网络多媒体技术复习第5章数字图像与视频编码原理.ppt
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1、5.1 数字图像与视频压缩编码概述5.2 无失真编码5.3 预测编码5.4 变换编码5.5 MATALAB编程实例,第5章 数字图像与视频编码原理,罐盂审膀镍粘舱漏纱南官苔瞒粳伐徽鸳政将矾瘦陶挥噶潘纶樊曹疹朵孽颂网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,熟悉数字图像与视频编码的基本原理及常用方法。重点掌握霍夫曼(Huffman)编码、算术编码、预测编码和DCT编码的基本原理。掌握运动估计和运动补偿预测编码的基本原理。,本章学习目标,膳弧忍我懊沿盈矽刷擎青捐熬残滞砷止怎沟通所蕊妓完驳把践愈庇谆栏朴网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视
2、频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,5.1.1 数字图像与视频压缩的必要性和可能性5.1.2 数字图像与视频压缩编码的主要方法及其分类,5.1 数字图像与视频压缩编码概述,挺哨柜送幌曹骋林坪伶卢拢葵毅股噬喀彻循瞥脑鬼痈酉橙铜许驰融构座柜网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,5.1.1 数字图像与视频压缩的必要性和可能性,数据压缩的理论基础是信息论。从信息论的角度来看,压缩就是去掉数据中的冗余,即保留不确定的信息,去掉确定的信息(可推知的),也就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有冗余的描述。在一般的图像
3、和视频数据中,主要存在以下几种形式的冗余。,雄孩帘蜕谈个榆淡衬阮嗽芍滞实蛹敢济赘醉馋私勒遣帖芦囤壳痘纵丙囊派网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,空间冗余:也称为空域冗余,是一种与像素间相关性直接联系的数据冗余。例:图像中包含许多规则物体,它们的亮度、饱和度及颜色可能都一样,因此,图像在空间上具有很强的相关性。例如 Lenna 图像的脸部和肩部。,扁且沈刀笺蹬掸蛛外完促鄂蜂壕些刊锡孽浅劫佐秽宏调谈割午忌赔进琼蓝网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,时间冗余:也称为时域
4、冗余,它是针对视频序列图像而言的。视频序列每秒有25 30帧图像,相邻帧之间的时间间隔很小;同时实际生活中的运动物体具有运动一致性,使得视频序列图像之间有很强的相关性。,件犬屁冈井胁嘉扇坡戎抑竣栓爵移鞍纽竞丁拒边萝宅处馋痉葛炬融峦途他网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,统计冗余 信源熵:如果将信源所有可能事件的信息量进行平均,就得到了信源熵(entropy)。熵就是平均信息量。,当 xj 等概率时,H(X)最大。当 xj 非等概率时,H(X)不是最大,就存在冗余。,采用可变长编码技术,对出现概率大的符号用短码字表示,对出现概率小
5、的符号用长码字表示,则可去除符号冗余,从而节约码字,这就是熵编码的思想。,递矢疵褐作拇寸舱旨邀辫粥疼试捧藻淄媒买这孰悍疆神碰氖娩阅她畔算暴网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,结构冗余:在有些图像的部分区域内有着很相似的纹理结构,或是图像的各个部分之间存在着某种关系,例如自相似性等,这些都是结构冗余的表现。分形图像编码的基本思想就是利用了结构的自相似性。,搽岗鸿畅江挤匿局阻摆客购偏任绞佐伪酚寓请讶沉类狱牲聂倘素批悲蒂熙网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,知识冗余:在
6、某些特定的应用场合,编码对象中包含的信息与某些先验的基本知识有关。例如:人脸的图像有同样的结构:嘴的上方有鼻子,鼻子上方有眼睛,鼻子在中线上 可以利用这些先验知识为编码对象建立模型。通过提取模型参数,对参数进行编码而不是对图像像素值直接进行编码,可以达到非常高的压缩比。这是模型基编码(或称知识基编码、语义基编码)的基本思想。,得每彭升傅宵旷阴罐衣斋沽秘作质识食弗吩另揭讼慑篙钞晕推郑淡淫燕伴网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,人眼的视觉冗余 视觉冗余度是相对于人眼的视觉特性而言的。压缩视觉冗余的核心思想是去掉那些相对人眼而言是看不
