南京航空航天大学：《多媒体技术及其应用》课程教学资源（PPT课件讲稿）第三章 数据压缩技术 3.4 图像压缩标准的混合编码

第九讲图像压缩标准的混合编码 34图像压缩标准的混合编码 3.1JPEG编码标准 1.JPEG标准的总体目标 2.有失真编码模式 3.JPEG混合编码的一般过程 342MPEG编码标准 1.MPEG系统的参考框架 2.MPEG-混合编码过程 3.MPEG-2混合编码说明 343H261编码标准

第九讲 图像压缩标准的混合编码 3.4 图像压缩标准的混合编码 3.4.1 JPEG编码标准 1. JPEG标准的总体目标 2. 有失真编码模式 3. JPEG混合编码的一般过程 3.4.2 MPEG编码标准 1. MPEG系统的参考框架 2. MPEG-1混合编码过程 3. MPEG-2混合编码说明 3.4.3 H.261编码标准

34图像压缩标准的混合编码 34.1JPEG编码标准 1.工作模式与实现方案 工作模式:无失真编码;顺序编码;累进编码;分层编码 实现方案:四种编码模式构成两种基本的压缩算法组合方案 ①基于DPCM的无失真编码方案: DPCM预测编码+ Huffman编码/算术编码 用于保证压缩恢复的实时解码性能,以满足高保真度要求 ②基于DCT的有失真编码方案:用于大幅度提高压缩比 DCT变换编码十(DPM预测编码,行程编码)+ Huffman编码/算术编码 数据分块/变换DC系数处理AC系数处理基本系统扩展系统 (序模式) (累进模式)

3.4 图像压缩标准的混合编码 3.4.1 JPEG编码标准 1.工作模式与实现方案 工作模式：无失真编码；顺序编码；累进编码；分层编码 实现方案：四种编码模式构成两种基本的压缩算法组合方案 ① 基于DPCM的无失真编码方案： DPCM预测编码 + Huffman编码／算术编码 用于保证压缩恢复的实时解码性能，以满足高保真度要求 ② 基于DCT的有失真编码方案：用于大幅度提高压缩比

2.有失真编码模式 (1)顺序编码模式:针对最小编码单元(MCU)的 DCT变换输出,即8×8系数矩阵, 从左到右,从上到下,一次扫描完成压缩编码 国::::::扌 CMCU=8×8piel) 扫描方式:逐行扫描,隔行扫描 输入处理:值域层平移,卩0,221]_[21,221-1 P为采样精度,P={8bit,12bi,6bitl

2. 有失真编码模式 ⑴ 顺序编码模式：针对最小编码单元（MCU）的 DCT变换输出，即8×8系数矩阵， 从左到右，从上到下，一次扫描完成压缩编码 扫描方式：逐行扫描，隔行扫描 输入处理：值域层平移，[0，2 P -1]→[-2 P-1 , 2 P-1 -1] P为采样精度，P={ 8bit, 12bit, 16bit }

(2)累进编码模式:在顺序编码方法的基础上, 改进编码操作的扫描方式 由粗到细,逐次累加,渐近压缩 编码过程需经多次扫描才能完成 解压时,信号由模糊逐次清晰 扫1一粗压缩一,低质图像 扫描2—细缩—增质图像 扫瞄n-精压缩一还原图像 累进编码定义了两个互补过程:分频累进;按位累进

⑵ 累进编码模式：在顺序编码方法的基础上， 改进编码操作的扫描方式 由粗到细，逐次累加，渐近压缩； 编码过程需经多次扫描才能完成 解压时，信号由模糊逐次清晰 累进编码定义了两个互补过程：分频累进；按位累进

①分频累进法:把单元块的64个DCT系数,按Z形扫描方式, 分割成不同频段及不同分量(DC,AC)分组的多个频率带; 然后分开扫描,按DC系数和AC系数分开编码; 再将AC系数按3个一组进行频谱选择分组;频带集G为: G={(1,2,3),(4,5,6) (61,62,63)} 然后进行累进操作,每次扫描选择某些系数进行编码和传送 ACoL ACt Ac ACn IFl系数矩阵

① 分频累进法：把单元块的64个DCT系数，按Z形扫描方式， 分割成不同频段及不同分量（DC，AC）分组的多个频率带； 然后分开扫描，按DC系数和AC系数分开编码； 再将AC系数按3个一组进行频谱选择分组；频带集G为： G＝{（1，2，3），（4，5，6），…（61，62，63）} 然后进行累进操作，每次扫描选择某些系数进行编码和传送

