压缩的过程就是去除冗余的过程

图像压缩基础

  • 压缩编码的必要性
    • 减轻对计算机存储设备的压力
    • 对图像的存储、处理、传送带来很大的困难
    • 动态数据量非常庞大
  • 数据压缩
    • 减少表示给定信息量所需的数据量
    • 信息是用户需要传送的内容
    • 数据是信息传送的手段
    • 对相同的信息可以用不同数量的数据表表示
  • 三种基本的数据冗余
    • 编码冗余
    • 像素间冗余
    • 心理视觉冗余
  • 相对数据冗余度
    • 和压缩率有关
  • 编码冗余
    • 信息论中信息量的概念
    • 信源的不定度或熵，定义了单个信源的平均信息量
    • 无干扰编码定理
      • 无干扰条件下，存在一种无失真的编码方法，使编码的平均长度与信源的熵任意的接近
      • 对于图像来说，平均编码长度就是每个像素点的平均比特数
  • 像素间冗余
    • 利用像素之间的相关性，这些相关来自于图像中对象之间的结构或几何关系
    • 相关性反映了图像中像素间的直接关系
    • 将二维像素阵列变换为更有效的形式
      • 例如相邻像素之间的差异可以用来描绘图像
      • 这种类型的变化可以认为是映射
    • 行程编码
      • 原图像
      • 二值图像
      • 现状剖面和二值化门限
      • 行程编码
  • 心理视觉冗余
    • 有损压缩
    • 在不削弱图像感知的情况下消除冗余
    • 这种映射不可逆
    • 存在量化器，信息丢失的环节
  • 改进的灰度级IGS量化方法
  • 保真度准则
    • 客观保真度准则
      • 均方根误差
    • 主管保真度准则
      • 观察者的评估结果

图像压缩模型

编码器由一个消除输入冗余的信源编码器和一个用于增强信源编码器输出抗噪能力的信道编码器构成
如果编码器和解码器之间的信道是无噪的，信道编码器可以省去

信源编码器的主要任务是减少冗余或消除冗余，解决有效性问题，力求用最少的码传递最大的信息量

  • 信源编码的三个阶段
  • 解码器包含两个部分
    • 符号解码器
    • 反向变换器
  • 信道编码器和解码器通过向信源编码数据中插入预制的冗余数据来减少噪声的影响
  • 信道编码解决可靠性问题，尽量使处理过程的传输过程中不出错，少出错，即使出错也有能力尽量纠正错误
  • 信道编码技术比如汉明编码

无损压缩方法

  • 霍夫曼编码
  • 算术编码
  • LZW编码
    • （不需要符号的先验概率）
    • 输出码字长度相同（地址）
  • 位平面编码
  • 行程编码
  • 无损预测编码
  • 均是在图像的空间域上编码
  • 无损压缩编码的应用
    • 医疗或商业文件，有损压缩为某些法律所禁止
    • 卫星成像的处理
    • 压缩率一般为2-10
  • 消除像素间冗余
  • 编码冗余
  • 变长编码能有效减少图像的编码冗余
  • Bn编码
    • 每个码字由延伸比特和信息比特组成
    • 延伸比特的作用是码字分割
  • 霍夫曼编码
    • 最优变长编码
    • 对错误敏感
    • 编码具有局限性，符号数目庞大时，编码算法复杂度较大
  • 截尾霍夫曼编码
    • 霍夫曼编码派生
    • 降低编码复杂性但是编码效率降低
  • Sn编码二值移位编码

有损压缩方法

  • 变换编码
    • 使用的是图像的映射域编码
  • 有损预测编码
    • 量化器
  • 算术编码方法
    • 译码可以无限译码
    • 译码需要添加停止符
    • 一定的方法指示解码器停止解码
    • 计算机精度有限，需要考虑溢出
    • 通过尺度策略和舍入策略
  • 词典编码
    • 静态词典适应性不强
    • 几乎所有的通用字典模型都使用了自适应方式
    • 词典编码的根据是文本自身具有重复编码的特点
    • 基本思想
      • 第一类算法企图查找正在压缩的字符序列是否在以前输入的数据中出现过，然后用已经出现过的字符串代替重复的部分，他的输出仅仅是指向早期出现过的词语的指针
      • 第二类企图从输入的数据中创建一个短语词典，这种短语不一定是具有具体含义的短语，可以是任意字符的组合
  • LZW编码
    • 处理图像的像素间冗余的无误差编码方法
    • 对信源符号的可变长度序列分配固定长度码字，且不需要了解有关被编码符号的出现概率的知识
    • 使用了一种实用的分析-贪婪分析算法
  • 位平面分解
    • 这种方法的固有缺点是图像在灰度级上稍有变化，就会对位平面的复杂性产生显著的影响
    • 使用格雷码代替自然二值编码
  • 常数值区域编码

  • 跳过白色块编码

  • 处理心理视觉冗余

  • 有损压缩是以在图像重构的准确度上做出牺牲而换取压缩能力增加为基础的
  • 如果产生的失真是可以容忍的，则压缩能力的增加是有效的
  • 压缩率较大，有损压缩可达到100：1压缩率，并能做到10：1~50：1之间，图像无本质区别
    • 有损预测编码
    • 变换编码
  • 各类编码方法中，预测编码是比较易于实现的，如差分脉冲编码调制（DPCM）
    • 每一个像素灰度值与预测值做差，此差值为预测误差
  • 有损预测编码
    • Delta调制
      • 颗料噪声
      • 斜率过载
    • 预测器
      • 选择最小均方预测误差误差作为预测的最佳准则
    • 量化器
      • 映射
      • 不可逆
  • 变换编码
    • 使图像信号能量在空间中重新分布，低频成分占据能量大部分
    • 能量分布集中，熵值最小，可实现平均码长最短
    • 子图分解、变换、量化、编码
      • 变换的目的是对每幅子图像像素进行解相关
    • 离散傅里叶变换
    • 离散余弦变换
    • 沃尔什-哈达玛变换
    • 变换的选择
      • 可逆的，没有信息丢失
      • 取决于可容忍的重构误差的大小和可用的资源大小
      • 正向和逆向变换核决定了所计算的变换类型和总体计算的复杂度以及所应用的变换编码系统的重构误差
    • 子图图像尺寸的选择
    • 比特分配
      • 截断误差与两个因素有关
        • 截除的变换系数的数量和相对重要性

图像压缩标准

  • 二值图像压缩标准
    • 面向传真而设计
  • 连续色调图像压缩标准
    • 静止帧黑白、彩色压缩
  • 二值图像压缩标准
    • CCITT3和CCITT4组
    • 基本思想
      • 行程编码与静态霍夫曼编码结合
      • 由于是二值图像，不用灰度值编码
      • JBIG
  • 静止图像压缩标准
    • JPEG，良好的压缩性能、比较好的重建质量
  • 运动图像压缩标准
    • 各连续帧之间存在简单的相关性平移运动
    • 根据同帧附近像素来预测，帧内编码技术
    • 根据附近帧像素预测，帧间编码技术
    • 电视会议标准
      • H.261\263标准
    • 多媒体标准
  • 图像增强与复原
  • 图像增强