北京航空航天大学：《数字图像处理》课程教学资源（PPT课件）第十章 图象数据压缩

第八章 图象数据压缩 8.1概述 8.2四叉树 8.3信息有关的基本概念 8.4可逆保真编码 8.5有限失真编码 8.6图象帧间编码 8.7JPEG与MPEG压缩 教字图像处要 ■■

8.1 概述 8.2 四叉树 8.3 信息有关的基本概念 8.4 可逆保真编码 8.5 有限失真编码 8.6 图象帧间编码 8.7 JPEG与MPEG压缩 第八章 图象数据压缩

第八章 图象数据压缩 8.1概述 1、图象数据压缩是为了检索、存储、传输的需要 图象中经常用到搜索（查找分区、判别边界都要搜索），如何建立 搜索算法？提高搜索速度涉及两个问题：存贮方式及存贮结构（图象的 数据结构)。 在贮方式有两大类：一类为文件管理系统下数据结构，即作为标准 的数据文件；另一类为在系统的外部卷，即作为系统驱动程序下直接读 写，其卷结构由设计者自己规定，这种结构的优点： 1、空间节省（可更充分利用存贮介质）；2、读写速度快。 文件存储结构：提供一种能快速搜索到所需数据文件组织方式。 1、逐点查找；2、先粗后细查找方式：如：四叉树（地图逐级放大， 世界一一国一一省一一县) 数字图像处要 ■■■■

第八章 图象数据压缩 8.1 概述 1、图象数据压缩是为了检索、存储、传输的需要 图象中经常用到搜索（查找分区、判别边界都要搜索），如何建立 搜索算法？提高搜索速度涉及两个问题：存贮方式及存贮结构（图象的 数据结构）。 存贮方式有两大类：一类为文件管理系统下数据结构，即作为标准 的数据文件；另一类为在系统的外部卷，即作为系统驱动程序下直接读 写，其卷结构由设计者自己规定，这种结构的优点： 1、空间节省（可更充分利用存贮介质）；2、读写速度快。 文件存储结构：提供一种能快速搜索到所需数据文件组织方式。 1、逐点查找；2、先粗后细查找方式：如：四叉树（地图逐级放大， 世界－－国－－省－－县）

2.图象一大特点是数据量大，给存储、传输带来困难，需 压缩 例：电话线传输速率一般为56 Kbits,/s(波特率) 一幅彩色图像512×512×246it=6 M bits:大小。传一幅图象需2 分钟左右。 实时传送更难：512×512×24bits×25帧/秒=150 Mbits,/S 如压缩20倍，传一幅图6秒左右，可以接受，实用。 实时，要专用信道（卫星、微波网、专线网等技术）； 另外，大量资料需存贮遥感、故宫、医学CT、MR,需要压缩。 教字图像处要 ■■■■

2．图象一大特点是数据量大，给存储、传输带来困难，需 压缩 例：电话线传输速率一般为56Kbits/s（波特率） 一幅彩色图像512×512×24bit = 6M bits大小。传一幅图象需2 分钟左右。 实时传送更难：512×512×24bits×25帧/秒=150Mbits/S 如压缩20倍，传一幅图6秒左右，可以接受，实用。 实时，要专用信道（卫星、微波网、专线网等技术）； 另外，大量资料需存贮遥感、故宫、医学CT、MR，需要压缩

图像数据可压缩性分析： 在空间关系上：从统计观点出发，简单直观地讲，就是某一象 素的灰度值，总是和周围其他象素灰度值有某种关系，应用某种编 码方法提取并减少这些相关特性，便可实现图象信息的数据压缩。 图象数据压缩的目的可以是节省图象存贮器容量，也可以是减 少传输信道容量，还可以是为了缩短图象加工处理的时间。 相邻像素间 存在相关性 教字图像处要 ■■■■

图像数据可压缩性分析： 在空间关系上：从统计观点出发，简单直观地讲，就是某一象 素的灰度值，总是和周围其他象素灰度值有某种关系，应用某种编 码方法提取并减少这些相关特性，便可实现图象信息的数据压缩。 图象数据压缩的目的可以是节省图象存贮器容量，也可以是减 少传输信道容量，还可以是为了缩短图象加工处理的时间。 相邻像素间 存在相关性

