动态图像压缩
基于FPGA的红外序列图像动态压缩显示
Ｉ ｆ ａ ｅ ｅ ｅ ｅ Ｉ ａ ｅ Ｄｙ ｍ ｉ ｎ ｒ ｒ ｄ Ｓ ｑｕ ｎｃ ｍ ｇ ｎａ ｃ Ｃｏ ｐｒ ｓ ｉ ｎ Ｄｉｐｌ ｙ Ｂａ ｅ ｎ ＦＰＧＡ ｍ ｅ ｓｏ ｓ ａ ｓ ｄ ｏ
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基于 Ｆ ＧＡ的 红 外 序 列 图像 动 态 压 缩 显 示 Ｐ
孙 航 ，冯 强 ，韩 红 霞
（ 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 ， 吉林 长春 １０ ３ ， － ｉ ｃ ｍｐｕ ｈ １３ ｃｍ） ３ ０ ３ Ｅｍａ ：ｉ ｓｎ ＠ ６ ． ｏ ｌ ｏ
摘
要： 高位 宽红 外 相 机 数 字 视 频 信 号 在 向 ８位 宽 模 拟 信 号 线 性 压 缩 显 示 转 换 时存 在 细 节 丢 失 的现 象 。针
ａ ｔ ｒ ｃ ｍ ｐ ｅ ｓｏ ． Ｔ ｈｅｐａ ｒｉ ｒ ｄ ｅ ｈｅｍ ｅ ｈｏ ｗ ｏｍ ａ ｅ ａ ｇ ｒｔ ｆｅ ｏ ｒ ｓ ｉｎ ｐｅ ｎｔ ｏ ｕｃ ｄ ｔ ｔ ｄ ｈｏ ｔ ｋ ｌ ｏ ｉｈｍ ｏ ｂ ｅ ｌｚ ｄ ｏ ｔ ｅ ｒ ａｉｅ ｎ
第２ ６卷
第Байду номын сангаас４期
液
晶
与
显
示
Ｖ０ ． ６ ＮＯ ４ １２ ． ．
语音压缩编码与图像压缩编码
语音压缩编码与图像压缩编码语音压缩编码语音压缩编码可分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。
这些都属于有损压缩编码。
1．波形编码（1）波形编码的定义波形编码是指对利用调制信号的波形对语音信号进行调制编码的方式。
（2）波形编码的性能要求保持语音波形不变，或使波形失真尽量小。
2．语音参量编码（1）语音参量编码的定义语音参量编码是将语音的主要参量提取出来编码的方式。
（2）语音参量编码的基本原理首先分析语音的短时频谱特性，提取出语音的频谱参量，然后再用这些参量合成语音波形。
（3）语音参量编码的性能要求保持语音的可懂度和清晰度尽量高。
3．混合编码（1）混合编码的定义混合编码是既采用了语音参量又包括了部分语音波形信息的编码方式。
（2）混合编码的基本原理混合编码除了采用时变线性滤波器作为核心外，还在激励源中加入了语音波形的某种信息，从而改进其合成语音的质量。
（3）混合编码的性能要求保持语音的可懂度和清晰度尽量高。
图像压缩编码图像压缩按照图像是否有失真，可分为有损压缩和无损压缩；按照静止图像和动态图像，又可分为静止图像压缩和动态图像压缩。
1．静止图像压缩编码的特点（1）静止数字图像信号是由二维的许多像素构成的；（2）在各邻近像素之间都有相关性；（3）所以可以用差分编码（DPCM）或其他预测方法，仅传输预测误差从而压缩数据率。
2．动态图像压缩编码的特点（1）动态数字图像是由许多帧静止图像构成的，可看成是三维的图像；（2）在邻近帧的像素之间有相关性；（3）动态图像的压缩可看作是在静止图像压缩基础上再设法减小邻近帧之间的相关性。
wdrc宽动态范围压缩算法
wdrc宽动态范围压缩算法（最新版）目录1.WDRC 宽动态范围压缩算法的概述2.WDRC 的工作原理3.WDRC 的优势与应用4.WDRC 的局限性与未来发展方向正文【1.WDRC 宽动态范围压缩算法的概述】WDRC（Wide Dynamic Range Compression）宽动态范围压缩算法，是一种针对高动态范围场景的图像处理技术。
在实际应用中，由于光线条件的差异，会导致图像中某些区域过曝或过暗，严重影响画面的整体观感。
WDRC 算法应运而生，其主要目的是通过压缩高动态范围场景的亮度差，提高图像的观感质量。
【2.WDRC 的工作原理】WDRC 算法的工作原理可以概括为以下几个步骤：(1) 动态范围扩展：通过提高暗部区域的亮度，降低过曝区域的亮度，扩展图像的动态范围。
(2) 压缩：对扩展后的动态范围进行压缩，使之适应显示设备的动态范围。
(3) 融合：将压缩后的各个区域进行融合，生成最终的宽动态范围压缩图像。
【3.WDRC 的优势与应用】WDRC 算法具有以下优势：(1) 提高图像观感质量：通过压缩高动态范围场景的亮度差，使图像整体更加协调。
(2) 适用于多种场景：无论是室内还是室外，静态还是动态场景，WDRC 算法都能有效地处理高动态范围问题。
