第四章 静态图像压缩与编码技术(1)
现代静态图像编码技术
Quantized gradient merging
If the first non-zero element of the vector (Q1, Q2, Q3) is negative, then all the signs of the vector (Q1, Q2, Q3) shall be reversed to obtain (-Q1, -Q2, -Q3) . In this case, the variable SIGN shall be set to -1, otherwise it shall be set to +1. After this possible “merging”, the vector (Q1, Q2, Q3) is mapped, on a one-to-one basis, into an integer Q representing the context for the sample x.
if (SIGN == − 1) Errval = −Errval;
Error quantization for near-lossless coding, and reconstructed value
In lossless coding (NEAR = 0), the reconstructed value Rx shall be set to Ix. In near-lossless coding (NEAR > 0), the error shall be quantized. After quantization, the reconstructed value Rx of the sample x, which is used to encode further samples, shall be computed in the same manner as the decoder computes it.
图像压缩与编码
实验项目3、图像压缩与编码一、实验目的（1）理解图像压缩编码的基本原理；（2）掌握用程序代码实现DCT变换编码；（3）掌握用程序代码实现游程编码。
二、实验原理及知识点1、图像压缩编码图像信号经过数字化后，数据量相当大，很难直接进行保存。
为了提高信道利用率和在有限的信道容量下传输更多的图像信息，必须对图像进行压缩编码。
图像压缩技术标准一般可分为如下几种：JPEG压缩（JPEG Compression）、JPEG 2000、H.26X标准（H.26X standards）以及MPEG标准（MPEG standards）。
数字压缩技术的性能指标包括：压缩比、平均码字长度、编码效率、冗余度。
从信息论角度分，可以将图像的压缩编码方法分为无失真压缩编码和有限失真编码。
前者主要包括Huffman编码、算术编码和游程编码；后者主要包括预测编码、变换编码和矢量量化编码以及运动检测和运动补偿技术。
图像数据压缩的目的是在满足一定图像质量的条件下，用尽可能少的比特数来表示原始图像，以提高图像传输的效率和减少图像存储的容量，在信息论中称为信源编码。
图像压缩是通过删除图像数据中冗余的或者不必要的部分来减小图像数据量的技术，压缩过程就是编码过程，解压缩过程就是解码过程。
2、游程编码某些图像特别是计算机生成的图像往往包含许多颜色相同的块，在这些块中，许多连续的扫描行或者同一扫描行上有许多连续的像素都具有相同的颜色值。
在这些情况下就不需要存储每一个像素的颜色值，而是仅仅存储一个像素值以及具有相同颜色的像素数目，将这种编码方法称为游程（或行程）编码，连续的具有相同颜色值的所有像素构成一个行程。
在对图像数据进行编码时，沿一定方向排列的具有相同灰度值的像素可看成是连续符号，用字串代替这些连续符号，可大幅度减少数据量。
游程编码记录方式有两种：①逐行记录每个游程的终点列号：②逐行记录每个游程的长度3、DCT变换编码变换编码是在变换域进行图像压缩的一种技术。
数字图像处理其中的第4部分学习使用
JPEG编码思想
思想：人对亮度比对色彩敏感，在光线不足旳情况下，所观察 物体都是黑白旳。所以能够对色调和饱和度做粗略处理。
措施：对8*8图像块矩阵，Y成份数据不变，U每2*2个数据求平 均，V每2*1个数据求平均。称为YUV421系统。
除此, 还有YUV422, 411, 420等系统.
