多媒体中有关jpeg方面的知识.ppt
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5.3 JPEG标准的主要内容 • ISO/IEC 10918号标准“多灰度连续色调静态图像压 缩编码”即JPEG标准， 选定ADCT作为静态图像压 缩的标准化算法 • 该标准为保证通用性，包含以下两种方式： – 空间方式 可逆编码空间方式对于基本系统和扩展系统来说，被称为独立功 能 – DCT方式 非可逆编码， 包含基本系统(必须保 证的功能)和扩展系统(扩充功能)• 基本系统是实现DCT编码与解码所需的最小 功能集， 大多数的应用系统只要用此标准， 就能基本上满足要求 • 扩展系统是为了满足更为广阔领域的应用要 求而设置的5.3.1 JPEG静态图像压缩算法1. 基于DPCM的无失真编码 预测器熵编码器表说明无失真编码器源图像数据压缩图像数据图5.1 无失真编码简化框图• 基于DPCM的无失真编码优点是硬件易实现 ，重建图像质量好• 缺点是压缩比太低， 大约为2：1 • 工作原理是对X的预测值X’，将X-X’进行无失 真熵编码对X’的求法见图给出的预测方式 cbax选择值选择值预测预测选择值选择值预测预测0123非预测abc4567a+b-c a+(b-c)/2 b+(a-c)/2 (a+b)/2(a) X邻域(b) 预测方式图5.2 预测器2. 基于DCT的有失真压缩编码 • 离散余弦变换 • 量化处理 • DC系数的编码和AC系数的行程编码 • 熵编码图5.3 基于DCT编码过程FDCT熵编码器表说明无失真编码器源图像数据压缩图像数据量化器表说明88块（YUV每个分量）图5.4 解码过程熵解码器IDCT表说明解码器逆量化器表说明88块压缩图像数据恢复的图像数据离散余弦变换 (1)首先把原始图像顺序分割成8×8子块； (2)采样精度为P位(二进制)， 把[0， 2P-1]范围的 无符号数变换成[-2P-1，2P-1]范围的有符号数， 作为离散余弦正变换(FDCT)的输入； (3)在输出端经离散余弦逆变换(IDCT)后又得到 一系列8×8子块， 需将数值范围[-2P-1，2P-1]变 换回[0， 2P-1]来重构图像。
量化处理 • 量化是一个“多到一”的过程，失真原因 • 关键是找最小量化失真的量化器， JPEG采用线 性均匀量化器，定义为对64个DCT系数除以量 化步长， 然后四舍五入取整： FQ(u， v)=Integer Round[F(u， v)/Q(u， v)] • Q(u，v)是量化器步长，它是量化表的元素量 化表元素随DCT系数的位置和彩色分量不同有 不同的值，量化表尺寸为8×8与64个变换系数一 一对应 • 这个量化表应由用户规定(JPEG给出参考值-见 表2.2，2.3)， 并作为编码器的一个输入1611101624405161121214192658605514131624405769561417222951878062182237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399表5.1 亮度量化表17182447999999991821266699999999242656999999999947669999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999表5.2 色度量化表• 量化的作用是在一定主观保真度图像质量前 提下，丢掉那些对视觉影响不大的信息，通 过量化可调节数据压缩比。
DC系数的编码 • 64个变换系数经量化后， 坐标u=v=0的F(0， 0)称DC系数(直流分量)， 它即64个空域图像 采样值的平均值 • 相邻8×8块之间DC系数有强相关性JPEG对 量化后的DC系数采用DPCM 编码， 即对 DIFF= DCi-DCi-1编码 …blocki-1blockiDCi-1DCi图5.5 DC系数差分编码AC系数的行程编码 • 其余63个交流系数(AC) 采用行程编码 • 从左上方AC0，1开始沿对 角线方向“Z”字形扫描直 到AC7，7扫描结束， 这 样可增加行程中连续0的 个数 • AC系数编码的码字用两 个字节表示，如图所示 ： 图5.6 Z字形扫描图5.7 AC系数行程编码码字两个非0值间 连续0的个数表示下一个 非0值需要的bit数下一个非0实际值7430字节1字节2例子：对“…，3，0，0，0，0，0，12，0，0，…”编码…，(5，4)，(12)，….熵编码 • 为了进一步压缩数据，需对DC码和AC行程编 码的码字再做基于统计特性的熵编码 • JPEG建议的熵编码是Huffman编码和自适应二 进制算术编码• 熵编码可分成两步进行： –把DC码和AC行程码转换为中间符号序列 – 给这些符号赋以变长码字 • 行程取值范围为1～15， 超过15时用扩展符号1 (15， 0)来扩充， 63个AC系数最多增加3个扩展 符号1。
编码结束时用(0，0)表示• “尺寸”取值范围为0～10 • “幅值”用以表示非0的AC系数的值， 范围为［- 210， 210-1］(最长10bit)， 结构形式如表5-5所 示1 -1，1 2 -3-2，23 3 -7-4，47 4 -15-8，8157 …… 8 9 -511-256，256…511 10 -1023-512，512…1023表5.5 符号2结构DC系数的熵编码• 对于直流分量DC也有类似于AC系数的编码格式 – 符号1：(尺寸) – 符号2：(幅值) • “尺寸”表示DC差值的幅值编码所需的比特数， 而“ 幅值”表示DC差值的幅值， 范围为［-211，211-1］ 。
