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数字图像处理与分析第六章 图像压缩1 刘定生 中科院对地观测与数字地球科学中心 2010年春季学期 第六章 图像压缩 第六章 图像压缩（1） 图像压缩基本概念 图像压缩模型 图像压缩中的信息论观点 图像压缩编码的基本方法 无损压缩 霍夫曼编码、香农－范诺编码、算术编码、 RLE 编码、 LZW编码 有损压缩 预测编码、变换编码 图像压缩标准 静止图像编码标准、连续帧图像编码标准 图像压缩基本概念 什么是信息？ 信息的理解与定义 传统信息定义的特点 信息的特征 对于给定的信息，如何用最少的数据表示 如何表述信息？ 数据与信息—多种理解 数据是信息的载体，信息是数据中表达的消息 数据是未加工的信息，而信息是数据经过加工以后的能为某个目的使用的数据 …… 图像压缩基本概念 基础—数据的冗余与相关 数据的冗余 大多数信息的表达都存在着一定的冗余度（相关性），通过采用一定的模型和编码方法，可以降低这种冗余度 设：为表达一个信息，方法A用了n1个数据，改进方法B用了n2个数据（压缩数据）： 压缩率（压缩比）： CR = n1 / n2 相对数据冗余： RD = 1 – 1/CR 图像数据中的冗余 三种数据冗余：编码冗余、像素冗余、视觉心理冗余 图像压缩基本概念 编码冗余： 如果一个图像的灰度级编码，使用了多于实际需要的编码符号，就称该图像包含了编码冗余。 例：二值图像 图像压缩基本概念 像素冗余（像素间相关） 任何给定位置像素值，原理上均与相邻像素相关，都可以通过它的邻居预测到，单个像素携带的信息相对较少 对于一幅图像，大量单个像素对视觉的贡献是冗余的。这是建立在对邻居值预测的基础上。 例：原图像数据：234 223 231 238 235 压缩后数据： 234 -11 8 7 -3 图像压缩基本概念 视觉心理冗余 一些信息在一般视觉处理中比其它信息的相对重要程度要小，这种信息就被称为视觉心理冗余 人眼对区域亮度的感觉不仅取决于该区域的反射光，而且取决于周围的环境 视觉残留现象 人眼的亮度适应能力 图像压缩基本概念 利用图像数据的冗余开展压缩 因为有编码冗余和像素冗余，当我们将图像信息的描述方式改变之后，可以压缩掉这些冗余，进行“无损”压缩 因为有主观视觉冗余，当我们忽略一些视觉不太明显的微小差异，可以进行所谓的“有损”压缩。 图像压缩基本概念 保真度准则——评价压缩算法的标准 客观保真度准则—定量描述 主观保真度准则—定性或定性基础上的定量描述 图像压缩基本概念 客观保真度准则 如果信息损失的程度，可以表示为原始或输入图像与压缩后又解压缩输出的图像的函数，这个函数就被称为客观保真度准则。一般表示为： 式中：f(x,y)是输入图像， 是压缩后解压缩的图像， e(x,y)是误差函数 图像压缩基本概念 客观保真度准则（续） 由此可得两个图像之间的均方根误差： 均方信噪比： 图像压缩基本概念 客观保真度准则（续） 在实际应用中，进一步采用更为简便的客观准则，信噪比SNR和峰值信噪比PSNR ： 式中： 图像压缩基本概念 主观保真度准则 通过视觉比较两个图像，给出一个定性的评价，如很粗、粗、稍粗、相同、稍好、较好、很好，这种评价被称为主观保真度准则。 图像压缩模型 图像压缩系统的一般构成 信源编码：完成原始数据的编码与压缩。 信道编码：为了抗干扰，增加一些容错、校验位，实际上是有规律地增加传输数据的冗余，以便于消除传输过程中加入的随机信号。 信道：传送数据（信息）的手段；如Internet、广播、通讯、可移 动介质 图像压缩模型 信源编码与解码模型 信源编码模型 信源解码模型 图像压缩模型 信源编码与解码模型（续） 映射器：减少像素冗余，如使用字典编码。或进行图像变换。 量化器：减少视觉心理冗余，仅用于有损压缩。 符号编码器：减少编码冗余，如使用哈夫曼编码 图像压缩中的信息论观点 图像压缩中的问题 显示一幅图像究竟需要多大的数据量？ 是否存在可充分描述一幅图像的最小数据量？ 信息论—回答这类问题的理论框架 信息论中的信源编码理论解决的主要问题： （1）数据压缩的理论极限 （2）数据压缩的基本途径 图像压缩中的信息论观点 信息论的发展 狭义信息论 关于通讯技术的理论，以数学方法研究通讯技术中关于信息的传输和变换规律的一门科学 广义信息论 以各种系统、各门科学中的信息为对象，广泛地研究信息的本质和特点，以及信息的获取、计量、传输、储存、处理、控制和利用的一般规律 图像压缩中的信息论观点 香农（C.E.Shannon）—狭义信息论的创立 1948年，香农