数字图像处理与分析基础优质PPT.ppt
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抗干扰能力越强,增加的比特数就越多。
数字图像处理与分析基础图像编码压缩要研究的主要内容n信源压缩方法与信源模型有关语音,线性模型n比特率采样速率(每秒样本数)乘以样本精度(比特/样本)n逼真度准则或失真度准则平方误差准则基于主观感受的逼真度准则数字图像处理与分析基础4、编码准则、编码准则输入图像f(x,y),输出g(x,y),x,y=0,1,2,N-1,
(1)均方误差:
(2)均方根信噪比:
(3)压缩比=原图像编码每个象素平均所需bit数/压缩后象素平均所需bit数保真度准则:
主观保真度准则、客观保真度准则。
客观保真度准则:
图像均方误差、均方根信噪比。
数字图像处理与分析基础主观保真度准则评分评价说明1优秀图像质量非常好2良好图像质量高,观看舒服,有干扰但不影响观看3可用图像质量可接受,有干扰但不太影响观看4刚可看图像质量差,干扰有些影响观看,希望改进5差图像质量很差,干扰严重妨碍观看6不能用图像质量极差,不能使用数字图像处理与分析基础7.2图像压缩的基本原理n1、压缩的根据压缩的根据:
图像数据量图像数据量信息量信息量I=D-du,I(信息量),D(数据量),du(冗余量)保留意义完全的信息,支持查询与检索。
冗余(redundancy)信息和不相干(irrelevancy)的信息。
数字图像处理与分析基础压缩率用n1表示一幅图像原来的数据量,n2表示压缩后的数据量,压缩率Cr定义为:
Cr=n1/n2(7-2)冗余量Rd可表示为:
Rd=1-1/Cr(7-2)数字图像处理与分析基础7.2.2数据冗余的类型n编码冗余n像素间冗余n心理视觉冗余数字图像处理与分析基础1、编码冗余(信息熵冗余)n“码本”是表示一组信息或一组事件的一系列符号(如字母、数字等)。
其中对每个信息或事件所赋予的符号成为“码字”,每个码字含有的基本符号的个数称为“码长”。
n设l(rk)为码字rk的码长,在二进制表示时称为“比特数(bits)”,Pr(rk)为码字的出现概率。
若编码系统共有L种不同的码字,则系统可获得的平均比特数为:
数字图像处理与分析基础n自然码,如表示256个不同的灰度级,就用8bits的等长的二进制数据来编码每一个灰度级,这样系统的平均码长就是8bits。
n定理:
当l(rk)根据pr(rk)降序设计成变长编码的形式时,平均码长最小。
数字图像处理与分析基础等长编码与非等长编码比较rkpr(rk)编码1L1(rk)编码2L2(rk)编码3L3(rk)r0=00.0200030021111016r1=1/70.250013012002r2=2/70.06010310211104r3=3/70.1601131100411004r4=4/70.0810031101411014r5=5/70.21101311104012r6=6/70.03110311110061111006r7=10.1911131111016102平均码长33.782.8数字图像处理与分析基础2、像素间冗余
(1)空间冗余:
规则物体和规则背景的表面物理特性具有相关性。
空间冗余时间冗余
(2)时间冗余:
序列图像像素的灰度级和颜色之间具有相关性,随机场模型数字图像处理与分析基础(3)结构冗余:
纹理结构(4)知识冗余:
人脸的固定结构。
空间冗余、时间冗余又称统计冗余,将图像信号作为概率信号时的统计特性。
数字图像处理与分析基础3、心理视觉冗余n视觉系统非线性、非均匀n分辨率约26,图像量化28n动态图像的视觉延迟现象数字图像处理与分析基础7.2.3编码方法的分类n由压缩数据恢复的图像与原始图像的差别“可逆压缩”:
编码的数据可完恢复出原始图像n“熵编码”(EntropyCoding),“无失真编码”、“无误差编码”(ErrorFreeCoding)、无噪声编码”(Noiseless)、“冗余度压缩”(RedundancyReduction)、“数据紧缩”(DATACompactionLosslessBit-Preserving)。
“不可逆压缩”:
“有失真编码”(lossyCoding),采用这类编码方法,由编码数据恢复的图像与原始图像有区别,图像编码产生的误差与编码的方法以及压缩比等因素有关。
数字图像处理与分析基础1、“第一代”编码技术n三大经典编码方法“熵值编码”“预测编码”“变换编码”。
数字图像处理与分析基础“熵值编码”n(概率匹配编码)n主要针对无记忆信源,根据信息码字出现概率的分布特征,寻找概率与码字长度间的最优匹配,从而进行压缩编码,又称为统计编码。
n游程编码、Huffman编码和算术编码等多种。
n熵值编码是信息编码的基础,也是各种实用算法的一个基本组成部分。
数字图像处理与分析基础“预测编码”n根据数据的统计特性得到预测值,然后传输图像像素与其预测值的差值信号,使传输的码率降低,达到压缩的目的。
n预测编码方法简单经济,编码效率较高,是语音的基本编码方法。
n预测编码分为线性预测编码、非线性预测编码。
根据处理的信息维数不同,又可分为行内编码(一维)、帧内编码(二维)以及帧间编码(三维)。
n预测编码是视频图像压缩的基础。
数字图像处理与分析基础“变换编码”n进行某种正交变换来消除像素间的相关性。
