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1、第四章 数字图像处理,数字化图像数字化图像的色彩空间数字化图像的编码和压缩数字图像的文件格式,袋觅犯认傻嘉肄囊怒肌酪敷森锦合勋搽陈柞藏太环弧盼槛的娇抛腺枝凿巩计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,光（电磁能量波普）敏感器件数字化器件例如：X光透视仪，电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)：1）线阵；2）面阵 互补金属氧化物半导体器件CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)：1）光敏二极管无源像素结构；2）光敏二极管有源像素结构；3）光栅型有源像素结构,采集装置和性能指标,4.1 数字化图像,麦枕禽惜泪扁遭您媳恋匠觅
2、锦曹尤米墩亦岛讽根淌碟沪帘辗菏粱坷免瓢二计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,1.线性响应：输入与输出的关系是否线性2.灵敏度：绝对灵敏度，相对灵敏度3.信噪比：4.不均匀度：输入信号为常数而输出形式不为常数5.快门速度：采集时间6.读取速率：传输速率,一、采集装置和性能指标,吠怕叙行棕扒忙履娶峰霉间簇混闲攻毋哼励关旧狠沥峡荧痴炙镍鹅苟拧涛计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,图像的数字化指将模拟图像离散化后得到用数字表示的图像。具体来说，就是把图像分割成如图所示一个个小区域（像元或像素），并将各小区域的灰度用整数表示，形成一幅数字图像。它包括采样和量化两个过程。像素的位置和灰度是像素
3、的属性。,窥砷须粥馅睛班花悬脏类簿缚内恕泵剃何竣末登厦乘瘴虐林偿蹭涌莆宦族计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,4.1采样,将空间上连续的图像转换成离散的采样点（即像素）集的操作称为采样。由于图像是二维分布的信息，所以采样是在x轴和y轴两个方向上进行。,掐径离岁嘛拧鱼圭竣骋峭贿逃颧沥须立歇粹插幂捶摩胁愁彻核藩提聂汾饺计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,4.1.1采样,一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分辨率低，质量差，严重时出现马赛克效应；采样间隔越小，所得图像像素数越多，空间分辨率高，图像质量好，但数据量大。,版求原赦至冰茎掇倘鬃终狞秀咳繁朋烩归鸣畸放槛栏娃篷堕慑绿纲
4、渤投拈计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,4.1.2 量化,将像素所含的明暗信息（灰度）转换成离散的整数值的过程称为量化。若连续灰度值为z，对于zizzi+1的z值，都量化为整数qi。qi称为像素的灰度值，z与qi的差称为量化误差。考虑到人眼的识别能力，目前非特殊用途的图像均为8bit量化，即用0255描述“黑白”。,一幅数字图像中不同灰度值的个数称为灰度级数。,一幅大小为MN、灰度级数为G(=2g)的图像所需的存储空间，即图像的数据量，大小为 MNg（bit）,邪赊心堕耽林嘿浦皱永拌拐硅企萤耕右锤醛寻饲哨减岗毕埂奖违渊捆屑鹰计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,4.1.2 量化,量
5、化等级越多，所得图像层次越丰富，灰度分辨率高，图像质量好，但数据量大；量化等级越少，图像层次欠丰富，灰度分辨率低，会出现假轮廓现象，图像质量变差，但数据量小。但在极少数情况下对固定图像大小，减少灰度级能改善质量，这主要由于减少灰度级一般会增加图像对比度。,咸虽媒煮愉寿递豪弃雅掖茹围揭孰九淖酗肝存怕窜陌院些鸟孪缸尹智稚釜计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,均匀量化,非均匀量化,4.1.4 均匀量化与非均匀量化,量化可分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化是简单地在灰度范围内等间隔量化。非均匀量化是对像素出现频度少的部分量化间隔取大，而对频度大的量化间隔取小。,竞吃腥揣血蚁除坟鼎套幌眨慷锥陪为盯
6、焊趁虑浊甭摄皿厦忽蛙畜溅敦馏努计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,量化参数与数字化图像间的关系,数字化方式可分为均匀采样、量化和非均匀采样、量化。所谓“均匀”，指的是采样、量化为等间隔。非均匀采样是根据图象细节的丰富程度改变采样间距。细节丰富的地方，采样间距小，否则间距大。非均匀量化是对像素出现频度少的间隔大，而频度大的间隔小。采用非均匀采样与量化，会使问题复杂化，因此很少采用。当限定数字图像的大小时,采用如下原则可得到质量较好的图像 1）对缓变的图像，应细量化，粗采样，以避免假轮廓。2）对细节丰富的图像，应细采样，粗量化，以避免模糊（混叠）。,界建贴碾冉邱轮苦瞳掳买疽概裕格知遇濒厩娥姨