2）FDCT与IDCT 思想：人眼对低频数据比对高频数据敏感。 FDCT 为前向 离散余弦变换,JPEG原则不要求FDCT和IDCT旳算法。 措施:
组旳函数，也就是说，把一种数组经过一种变换，变成另一种数组。 如图下图所示，对每个图像块做离散余弦变换。经过DCT变换能够把能量集
中在矩阵左上角少数几种系数上。
f(i,j)经DCT变换之后得到F(i,j)，其中F(0,0)是直流系数，
称为DC系数，其他为交流系数，称为AC系数。
2023/10/10
思想：将每个DCT系数除以各自量化步长并四舍五入后取整， 得到量化系数。
F
u,
v
INT
F S
u,v u,v
0.5
F u,v F u,vS u,v
JPEG系统分别要求了亮度分量和色度分量旳量化表，显然色 度分量相应旳量化步长比亮度分量大。
4)对量化系数旳处理和组织
思想：JPEG采用定长和变长相结合旳编码措施。 直流系数：一般相邻8*8图像块旳DC分量很接近，所以
图像编码与压缩
LZW编码
LZW编码是由Lemple和Ziv提出并经 Welch扩充而形成的无损压缩专利技术。在 对文件进行编码时，需要生成特定字符序列 的表以及对应的代码。每当表中没有的字符 串出现时，就把它与其代码一道存储起来。 这以后当该串再次出现时，只存储其代码。 实际上，字符串表是在压缩过程中动态生成 的，而且由于解压缩算法可以从压缩文件中 重构字符串表，因而字符串表也不必存储。
5
差
图像质量很差，妨碍观看的干扰始终存在，几乎无法观看。
6
不能用 图像质量极差，不能使用尺度
进行评价。如果观察者将 和f(x,y)逐个进行对照，则
可以得到相对的质量分。例如可用
来代
表主观评价{很差，较差，稍差，相同，稍好，较好，很
好}。
四、霍夫曼编码
DCT编码 DCT变换是图像压缩标准中常用的变换方法，
如JPEG标准中将图像按照8x8分块利用DCT变换 编码实现压缩。
Lena.bmp(原图)
Lenna.jpg (压缩率9.2)
Lenna.jpg (压缩率18.4)
Lenna.jpg (压缩率51.6)
其它变换编码
变换方法是实现图像数据压缩的主要手段，其基本原 理是首先通过变换将图像数据投影到另一特征空间，降低 数据的相关性，使有效数据集中分布；再采用量化方法离 散化，最后通过Huffman等无损压缩编码进一步压缩数据 的存储量。DCT是一种常用的变换域压缩方法，是 JPEG,MPEGI-II等图像及视频信号压缩标准的算法基础。 在实际采用DCT编码时，需要分块处理，各块单独变换编 码，整体图像编码后再解压会出现块状人工效应，特别是 当压缩比较大时非常明显，使图像失真。因此，为了获得 更高的图像压缩比，人们提出了一些其它方法，如基于小 波变换的图像压缩算法和基于分形的图像压缩算法等。
图像编码与压缩技术共166页文档
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； பைடு நூலகம்身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢谢！
使用计算机视觉技术进行图像压缩和图像编码的方法介绍
使用计算机视觉技术进行图像压缩和图像编码的方法介绍在计算机视觉领域中，图像压缩和图像编码是两个重要的技术。
图像压缩的目的是降低图像占用的存储空间或传输带宽，而图像编码则是将图像转换为数字数据以便于处理和传输。
本文将介绍使用计算机视觉技术进行图像压缩和图像编码的方法。
图像压缩的方法可以分为两大类：有损压缩和无损压缩。
有损压缩是指在图像压缩的过程中，会损失一定的图像质量。
其中最常用的方法之一是基于离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）的压缩方法。
这种方法将图像分块，然后对每个块进行频域变换，再使用量化表对变换系数进行量化，最后通过熵编码对量化后的系数进行编码。
另一个常见的有损压缩方法是基于小波变换（Wavelet Transform）的压缩方法。
这种方法将图像分解成不同尺度和方向的小波系数，然后根据能量分布对小波系数进行量化和编码。
无损压缩是指在图像压缩的过程中，不损失图像质量。
其中最常用的方法之一是基于预测的压缩方法，如差分编码和预测编码。
差分编码通过计算相邻像素之间的差异来减少冗余信息，然后使用熵编码对差异值进行编码。
预测编码则是利用预测模型预测当前像素的值，并将预测误差进行编码。
另一个常见的无损压缩方法是基于字典的压缩方法，如Lempel-Ziv-Welch（LZW）和gzip。
这种方法通过建立字典来存储和重用图像中的重复模式，从而实现压缩。
图像编码是将图像转换为数字数据的过程。
最常用的图像编码方法之一是基于亮度和色度分量的YUV编码。