(3) 算法简单：相较于其他高动态范围处理算法，WDRC 算法结构简单，计算量较小。
WDRC 算法广泛应用于监控、摄影、显示等领域，如智能安防监控系统、智能手机摄像头、高清电视等领域。
【4.WDRC 的局限性与未来发展方向】尽管 WDRC 算法具有很多优势，但仍存在一定的局限性：(1) 压缩效果受限：WDRC 算法对高动态范围场景的压缩效果有一定的局限性，不能完全消除过曝和过暗区域。
(2) 算法通用性：WDRC 算法对不同场景的适应性有待提高，可能需要针对特定场景进行优化。
图像编码中的波形编码方法详解(七)
图像编码中的波形编码方法详解图像编码是数字图像处理的重要分支，它利用压缩技术将图像从原始表示转换成适于存储和传输的格式。
波形编码方法是图像编码中常用的一种技术，它通过对图像的波形进行编码来实现图像压缩和解压缩的过程。
本文将对图像编码中的波形编码方法进行详细解析。
一、波形编码的基本原理波形编码是一种基于灰度级的编码方法，其基本原理是利用图像中像素值的变化来实现压缩。
波形编码首先将图像中的像素按照一定的顺序排列，然后根据相邻像素之间的差异来进行编码。
由于图像中相邻像素的值通常具有较高的相关性，因此差异较小的像素可以用较少的编码量来表示，从而实现压缩效果。
二、波形编码的步骤波形编码一般包括预测、差值和编码三个步骤。
1. 预测：波形编码的第一步是预测，其目的是根据图像中已有的像素值来估计当前像素的值。
常用的预测方法包括垂直预测、水平预测和平均预测等。
垂直预测将当前像素的值估计为其上方像素的值，水平预测将当前像素的值估计为其左侧像素的值，平均预测则是将当前像素的值估计为其上方和左侧像素的平均值。
通过预测，可以减少数据中的冗余信息。
2. 差值：差值是波形编码的第二步，其目的是根据预测和实际像素值之间的差异来生成差值图像。
差值图像中的像素值表示了当前像素和预测像素之间的差异，差异越大则差值图像中的像素值越大。
3. 编码：编码是波形编码的最后一步，其目的是将差值图像进行编码表示。
常用的编码方法有霍夫曼编码、游程编码和算术编码等。
编码方法的选择取决于图像的特性和压缩要求。
三、波形编码的优势和局限波形编码方法在图像编码中具有一定的优势，主要表现在以下几个方面。
1. 简单性：波形编码方法相对简单，易于实现。
其基本原理和步骤简单明了，适用于各种类型的图像。
2. 压缩效率高：波形编码方法通过对图像中的波形进行编码，可以实现较高的压缩效率。
由于差值图像中的像素值表示了像素间的差异，较小的差异可以用较少的编码量来表示，从而减小了数据的存储和传输量。
JPEG、MPEG标准简介
７ ５
也 就是说 ， 图像 的主要 信 息包 含在 Ｙ 分 量 中． 因而 ， 的量化级 别 比 Ｕ、 的量 化级 别 多一些 ， Ｙ Ｖ 即对 Ｙ 分量 采
用 细量化 ， Ｕ、 采 用粗量 化 ， 对 Ｖ 进一 步提 高压 缩 比． ＧＢ格 式 与 ＹＵＶ 格式 之 间的转 化方 式是 ： Ｒ
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（ ｔｎ１ ｏ ｉ ａ ｐｏ ）
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我 们都 知 道 ， 始 的 彩 色 图像 ， 般 由红 、 、 三 原 一 绿 蓝 种基 色 的 图像 组 成． 而人 的视 觉 系统对 彩 色 色度 的感 然 觉 和 亮 度 的敏 感 性 是 不 同 的 ， 这 里 ， 先 介 绍 一 下 在 首 ＹＵＶ 格 式． 这 种 格 式 中 ， 分 量 的 物 理 含 义 就 是 亮 在 Ｙ
ｏ ｅｃ ｐａｅｆ ａＪ ｒ ａｈ ｌ ｃ ｎ ｎ ｓ
ｆ ｒｅ ｃ ｏ ａｈ ８ ８ｂｏ ｋ ＊ ｌｃ
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度 ， 和 Ｖ 分 量代 表 了色 差信 号 ． Ｕ Ｙ分 量包 含 了灰度 图
的所 有 信息 ， 只用 Ｙ 分量 就 完 全 能表 示 出一 幅灰 度 图 ， 当同时 考虑 Ｕ、 分量 时 ， Ｖ 就能够 表示 彩 色信 息 ， 样一 这 来 ， 同一种 表示 方法 可 以很方 便 的在灰 度 和彩 色 图之 用
方 便 ．
［ 键 词 ］ 多 媒 体 ； 缩 ； ＰＥＧ ； ＰＥＧ 关 压 Ｊ Ｍ