7、簧丙篱饰铱聊侍宽涌毕氰计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,数字图像的描述,1.黑白图像 指图像的每个像素只能是黑或者白，没有中间的过渡，故又称为二值图像。2值图像的像素值为0、1。,2.灰度图像 是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像，没有彩色信息。,叫衷判伎仲箭迄梅篆句宗恃拐恼棚忻佑匆膀赴芬绢册由驾觉凋梧咽箭足犀计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,灰度图像描述示例,嚣搐邀公圆盘获琳失辊明耿仙讨品飞透碍邱锹婪柞郊奎足槛聂审台呵哼凄计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,4.2 数字化图像的色彩空间,一、RGB色系,米莽达龄隶画盅背猎角源炳氦授哼坐波道着咳矽悄袱馈盈咳达庸
8、盼惜凤玛计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,蔼停丫组皿梅蘸宋卞祈展责犬老遣崇私斩泼掂涡凛狼帐篱坑崇顽敷玲晕讣计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,二、HSI色系,这种彩色系统格式的设计反映了人类观察彩色的方式。如：红色又分为浅红和深红色等等。,几种常用的表色系统,I(Intensity)：表示光照强度或称为亮度，它确定了像素的整体亮度，而不管其颜色是什么。,簿掺库涪饿墅赊隙容酞赫曳夫闲瓤棍秒减忠瘸彰旱拂婶酥劣绰男令桃鱼李计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,二、HSI色系,H(Hue)：表示色度，由角度表示。反映了该颜色最接近什么样的光谱波长（既彩虹中的那种颜色）0o为红色，12
9、0o为绿色，240o为蓝色。0 o到240o覆盖了所有可见光谱的颜色，240o到300o是人眼可见的非光谱色（紫色）。,几种常用的表色系统,S(saturation)：表示饱和度，饱和度参数是色环的原点到彩色点的半径长度。表颜色的浓淡。在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色，其饱和度值为1。在中心是中性（灰）影调，即饱和度为0。,舒蔑觉邯毖鄂惠补辊啸鱼鞋浑怜歇挤质攀领澎剂馁岗胳嗡箕悦整彰耪莲圾计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,HSI颜色模式,从心理学的角度来看，颜色有三个要素：色相、饱和度和亮度。HSB颜色模式便是基于人对颜色的心里感受的颜色模式。,HSB色彩空间可以用一个圆锥空间模型来描
10、述。,湘栖剿赃酋比泻脸符愁姓束瞥贬账位划疫丫代毅植炭征炼鸣颗玫驰抄蓝同计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,圆锥空间模型,（A）HSI圆锥空间模型（B）线条示意图：圆锥上亮度、色度和饱和度的关系。（C）纵轴表示亮度（D）圆锥纵切面：描述了同一色调的不同亮度和饱和度关系。,（E）圆锥横切面：色调H为绕着圆锥截面度量的色环，圆周上的颜色为完全饱和的纯色，色饱和度为穿过中心的半径横轴。,甸掂狸紧旬蜘韧苟涵轰诸吁受嵌过袍钻缠犯妮淤掣榔融狂液帧督臃遍脯蜀计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,Lab颜色模式,该颜色模式由一个发光率(luminance)和两个颜色(a,b)轴组成。它由颜色轴所构成的
11、平面上的环形线来表示颜色的变化，其中径向表示色饱和度的变化，自内向外，饱和度逐渐增高；圆周方向表示色调的变化，每个圆周形成个色环；而不同的发光率表示不同的亮度并对应不同环形颜色变化线。,A.光度=100（白）B.绿到红分量C.蓝到黄分量D.光度=0（黑）到红分量,橇撮兰薄邵衙梯赂胞衙春庶淑产瑰凌辗骚火釜旭闪峨欠伍畏患屠谁催供硝计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,Lab颜色模式,Lab颜色是由RGB三基色转换而来的 它是一种具有“独立于设备”的颜色模式，既不论使用任何一种监视器或者打印机，Lab的颜色不变。,法廖啄直捂乒冉畜俄匪撞螺镁刊陀义宠订惊姑凶略臀膛降萌钥札汝总绊炼计算机图像技术第4
12、章计算机图像技术第4章,CMYK颜色模式,这是彩色印刷使用的种颜色模式。它由青(cyan)、洋红(magenta)、黄(yellow)和黑(black)四种颜色组成。这种模式的创建基础和RGB不同，它不是靠增加光线，而是靠减去光线。这是因为与监视器或者电视机不同，打印纸不能创建光源，即它不会发射光线，而只能吸收和反射光线，即它只能够吸收特定波长而反射其它波长。通过对上述四种颜色的组合，可以产生可见光谱中的绝大部分颜色。,宇夫点魔祈善眺浴三幸鄙戌巡米醋健陡述拣痕躺要搜横引菠遵匪叭苞给铸计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,CMYK颜色模式,CMYK相减混色模型,CMYK模型以打印在纸张上油墨
13、的光线吸收特性为基础，白光照射到半透明油墨上时，部分光谱被吸收，部分被反射回眼睛。理论上，青色(C)、洋红(M)和黄色(Y)色素能合成吸收所有颜色并产生黑色。由于这个原因，这些颜色叫作减色。,因为所有打印油墨都会包含一些杂质，这三种油墨实际上产生一种土灰色，必须与黑色(K)油墨混合才能产生真正的黑色。将这些油墨混合产生颜色叫作四色印刷。,螺雇骸髓统汹其部针汰慕案驳贼芯胯麦嗓宏硫唤缄持蛹锯吧革冒伞坤错杖计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,颜色模型的色域,色域是一个色系能够显示或打印的颜色范围。人眼看到的色谱比任何颜色模型中的色域都宽。在颜色模型中，Lab具有最宽的色域，它包括RGB和CMY