在灰度概率上： 编码例子：8个灰级，总计64*64=4096像素的图像 DA nk P(rk) 编码1 长度 编码2 长度 0 790 0.19 000 3 11 2 1/7 1023 0.25 001 3 01 2 2/7 850 0.21 010 3 10 2 3/7 656 0.16 011 3 001 3 4/7 329 0.08 100 3 0001 4 5/7 245 0.06 101 3 00001 5 6/7 122 0.03 110 3 000001 6 717 81 0.02 111 3 000000 6 编码1平均码长：36its; 编码2平均码长：2.bits 数字图像处要 ■■■■

编码例子： 8个灰级，总计64*64 = 4096像素的图像 DA nk Pr (rk ) 编码1 长度 编码2 长度 0 790 0.19 000 3 11 2 1/7 1023 0.25 001 3 01 2 2/7 850 0.21 010 3 10 2 3/7 656 0.16 011 3 001 3 4/7 329 0.08 100 3 0001 4 5/7 245 0.06 101 3 00001 5 6/7 122 0.03 110 3 000001 6 7/7 81 0.02 111 3 000000 6 编码1 平均码长：3bits; 编码2 平均码长：2.7bits 在灰度概率上：

一般图象压缩模式： 去相关 《去冗余) 量化 无失真编码 概率熵编码 去除空间上 (无失真) 的相关性 教字图像处要 ■■■■■门

一般图象压缩模式： 去相关 （去冗余） 量化 无失真编码 概率熵编码 （无失真） 去除空间上 的相关性

(1)压缩方法： 按时间分： 静图：静止图象（要求质量高） 动图：活动的序列图象（相对质量要求低，压缩倍数要高） 压缩比=未压缩的图象的存贮字节数/压缩后图象存贮字节数 按失真与否分： 无失真压缩：经压缩后再恢复图象与原图象无任何区别，一般 压缩倍数<2 有限失真压缩：单帧（静）4~20倍。 图象序列(x、y、t)50~200倍 教字图像处要 ■■■■

（1）压缩方法： 按时间分： 静图：静止图象（要求质量高） 动图：活动的序列图象（相对质量要求低，压缩倍数要高） 压缩比＝未压缩的图象的存贮字节数／压缩后图象存贮字节数 按失真与否分： 无失真压缩：经压缩后再恢复图象与原图象无任何区别，一般 压缩倍数 < 2 有限失真压缩：单帧（静）4～20倍。 图象序列（x、y、t）50～200倍

(2)压缩失真度衡量标准： a.客观： 输出与输入之差：e(x,y)=g(x,y)-f(x,y) 防无e22k W-1W- x=0y=0 均方差： em=lep=a 量纲：灰度级。 教字图像处要 ■■■■门

（2）压缩失真度衡量标准： a．客观： 输出与输入之差：e(x,y) = g(x,y)－f(x,y) 整图方差： 均方差： 量纲：灰度级。 ( ) =   =  =  − = − = 2 1 2 1 0 1 0 2 2 2 , 1 e e e x y N e rms N x N y

也可将输出与输入之差看作噪声，此时： 输出图象均方信噪比定义为：g2(x,y)/e2(x,y) W-1N-1 (SwR)=2∑g26,) W-1N-1 x=0v=( ∑∑e2(x,) x=0y=0 (SNR)n=【SNR)J]月 数字图像处要 ■■■■

也可将输出与输入之差看作噪声，此时： 输出图象均方信噪比定义为： g 2(x,y) / e2(x,y) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 1 1 0 1 0 1 0 1 0 2 2 , , rms ms N x N y N x N y ms SNR SNR e x y SNR g x y = =   − = − = − = − =

常用：峰值信噪比 2552 PSNR=1010g10 (peak signal to noise Ratio) 一般o<2,或PSNR≥40dB人眼看不出来 <30dB的图象不能用 ~35dB可接受 [目前，仍然很难找出一个通用的评价图象压缩的客观标准，该 问题是很好的研究课题] 教字图像处要 ■■■

常用：峰值信噪比 PSNR (peak signal to noise Ratio) 2 2 255 10log10  = 一般σ<2，或PSNR≥40dB 人眼看不出来 < 30 dB 的图象不能用 ～35dB 可接受 [目前，仍然很难找出一个通用的评价图象压缩的客观标准，该 问题是很好的研究课题]