②按位累进法:按DCT系数的量化精度表示位(bit) 进行分段累进扫描.对于8位精度,按位分段的位码集为 B={(7,6,5,4),3,2,1,0}→累进操作 (3)分层编码模式 适用场合:用低分辨率设备,显示或存取高分辨图像 基本思想:源图像的每个分量用多帧形式表示 非差分帧后跟差分帧串;每帧按空间分辨率进行分层, 使分辨率沿水平和垂直扫描方向,以22-1)倍率关系下降, 再对分层后的低分辨率图像进行编码 解码时,按2的倍数因子即22m-1)规律 把分辨率提升; 并用插值方法进行图像恢复

② 按位累进法：按DCT系数的量化精度表示位（bit） 进行分段累进扫描．对于8位精度，按位分段的位码集为： B＝{（7，6，5，4），3，2，1，0 } → 累进操作 ⑶ 分层编码模式 适用场合： 用低分辨率设备，显示或存取高分辨图像 基本思想： 源图像的每个分量用多帧形式表示 — 非差分帧后跟差分帧串；每帧按空间分辨率进行分层， 使分辨率沿水平和垂直扫描方向，以2 2(n-1)倍率关系下降， 再对分层后的低分辨率图像进行编码 解码时，按2的倍数因子即2 2(n-1)规律， 把分辨率提升； 并用插值方法进行图像恢复

分层编码的基本过程: ①按像元的两维空间分层关系,把源图像的分辨率降低 ②选用顺序、累进或无失真编码模式, 对已降低分辨率的图像进行扫描编码 ③对低分辨率图像进行解码,以从低层开始重建图像 ④用插值滤波器提高重建图像的分辨率, 并作为源图像的预测值 所形成的差分值, 采用选定模式{顺序,累进,无失真}进行编码 ⑤重复第③~④步,直至图像达到原来的分辨率

分层编码的基本过程： ① 按像元的两维空间分层关系，把源图像的分辨率降低 ② 选用顺序、累进或无失真编码模式， 对已降低分辨率的图像进行扫描编码 ③ 对低分辨率图像进行解码，以从低层开始重建图像 ④ 用插值滤波器提高重建图像的分辨率， 并作为源图像的预测值； 所形成的差分值， 采用选定模式{ 顺序，累进，无失真 }进行编码 ⑤ 重复第③～④步，直至图像达到原来的分辨率

3.JPEG混合编码的一般过程 二维教耜块(8×8像素块〕 DCT变换 DCT系数(64个系数值 望化处理 量优表 有失真阶段 ( AC 无失真阶段 z形扫 DC AC 差分码 行程绍码 差分码 行程码 熵绍 编码表

3.JPEG混合编码的一般过程

(1)DCT变换 ①数据分块:对输入的静止图像进行分割, 以降低计算复杂性和存储开销 f(x,y)={B,0i=1,2,…,N:j=1,2,…,N;N≥8} 对于JPEG标准,取N=8,即MCU=8×8,形成64个变换点 例:一幅实际图像的分辨率为256×256, 可分割成16个8×8采样块,需16次DCT系数计算 ②子块层平移:把采样数据从无符号整数转换为 带正负号的整数(2的补码表示).其值域映射为: [0,2D-1]→[20-1,2-1-1] 若采样精度p=8,层平移通过减128(27)来完成; p=12,则减2048(21)

⑴ DCT变换 ① 数据分块：对输入的静止图像进行分割， 以降低计算复杂性和存储开销 f(x,y)＝{ B(i,j)|i=1,2,…,N；j=1,2,…,N；N≥8 } 对于JPEG标准，取N＝8，即MCU = 8×8，形成64个变换点 例：一幅实际图像的分辨率为256×256， 可分割成16个8×8采样块，需16次DCT系数计算 ② 子块层平移：把采样数据从无符号整数转换为 带正负号的整数（2的补码表示）．其值域映射为： [0，2 p-1]→[-2 p-1 ,2 p-1-1] 若采样精度 p=8， 层平移通过减128（2 7）来完成； p=12，则减2048（2 11）

③FCT变换:二维数据块的表示空间从时域变换到频域,即 f(x,y)→F(u,v)=[F1,J N×N 对于每个数据块,N=8,得到64个DCT系数 即频域上64个正交基信号的幅值;包括 个DC系数F(0,0),63个AC系数F(0,1)~F(7,7), 此即FDCT的输出数据 (2)量化处理 量化作用:对64个频域系数,增加高频分量的零值 减少低频分量非零数据的幅值及其表示范围; 达到明显的数据压缩效果

③ FDCT变换：二维数据块的表示空间从时域变换到频域，即 f(x,y)→ F(u,v) = [Fi,j]N×N 对于每个数据块，N＝8,得到64个DCT系数， 即频域上64个正交基信号的幅值；包括 一个DC系数F(0,0)，63个AC系数F(0,1)～F(7,7), 此即FDCT的输出数据 (2)量化处理 量化作用：对64个频域系数,增加高频分量的零值， 减少低频分量非零数据的幅值及其表示范围； 达到明显的数据压缩效果