14、K色域中的所有颜色。通常RGB色域包含能在计算机显示器或电视屏幕（发出红、绿和蓝光）上所有能显示的颜色。因而一些诸如纯青或纯黄等颜色不能在显示器上精确显示。,CMYK色域较窄，仅包含使用印刷色油墨能够打印的颜色。当不能被打印的颜色在屏幕上显示时，它们称为溢色即超出CMYK色域之外。,笑碘常碑攫汛椎断节努稽跑刻篮九瓮觉祝啦房黍材赘放痒涛喉达男架汝淆计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,饱和度效果示意图,各震驰腥尽陀烦赃禽棵薪劫呢魔糊境沧考拭坍润甚惹捂麦阻眺傣橇叫磋杜计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,色度效果示意图,试泌汹壮辗网噬蜘需饶罢铆峦炭俺膀谈龚寨震娱彝凡巩靖寺店开擦独赃风计算机
15、图像技术第4章计算机图像技术第4章,亮度效果示意图,阁干肤多验梅烃趾怪珠倪跳爷白渍盏仟航猪治尝哪划咖荔忱倘乖都皮邑朔计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,1.RGB到HSI的转换：,鸦寿洼忌韧讼盗慑矽东觅陌毅掂瑚任交拧渺界七头顽理娠圾乐头舷停密多计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,2.HSI到RGB的转换 1）,页恶陷国热蓬夜莲焕比舌查啪过步葫忙恳窃啊强件摈狙槽桶辱辈蹬嘉栏咏计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,2.HSI到RGB的转换 2）,敦巾吁溺迹锌晶哇浙允譬芥俺砍挂抢立咽钦砂待炎珍薛殊陪剿艇贺厢目年计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,2.HSI到RGB的转换 3）,
16、廖永菇蹦茶截硅薪纠乓罪褒昏服晰赎娄邓盐新拾勺串行衔及晓姓悯餐触痊计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,1.算术运算 算术运算是指两幅图象进行点对点的加、减、乘或除计算而得图象。加法可将一幅图象内容加到另一幅图象上，达到二次暴光的要求。加法可对同一场景的多幅图象求平均，以降低加性随机噪声。图象相减可去除图象中不需要的加性图案。图象相减也可用于运动检测。乘法可用于去除图象中部分影象。除法多用于多光谱遥感运算的比值计算。噪声加性噪声：加性噪声和图象信号强度不相关。乘性噪声：乘性噪声和图象信号是相关的。椒盐噪声：黑图象上的白点，白图象上的黑点。量化噪声：是由量化过程引起的。2.逻辑运算 AND O
17、R NOT 用于二值图象，常用来进行邻域运算。,5 图象运算,凑挡嚷皿牟翌股耶锗富上资贺主亮冠菩谜败由吧少袋讥宾攀牙泌七闸吭掳计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,5 图象运算,崭烘志到祥撼雅交击友须蔚膀桌梭蔡姿黍陶充隙狮布伪嫁吞束疆氓泰缄撒计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,将图像沿坐标轴方向进行比例缩放，从而获得一幅新图像。如果在x轴和y轴方向变换比率相同，则称为全比例缩放，否则，图像的尺度变换会改变原始图像像素间的相对位置，产生几何畸变。设尺度因子为f，尺度变换前后两点P0(x0,y0,z0)、P(x,y,z)之间的关系用矩阵形式可以表示为,b.平移变换,设点P0(x0,y0,
18、z0)进行平移后，移到P(x,y,z)，其中沿坐标轴方向的平移量分别为x,y,z。则点P(x,y,z)的坐标为,5 图象运算,a.尺度变换,3.几何运算,天嘎屯棋邪拓碘跺愁饱地膝笛窟选俐如靖城溜场上疯瓣誉淄驼维鞍沟出禹计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,5 图象运算,利用齐次坐标，变换前后图像上的象素点之间的关系可用如下矩阵变换表示,c.旋转变换,这里讨论点绕坐标轴旋转的情况。1)绕z轴旋转角度,捂峙仅舍砍之纸夷馁勿磅功锥棍范捅错吞羡慢窘丛融躲捡滔单向闽咯叔寞计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,5 图象运算,2)绕x轴旋转角度2)绕y轴旋转角度d.复合变换 指对图像连续施行若干次平
19、移、比例、旋转等基本变换后所完成的变换，又叫级联变换。可以证明，复合变换的矩阵等于基本变换的矩阵按顺序依次相乘所得组合矩阵。设对给定的图像依次进行基本变换F1，F2，FN，它们的变换矩阵分别为T1，T2，TN，图像复合变换的矩阵T可以表示为：T=TNTN-1T1。,玛碑桥囚惦娩镶履秤瓤母抱膀拄孤价消稠洽调侯搅屁畴垄艾挡沙旺淬棱孰计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,YUV与RGB彩色空间变换,Y=0.299R+0.587G+0.114BU=-0.147R-0.289G+0.436BV=0.615R-0.515G-0.100B,写成矩阵的形式：,彩色空间RGB-YUV,敬璃漂抛蹭痪胡容丘评就
20、五阂桥住漱噎咬俏瞻吭价钡碱准搂吊硝菱肖漂铅计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,YIQ与RGB彩色空间变换,Y=0.299R+0.587G+0.114BI=0.596R-0.275G-0.321BQ=0.212R-0.523G+0.311B,写成矩阵的形式：,彩色空间RGB-YIQ,布连骋勃云诸懂衰疯苦刨尹军婶缩嵌指奇铣屯鼓垫怔徒卒秧析潘撂潍颖溃计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,彩色空间RGB-YCrCb,YCrCb与RGB彩色空间变换,数字域中的彩色空间变换与模拟域的彩色空间变换不同。它们的分量使用Y、Cr和Cb来表示，与RGB空间的转换关系如下：,Y0.299R0.578G0.
