一些编码标准的介绍

第六章 图像压缩标准邓记才 信息工程学院

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6.1静态图像的国际压缩标准JPEG1 概述 JPEG(Joint Photographic Experts Group) 是一个由 ISO和IEC两个组织 机构联合组成的一个专家组 1986年开始制定，1992年成为国际标准 JPEG是国际上彩色、灰度、静止图像的第一个国际标准，也是一个适 用范围广泛的通用标准。它不仅适用于静止图像的压缩，电视图像序 列的帧内图像的压缩编码，也常采用JPEG压缩方法。可用于多媒体 CD-ROM,彩色图像传真，图文档案管理等。 JPEG包括有损压缩(DCT为基础)和无损压缩(采用预测压缩方法)两种 编码方案。 JPEG的目的是为了给出一个适用于连续色调图像的压缩方法，使之满 足以下要求： – 能适用于任何种类连续色调图像，且宽高比不受限制，同时也不 受限于景物内容、图形复杂程度和统计特性。 – 计算的复杂性是可控制的，其软件可在各种CPU上完成，算法也 可用硬件实现。

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压缩比 —— 10:1--100:1 (一般压缩比≯40:1) 试验表明，经压缩25倍还原后的彩色图像与原图 相比 ，对非行家来说很难加以区别。 在损失某些图像信息的情况下 ，JPEG可以把图像 压缩比提的更高。例如当把 30:1 的压缩比用于 一个全彩色的图像帧时，要求的图像存储空间就 从1000K降至33K ,而数据传输率则降至每秒1MB, 这就降到了目前大多数存储设备可以处理的范围 内了。

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2 图像预处理(数据结构) An image consists of at least one and at most N=4 components or planes.

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Each component is a rectangular array Xi×Yi of pixels (the samples).

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The resolution of the individual components may be different.

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Each pixel is represented by p bits with values in the range from 0 to 2 p–1. All pixels of all components of an image must have the same number of bits.– The lossy modes of JPEG use a precision of either 8 or 12 bits per pixel. – The lossless modes can use between 2 and 12 bits per pixel. – With any other number of bits, the application must suitably transform the image.

The compressed data includes:– X (maximum of all Xi) – Y (maximum of all Yi) – factors Hi and Vi for each plane. Hi : relative horizontal resolution Vi : relative vertical resolution

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根据JPEG标准，源图像以帧为单位，每帧图像最多由4个 分量图像组成，分量图像用符号Ci表示，i=1,2,3,4,例如 一帧彩色图像由三个分量组成：C1=Y,C2=Cr,C3=Cb。由于 眼睛对色度不敏感，色度分量的像素可以减少。 基于DCT运算量的考虑，编码时 每个分量图像均分为8×8的像块 (block),块内的64个数据组成一 个数据单元DU, 16×16空间区 域内的所有分量数据单元组成为 一个最小编码单元MCU, MCU 是进行DCT的准备。例如对取样

率4:1:1的彩色图像，一个 MCU包含4个Y分量DU、一个Cr 分量DU和一个Cb分量DU,如右 图。

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上图中的6个(8×8)方块作为一组称为最小编码单元MCU。按 JPEG标准规定MCU中内插数据单元(方块)最多为10个。 将数据单元进行DCT处理，以MCU为单位顺序安排，如下图，图中Cij 均为(8×8)数据单元。

另外如果在一帧图像中，纵横方向像素不是8的整数倍，则需要通过光 栅变换达到8的整数倍要求。

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基本步骤3 基本系统的编解码 颜色模式转换及 采样； DCT变换； 量化； 编码；

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较为详细的基于DCT编码器和解码器方框图如下图

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Example of DCT and IDCT

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DCT变换

DCT变换：空间域矩阵(f 矩阵)和频率域 矩阵(F矩阵)N 1 N 1 1 (2 x 1)i (2 y 1) j F (i, j ) C (i)C ( j ) f ( x, y) cos cos 2 N 2N 2N x 0 y 0

C (i ), C ( j ) 否则

1 2

, 当i, j 0

C (i), C ( j ) 1

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The pixel values are shifted into the zerocentered interval (–128, 127). 在逆向离散余弦变 换后，对重构图像中的每个样本值数据要加上128。 This transformation must be carried out 64 times per data unit. The result is 64 coefficients. DCT对 一个8×8的矩阵f进行处理，得到一个8×8的频率 系数矩阵F。 物理意义：将信号从一种表达形式(空间域，即 图像的像素值)变成另一种等同的表达形式(频 率域，即频率系数),并且这种变换过程是可逆 的。

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数组F中每个元素称为变换系数，这些系数都有明 确的物理意义：– i=0,j=0的值称为DC系数，它与数组的平均值有关。 –其余的值称为AC系数。随着i和j值的增加，相应系数 分别代表逐步增加的水平空间频率分量和垂直空间频 率分量的大小。

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