现代通信概论十.ppt
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数字图像通信系统电子信息工程学院霍炎yhuo@2第10章 数字图像通信系统10.1 概述 10.2 数字图像通信原理 10.3 数字通信 (自学) 10.4 活动数字图像通信系统310.1 概述图像通信是一种视觉通信， 已成为当代通信领 域主要手段之一 图像通信传送和接收的图像信息可以是静止的 或活动的 图像信息可以采用模拟或数字的形式进行传送 ，传送和接收数字图像信号的通信系统就是数 字图像通信系统410.1.1图像通信的特点直观性强---图像表示形象直观，易于理解数据量大---数字图像的数据量比语音要大一个数量级，比文本数据大两个数量级信息确切性好---与听觉获取相比，视觉获取的信息内容更容易确认，不易发生歧义 510.1.2 图像通信的分类o 按业务性质分n 、可视、会议电视、图文电视、有线电视、高清晰度 电视和智能用户电报等o 按图像信息内容的运动状态分n 静止图像通信n 活动图像通信o 按采用的传输技术分n 模拟图像通信n 数字图像通信610.1.3 数字图像通信系统的组成(1/5)7数字图像通信系统的组成（2/5）o 输入设备 输入设备产生静止或活动的图像信号，例如电视摄像机、录像机、扫描仪、扫描头和电子黑板等都可作为产生图像的输入设备。
8数字图像通信系统的组成（3/5）o编码器n信源编码器o 模拟的图像信号转换为数字信号o 压缩图像信号n信道编码器o 将信源编码器输出的比特流转变为适合信道传输的形 式o 包括差错控制编码和调制，以及数据打包和传输层控 制等 9数字图像通信系统的组成（4/5）o信道n 提供让信号通过的通道，同时也会对信号产生 限制和损害n 狭义信道为传输媒质n 广义信道还包括相关的转换器和设备，因此， 网、移动通信网和因特网等网络是广义信 道 10数字图像通信系统的组成（5/5）o解码器n n 解调器、解码器分别是上述编码器和调制器的 逆过程o显示终端n 用来显示被复原的图像的设备，可以是电视荧 光屏、液晶显示屏、打印机、图像拷贝机等1110.2 数字图像通信原理 o 模数变换o 图像压缩编码o 数字传输、宽带接入与交换等关键技术1210.2.1图像信号数字化(1/3)原始图像的数字化包括以下三个过程 空间位置的数字化 --- 采样 幅度值的数字化 --- 量化 编码13图像信号数字化(2/3)o 空间位置的数字化本质上就是对连续分布的空间位置进行 抽样，选取有限个位置来表示整幅图像 在二维空间中，包括垂直和水平两个位置或方向的数字化。
•在垂直位置上进行扫描，即用若 干等距离的水平扫描行来表示图 像； •在水平方向上进行抽样，即按照 一定的间隔选取信号 图像信息的像素点14图像信号数字化(3/3)o幅度的数字化n量化：用有限的幅度值来表示连续变化的幅度值o编码n 编码使用的码字位数与量化级数有关，量化级数多固然可以减小量化误差，但是编码时使用的码字位 数也多，占用的传输带宽也越大 1510.2.2 数字信号的压缩与编码(1/2)o为什么要进行压缩 n 压缩的必要性： •数字图像包含巨大的信息量，为了有效地存储和在有 限的信道中传输图像信息，有必要对图像信息进行压 缩 n 压缩的可能性 图像信息包含有用的信息和无用的多余信息，消除多 余信息可以节约码字，达到数据压缩的目的 图像通信允许图像编码存在一定失真 16数字信号的压缩与编码(2/2)o图像压缩的原理和方法 n 压缩编码：在保证一定的图像质量和满足要求 的前提下，减少原始图像数据量的处理过程 n 两种基本思路 o 利用图像固有的统计特性，从原始图像中提取有效的 信息，尽量去除冗余信息，例如减少相邻像素之间、 相邻帧之间的冗余信息 o 利用人的视觉特性，力图发现人眼是根据哪些关键特 征来识别图像，然后根据这些特征来构造图像模型 17无失真编码(1/2)o 压缩编码时不丢失有效信息，编码后的复原图 像与编码前的原始图像完全相同 o 两种典型方法：Huffman编码和算术编码 Huffman编码方法Huffman编码是最常用的一种变长编码方法；核心是用变长的码字来表示不同发生概率的事件确定表示不同概率事件的码字是关键；这种码字的特点是：在码字集合中任一码字都不能是其他码字的字头；事件ABCD发生概率40%35%15%10%定长编码0001101119Huffman编码方法编码方法： •将事件按照概率递减排列； •将最小两个概率相加，得到一个新的概率，重复第一步，直到概率和为1（终点）； •对每次组合的上边指定为1，下边为0（也可以相反）； •画出每个事件到终点的路径，路径从终点到事件源点所经过的01码就是编码值；A：40%B：35%C：15%D：10%25%60%100%101001表示各事件的码字分别是：A-1、B-00、C-010、D-011Huffman编码性能分析假设：以上事件发生100次；采用定长编码：总码长＝每事件码长×100=200；每事件的码长为2 bit/symbol采用Huffman编码：总码长=40*1+35*2+15*3+10*3=185平均每事件的码长=1.85 bit/symbol熵的计算E=-0.4log2(0.4)-0.35log2(0.35)-0.15log2(0.15)-0.1log2(0.1) =1.808从熵的角度分析：可见变长编码的作用Huffman编码总结 Huffman编码是变长编码的最常用的一种；基本方法是先对图像数据扫描一遍，计算出各种像素出 现的概率，按概率的大小指定不同长度的唯一码字，由 此得到一张该图像的Huffman码表。