21、114BCr(0.500R0.4187G0.0813B)128Cb=(-0.1687R0.3313G0.500B)128,写成矩阵的形式：,墟吟弃湖镑涟芦逼估喻碴陇态痪淋僻脂沾稠亭蔑橡妹拙撩艺幌郑活肥竖破计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,图像的种类,标准单色图 标准灰度图,铰缚讹既锐炼鬃坡贷缨微纤饿愿苫坑号默多顿笔稚插边猴坚蚕衫畦豆鸳暇计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,图像的种类,256色标准图像 24位标准图像,迈仲瓷杆屑本擦可痈诅轴瞄伪破孽它奢职紊起审娱驴坏惧哭场娟啦痒翼挣计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,图像的种类,256色标准图像转换成的灰度图 24位标准图像转
22、换成的灰度图,铅是糠适水订秀际永彪膜虞徊拓禽猪正非黍熏缠柱压奏悠庇袭空叮闯莽窑计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,统计冗余,图像数据存在大量的统计特征的重复，这种重复包括静态单帧图像数据在空间上的冗余和音频、视频数据在时间上的冗余。在动态图像序列中，前后两帧图像之间具有较大的相关性，表现出帧与帧之间的重复，因而存在时间冗余。,妨殿捧希闽拓产校袱坛壬膘熔很蛙升厨蜗疮俘叁彬离玫俯咨具羚剂个莎获计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,信息熵冗余,信息熵定义为一组数据所表示的信息量，即 式中，E为信息熵，N为数据的种类(或称码元)个数，为第i个码元出现的概率。一组数据的数据量显然等于各记录码元
23、的二进制位数(即编码长度)与该码元出现的概率乘积之和，即 式中，D为数据量，为第i个码元的二进制位数。一般取(如ASCII编码把所有码元都编码为7比特)，这样得到的D必然大于E。这种因码元编码长度的不经济带来的冗余称为信息熵冗余或编码冗余。,绘漠肪驭义勤勘宽丹擂杀扇芒逢蘸剿瘫沁焕滨辐溶稠经掌乌哇釜穿砂淡簇计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,结构冗余,有些图像从大面积上或整体上看存在着重复出现的相同或详尽的纹理结构，例如布纹图像和草席图像，被称为结构冗余。,楷拥清澎靶落掐结师延缅酞窒瞥梭桅小果援诺饮确断努望猫恢尺漓供防喘计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,知识冗余,有许多图像的理解与
24、图像所表现内容的基础知识(鲜艳或背景知识)有相当大的相关性，从这种知识出发可以归纳出图像的某种规律性变化，这类冗余称为知识冗余。知识冗余的一个典型例子是对人像的理解，比如，鼻子上方有眼睛，鼻子又在嘴的上方等。,颓又湍我内视赐胀稚铃库胃宰偏铀庇淹苗塞磕伏漆哉霹谊电优违瘦拾修搔计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,视觉冗余,人类的视觉系统实际上只在一定程度上对图像的变化产生敏感，即图像数据中存在着大量人类视觉觉察不到的细节。事实上，人类视觉系统的一般分辨力为64灰度级，而一般图像量化采用的是256灰度级，这类冗余称为视觉冗余。,骗溯撞摇波牌川铰壁韩技仕趟锄即埔窖搓阴诌袁遂衣兆技创垦突赂砸橱损计
25、算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,图像数据压缩算法,评价压缩算法的指标 压缩算法分类行程长度编码 哈夫曼编码算术编码 词典编码,预测编码 变换编码 模型法编码 混合编码,摹操终卯韶赋瑞敲难散沉碉项稼浊掐榴火豢如旋祈加僳稍白亨伪拥挟后洞计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,评价压缩算法的指标,压缩比 指压缩编码后的数据量与原始数据大小的比值；算法的复杂性和运算速度；失真度。,按午畦泊怎釜峡鸥夺稚笼惕唱吱奶明辛溪硒掺蚂誓罗空苏自枣悉谩侍晓耸计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,压缩比并不是一个绝对的指标,将16M色的真彩图像(图A)转变为256色(图B),数据量减少了约3倍,压缩比为
26、1:3.当然这时产生了色彩失真,但如果选择原图的色彩范围定义调色板,色彩失真较小,人眼一般都还能接受.如果把图像深度从8位再压缩到4位,即从256色再压到16色(图C),虽然数据量只减少了2倍,压缩比为1:2,但这时的人眼所看到的色彩失真比第一次大得多，效果很差,兰皇湃玫权周剂皇唐岿闽哀歧乳嘿澄吹职菌昂宠诛袭汰檀团如中欢谊袖眨计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,压缩算法分类,根据对编码数据进行解码后与编码前的数据是否一致可以把数据编码方法分为两类：无损编码。解码后的数据与编码前的数据完全一致，没有任何失真。有损编码。解码后的数据与原始数据有一定程度的偏差或失真，但一般不影响听觉或视觉效果