YUV编码将图像分解为亮度分量Y和色度分量U、V，并对每个分量进行压缩和编码。
另一个常见的图像编码方法是基于向量量化的编码方法。
这种方法先将图像划分为不重叠的小块，然后将每个块与一组预定义的向量进行匹配和编码。
此外，还有基于灰度级联编码（Gray-level Run-length Encoding，RLE）的编码方法，该方法将连续的相同灰度值序列进行编码。
多媒体技术_多媒体数据压缩编码技术
4.知识冗余
图像的理解与某些基础知识有关。 例: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…… 知识冗余是模型编码主要利用的特性。
5.视觉冗余
人的视觉系统对图像场的敏感性是非均匀、 非线性的。 （1）对图像亮度和色差的敏感性相差很大 Y：U：V＝8：4：4 或者Y：U：V＝8：2：2 （2）随着亮度增加，视觉系统对量化误差的敏感 度降低。 （3）人的视觉系统把图像边缘和非边缘区域分开 处理。
第四章、多媒体数据压缩编码技术
本章要点
（1）多媒体数据压缩编码的重要性和分类。 （2）量化的基本原理和量化器的设计思想。 （3）常用压缩编码算法的基本原理及实现技术、 预测编码、变换编码、统计编码(Huffman编码、 算术编码)。 （4）静态图像压缩编码的国际标准（JPEG）原 理、实现技术，以及动态图像压缩编码国际标 准(MPRG)的基本原理。
4.2.2 标量量化器的设计
量化器的设计要求 通常设计量化器有下述两种情况： 1. 给定量化分层级数，满足量化误差最小。 2. 限定量化误差，确定分层级数，满足以尽 量小的平均比特数，表示量化输出。
量化方法有标量量化和矢 量量化之分，标量量化又可分 为，均匀量化、非均匀量化和 自适应量化。
（1）均匀量化
例如:从64个数中选出某一个数。可先问“是 否大于32?”消除半数的可能,这样只要6次就可选 出某数。 如果要选择的数是35,则过程如下: 1.大于/小于 32？ 大 2.大于/小于 32+16=48？ 小 3.大于/小于 48-8=40？ 小 4.大于/小于 40-4=36？ 小 5.大于/小于 36-2=34？ 大 6.大于/小于 34+1=35 等
（4）混合编码
多媒体技术与应用立体化课后习题及答案
《多媒体技术与应用立体化教程》客观题参考答案第一章一,选择题1．多媒体技术地主要特性有（D）。
①多样性②集成性③交互性④可扩充性（A）①（B）①,②（C）①,②,③（D）全部2．把一台普通地计算机变成多媒体计算机,需要解决地关键技术是（D）。
①视频音频信息地获取技术②多媒体数据压缩编码与解码技术③视频音频数据地实时处理④视频音频数据地输出技术（A）①（B）①,②（C）①,②,③（D）全部3．多媒体计算机地媒体信息是指（D）。
①数字,文字②声音,图形③动画,视频④图像（A）①（B）②（C）③（D）全部4．多媒体计算机地发展趋势是（D）。
（A）进一步完善计算机支持地协同工作环境（B）智能多媒体技术（C）把多媒体信息实时处理与压缩编码算法融入CPU 芯片（D）以上全对5．多媒体信息地实时处理,压缩编码算法,通信,大量运行地是8 位与16 位定点矩阵运算。
把这些功能与算法集成到CPU 芯片,要遵循地几条原则是（D）。
（A）压缩算法采用际标准地设计原则（B）将多媒体功能地单独解决变成集解决（C）体系结构设计与算法相结合（D）以上全对6．根据多媒体特性判断以下哪些属于多媒体范畴（B）。
①交互式游戏②有声图书③彩色画报④立体声音乐,彩色电视等（A）仅①（B）①,②（C）①,②,③（D）全部7．在多媒体个计算机系统,（ C ）是多媒体硬件与软件地桥梁。
（A）多媒体实时压缩与解压缩（B）多媒体I/O 接口（C）多媒体核心系统（D）总线系统8．若一部数码相机地标准像素值为300 万像素,则该数码相机可拍摄相片地最大分辨率约为（D）。
（A）640×480 （B）1024×768 （C）1280×1024 （D）2048×15369．（A）是为了某个特定目地,使用多媒体技术开发研制地应用系统。
（A）多媒体应用系统（B）多媒体教学系统（C）多媒体数据库（D）多媒体电子出版物10．利用扫描仪输入文字数据信息,将它们变成文字信息地软件是（B）。
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1）
1948年香农（C. E. Shannon）在其经典论文“通信的数学原
理”中首次提到信息率——失真函数概念，1959年又进一步 确立了率失真理论，从而奠定了信源编码的理论基础。1948
4.2 压缩编码研究史（2）
年提出电视信号数字化后，就开始了图像压缩编码的研究工
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 4.2
实例。
压缩编码研究史（1）