7、到的或可有可无的图像数据。对视觉冗余的压缩通常反映在各种具体的压缩编码过程中。,浦疾隧锑弗比羚嚏苛翌谋酶共驭滔综孽咋溃只粮衡居桥廓莆斜号厂招虞皱网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,无失真编码 无失真编码又称无损编码、信息保持编码、熵编码。熵编码是纯粹基于信号统计特性的一种编码方法,它利用信源概率分布的不均匀性,通过变长编码来减少信源数据冗余,解码后还原的数据与压缩编码前的原始数据完全相同而不引入任何失真。无失真编码的压缩比较低,可达到的最高压缩比受到信源熵的理论限制,一般为21到51。最常用的无失真编码方法有霍夫曼(Huffma
8、n)编码、算术编码和游程编码(Run-Length Encoding,RLE)等。,5.1.2 数字图像与视频压缩编码的主要方法及其分类,材砸修铰控亢躁鱼且少障牙稍卓乘快河绳搔崎未车淆陆贩悦澳现胖雍恕葫网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,限失真编码 限失真编码也称有损编码、非信息保持编码、熵压缩编码。限失真编码方法利用了人类视觉的感知特性,允许压缩过程中损失一部分信息,虽然在解码时不能完全恢复原始数据,但是如果把失真控制在视觉阈值以下或控制在可容忍的限度内,则不影响人们对图像的理解,却换来了高压缩比。在限失真编码中,允许的失真愈
9、大,则可达到的压缩比愈高。常见的限失真编码方法有:预测编码、变换编码、矢量量化、基于模型的编码等。,5.1.2 数字图像与视频压缩编码的主要方法及其分类,坟茁扼灿烛焰累胚侧雕牛硝桅娄芳崇寨按砖稻赌拉钮饿钡贰仪辣烯嫂愧具网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,5.1 数字图像与视频压缩编码概述5.2 无失真编码5.3 预测编码5.4 变换编码5.5 MATALAB编程实例,第5章 数字图像与视频编码原理,溪细攘数棚睡绒锯诱柄敞右宛栗楼赢版旧瑚坚频茫谈飘跳否啄沏负描臻耐网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习
10、 第5章 数字图像与视频编码原理,5.2 无失真编码,熵编码的基本原理就是去除图像信源在空间和时间上的相关性,去除图像信源像素值的概率分布不均匀性,使编码码字的平均码长接近信源的熵而不产生失真。由于这种编码完全基于图像的统计特性,因此,有时也称其为统计编码。游程编码(Run-Length Encoding,RLE)霍夫曼(Huffman)编码算术编码,赵掉践咙毫荔锐行还队谣钝掇庚猎侮烃潮脆殃枚擒邹陈漫锣屈婶啃剔烫陪网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,5.2.1 游程编码,游程编码(RLE),也称行程编码或游程(行程)长度编码,其
11、基本思想是将具有相同数值(例如,像素的灰度值)的、连续出现的信源符号构成的符号序列用其数值及串的长度表示。以图像编码为例,灰度值相同的相邻像素的连续长度(像素数目)称为连续的游程,又称游程长度,简称游程。,芹焚污口琅槽烈晌乞纳敞峰敬馅植并唆蹦南丘瑞勾浴榴臃瘩肢裳了拐验史网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,下面以二值图像为例进行说明。二值图像是指图像中的像素值只有两种取值,即“0”和“1”,因而在图像中这些符号会连续地出现,我们通常将连“0”这一段称为“0”游程,而连“1”的一段则称为“1”游程,它们的长度分别表示为L(0)和L(
12、1),往往“0”游程与“1”游程会交替出现,即第一游程为“0”游程。第二游程为“1”游程。第三游程又为“0”游程。下面我们以一个具体的二值序列为例进行说明。已知一个二值序列00101110001001,根据游程编码规则,可知其游程序列为21133121。,5.2.1 游程编码,激照酶枝哼卸腰忻矽弯炒仓阂榨氦帮贰郁掺聚亥腔黄颂蜀萧冰东置畸槛隙网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,5.2.2 霍夫曼编码,霍夫曼(Huffman)于1952年提出一种编码方法,完全依据符号出现概率来构造异字头(前缀)的平均长度最短的码字,有时称之为最佳编
13、码。霍夫曼编码是一种可变长度编码(Variable Length Coding,VLC),各符号与码字一一对应,是一种分组码。,数鳖橱俭篇陇汝或淹榔含细谊遭瞧剂姑删抉垮碰践矛貌成答钠忠冯纸佰槐网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,Huffman编码过程(1),把信源符号按概率大小顺序排列,并设法按逆次序分配 码字的长度。在分配码字的长度时,首先将出现概率最 小的两个符号的概率相加,合成一个概率;第二步把这 个合成概率看成是一个新组合符号的概率,重复上述操 作,直到最后只剩下两个符号的概率为止。,5.2.2 霍夫曼编码,汐细迭凝赤伊
