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图像处理技术:数字图像压缩 ----- 图像冗余、无损压缩、有损压缩、图像压缩标准


发布时间: 2022-11-24 22:41:01    浏览次数:34 次

图像处理技术 相关知识目录(顺序):

  1. 图像处理技术Digital Image Processing:导论 ----- 初始图像 - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  2. 图像处理技术:导论 ----- 图像工程 - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  3. 图像处理技术: 导论 ----- 图像处理系统 - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  4. 图像处理技术:MATLAB介绍 ----- 工作环境 - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  5. 图像处理技术:图像获取 ----- 三、MATLAB基础知识 - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  6. 图像处理技术:图像获取 ----- 图像获取过程以及相关函数 - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  7. 图像处理技术:图像变换 ----- 算数运算 与 集合变换 - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  8. 图像处理技术:图像变换 ------ 形态学变换 - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  9. 图像处理技术:图像变换 ----- 霍夫变换hough (局部特征检测) - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  10. 图像处理结束: 图像变化 ----- 傅里叶变换 FT / FFT (空间域转频率域 灰度函数转频率函数) - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  11. 图像处理技术:图像变换 ---- 离散余弦变换 DCT (图像压缩 低频) - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  12. 图像处理技术: 数字图像增强 ----- 一、图像空域增强 - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  13. 图像处理技术:数字图像增强 ----- 图像频域增强 DFT - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  14. 图像处理技术:数字图像复原 ----- 图像退化/复原、图像噪声、图像空域/频域恢复技术 - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  15. 图像处理技术:数字图像压缩 ----- 图像冗余、无损压缩、有损压缩、图像压缩标准 - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)
  16. 图像处理技术:数字图像分割 ------ 图像分割、边界分割(边缘检测)、区域分割 - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)

一、基本概念

数据压缩是指减少表示给定信息量所需的数据量。

• 图像冗余

对信息进行编码:

• 出现概率较高的信息单元,赋予较短的编码;

• 出现概率较低的信息单元,赋予较长的编码

这样,总的编码长度就能缩短不少。

图像冗余是数字图像压缩的主要问题

图像冗余定义:

 

 

 

数据压缩的本质是用尽量少的比特数表达尽可能多的灰度级。

 当一幅图像的灰度级,直接用自然二进制编码来表示时, 冗余总会存在
 在这种情况下处理编码冗余的 根本基础就是:
图像是由具有规则的、在某种程度上具有可预测的形态(形状)和反射的对
象组成,并且通常对图像进行取样以便描述的对象远大于图像元素。

图像冗余分类:

① 空间冗余

② 时间冗余

③ 信息熵冗余

④ 结构冗余
⑤ 知识冗余

⑥ 心理视觉冗余

 

 

 

 

 

• 图像编码与解码

 

 

 

 

 

 

图像压缩分类:

• 无损压缩lossless:压缩过程可逆的,压缩后的图像能够完全恢复出原来的
图像信息;
• 有损压缩lossy:压缩过程不可逆,无法完全恢复出原图像,信息有一定的
丢失, 压缩率比无损压缩高

二、无损压缩

无损图像压缩编码
 无损压缩编码就是利用数据的统计冗余进行压缩,可完全恢复原始数据而不
引起任何失真。
 广泛用于文本数据,程序和特殊应用场合的图像数据压缩。

 经常使用的无损压缩方法有:

 

 

 

 

基本原理:是将使用次数多的字符用长度较短的编码代替,而使用次数少的
则使用较长的编码,并且确保编码的唯一可解性。
•最根本的原则:累计的字符的统计数字与字符的编码长度的乘积最小,也就
是权值的和最小

 

 huffman编码示例:

 

 

 

 

 

 

Huffman编码特点:

① 霍夫曼编码具有不唯一性。
② 霍夫曼编码对不同信源具有不同的编码效率。
③ 霍夫曼编码的结果不等长,硬件实现有相当大的困难,而且误码传播严重。

三、有损压缩

有损压缩:是利用了人类对图像或声波中的某些频率成分不敏感的特性,允许压缩
过程中损失一定的信息。
• 虽然使用有损压缩不能完全恢复原始数据,但是所损失的部分对理解原始图像
的影响缩小,却换来了大得多的压缩比。
• 有损压缩广泛应用于语音、图像和视频数据的压缩。常见的声音、图像、视频
压缩基本都是有损的

 

 

• DPCM编码器(线性预测)

DPCM编码:PCM脉冲编码调制+增量调制
 DPCM编码是一种 线性预测编码
• 用已经过去的抽样值来 预测当前的抽样值
• 利用信号的相关性找出可以反映信号变化特征的一个 差值量
进行编码。
 解决问题:信号的 瞬时斜率比较大
 DPCM:Differential Pulse Code Modulation
 脉码增量调制,或称差值脉码调制

• 离散余弦编码器(除去相关性/能量集中低频/图像压缩的关键步骤)

• 离散余弦变换(Discrete Cosine Transform, DCT)
– 是数码率压缩常用的一个变换编码方法。
– 任何连续的实对称函数的傅里叶变换中只含余弦项,因此余弦变换与傅里
叶变换一样 有明确的物理意义。
 