1843年莫尔斯（Morse）的电报码是最原始的变长码数据压缩 1938年里夫斯（Reeves）、1946年德劳雷恩（E. m. Delorain）
以及贝尔公司的卡特勒（C. C. Cutler）分别发明了脉冲编码 调制（Pulse Code Modulation， PCM）、增量调制（Delta Modulation，∆М）以及差分脉冲编码调制（Differential PCM， DPCM）。
信，必须对多媒体数据进行压缩编码
多媒体信源引起了“数据爆炸”,如果不进 行数据压缩,传输和存储都难以实用化。
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 4. 1.2 多媒体数据压缩的重要性
1分钟数字音频信号需要的存储空间
数字音 频格式 电话 会议电 视伴音 CD-DA DAT
第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 数据压缩的好处
时间域压缩──迅速传输媒体信源 频率域压缩──并行开通更多业务
空间域压缩──降低存储费用
能量域压缩──降低发射功率
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 4. 1.2 多媒体数据压缩的可能性
压缩的可能
其它冗余：图象空白的非定长性。
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 4. 1.3 多媒体数据压缩技术的性能指标
数据压缩技术的性能指标
有三个关键参数评价一个压缩系统
压缩比 图象质量 压缩和解压的速度
另外，也必须考虑每个压缩算法所需的硬件和软件。
第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 主要内容
数字信号的 压缩与编码是多 媒体的核心技术 和重要内容;音 频信号的差分/ 自适应/LPC编 码就是典型的压 缩编码.
数据压缩概述 经典数据压缩理论
香农－范诺与霍夫曼编码
算术编码 行程编码 词典编码
预测编码
变换编码
现代数据压缩理论
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1）
4.1.5 数据压缩技术的分类 （3）
1. 熵编码 熵编码(entropy encoding)是一类利用数据的统计信息进行压缩的无语义数据流的无 损编码。它是基于平均信息量的技术把所有的数据当作比特序列，而不根据压缩信 息的类型优化压缩。如RLE、LZW、Huffman编码 2. 信源编码 （信）源编码(source coding)是一类利用信号原数据在时间域和频率域中的相关性 和冗余进行压缩的有语义编码。种类繁多，可进一步分为 预测编码：利用先前和现在的数据对在时间或空间上相邻的下面或后来的数据 进行预测，从而达到压缩的目的。如DM、ADPCM 变换编码：采用各种数学变换方法，将原时间域或空间域的数据变换到频率域 或其他域，利用数据在变换域中的冗余或人类感觉的特征来进行压缩。如DCT、 DWT
作。
1952年霍夫曼(D. A. Huffman)给出最优变长码的构造方法。
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16
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 4. 1.2 多媒体数据压缩的重要性
1分钟数字视频信号需要的存储空间
数字电视 格 式 公用中间 格式（CIF） 空间×时间 ×分辨率 352×288 ×30 取样率 (MHz) 量化位数 存储容量 (MB) 270
声音、视频、图像数据表示有很大的压缩潜力，多媒体数据 和人类的感觉存在着各种冗余，如：
空间冗余：在同一幅图像中，规则物体和规则背景的
表面物理特性具有相关性，这些相关性的光成像结果 在数字化图像中就表现为数据冗余。
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1）
4. 1.2 多媒体数据压缩的可能性
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 4. 1.4 多媒体数据压缩的硬、软件系统
硬、软件系统
有些压缩、解压工作可用软件实现。一般地讲，设计系统时必须充分 考虑：
算法复杂 － 压缩解压过程长 算法简单 － 压缩效果差
目前有些特殊硬件可用于加速压缩／解压。 硬接线系统速度快，但
分层编码：将原数据在时空域或频率域上分成若干子区域，利用人类感觉的特 征进行压缩编码，然后再合并。如子采样、子带编码 其他编码：如矢量量化、运动补偿、音感编码
