有的灰度值可能为。

在编码之前，可以首先把这些像素映射为成对序列，和。

N x x x x , , , ,321 4321 ,g ,g ,g g ),),,(2211l (g l g ),(33l g ),44l (g其中表示某一灰度值，表示第i 次运行的行程。

也可以说是连续取值为灰度值的像素的个数。

经过这样映射变换后就可以对编码，而不必对像素直接编码。

i l g i ),i i l (g g i由于有些图像如前面提到的二值图像，连续取同一灰度级的像素很多，对映射后的序列进行编码会大大压缩比特率。

2.4设有大小为32M2的图标，图标的每个像素有8种颜色，共有多少种不同的图标？
如果每100万个可能的图标中有一个有意义，识别一个有意义的图标需要0.1 s,则选出所有
有意义的图标需要多长时间？
解：图标数为832X32= 10925种
有意义的图标数10925/106= 10919种
选择有意义图标的时间10919X0.1= 10918S
颜色模型规定了颜色的建立、描述和观察方式。颜色模型都是建立在三维空间中的，所 以与颜色空间密不可分。
2.2色调、色饱和度和亮度的定义是什么？在表征图像中一点的颜色时，各起什么作用？
答：HSV模型由色度（H）,饱和度（S）,亮度（V）三个分量组成的，与人的视觉特 性比较接近。HSV颜色模型用Munsell三维空间坐标系统表示。
答：数字图像处理与光学等模拟方式相比具有以下鲜明的特点：
1．具有数字信号处理技术共有的特点。（1）处理精度高。（2）重现性能好。（3）灵活性
高。
2．数字图像处理后的图像是供人观察和评价的，也可能作为机器视觉的预处理结果。
3．数字图像处理技术适用面宽。
4．数字图像处理技术综合性强。
1.3数字图像处理主要包括哪些研究内容？
图像存储器、图像输出设备等组
成。软件系统包括操作系统、控
制软件及应用软件等。教材图2.6数字图像处理系统结构图
2.6常见的数字图像处理开发工具有哪些？各有什么特点？
答．目前图像处理系统开发的主流工具为Visual C++（面向对象可视化集成工具）和
MATLAB的图像处理工具箱（Image Processing Tool box）。两种开发工具各有所长且有相互
以看成是静态的图像。图形是人工或计算机生成的图案，而动画则是通过把人物的表情、动 作、变化等分解后画成许多动作瞬间的画幅，再用摄影机连续拍摄成一系列画面，给视觉造 成连续变化的图画。视频和动画都利用了视觉暂留原理。