［ 章 编 号 ］ １ ７ — ０ ７ ２ ０ ） ２ ０ ７ — ３ ［ 图 分 类 号 ］ ＴＰ３ １ ［ 献 标 识 ｔ ３ Ａ 文 ６ ２２ ２ （ ０ ６ ０ —０ ４０ 中 ９ 文 ｉ ！ ￣
基于动态规划法的图像压缩算法
第二步 递归计算最优值 设 ｓ ｉ是像素序列 ｛ Ｐ， Ｐ｝ ［］ Ｐ ，：…，；的最优分段所需的存储位数（ ｓｎ ， 为分段点 ， ｓ ｉ ＝ １ ｓｉ ）ｋ 则 ［］
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ｉ ＋１ 】
维普资讯
５ ８
宁夏师范学院学报（ 然科 学） 自
２０ 年 ５月 ０７
则， ｉ 第 个像素段的存储空间为 ｌｉ × ［］ ｌｍ位． ［］ ｂ ｉ ＋ ｌ
像素序列｛ Ｐ ｐ ， Ｐ ｝ ｐ ，２ ，…， 共需存储空间 （［］ ｂ ｉ ＋ ｌ ） １ｉ × ［］ ｌｍ 位 ．
（） 自 ３ 以 底向上的方式计算出最优值 ； （） ４ 根据计算最优值时得到的信息 ， 构造最优解． 动态规划 法 的有效 性依赖 于 问题 本身 所具有 的两个 重 要性 质 ： 优子 结构 性 质 和子 问题 重 叠性 最
质． 这也 是是否 选择动态 规划法 的标准 ．
２ 图像压缩 问题
同时巨大的数据量也给图像的采集存储处理和传输带来了极大的困难严重影响了图像媒体成为主要媒体因此数字图像压缩问题就成为图像通信和图像信号处理领域的首要任务
维普资讯
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动态规划算法在图像压缩中的应用研究
动态规划算法在图像压缩中的应用研究图像压缩是数字图像处理中的重要领域之一，其主要目的是通过减少图像的存储空间和传输带宽，以实现图像数据的压缩和传输的高效性。
在图像压缩的研究中，动态规划算法被广泛应用，这是一种用于解决优化问题的算法。
动态规划算法最早由美国数学家理查德·贝尔曼（Richard Bellman）在20世纪50年代提出，其主要思想是将一个大问题分解为一个个小问题来解决。
在图像压缩中，动态规划算法可以将图像分成块，并通过计算每个块的最佳表示来实现压缩。
以下将介绍动态规划算法在图像压缩中的应用研究。
首先，在图像压缩中使用动态规划算法的一个重要应用是无损压缩。
无损压缩是指在压缩图像的同时，保持图像的原始质量，不会丢失任何信息。
动态规划算法通过计算图像块的最佳表示，可以有效地减少图像数据的存储空间，同时保持图像的质量。
例如，在JPEG2000压缩标准中，动态规划算法被用于实现无损压缩。
通过将图像分成不可分割的小块，然后应用动态规划算法来计算每个块的最佳表示，可以实现高效的无损压缩。
其次，动态规划算法在有损压缩中也有广泛应用。
有损压缩是指在压缩图像的同时，允许一定程度的信息丢失，以换取更高的压缩率。
在图像压缩中，动态规划算法可以通过选择最佳的像素值来减少图像数据的存储空间。
例如，在JPEG压缩标准中，动态规划算法被用于实现有损压缩。
通过将图像分成不同的频带，然后利用动态规划算法来选择每个频带中的重要信息，可以实现高效的有损压缩，并最大程度上保持图像的质量。
除了在无损压缩和有损压缩中的应用外，动态规划算法还可以应用于图像的重构和增强。
在图像重构中，动态规划算法可以通过根据图像的特征来选择最佳的像素值，以实现对损坏图像的修复。
在图像增强中，动态规划算法可以通过计算每个像素点的最佳亮度值，来增强图像的质量和细节。
尽管动态规划算法在图像压缩中的应用已经取得了显著的成果，但仍然存在一些挑战和问题。
MJPEG
MJPEG英文全称是为"Motion Joint Photographic Experts Group"，是一种视频编码格式，通常中文可以翻译为“运动静止图像压缩技术”或者“运动图像逐帧压缩技术”。
MJPEG 被广泛应用于非线性编辑领域可精确到帧编辑和多层图像处理，把运动的视频序列作为连续的静止图像来处理，这种压缩方式单独完整地压缩每一帧，在编辑过程中可随机存储每一帧，可进行精确到帧的编辑，此外M-JPEG的压缩和解压缩是对称的，可由相同的硬件和软件实现。
但M-JPEG只对帧内的空间冗余进行压缩。
不对帧间的时间冗余进行压缩，故压缩效率不高。
采用M-JPEG数字压缩格式，当压缩比7:1时，可提供相当于Betecam SP质量图像的节目。