可在表5.5中多加一级， 幅值尺寸以1到11比特 表示 • 将63个AC系数表示成为符号1和符号2序列，其中 连续0的长度超过15时，有多个符号1； 块结束 (EOB)时仅有一个符号1(0，0)…4，0，0，0，0，0，0，0，……0，3，0”. 4，3之间有31个0.(15，0)，(15，0)，(1，2)，(3) • 可变长度熵编码就是对上述序列进行变长编码 • 对DC系数、AC系数中的符号1采用Huffman表中 的变长码编码(VLC)，这里Huffman变长码表必 须作为JPEG编码器输入 • 符号2用码字长度在表2.4中给出的变长整数VLI 码编码VLI是变长码，但不是Huffman码VLI 的长度存放在VLC中， JPEG提供VLI码字表供 用户使用表5.6 JPEG压缩效果评价压缩压缩 效果(比特/像素) 质质 量0.25~0.50 中~好0.50~0.75 好~很好0.75~1.5 极好1.2~2.0 与原始图像分不出来MPEG视频数据流的结构MPEG-1数据体系结构运动图像序列图片组图片图片切片宏块块8像素帧间预测1I2B3B4B5P6B7B8B1I前向预测双向预测运动序列流的组成典型的图像类型的显示次序1秒参照帧间有2个B图像 每0.5秒1帧I图像 I B B P B B P B B P B B P B B I B B P B B P B B P B B P B B传输顺序• MPEG编码器需对上述图像重新排序， 以便解 码器高效工作， 因为参照图像必须先于B图像 恢复之前恢复。
上述1～7帧图像重排后图像组 次序为：4213756IPBBPBB图像处理对图像进行一系列的操作以达到预期的 目的的技术称作图像处理图像处理可分为模拟图像处理和数字图像处理两种方式 Ø 利用光学、照相和电子学方法对模拟图像的处理称 为模拟图像处理目前，许多军用、宇航的处理仍 采用光学模拟处理 Ø 利用计算机对数字图像进行系列操作，从而获得某 种预期的结果的技术称为数字图像处理，又称计算 机图像处理通常，也简称为图像处理图像处理的内容相当丰富，包括狭义的图像 处理、图像分析与图像理解 Ø狭义的图像处理着重强调在图像之间进行的 变换，是一个从图像到图像的过程，是比较 低层的操作 Ø狭义的图像处理主要满足对图像进行各种加 工，以改善图像的视觉效果，或对图像进行 压缩编码以减少所需存储空间或传输时间， 达到传输通路的要求特点：主要在像素级进行处理，处理的数据量 非常大图像分析图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行 检测和测量，从而建立对图像的描述Ø图像分析主要研究用自动或半自动装置和系 统，从图像中提取有用的测度、数据或信息 ，生成非图像的描述或者表示 Ø图像分析的内容分为特征提取、符号描述、 目标检测、景物匹配和识别等几个部分。
特点：是一个从图像到数据的过程，可以看作 是中层处理图像理解Ø图像理解是在图像分析的基础上，进一 步研究图像中各目标的性质和它们之间 的相互联系，并得出对图像内容含义的 理解以及对原来客观场景的解释，从而 指导和规划行动图像理解有时也叫景 物理解Ø图像理解主要是高层操作，其处理过程 和方法与人类的思维推理有许多类似之 处与相关学科的关系 Ø数字图像处理是一门新的交叉学科它 与数学、物理学、生理学、心理学、电 子学、计算机科学等许多学科可以相互 借鉴Ø从它的研究范围来看，它与模式识别、 计算机视觉、计算机图形学等多个专业 又互相交叉宏 观 世 界图像图像数据(人)符号新技术 新理论 新工具图像处理模式识别图像分析计算机视觉计算机图形学图像理解图像理解(转换)图像处理与相关学科的联系和区别数字图像处理方法• 数字图像的处理方法种类繁多，根据不 同的分类标准可以得到不向的分类结果 • 根据对图像作用域的不同，数字图像处 理方法大致可分为两大类，即：空域算 法和变换域算法空域处理方法Ø空域处理方法是指在空间域内直接对数 字图像进行处理在处理时，既可以直 接对图像各像素点进行灰度上的变换处 理，也可以对图像进行小区域模板的空 域滤波等处理，以充分考虑像素邻域像 素点对其的影响。
Ø空域处理法主要有两大类：(1)邻域处理法(2)点处理法变换域处理方法变换域处理方法首先主要是通过傅立叶 变换、离散余弦变换、沃尔什变换或是 比较新的小波变换等变换算法，将图像 从空域变换到相应的变换域，得到变换 域系数阵列，然后在变换域中对图像进 行处理，处理完成后再将图像从变换域 反变换到空间域，得到处理结果数字图像处理的主要研究内容1 图像变换 2 图像增强 3 图像编码与压缩 4 图像复原 5 图像重建1 图像变换Ø图像变换是图像处理和图像分析的一个 重要分支，它将图像从空间域变换到变 换域，然后在变换域对图像进行处理和 分析Ø图像变换是许多图像处理和分析技术的 基础，是图像增强和复原的基本工具， 也是图像特征提取的重要手段Ø常用的图像变换有傅立叶变换、DCT变 换，小波变换等2 图像增强Ø图像增强是指根据一定的要求，突出图 像中感兴趣的信息，而减弱或去除不需 要的信息，从而使有用信息得到加强的 信息处理方法 Ø根据增强处理过程所在的空间不同，图 像增强技术可分为基于空间域的增强方 法和基于频率域的增强方法两类 Ø图像增强主要方法有直方图增强、空域 滤波法、频率域滤波法以及彩色增强法 等。
图像灰度变换前后效果对比图:变换前 变换后线性灰度变换法Ø假定原始输入。