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4. 混合编码
第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 4.1.5 数据压缩技术的分类 （4）
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 4.1 多媒体数据压缩编码的重要性和分类 什么是数据压缩 • 数据压缩就是在一定的精度损失条件下，以最 少的数码表示信源所发出的信号
信源
信源 编码
信道 编码
信道
信宿
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信源 译码
信道 译码
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有损压缩是指使用压缩后的数据进行重构，重构 后的数据与原来的数据有所不同，但不影响人对原 始资料表达的信息造成误解。有损压缩适用于重构 信号不一定非要和原始信号完全相同的场合。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.1 .5 数 据 压 缩 技 术 的 分 类 （ 2）
第4章 静态图像压缩与编码技术（1）
亮度 3； 亮度、色差 4:1:1 共 12 亮度 13.5 4:2:2 亮度、色差 共 16
PAL720× CCIR 601 号 480×30 建议 NTSC720× 576×25 HDTV 亮度信号 1280×720 ×60
1620 1620
60
8
3600
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1）
4. 1.3 多媒体数据压缩技术的性能指标
压缩比
压缩性能常常用压缩比定义 输入数据和输出数据比
〖例〗一幅512×480pixels图像，24bit/pixel 输入＝512×480×(24/8)=737280 byte 输出15000 byte 压缩比＝737280／15000＝49
第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 4. 1.1 多媒体数据压缩编码的重要性 数据压缩的必要性
多媒体信号的数据量巨大，如：
一幅1024*1024真彩图有3MB 5分钟的CD音乐有50.47MB 90分钟的PAL视频数字化后有204.68GB
多媒体 数据
为了节省存储空间和传输带宽，进行实时高质的多媒体通
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 4. 1.3 多媒体数据压缩技术的性能指标
图象质量
无损压缩 （图象质量不变） 有损压缩：失真情况很难量化，只能对测试的图象进行估计。 模拟图象质量的指标：信噪比、分辨率、颜色错，但必须在观察了实 际图象以后。
压缩(compress) 解压缩/还原/重构(decompress) 编码(encode/coding) 解码/译码(decode)
相关学科：信息论、数学、信号处理、数据压缩、编码
理论和方法
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 4.1.5 数据压缩技术的分类 无损压缩是指使用压缩后的数据进行重构(或者 叫做还原，解压缩)，重构后的数据与原来的数据完 全相同；无损压缩用于要求重构的信号与原始信号 完全一致的场合。
各种选择在初始设计时已确定，一般不能更改。因此在设计硬接线压 缩/解压系统时必须先将算法标准化。
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1） 多媒体数据压缩技术
数据压缩(data compression) 与信号编码(signal coding)往
往含义相同
小波 分形
多媒体数据压缩编码的国际标准
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第4章 静态图像压缩与编码技术（1）
思 考
数据压缩技术是多媒体技术的关键技术，也是多媒体技术发
展的基础。在多媒体技术发展到的今天，大家已经知道数据 是可以压缩的，但数据
为什么要压缩？ 为什么能够实现数据压缩？ 理论基础与原理是什么？实现数据压缩的具体方法有哪些？目前世界 通用的数据压缩标准是什么？其规范与实现的途径又有哪些？
时间冗余：时间冗余反映在图像序列中就是相邻帧
图像之间有较大的相关性，一帧图像中的某物体或 场景可以由其它帧图像中的物体或场景重构出来。 音频的前后样值之间也同样有时间冗余。 F1 A F2 A
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