【正文】 2021年6月14日星期一 1 第 4章 數(shù)字圖像處理 本 PPT來源網(wǎng)絡(luò)，給我學(xué)習(xí)幫助很大。 2021年6月14日星期一 2 學(xué)習(xí)目標(biāo) ? 了解圖象的表示 ? 掌握圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼常用算法的基本原理 ? 了解常用圖形、圖像文件的基本格式及特點 ? 理解靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) JPEG的工作原理和實現(xiàn)技術(shù) ? 了解圖像信息獲取的基本原理和方法 ? 掌握用 Photoshop處理圖像的基本方法 2021年6月14日星期一 3 學(xué)習(xí)內(nèi)容 第 1節(jié) 圖像處理概述 第 2節(jié) 數(shù)字圖象 第 3節(jié) 靜態(tài)圖象壓縮標(biāo)準(zhǔn)與圖像文件格式 第 4節(jié) 圖像的獲取技術(shù) 第 5節(jié) 圖像處理軟件 2021年6月14日星期一 4 第 3節(jié) 靜態(tài)圖象壓縮標(biāo)準(zhǔn)與圖像文件格式 ? JPEG簡介 ? 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn) JPEG ? JPEG2021圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) ? 圖形和圖像文件格式 2021年6月14日星期一 5 JPEG簡介 ? JPEG（ Joint Photographic Experts Group）是聯(lián)合圖像專家小組的英文縮寫，這個專家組開發(fā)的算法稱為 JPEG算法，并且成為國際上的彩色、灰度、靜止圖像的第一個國際標(biāo)準(zhǔn)，因此又稱為 JPEG標(biāo)準(zhǔn)。 JPEG是一個適用范圍很廣的靜態(tài)圖象數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，既可用于灰度圖象又可用于彩色圖象。 ? 目前 JPEG專家組開發(fā)了兩種基本的壓縮算法： ? 采用以離散余弦變換 DCT為基礎(chǔ)的有損壓縮算法； ? 采用以預(yù)測技術(shù)為基礎(chǔ)的無損壓縮算法。 ? 使用有損壓縮算法時，在壓縮比為 25:1的情況下，壓縮后還原得到的圖象與原始圖象相比較，非圖象專家難于找出它們之間的區(qū)別，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 ? JPEG算法與彩色空間無關(guān)。 JPEG算法處理的彩色圖像是單獨的彩色分量圖像，因此它可以壓縮來自不同彩色空間的數(shù)據(jù)，如 RGB、 YCbCr和 CMYK。 2021年6月14日星期一 6 ? JPEG壓縮是有損壓縮 ， 它利用了人的視角系統(tǒng)的特性 ， 使用量化和無損壓縮編碼相結(jié)合來去掉視角的冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息 。 （ 1）使用正向離散余弦變換（ FDCT）。 （ 2）使用加權(quán)函數(shù)對 DCT系數(shù)進(jìn)行量化。 （ 3）使用哈夫曼可變字長編碼器對量化系數(shù)進(jìn)行編碼。 2021年6月14日星期一 7 靜止圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn) JPEG 1） JPEG基本系統(tǒng) 2） FDCT和 IDCT 3） 量化與反量化 4）對量化系數(shù)的處理和組織 5）編碼 6）應(yīng)用舉例 2021年6月14日星期一 8 1） JPEG基本系統(tǒng) ? 以 8*8的圖像塊為基本單位進(jìn)行編碼； ? 將 RGB轉(zhuǎn)換為亮度 色調(diào) 飽和度系統(tǒng)，并重新采樣； 圖象分割 FDCT 量化 系數(shù)編碼量化表 碼表圖象拼接IDCT反量化系數(shù)解碼量化表碼表色彩轉(zhuǎn)換和重采樣壓縮編碼過程 解壓縮編碼過程 2021年6月14日星期一 9 ? YIQ（ NTSC制）與 YUV（ PAL制） ?Y： 指顏色的明視度、亮度、灰度值； I或 U： 指色調(diào)； Q或 V： 指飽和度。 ?Y=++ ?I= ?Q=+ ?U=+ ?V= 2021年6月14日星期一 10 JPEG編碼思想 ? 思想：人對亮度比對色彩敏感，在光線不足的情況下，所觀察物體都是黑白的。因此可以對色調(diào)和飽和度做粗略處理。 ? 方法：對 8*8圖像塊矩陣， Y成分?jǐn)?shù)據(jù)不變， U每 2*2個數(shù)據(jù)求平均， V每 2*1個數(shù)據(jù)求平均。稱為 YUV421系統(tǒng)。 ? 除此 , 還有 YUV422, 411, 420等系統(tǒng) . 2021年6月14日星期一 11 2） FDCT與 IDCT ? 思想：人眼對低頻數(shù)據(jù)比對高頻數(shù)據(jù)敏感。 FDCT 為前向離散余弦變換 ,JPEG標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)定 FDCT和 IDCT的算法。 ? 方法 : （ 1）首先把一幅圖像劃分成一系列的圖像塊，每個圖像塊包含 8 8個像素。如果原始圖像有 640 480個像素，則圖片將包含 80列 60行的方塊。如果圖像只包含灰度，那么每個像素用一個 8比特的數(shù)字表示。因此可以把每個圖像塊表示成一個 8行 8列的二維數(shù)組。