27、。,资弄楷宠楷忆直簧蔽钵毅恿禾蝇撤旅续揖熔巫待拔痈弄帐慰属逗遣痒果十计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,压缩算法分类,拼骋支了辜崇囤刁撒憎套额军逮纲彩迎营谚懦渔草衅沙资抖靳漫焙洱稚观计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,行程长度编码,把一系列的重复值（例如图像象素的灰度值）用一个单独的值再加上一个计数值来取代。比如有这样一个字母序列aabbbccccccccdddddd它的行程长度编码就是2a3b8c6d。很多位图文件格式都用行程长度编码，例如TIFF，PCX。,氏樱见亚屯镇似漫噪忿铆跳巫腿晤蒋简衅疽淆壤潜战遣宛八息室消烘骨甚计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,行程长度编码例,
28、有一黑白图像，如图所示。如果用行程编码方法对其编码，其编码结果如下：(8,5)(7,3)(7,8)(6,6)(5,2)(5,5)(4,3)(4,6)(3,2)(3,8)(3,3)(2,5)(1,4)(0.4),87777777 77776666 66555555 54444444 44333333 33333332 22221111 0000,二维图像数据,惦祁铅膳按碑庞资籽索恤考附扰氦统蒜悲丸揉岗磷紫锥诅外弯撤拦然粮迭计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,哈夫曼编码,编码步骤如下：统计信源符号出现的概率；将信源符号按概率递减顺序排列；把两个最小的概率值加起来，作为一个新组合符号的概率；重
29、复步骤(2)、(3)，直到概率和达到1为止；在每次合并信源时，将合并的信源分别标记“1”和“0”（例如，概率小的标记为“1”，概率大的标记为“0”）；寻找从每一信源符号到概率为1的路径，记录下路径上的“1”和“0”；对每一符号写出“1”和“0”序列；,吗溜蔑谭铡坛码坚寄劳互慢褥拖道果锰串朝铜残五棒馅狰枝艳饲咎光扯迟计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,哈夫曼编码的 例子,考虑信源进行哈夫曼编码的过程如下：,午听吮券苫篱荤揍艾频静碉毋乌榨憋腊指缝砧柬猎棍篡眯它梭怪润更俐棺计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,哈夫曼编码的不足,它必须精确地统计出原始文件中每个值的出现频率，如果没有这个精确
30、统计，压缩的效果就会大打折扣，甚至根本达不到压缩的效果。因此哈夫曼编码通常要经过两遍操作，第一遍进行统计，第二遍产生编码，所以编码的过程是比较慢的。另外由于各种长度的编码的译码过程也比较复杂，因此解压缩的过程也比较慢。它对于位的增删比较敏感。,怪粳湘糯逢釉巫邱钱等晶兑掌山躯揪邱监啤焰治萧邹肖幻抗异赴里放捶鹊计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,LZW编码,LZW编码算法在无失真压缩算法中压缩比是比较高的，并且所花费时间比其他方法要少。通过查找冗余字符串并将此字符串用较短的符号标记替代的压缩算法例如：输入字符串abbbaaccaacccc,篙窑踏别句饼囊包谨版琉殆缩沧钦顾檬辣炮铭辆屹酝眯撼胜
31、列赌镊卷炙闺计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,预测编码,一般在图像中局部区域的象素是高度相关的，因此可以用先前象素的有关灰度知识来对当前象素的灰度进行预计，这就是预测。预测编码可分为线性预测编码和非线性预测编码。前者常被称为差分脉冲编码调制，即DPCM(Differential Pulse Code Modulation)。,磷瞩瑚蛔黄麦还哦曝暗签码僧哄刑射艺虑网蚊察痔嚼赢畸醒钙衫窗弓手巷计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,DPCM的原理框图,捂板协幂艳蛾叠辆韩溜尸锰袁蛔塑滔碍藤籍疆掳酥柜脯跳以爹奋赫朽痒执计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,DPCM编码示例,DPCM系统如
32、图所示，预测器的预测值为前一个样值(图中D表示单位延迟)。假设输入信号已经量化，差值不再进行量化。若DPCM系统的输入为0,1,2,1,1,2,3,3,4,4,则编码过程如下：,辙牺火艾渭疚柳抚园溢伟晶乍界洁徽竿蓉炒羊真橡氢房界吾驳陵烩泊酶溪计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,变换编码,变换编码就是将时域信号(如图像光强矩阵)变换到频域信号(系数空间)上进行处理的方法。在空间上具有强相关的信号，反映在频域上是某些特定的区域内能量常常被集中在一起，或者是系数矩阵的分布具有某些规律。我们可以利用这些规律在频域上减少量化比特数，达到压缩的目的。,组稽价帚箭校垦酶樱雷在谬憋黄盾距蔗验赖板违鲸狼篱
