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

2022-12-04 更新：纪念博主的另一篇连载博客《漫谈计算机网络》完结啦！

引流一下嘻嘻♥

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1.漫谈计算机网络：概述 ------ 从起源开始到分层协议结构，初识究竟什么是计算机网络？ - slowlydance2me - 博客园 (cnblogs.com)

图像处理技术相关知识目录（顺序）：

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。但是实

现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

缩

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

① 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。

④ 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；

posted @ 2022-11-22 21:03 slowlydance2me 阅读(1158) 评论(0) 编辑收藏举报

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