实际应用中，Huffman编码也常与别的编码方法一起结 合起来使用如把Huffman编码与增量调制编码结合起来对图像进行编码，得到的压缩比要比采用单一的编码 方法所得的压缩比高，效果更好算术编码 算术编码的特点 不需要Huffman编码的码表，具有自适应能力； 较为复杂； 在JPEG, JBIG中得到应用； 基本原理：也是基于概率分布的一种变长编码 编码前提条件 编码过程中信源符号的概率分布不变； 基本的实现方法 根据信源符号概率分布在0～1之间划分； 对于第一个信源码确定所在区间，接下来的信源码在前面确 定的区间内再进行划分确认；依次进行； 最后对确定的区间所代表的实数进行编码；算术编码举例映射到实线的范围为 [0, 1]概率的排列顺序可以随意，但是解码时必须保持相同的排列顺序 各个符号被分成不同的部分: 1: [0, 0.8): 0, 0.799999…9 2: [0.8, 0.82): 0.8, 0.819999…9 3: [0.82, 1): 0.82, 0.999999…9算术编码举例 (编码)编码：输入符号为1321编码终止: Encode the lower end (0.7712) to signal the end难点：对于长的符号序列编码时需要很高的精度；只有整个序列都 被处理后才有输出算术编码举例 (编码的Pseudo Code)low=0.0, high=1.0; while (not EOF) { n = ReadSymbol(); RANGE = HIGH - LOW; HIGH = LOW + RANGE * CDF(n); LOW = LOW + RANGE * CDF(n-1); } output LOW; 此程序中有3个主要参数：low ，high和range，只需知道两个 就可以 CDF是该符号的概率分布函数算术编码举例 (解码) 缺点: 每一步都需要重新计算所有的门限值算术编码举例 (一种简单的解码方法) 解码公式Huffman和算术编码比较Huffman Coding: The Retired Champion用码字来代替输入的符号 需要概率分布 难以适应变化的统计特性 需要存储码字表 最小码字的长度是1 bit Arithmetic Coding: The Rising Star用一个的浮点数代替完整的输入 自适应编码实现容易 不需要保存和发送码字表 可以实现小于1的码字长度 总体效果：算术编码可以得到更接近熵的编码效果，目前在一些新的图像 编码算法中采用其他无损编码方法 行程编码（run length code）基本思路：用重复数据的行程和一个重复数据来表示所有的 重复数据；例如：0000111117777777777444444444可以记做: (4,0)(5,1)(10,7)(9,4)广泛的应用于：一般的数字图像压缩；文件数据压缩；在标准中得到了广泛的应用。
其他无损编码方法字典编码也是对重复代码采用替代的方法来表示，目的就是减少数据 冗余；有两种方法：第一种方法：对于后面的重复数据用一个“指针”表示，指向前面的数据；LZSS算法就是这样第二种方法：对数据创建一个“字典”，用字典中的索引来表示数据；LZW算法31限失真编码o 压缩编码后可能造成失真，编码后的复原图像与编码前 的原始图像有差别 o 预测编码、离散余弦变换3210.2.3 数字图像信号的编码标准o三大系列：H.26x、JPEG和MPEGo三大组织n 国际电信联盟远程通信标准化组ITU-T: ITU for Telecommunication Standardization Sectorn 国际标准化组织ISO: International Organization for Standardizationn 国际电工委员会IEC: International Electro-technical Commission33H.261标准 o 第一个视频压缩编码国际标准，由ITU-T颁布，在ISDN上开展可视和会议电视o 数据速率为每秒64千比特~192千比特(N64 kbps)o 仅支持CIF和QCIF两种图像格式o 图像数据被划分为四个层次原始图像即为图像层、块组 层、宏块层、子块层o 预测编码与DCT相配合的混合编码方式34H.263标准（1/2） o H.263核心仍然是DPCM/DCT混合编码，也采用了四层的分层结构进行编码o 与H.261标准不同之处是，H.263做了一些修改或扩充n 支持CIF、QCIF和另外三种图像格式，它们的分辨 率分别为QCIF分辨率的一半、4倍和16倍。
n 预测编码估值精度可以达到半个像素n 增加了四种可选项以提高编码效率n 采用算术编码代替Huffman编码，编码效率更高35H.263标准（2/2）oH.263＋进一步提高了压缩编码性能n 支持更多的图像格式类型，允许自定义图像的尺寸n 采用更好的编码方法n 通过一些技术增强了图像信息在易误码、易丢包的 网络环境下的传输 36JPEG标准o 主要用于连续彩色静止图像的数据压缩o 以DCT技术为基础，能够提供较好的图像质量和较高的压缩率o 由ISO和ITU-T于1991年联合公布 37JPEG 2000o 支持各种类型图像压缩，包括二值图像、多分量图像、遥感 图像、医学图像和合成图像等 o 在表示像素位数即每像素位低于0.25时，恢复出来的图像具 有较好的细节质量，比原标准具有更好的甚低比特率性能o 对同一码流能同时提供有损或无损压缩o 允许用户自定义感兴趣区域，并对感兴趣区域的图像提供更 好的编码质量o 在通过无线信道传输时码流具有良好的抗误码性能，并采用 数字水印技术提高图像安全保护性能o 采用了压缩率更高的小波变换方法38MJPEG标准o JPEG标准也用来对活动图像进行编码，此时JPEG把视频序列中的每一帧当作一幅静止图像来处理，即所谓 Motion JPEG，简称为MJPEGo 目前JPEG被广泛应用在各种应用场合，比如一般的图片、医疗图片、卫星图片的保存和传输，多媒体应用和 广播电视后期制作等。