Motion JPEG技术常用于闭合电路的电视摄像机的模拟视频信号“翻译”成视频流，并存储在硬盘上。
典型的应用如数字视频记录器等。
MJPEG不像MPEG，不使用帧间编码，因此用一个非线性编辑器就很容易编辑。
MJPEG的压缩算法与MPEG一脉相承，功能很强大，能发送高质图片，生成完全动画视频等。
但相应地，MJPEG对带宽的要求也很高，相当于T-1，MJPEG信息是存储在数字媒体中的庞然大物，需要大量的存储空间以满足如今多数用户的需求。
因此从另一个角度说，在某些条件下，MJPEG也许是效率最低的编码/解码器之一。
MJPEG 是24-bit 的"true-color" 影像标准，MJPEG 的工作是将RGB 格式的影像转换成YCrCB 格式，目的是为了减少档案大小，一般约可减少1/3 ~ 1/2 左右。
MJPEG可以压缩图像传输地带宽的要求，从而能在有限的网络资源支持下将更丰富和清晰的画面以字节信号线、的形式迅速地传送至播放端，并被良好完整的重新还原出来。
因此，MJPGE一般长被适用于公共场所或者企业的录像监控和远程监控，也被经常用于家庭或者短途距离的无线侦测。
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• MPEG-1是针对当时具有这种数据传输率的 CD-ROM和网络而开发的，用于在CD-ROM 上存储数字影视和在网络上传输数字影视。
• MPEG-1全称为“信息技术——用于数据速率 高达大约1.5 Mbit/s的数字存储媒体的电视图 像和伴音编码”，由五个部分组成：
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1. MPEG-1 Systems，规定电视图像数据、声 音数据及其他相关数据的同步 2. MPEG-1 Video, 规定电视数据的编码和解 码， 3. MPEG-1 Audio, 规定声音数据的编码和解码， 4. MPEG-1 Conformance testing，说明如何 测试比特数据流和解码器是否满足MPEG-1 前3个部分(Part1，2和3)中所规定的要求。 5. MPEG-1 Software simulation，给出了用软 件执行MPEG-1标准前3个部分的结果。
MPEG-1视频压缩算法
MPEG-1视频压缩算法采用两种基本技 术： 一、基于块的运动补偿预测（以缩减时 间冗余） 二、基于DCT的变换编码（以缩减空间 冗余）
MPEG-2
• MPEG-2标准是一个直接与数字电视广播有关的高 质量图像和声音编码标准。标准名称为“信息技 术—电视图像和伴音信息的通用编码。MPEG-2包 含9个部分： ①MPEG-2 Systems，规定电视图像数据、声音 数据及其他相关数据的同步 ②MPEG-2 Video，规定电视数据的编码和解码 ③MPEG-2 Audio，规定声音数据的编码和解码
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全搜索工作原理示意图
当前块
搜索窗口
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B图像的编码
• B图像的编码与P图像编码非常类似 • 唯一区别：
– B图像不仅要与过去图像相比也要与未来图像 相比，找到两个运动矢量 – 从两个运动矢量及组合中找出效果最好的一个 作为当前块的运动矢量
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MPEG-21
为了解决不同网络之间用户的互通问题， MPEG-21致力为多媒体传输和使用定义一 个标准化的，可互操作的和高度自动化的 开放框架，这个框架考虑到了DRM的要求， 对象的多媒体接入以及使用不同的网络和 终端进行传输等问题，这种框架还会在一 种互操作的模式下位用户提供更丰富的信 息。
MPEG-21标准的用户和用户需求： MPEG-21中的“用户”是一个广义的概念， 可以是世界各地的个人、消费者、团体、 组织、公司、政府以及其它标准化组织和 主体。 MPEG-21标准的应用范围： MPEG-21的目标是要为多媒体信息的用 户提供透明而有效的电子交易和使用环境。
MPEG数据流的分层结构
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三种判决准则的计算公式