图像编码与压缩的关系解析1.引言图像编码和压缩是数字图像处理中重要的技术，它们之间存在着密切的关系。

本文将就图像编码与压缩的关系进行解析，并探讨其应用和发展。

2.图像编码与压缩的定义图像编码是将图像转换为数字信号的过程，而压缩是通过精确度和冗余剔除等方式来减少图像数据的存储容量。

图像编码解决了图像处理和传输中的数字化问题，而压缩则解决了存储和传输图像数据量大的问题。

3.图像编码与压缩的相互作用图像编码与压缩是相互依赖的过程，图像编码对压缩提供了数据源，而压缩则对图像编码方法提出了要求。

编码的好坏直接影响到压缩效果，而压缩方法的不同又会对编码方式提出不同的要求。

4.基于变换的图像编码与压缩变换编码是最常用的图像编码方法之一，它通过将图像从空间域变换到频域来提取图像的频域特征，再对频域系数进行编码和压缩。

著名的JPEG压缩算法就采用了离散余弦变换(DCT)作为变换编码的基础。

通过量化和熵编码等技术，实现了图像的高效压缩。

5.基于预测的图像编码与压缩预测编码是另一种常用的图像编码方法，它基于图像的空间和时间相关性，通过预测当前像素值来减少冗余信息。

著名的JPEG2000压缩算法就采用了基于小波的预测编码技术。

通过对图像进行小波变换并利用小波系数的相关性，实现了图像的高效压缩。

6.图像编码与压缩的应用图像编码与压缩的应用广泛，涉及到多个领域。

在传输和存储图像数据时，通过压缩可以减少传输带宽和存储空间的占用。

在图像处理中，编码与解码是常用的图像处理操作，可用于图像的特征提取、图像的增强和图像的恢复等。

7.图像编码与压缩的发展趋势随着计算机和通信技术的不断发展，图像编码与压缩的研究也在不断进步。

目前，基于深度学习的端到端图像编码和压缩方法逐渐兴起，取得了较好的效果。

同时，虚拟现实、增强现实和无人驾驶等领域对图像编码和压缩的需求也在不断增加，这对该领域的研究与应用提出了新的挑战。

8.总结图像编码与压缩是数字图像处理中不可或缺的技术，两者相互依赖，相互促进。

（一）信息论简介——限失真编码
R(0) ≤H(X)，收到的信号序列不存在相关性时 ，等号成立。
D↑，R(D) ↓。
允许失真度 D越小，则所需率失真函数值 R(D) 就越大，要求信源编码效率也越高。
（二）图像编码的研究背景
—— 通信方式改变带来的需求
信息传输方式发生了很大的改变：
? 通信方式的改变； 文字+语音? 图像+文字+语音
2. 像素间冗余
直接与像素间相关性联系
规则 冗余大
不规则 冗余小
n1 相对于n2 n1 = n2 n 1 >>n2 n 1 <<n2
CR
RD
1
0
?? ?1
?0 ??
对应的情况 第 1 种表达相对第2 种表达不含冗余数据 第 1 个数据集合含相当多的冗余数据 第 2 个数据集合包括比原始表达多得多的数据
（三）数据冗余
数据冗余类别
(1) 编码冗余 与灰度分布的概率特性有关
?
n H (s)
（一）信息论简介 ——限失真编码
严格的无失真编码的压缩比一般不大。 编码效率的提高往往要以采用较复杂的编 码方法为代价；另一方面，用户通常允许 图像有一定的失真，这为图像数据压缩提 供了较大的可能性，因此人们非常注意限 失真编码问题。
在给定失真条件下，信源编码所能达到 的压缩率的极限码率，称为 率失真函数 ， R(D) ， D为失真上限。
I(E )称为E的自信息（随概率增加而减少）
特例：P(E ) = 1（即事件总发生），那么I(E ) = 0
信息的单位：比特（ log以2为底）
（一）信息论简介
2、信息系统 信源通过信道与信宿（即信息用户）连通以

三维色彩空间
图像处理中的色彩学知识
• 色彩模型：色彩空间是三维的，作为色彩空间
三维坐标的三个独立参数可以是色彩心理的三 属性，用不同的三个色彩参数就代表不同的色
彩模型
图像处理中的色彩学知识
• 色域
–一个色彩系统能够显示或打印的色彩范围 –色域由宽到窄的顺序： 人眼所看到的色谱 Lab色域
RGB色域
– RGB模式是一种发光屏幕的加色模式，CMYK 模式是一种颜色反光的印刷减色模式。而Lab 模式既不依赖光线，也不依赖于颜料，它是 CIE组织确定的一个理论上包括了人眼可以看
见的所有色彩的色彩模式。Lab模式弥补了
RGB和CMYK两种色彩模式的不足。
图像处理中的色彩学知识
④ LAB模型
– Lab模式由三个通道组成，但不是R、G、B通道。它的 一个通道是亮度，即L。另外两个是色彩通道，用A和
音频类似，数字图像的数据量一般都比较
大，在存储时会占用大量的空间，因此需
要对图像进行压缩编码。
数字图像处理概述
• 现代图像的范围
① 可见光范围内的图像，不可见光范围内的图 像（红外成像技术） ② 可见图像和不可见图像 – 可见图像：照片、图、画
– 不可见图像：主要是物理图像，如温度、气 压、地势图等，还包括医学影像
图像数字化的途径 特点
扫描仪扫描 数码相机拍摄 网上搜索并下载 抓图工具抓拍 方便快捷，需用扫描仪 方便快捷，需用数码相机 方便快捷 方便快捷
利用图像编辑软件 专业性强，较慢 自己加工或创作
图像处理中的色彩学知识
1. 色彩
– 单色光：通过三棱镜也不会再分解为其它 的色光
– 由单色光所混合的光称为复色光
图像处理中的色彩学知识

68
? 医学图像压缩方法选择（DICOM标准）
? 有损压缩JPEG ? 无损压缩JPEG：1.66－3.91 ? 近无损压缩：视觉特性和感兴趣区域分布特性
69
? 图像数据压缩模型两部分：
? 建模和编码Βιβλιοθήκη 原始图像数据建模变换图像数据
压缩数据比特流
熵编码
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? 图像映射模型：
? 将图像转换为动态范围小，分布集中的差值图 像。
40
预测编码
预测编码（Predictive Coding)，就是根据已经编码的相邻像素 值预测当前的像素值，对实际值与预测值的差值(预测误差)进 行编码。当预测比较准确，误差较小时，即可达到编码压缩的 目的。
62
三、数字图像的常见格式
? 常见的数字图像：
? JPEG图像格式、 ? TIFF图像格式、 ? MPEG图像格式、 ? DICOM医学影像文件格式等。
? 如霍夫曼编码、算术编码、行程编码 编码前：aaaaaaa bbbbbb cccccccc 编码后：7a6b8c
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医学图像压缩标准
? JPEG-LS：支持无损 /近无损压缩，对于连续色 调的灰度图像具有很好的压缩效果。
? IPEG2000：JPEG2000 的压缩效率更高，且支 持图像的感兴趣区（ ROI）压缩。
66
三、数字图像的常见格式
? 医学图像特点
? 精度要求高、图像数多及数据量大。 ? 无损压缩的压缩倍数： 1.66~3.91 ? 有损压缩倍数： 10~20 ? 新压缩概念：近无损压缩、 ROI压缩
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? 医学图像的分类：
? 连续色调的灰度图像： X射线 ? 连续色调的彩色图像：显微切片图像 ? 连续色调的灰度运动视频图像：超声 ? 连续色调的彩色运动视频图像：多普勒超声 ? 离散的灰度或彩色图像：心电图 ? 文本文件：诊断报告