數(shù)組的元素是 0～ 255的 8比特整數(shù)。離散余弦變換就是作用在這個數(shù)組上。 (2) 如果圖像是彩色的，那么每個像素可以用 24比特、相當(dāng)于三個 8位比特的組合來表示。因此，可以用三個 8行 8列的二維數(shù)組表示這個8 8的像素方塊。每一個數(shù)組表示其中一個八位比特組合的像素值。離散余弦變換作用于每個數(shù)組。 2021年6月14日星期一 12 DCT變換是做什么的 ？ ? 簡單的說，是用一個 8行 8列的二維數(shù)組產(chǎn)生另一個同樣包含 8行 8列二維數(shù)組的函數(shù)，也就是說，把一個數(shù)組通過一個變換，變成另一個數(shù)組。 ? 如圖下圖所示，對每個圖像塊做離散余弦變換。通過 DCT變換可以把能量集中在矩陣左上角少數(shù)幾個系數(shù)上。 f(i,j)經(jīng) DCT變換之后得到 F(i,j)，其中 F(0,0)是直流系數(shù)，稱為 DC系數(shù)，其他為交流系數(shù)，稱為 AC系數(shù)。 2021年6月14日星期一 13 假設(shè)離散余弦變換的數(shù)組如下： 2021年6月14日星期一 14 3）量化與反量化 ? 思想：將每個 DCT系數(shù)除以各自量化步長并四舍五入后取整，得到量化系數(shù)。 ? JPEG系統(tǒng)分別規(guī)定了亮度分量和色度分量的量化表，顯然色度分量相應(yīng)的量化步長比亮度分量大。 ? ? ? ?? ?? ? ? ? ? ?, , , ,F u vF u v I N TS u vF u v F u v S u v????????? 為了達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的 ， DCT系數(shù)需做量化 。 量化是對經(jīng)過FDCT變換后的頻率系數(shù)進(jìn)行量化 ， 這是一個多到一映射的過程 。量化的目的是減小非 0系數(shù)的幅度以及增加 0值系數(shù)的數(shù)目 ， 在一定的主觀保真的前提下 ， 丟掉那些對視覺效果影響不大的信息 ，量化是圖像質(zhì)量下降的最主要原因 。 2021年6月14日星期一 15 4)對量化系數(shù)的處理和組織 ? 思想： JPEG采用定長和變長相結(jié)合的編碼方法。 ? 直流系數(shù)：通常相鄰 8*8圖像塊的 DC分量很接近，因此JPEG對量化后的直流分量采用無失真 DPCM編碼。通常JPEG要保存所需比特數(shù)和實際差值。 ? 交流系數(shù)：經(jīng)過量化后， AC分量出現(xiàn)較多的 0。 JPEG采用對 0系數(shù)的行程長度編碼。而對非 0值，則要保存所需數(shù)和實際值。 ? ? ? ? ? ?10 , 0 0 , 0 0 , 0iiF F F ?? ? ?2021年6月14日星期一 16 用色度量化表進(jìn)行量化，也就是用數(shù)組 F中的各元素分別除以量化數(shù)組中的相應(yīng)元素。 2021年6月14日星期一 17 以上是編碼時對圖像塊的正向離散余弦變換和量化過程，解碼的時候要進(jìn)行逆量化和逆向離散余弦變換，并且在逆向離散余弦變換之后，對重構(gòu)圖像中的每個樣本數(shù)據(jù)加了 128，最后得到重構(gòu)圖像樣本： 2021年6月14日星期一 18 5）編碼 ? 對于直流系數(shù)的差值，采用 Huffman編碼。 JPEG標(biāo)準(zhǔn)為亮度和色度分量分別擬定了 Huffman碼表。 ? 對于交流系數(shù)的行長，采用 Huffamn編碼。同樣 JPEG標(biāo)準(zhǔn)為亮度和色度分量分別擬定了 Huffman碼表。 ? 計算每像素的平均比特稱為碼率。 ? —— 圖像質(zhì)量中等，滿足某些應(yīng)用 ? —— 質(zhì)量好，滿足多數(shù)應(yīng)用 ? —— 極好，滿足大多數(shù)應(yīng)用 ? —— 與原始圖像質(zhì)量一樣 2021年6月14日星期一 19 編碼過程 ? Z字形排序。對于量化后的二維數(shù)組，我們還要對其進(jìn)行線性化，然后再進(jìn)行壓縮加以傳輸。一個合理的線性化方法可能是一次傳輸 Q的一行。由于出現(xiàn)這么多的 0，可以使用行程編碼。這是可行的，但還有更好的方法。 ? 直流系數(shù)的編碼。 8 8圖像塊經(jīng)過 DCT變換之后得到的 DC直流系數(shù)有兩個特點，一是系數(shù)的數(shù)值比較大，二是相鄰 8 8圖像塊的 DC系數(shù)值變化不大。根據(jù)這個特點， JPEG算法使用了差分脈沖調(diào)制編碼（ DPCM）技術(shù)，對相鄰圖像塊之間量化 DC系數(shù)的差值進(jìn)行編碼 2021年6月14日星期一 20 （ 3）交流系數(shù)的編碼。量化 AC系數(shù)的特點是 1 64矢量中包含有許多 0系數(shù)，并且許多 0是連續(xù)的，因此可以使用非常簡單和直觀的游程長度編碼（ RLE）對它們進(jìn)行編碼。 JPEG使用了 1個字節(jié)的高 4位來表示連續(xù) 0的個數(shù) ， 而使用它的低 4位來表示編碼下一個非 0系數(shù)所需要的位數(shù) ， 跟在它后面的是量化 AC系數(shù)的數(shù)值 。 （ 4） 熵編碼 。 使用熵編碼還可以對 DPCM編碼后的直流 DC系數(shù)和 RLE編碼后的交流 AC系數(shù)作進(jìn)一步的壓縮 。 在 JPEG有損壓縮算法中，使用哈夫曼編碼器來減少熵。 ? JPEG編碼的最后一個步驟是把各種標(biāo)記代碼和編碼后的圖像數(shù)據(jù)組成一幀一幀的數(shù)據(jù)，這樣做的目的是為了便于傳輸、存儲和