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效果最优的搜索方法：全搜索
• • • • 对搜索窗口中的每个象素均计算其差值 最小的差值对应的位置即为运动适量 获得的运动矢量是全局最优的 缺点：计算量极其庞大，假定窗口大小为 32×32，则：
– 共有32×32=1024个位置，每个位置计算256 次减法，256次乘法，255次加法 – 从1024个位置找出最小值还需要1023次比较
动态图像压缩标准 MPEG
MPEG定义
• MPEG(Moving/Motion Picture Expert Group)是专门从事多媒体音、视频压缩技 术标准制定的国际组织，成员包括近30个 国家、200多个公司和组织的400多为专 家针对视频编码制定标准，即“制定用于 运动那个图像（视频）编码的各种标准。
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MPEG-2特点: （1）不仅支持帧编码，而且支持场编码。 （2）具有可分级性，使得它更灵活，适应性 更广泛
MPEG-4
MPEG-4是为视听(audio-visual) 数据的编码和交互播放开发算 法和工具，是一个数据速率很 低的多媒体通信标准。
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MPEG-4的目标： 提出一种新的方式来传输、访问和操作 数字视听数（Audiovisual Data）。MPEG4计划为多种通讯规范（如电讯、广播和交 互）提供一种普遍的技术解决方案，最终 消除它们之间的差别。
MPEG-7的应用领域包括： n 数字图书馆(Digital library)，例如图像目录、音 乐词典等； n 多媒体目录服务(multimedia directory services)，例如黄页(yellow pages)； n 广播媒体的选择，例如无线电频道，TV频道等； n 多媒体编辑，例如个人电子新闻服务，多媒体 创作等等 n 潜在应用的应用领域包括：教育、娱乐、新闻、 旅游、医疗、购物等等。
• 研究目标： 1.讨论是否需要和如何将这些不同的组 件（协议、标准、技术等）有机地结合起 来。 2. 讨论是否需要新的规范 3.讨论如果具备前面两个条件，如何将 不同的标准集成在一起
• 制定目的：
• 1.将不同的协议，标准和技术等有机融合在 一起。 • 2.制定新的标准。
• 3.将不同的标准集成在一起。
• 问题：
– 当图像中物体在移动时，直接计算对应像素的差值会 使差值很大
• 解决方法：
– 进行运动估计和运动补偿
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运动补偿的概念示意图
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P图像压缩编码框图
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运动矢量示意图
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搜索窗口示例
当前块
搜索窗口
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运动矢量与运动搜索
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(2)空间冗余：像素间的相关性 解决办法： n 使用3种画面：内帧I、预测帧P和内插帧B n 内帧单独编码，经过中度压缩，可以作为随 机访问点； n 预测帧以参考帧(I或P)为基础编码，又作为 后面预测帧的参考帧； n 内插帧以前后两个参考帧为基础编码，本身 不能作为参考帧。内插帧的压缩率最高。
2
MPEG的任务
针对动态图像编码制定标准，不仅局限于压 缩，而是涉及多媒体数据的采集、加工、 存储、发行、传输、保护等一系列技术标 准的建立。
MPEG的标准
• • • • MPEG-1标准 MPEG-2标准 MPEG-4标准 MPEG-21标准
MPEG-1
MPEG-1的发展过程： 从1988年5月开始启动，编号为 ISO/IEC11172，于1992年11月达到国际标 准状态（IS Status），是关于1.5Mbit/s数 据传输的数字存储媒体运动图像及其伴音 编码的国际标准。