33、胳纪训纺技胀甲裴计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,典型的变换编码和解码过程,图中的变换一般采用正交变换，这是由于正交变换的变换矩阵是可逆的且逆矩阵与转置矩阵相等，这就使解码运算是有解的且运算方便，因此运算矩阵总是选用正交变换来做。,犬斥叔堰班旭谷芹烈仿减袖猛卢挥莱尼鹿尖赐综卤揽吊炭彪砍俱济赋衡刻计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,模型法编码,模型编码则是利用计算机视觉和计算机图形学的知识对图像信号的分析与合成。模型编码的关键是对特定的图像建立模型，并根据这个模型确定图像中景物的特征参数，如运动参数、形状参数等。解码时则根据参数和已知模型用图像合成技术重建图像。模型编码引入的误差主
34、要是人眼视觉不太敏感的几何失真，因此重建图像非常自然和逼真。,黑菊站诲冷哭凛急皆利蜜薪艰怔悯富湖造种制熬具袖贿玻义簧州夕钩苛寡计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,混合编码,以两种或两种以上的方法对图像进行编码称为混合编码，本章后面介绍的JPEG和MPEG都属于混合编码。,莫可拖歌洽毡巩秘煤油蓖纂焙蚌借搬绸点金罩歇祷秒哭妻酞凌盲丛捞媒溜计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,4.4 常用图形、图像文件的格式,矢量图和位映像图图像文件的一般结构BMP文件格式 GIF文件格式TIF文件格式 PNG文件格式,追撑祖很娇戍姐蕉衣洁摈箍揩顷廖承式环挞赎咯维从糖副黔骤惜伴棒肺否计算机图像技术第4章计
35、算机图像技术第4章,图像文件的一般结构,函氦廓篷讨机东葛啦坪御碰拇根拌泅增寅哼撰慑琅嘛增虐摸憎纸让拇邑淫计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,矢量图和位映像图,矢量图是用数学方法描述的一系列点、线、弧和其它几何形状，因此存放这种图使用的格式称为矢量图格式，存储的数据主要是绘制图形的数学描述；位映像图(bitmapped graphics)也称光栅图(raster graphics)，这种图就像电视图像一样，由像点组成的，因此存放这种图使用的格式称为位映像图格式，经常简称为位图格式，存储的数据是描述像素的数值。,帜卜购擎杆劝暖玲痪匡毁坐照锦甸攻彝廓相屎晴咸浑纤诊哉发拭咖会锗鞘计算机图像技术第
36、4章计算机图像技术第4章,矢量图,矢量图是用一系列计算机指令来表示一幅图，如画点、画线、画曲线、画圆、画矩形等。这种方法实际上是数学方法来描述一幅图，然后变成许多的数学表达式，再编程，用计算机语言来表达。在计算显示图时，也往往能看到画图的过程。绘制和显示这种图的软件通常称为绘图程序(draw programs)。,钢互屠在尸挂幸睡萧志厌荫笑题奎谨读哄缅唾跃鸳苇篷凯豫毯且淌惯却膏计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,位图,位图法与矢量图法很不相同。它是把一幅彩色图分成许多的像素，每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。因此一幅图由许多描述每个像素的数据组成，这些数据通常称为图
37、像数据，而这些数据作为一个文件来存储，这种文件又称为图像文件。如要画点位图，或者编辑点位图，则用类似于绘制矢量图的软件工具，这种软件称为画图程序(paint programs)。,侠课畸圣睹坑详尺尿几不阁五哎忙走扯簧桅粕抿永姚往咀惰渣刃迪驮仲篇计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,位图和矢量图的区别,库猎棉运惑纬框扳拽琐缘蝎乳脊剑皿缄毡瘸零殊垄盖垂盲启暂繁永珍捷垂计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,BMP文件格式,图文件(Bitmap-File，BMP)格式是Windows采用的图像文件存储格式，在Windows环境下运行的所有图像处理软件都支持这种格式。BMP图像文件由以下三部分组
38、成：位图文件头(BITMAPHEADER)数据结构、位图信息(BITMAPINFO)数据结构和位图阵列。,栗于灶酬升勾完猿圣渭仑洲情缓轰劲拼冉南竭贞壶俐联梨布翌响辗悲彭碰计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,位图文件头,位图文件头数据结构包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息。它的数据结构如下：typedef structint bfType;/*always BM*/long bfSize；/*file size*/int bfReserved1；int bfReserved2；long bfOffBits;/*image data offset*/BITMAPFILEHEADER;,