– 图像信息一般都具有高度的相关性,因此任何压缩机制的目的在于 除去数据
中存在的 相关性
– 相关性就是根据给出的一部分数据来判断出其相邻的数据,在实际中存在很
多数据相关性,常见的有:

• 空间相关性

• 频率相关性

• 时间相关性等。

– 在图像压缩编码中,减少空间相关性的主要方法是正交变换。

– 从数学上看,用于图像压缩编码的正交变换有很多种,如K-L变换、DCT 变
换、Fourier变换、Walsh变换等。
– 根据均方差最小准则, K-L变换具有 最佳变换特性,DCT 变换次之。 但是
K-L变换时的计算量很大, 因此常用DCT 变换替代。
– 图像数据经过 DCT变换,可实现用一个和原来不同的数学基来表示数据,
其数据的相关性能够显露出来或被拆开。
– 在这种情况下,大部分的系数都接近于零,可以忽略,于是可以将余下的
信息存储在一个较小的数据包里。由此实现了图像的压缩。

 

与Fourier变换联系密切,应用广泛:信号处理、图像处理。

是图像压缩的关键步骤

离散余弦变换具有很强的 "能量集中"特性:大多数的自然信号(包括声音
和图像)的能量都集中在离散余弦变换后的 低频部分
 

 

• 小波变换基本原理(多分辨率分解、核心系数编码)

 

 

 

傅里叶变换对于非平稳信号的分解会遗失其在时域上的变化信息

 

小波变换的基本思想类似于傅里叶变换,就是用信号在 一簇基函数构成的空间
上的投影表征该信号。
• 小波变换在时域和频域同时具有良好的 局部化性能,有一个灵活可变的 时间-
频率窗,这在理论和实际应用中都有重要意义。
 
小波变换与经典的傅里叶变换不一样,傅里叶变换基是固定的,而函数只要满足 容许性条件,就可以称为小波基。
• 变换基的选择问题:需要根据具体 应用要求和被处理的 原函数的特点来选择小波变换基

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*小波变换用于图像编码的一般步骤就是把图像进行 多分辨率分解,分
解成不同空间、不同频率的子图像,然后再对子图像进行系数编码。
系数编码是小波变换用于压缩的核心,压缩的实质是对 系数的量化压

四、图像压缩标准

• 国际标准化组织(ISO)和国际电工委
员会(IEC)

– 关于静止图像的编码标准 • JPEG (有损)

 
JPEG(Joint Photographic Experts Group,联合图像专家组)
– 是最常用的图像文件格式,是一种 有损压缩格式;
– JPEG压缩技术十分先进,可以用最少的磁盘空间得到较好的图像品质;

JPEG算法共有4种运行模式

无损压缩算法,可以保证无失真地重建原始图像。
② 基于DCT的 顺序模式,按从上到下,从左到右的顺序对图像进行编码,称
为基本系统。
③ 基于DCT的 递进模式,指对一幅图像按由粗到细对图像进行编码。
分层模式。以各种分辨率对图像进行编码,可以根据不同的要求,获得不
同分辨率的图像

• JPEG2000;

JPEG 2000压缩率比JPEG高约30%;

 JPEG 2000的一个重要特性是能实现渐进传输:

JPEG 2000另一个优点就是感兴趣区域特性。

JPEG 2000一个最大改进是它采用小波变换代替了余弦变换

 

 

 

 

• JPEG 2000 对比特错误具有鲁棒性,抗干扰性好,易于操作;
• JPEG 2000的一个重要特性是能实现渐进传输:
– 先传输图像的轮廓,然后逐步传输数据,不断提高图像质量;
– 使用JPEG 2000下一个图片,用户可先看到这个图片的轮廓或缩影,然后再
决定是否下载;
– 下载时可以根据用户需要和带宽来决定下载图像质量的好坏,从而控制数
据量的大小 
 

JPEG XL :

  2021年7月,联合图像专家小组(JPEG)宣布开发出了一种全新的图像编码格
式-- JPEG XL。它向后兼容 JPEG 格式,提供更有效的压缩并对 HDR 等现代
标准提供支持。
  JPEG XL 图像编码系统(ISO/IEC 18181)具有丰富的功能集,并针对响应式
网络环境进行了优化,确保内容在各种设备上都能很好地呈现出来。它还包括
一些功能,帮助你从旧的 JPEG 格式迁移,这种格式可以追溯到 20 世纪 80
年代。 

JPEG XL 的主要优势:

– 在相同的主观质量下, 尺寸大大减小;
快速,可并行化的解码和编码配置;
现有JPEG的渐进,无损,动画和可逆转码等功能
支持高质量应用,包括宽色域,更高的分辨率/位深度/动态范围以及视觉无
损编码

– 关于活动图像的编码标准 • MPEG-1

• MPEG-2
• MPEG-4等;
• 国际电信联盟(TU-T)

– 关于电视电话/会议电视的视频编码标准 • H.261

• H.263等;
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