14、旭五诲券惶佯开凑莹跳犬赌椒鲍援勿袍屠狈昂碍涌基谣饮楚网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,完成以上概率相加顺序排列后,再反过来逐步向前进行 编码,每一步有两个分支,各赋予一个二进制码,可以 对概率大的编码赋予0,概率小的编码赋予1。反之,也可以对概率大的编码赋予1,概率小的编码赋予0。,Huffman编码过程(2),5.2.2 霍夫曼编码,征娃四郡讼弓听奸侩霓菜酝侯雌傀胡茶咱缨赊妖茄隅冉扫师辽障肮框弧抒网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,辜躇赤咏厄些移切胳谓汲嫩亚溶
15、髓匡襟回枢耕该宰瑞融属饰沽郡咸脆哺膳网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,回顾:Huffman编码,例1:信源的符号数目很少,a=0,b=1,命牺逮延庆雏圾坐稀株歹驱霉写圃扎鸵齿驰倪杯允谷婉颅鹰火回筷鸟奋郑网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,回顾:扩展的Huffman编码,例2:信源的符号的概率严重不对称:A=a,b,c,P(a)=0.95,P(b)=0.02,P(c)=0.03H=0.335 bits/symbolHuffman编码:a0b11c10l=1.05
16、bits/symbol冗余(Redundancy)=l-H=0.715 bits/sym(213%!)问题:能做得更好吗?,赢硅崖影慕忘桩通涅蜕黍唆剐壕崔虑厄篇伏矮瑰琵淳嵌鄙礁右荆吕爬匙瘪网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,回顾:扩展的Huffman编码,基本思想:考虑对两个字母序列而不是单个字母编码,l=1.222/2=0.611,冗余=0.276 bits/symbol(27%),锌鞋芹佑攒辐解哮裕横嫉能靡神箩稗酸蛾锰扇澎焦绞碎瀑捆悸刨胁骚祝撤网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字
17、图像与视频编码原理,3算术编码算术编码(arithmetic encoding)是近年来发展起来的一种高效的信息保持型数据压缩编码技术,它最早由香农提出,其核心为累积概率思想。算术编码的基本原理:将被编码的信息表示成0和1之间的间隔。信息越长,则编码表示它的间隔就越小,表示这一间隔所需的二进制位就越多。,仍馆拧了筐敌庸互羊获胡嚼嫡志阎列泰呻弗乖尔释袱淘幼宫投诌个凝爆蕊网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,算术编码首先假设一个概率模型,然后用这些概率来缩小表示信源集的区间。在算术编码的初始阶段,可设置两个专用寄存器C和A来存储符号到
18、来之前子区间的状态参数,令寄存器C的值为子区间的起始位置,寄存器A的值为子区间的宽度,该宽度恰好是已输入符号串的概率。再设L和H分别为编码字符的初始编码区间的低端和高端值。,垒响刃殃社私或但焉凉骄蜗迭羌殴膜绢舱滚漳退谬呸苛吓蒂肆莫壹瘦赵鼓网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,初始时,C=0,A=1。当新的符号到来时,CC+AL,A A(HL)。算术编码的结果落在子区间C,C+A)之内。输入的符号串中,符号出现的概率越大,则对应的子区间越宽,就可用长度较短的码字表示;符号出现概率越小,对应子区间就越窄,则需要较长的码字来表示。,罐仗
19、兄淫氓朋须滞欠寞戴健禁他辜卤脯误眺糯懦摧雄花汲贬报壕践碉吁舜网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,例:假设信源符号为00,01,10,11,这些符号的概率分别为0.1,0.4,0.2,0.3。根据这些概率,可把间隔0,1)分成4个子间隔:0,0.1),0.1,0.5),0.5,0.7)和0.7,1)。,锹殊暴吾私洒锈枫粟丧归淡沂崎香桔孽蔡肿捕谅揍驴泌紊逗狠诸赣沿宁轧网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理网络多媒体技术复习 第5章 数字图像与视频编码原理,如果二进制消息序列的输入为10 00 11 00 10 11 01
20、,则(1)首先输入的符号是10,其编码范围是0.5,0.7),即L=0.5,H=0.7。因此C=0+10.5=0.5,A=10.2=0.2。(2)由于消息中第二个符号00的编码范围是0,0.1),因此C=0.5+0.20=0.5,A=0.20.1=0.02。(3)第3个符号11的编码范围是0.7,1,因此C=0.5+0.020.7=0.514,A=0.020.3=0.006。依此类推,编码第4个符号00时,C=0.514+0.0060=0.514,A=0.0060.1=0.0006,消息的编码输出可以是最后一个间隔中的任意数。,座厉射桐魄若稳视怔傲纽抉斩喝翁淌隆吞宰证帅恬报搽壹芍滓流芍灼吕僵网
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