n可分为最佳变换编码,如K-L变换,以及次优变换编码,如离散余弦变换(DCT)等。
n在实施时,辅助以区域变换编码、门限变换编码。
n基于离散余弦变换的静止图像压缩标准jpeg和运动图像压缩标准mpeg等一系列标准。
数字图像处理与分析基础“自适应编码”n从本质上来说就是一种“混合编码”方案,它在不同阶段根据图像的不同特征将变换编码、预测编码、无误差编码等各种方案的优势综合利用起来。
n关键是识别图像的特征。
n多种方案的复用可实现多级压缩,已经可以得到较大的压缩比了,现有的图像压缩标准JPEG、MPEG等在设计中就利用了这种思路。
数字图像处理与分析基础2、第二代编码技术n要充分利用人的视觉生理、心理特征和图像信源的各种特征,实现从“波形”编码到“模型”编码的转变,以便获得更高压缩比。
n向量量化编码、基于分形的编码、基于模型的编码、基于区域分割的编码、基于神经网络的编码以及识别编码和基于知识的编码等。
数字图像处理与分析基础3、过渡编码技术n充分利用人类视觉特性的“多分辨率编码”方法,如子带编码、金字塔形编码和基于小波变换的编码。
n这类方法原理上仍属于线性处理,属于“波形”编码,可归入经典编码方法,但它们又紧密结合人类视觉系统的特性,因此可以被看作是“第一代”编码技术向“第二代”编码技术过渡的桥梁。
数字图像处理与分析基础子带编码技术:
n子带编码是一种高质量、高压缩比的图像编码方法,它早已在语音信号压缩编码中获得了广泛的应用。
n其基本依据是:
图像信号可以划分为不同的频域段,人眼对不同频域段的敏感程度不同。
例如图像信号的主要能量集中在低频区域,它反映图像的平均亮度;
而细节、边缘信息则集中在高频区域。
n子带编码的基本思想是利用一滤波器组,通过重复卷积的方法,将输入信号分解为高频分量和低频分量,然后分别对高频和低频分量进行量化和编码。
解码时,高频分量和低频分量经过插值和共轭滤波器而合成原信号。
n进行子带编码的一个关键问题,是如何设计共轭滤波器组,除去混叠频谱分量。
数字图像处理与分析基础小波变换编码技术n小波变换编码技术是目前的研究热点。
小波变换它不仅为多分辨分析、时-频分析和子带编码建立了统一的分析方法,而且提供了更合理的表示框架。
n目前小波变换在图像编码中的应用研究主要课题有:
正交小波基的选择(小波包法)、小波变换与各种量化方式的结合、小波变换在分形法中实现初级分形、小波变换用于运动估值等方面。
n小波变换法处于图像编码当前首选方法的位置,一方面,它有快速算法,实现起来简单方便、速度快,可暂时弥补“第二代”编码技术的不足;
另一方面,它有着先进的分析方法,可有效提高现有技术的水平,实现突破性进展。
数字图像处理与分析基础4、第三代编码技术n在第三代编码方案中主要提出了基于运动模型(VR)的编码概念,主要针对提高电视会议、可视电话等的图像效果。
数字图像处理与分析基础编码算法PCM预测编码变换编码付立叶变换斜变换小波变换统计编码Huffman编码算术编码游程编码其他编码静态图像编码二值图像编码子带编码轮廓编码图7-1常用图像编码算法分类固定自适应固定自适应离散余弦变换KL变换沃尔什哈达马Harr变换LZW比特平面逐渐浮现逐层内插方块抖动视频图像内插运动补偿条件补充运动估计帧间预测帧内预测帧间编码矢量量化数字图像处理与分析基础7.2.4简单的图像编码模型信源PCM信息源编码器信道编码器通讯线路或存储媒体图像通讯和编码压缩原理框图压缩编码器信宿PCM解码器信道解码器压缩解码器编码部分解码部分数字图像处理与分析基础
(1)信源编码器和信源解码器原始图像映射变换(信息抽取)映射后数据量化器符号编码器(码元分配)码字图像数据压缩的一般过程(信息源)符号解码器(原始符号表示)反映射器(信息恢复)输出图像图像数据解压缩的一般过程(信息源)映射器:
映射器:
将输入数据从象素域变换到另一个域中。
量化器:
将每个映射数据舍入为数目较少的可能数值。
均匀、非均匀数字图像处理与分析基础
(2)信道编码器和信道解码器汉明(Hamming)编码:
正确的码字之间的最小距离要大于一个给定值码字以二进制形式表示,比特(bit)D(101),(110)=2汉明:
将3个比特位的冗余加到4比特的码字上,任意两个正确码字间的距离为3,可发现和校正错误。
数字图像处理与分析基础例:
4bit(b3b2b1b0)7bit(h1h2h3h4h5h6h7)h1、h2、h4分别是比特区h3b2b0、b3b1b0、b2b1b0的偶校验位。
信道解码器对已建立偶校验的比特区进行检查,由c1、c2、c4指出错误,从校正后的h3h5h6h7得到正确值。
数字图像处理与分析基础7.3编码器和典型的编码方法编码器和典型的编码方法编码器编码器:
给每一量化器的输出分配一个码字。
等长码、非等长码、唯一可译码、瞬时码编码器X=x1,xnW=w1,wnA=a1,an图7-4编码器的描述X:
信号源;
A:
构成码字的符号集,a称为码元;
W:
代码信号源:
信号源:
象素灰度、行程长度、方向码、预测误差、变换系数、上一过程的结果,等等。
数字图像处理与分析基础码字的形式n二进制码:
码元数等于2时的代码称为二进制码。
n等长码:
如果码字集合W中的所有码字都具有相同的长度,就是等长码。
如自然二进制码。
码长不等的就称为非等长码,
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