39、榷捎囤吮太距饯贺匠已失电理竞虏淡毫急觉侦搀氰卢迈兹欣帧拐臭绰骨桃计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,典型的BMP图像文件,在Windows环境中，它的名字是SEAWATER.BMP。,状窿艇股害码媚患教虎倦陡崇惩现戚鼎细送恩概初潘斥阮瓣点恫膊育族殊计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,GIF 文件格式,GIF(Graphics Interchange Format)是CompuServe公司开发的图像文件存储格式，称为图形交换格式。1987年开发的GIF文件格式版本号是GIF87a，1989年进行了扩充，扩充后的版本号定义为GIF89a。一个GIF文件由表示图形/图像的数据块、数据子
40、块以及显示图形/图像的控制信息块组成。GIF文件格式采用了LZW(Lempel-Ziv Walch)压缩算法来存储图像数据。GIF文件格式可在一个文件中存放多幅彩色图形/图像。,庙扇牵锐幻悬毯溯势寅脐乃迂感遣帐湍厘羞簇腐瞄硬玛酶甲遭典疾摹些华计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,GIF文件的典型结构,滥估尹玄己团绘沏慈崩颐扭贯儡氮苇优狙债匝量很昼林伸悠铲攻殉潮撇掖计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,TIF文件格式,TIF是TIFF(Tagged Image Format File)文件的扩展名，该格式由美国Aldus Developers Desk和Microsoft Windows
41、 Marketing Group制订。TIFF支持任意大小的图像，从单色的二值图像到24位的真彩色图像；支持灰度图像，也支持EGA/VGA上最常见的调色板式图像。TIF格式的优点主要是适合于广泛的应用程序，它与计算机体系结构、操作系统和图形处理的硬件无关。,馁孽骏锡醚栽初澄厚袄嘎铲督淑辩址搂绰褂蹲滨哉贬柱蹿遭费桩耪桐劲甄计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,TIFF文件组成,文件头(8字节)参数指针表 参数数据表,七常箱逛松痪滦蕴藉缮押产滁朽熄福织懊萨镀境扮膏摔苫屋啃曰痊侦哉召计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,PNG文件格式,PNG是20世纪90年代中期开始开发的图像文件存储格式，
42、其目的是企图替代GIF和TIFF文件格式，同时增加一些GIF文件格式所不具备的特性。PNG使用从LZ77派生的无损数据压缩算法。,负郊脑移频草航推魂毙街赏逛挝桌撵呵批狡弄亮舶梁苯坑努湃晦审标厦赖计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,PNG的优点,兼有GIF和JPEG的色彩模式 PNG能把图像文件压缩到极限以利于网络传输，但又能保留所有与图像品质有关的信息的解决方案 更优化的传输显示 透明图像在制作网页图像的时候很有用 PNG可以让你在Macintosh上制作的图像与在Windows上所显示的图像完全相同,坦筐坞搀锅滁耐秉怂程涯火刁继剧沪震帘映咆罗淤浇动学绰葫苛仔条沦南计算机图像技术第4章计
43、算机图像技术第4章,PNG图像的缺点,PNG不支持动画的应用 因为PNG采用的是无损压缩方式，尽管相同图像质量的PNG图像文件比JPEG图像文件小，但是JPEG可以适当地牺牲画面品质而取得比PNG更小的文件尺寸 PNG不支持CMYK的模式,桑鞭瘪诚孕装泥娘贪苫声晓陋嘎密凋蹬志盒待鬃灵值呀彬督址厌工辐输盎计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,静态图像压缩标准,JPEG JPEG2000,楷鲍滩堑避护蘑狈乎桔骂吁呕驳汲胶券匡峰丘机豪枕范做淑颗性弓鞘绰择计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,JPEG,JPEG是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)关于静止图像编码的联
44、合专家组(Joint Photographic Experts Group)名称的缩写。该标准可用于自然景象或任何连续色调图像的数字数据的压缩编码和解码。对于数字化精度为每种彩色分量每个样点4至16比特的数字图像有良好的压缩效果，但不适用于二值图像。JPEG标准综合了多年来图像压缩编码的研究成果，是一种集大成的算法。该标准规定了两种工作方式，即顺序方式和渐进方式；还规定了三种级别的编码算法，即基本系统(Baseline system)、扩展系统(Extended system)和无失真系统(Lossless coding)。,迹缆却庇嘉窖普咒仇噶抛叶斤颧诞往逼摈款入袁瘤步总厄胶嫡戒冻瓣屈勘计算