• 寻找运动矢量的过程称为运动搜索 • 对窗口中的部分或全部素位置计算差值， 从中找出差值最小者作为运动矢量 • 目前有三种判决标准
– 绝对差值AE (absolute difference)最小 – 均方误差MSE (mean-square error)最小 – 平均绝对帧差MAD (mean of the absolute frame difference)最小
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MPEG视频压缩算法的基本思路
冗余及解决方法 (1)时间冗余：各帧图像在时间方向上的相关性； 解决方法： n 用帧间预测和运动补偿解决时间冗余 n 用变换编码和预测编码解决空间冗余
MPEG算法面临的问题： n 在保证画面质量前提下每帧单独编码，不 能保证高压缩比； n 为了满足随机访问有最好方法是每帧单独 编码；
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④MPEG-2 Conformance testing ⑤MPEG-2 Software simulation ⑥MPEG-2 Extensions for DSM-CC，数 字存储媒体命令和控制扩展协议 ⑦MPEG-2 AAC，是多声道声音编码算法 标准 ⑧MPEG-2 Extension for real time interface for systems decoders，系统解 码器实时接口扩展标准 ⑨ MPEG-2 DSM-CC，一致性扩展测试
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双向预测示意图
X
Z
存在于 前一帧图像 (X)
存在于 后一帧图像 (Z)
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Y
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B图像编码算框图
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IBP压缩效率
• IBP具有不同的压缩效率：
– I图像效率最低，假定比特速率为1 – P图像效率比I图像高一倍，比特速率为0.5 – B图像比P图像高一倍，比特速率为0.25
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• IBP帧的典型组织方式
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三种帧的压缩算法
1、内帧图像 I 的压缩算法 • 帧内图像I不参照任何过去的或者将来的其他图 像帧，压缩编码采用类似JPEG压缩算法； • 如果电视图像是用RGB空间表示的，则首先把 它转换成YCrCb空间表示的图像。 2、预测帧图像 P 的压缩算法 • 编码单位： 16X16的图像宏块 3、内插帧B的压缩算法 • 采用双向预测，方法和P图像类似 ，
(1)运动图像序列：包含一个表头(定义了图像宽、高、像 素长宽比、帧速率、位速率、缓冲区尺寸等重要参数)， 一组或多组图像和序列结束标志； (2)图片组：由一系列图像组成，可以从运动序列中随机 存取； (3)图像：由一个亮度信号和两个色度信号组成； (4)块：由一个8X8的亮度信息或色度信息组成； (5)宏块：由一个16X16的亮度信息和两个8X8的色度信 息构成； (6)图像切片：由一个或多个连续的宏块构成。
图像类型 MPEG-1 CIF 格 式(1.15 Mb/s) MPEG-2 601 格式 (4.00 Mb/s) I 150 000 400 000 P 50 000 200 000 B 20 000 80 000 平均数据/帧 38 000 130 000
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数字电视中IBP编排
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I图像帧的编码
• 编码算法只去除空间相关性 • 不去除任何时间相关性 • 在编解码过程中，I图像可以独立的编码或 解码 • 编码算法与JPEG类似