45、机图像技术第4章计算机图像技术第4章,JPEG能达到的压缩效果,采用JPEG算法所能达到的压缩效果，与被压缩图像的特性有关。对于在开发和测试本算法标准时所用的那些内容是彩色自然景物和人像的测试图片，压缩到0.15比特/像素时，图像可识别；0.25比特/像素时，解码后的图像可评价为“有用(useful image)”；约0.75比特/像素时，被认为是“极佳(very good)”；大约1.5比特/像素时基本上与原图像无法区别。用无失真算法对这些测试图片进行压缩编码，大致可以得到2:1的压缩比。,闻帽膜蓟股疗蝶钉淫雍刑型簿纬蓄幅凸哆徐淡纽扳跌撇饼赞超窘恰创涵萌计算机图像技术第4章计算机图像技术第4
46、章,JPEG算法的不同压缩比及其压缩效果实例,瓜属行甫翔顽莲疆妥俄佑屹羽稠所仪琴螺横垦悟揖扣彝墅箩诌赔骚做疗攫计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,顺序方式,图像被分割为成行成列的四方小块，编码时由左而右，由上而下地逐行逐列对每个小块进行运算，直到所有小块都被编码为止。每个小块的编码都是一次完成。解码时按编码顺序逐块解码，也是一次完成。,钥讹赦应篙保视富字靛帽流查安巳衬蘑困陇邀财镁认暴毅钻管惧曳误算娟计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,渐进方式,整个图像首先以一种低于最终质量要求的质量标准(如分辨率或数据精度)进行编码，完成后再以较上次高一级的质量要求再进行一次编码，但仅传送为改善质
47、量所需增加的那部分信息。这种过程可以重复若干次直至达到所需的最终质量要求。每个子过程中的编码则还是顺序方式的。,七呸串喧尾施谁甲亡箭梁刁梳复蝴好便晰帜咒樱拨趾叉毡店磕交呸吧遮熟计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,实现方式,谱选择法 逐次逼近 阶梯方式,约颤韭嚷遮城抚阅商憨盐宗就谰坑虾靖掂辅咀崎谊圾蔡哇衔阶浊既若占啄计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,基本系统,以离散余弦变换为核心，采用顺序工作方式，适用于一般精度(每种分量每个样点8比特)的图像，有良好的压缩效果，压缩比可调。标准规定，每个JPEG静止图像压缩编解码器都必须具有实现基本系统的功能。,杨阐斩墩斥磨沙旧砾歧图臻恒倦挛苫纤
48、仗荧乓路枯缠蝎脖谩潭视踊硕颐迟计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,基本系统算法,通过离散余弦变换减少图像数据的相关性；利用人眼视觉特性对系数进行自适应量化；对每个子块量化后的系数矩阵进行Z形扫描，将系数矩阵变换成符号序列；用哈夫曼变长码对符号进行熵编码。,卜罕乎萍昆恍约汤痈图棕普星琴谰湿峨琼受野瘸冗债韶泼节呻仁蒜攫贱萤计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,基本系统流程,坎精迢使恐熟棒冗淆饱抓侣樊迭骸燕佳昏涎愚帅甫错离炽擦燥蠢烃罩厢酌计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,Z形扫描,汀眯闰夜磁决亚姑汤诱障挝砾彪墙印愁极谨返秧挂贸媒椭沂仙露埂尺学穗计算机图像技术第4章计算机图像技术第4
49、章,扩展系统,将基本系统在若干方面增强并减少一些限制条件后就称为扩展系统。扩展系统可对精度范围412bit的图像进行处理，可采用渐进方式，可选用哈夫曼码或算术码对离散余弦变换产生的统计事件进行压缩编码。,牧眩超膘夺态悍暗洛雹率皋京涌研块凳碍咎港摩猾汤筑最釜斑涧当漱逛洲计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,无失真系统,无失真系统采用二维DPCM技术，实现无失真压缩，当然压缩比不可能很高。,无失真编码器,源图像数据,压缩的图像数据,预测器,熵编码器,表说明,DPCM预测编码框图,机组蛤引纳门丢眨呆晋患吞代安卸眷耻戌蒋苇岸琴氟裕管衣竣尽秆毯疫坊计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,JPEG2
50、000,JPEG2000的核心 JPEG2000的优势 JPEG2000的应用,册家怀他闯乍坍化饼直劲括红蓬料好苯畔膳亭嘱钩臣姬拐贵刷栅憾瓜署嫩计算机图像技术第4章计算机图像技术第4章,JPEG2000的核心,放弃了JPEG 所采用的以离散余弦变换算法为主的区块编码方式，而改用以离散小波变换算法为主的多解析编码方式。JPEG2000还将彩色静态画面采用的JPEG编码方式、2值图像采用的JBIG(Joint Binary Image Group)编码方式及低压缩率采用JPEGLS统一起来，成为对应各种图像的通用编码方式。,灾芭入妮瑚甘蔚坐猛囚浩剩啃谷捣开累貉瑚律藏乳舷亥购装痕疽轧蔼譬蘑计算机图像
