数字图像处理与
分析基础
第七章 图像编码技术
数字图像处理与分析基础
7.4 无误差编码技术
Lossless Compression Techniques
? 位平面编码
? 二值图像编码
? 行程编码 (Run_length Coding)
? 轮廓编码
有误差编码：编码后的图像不能经解码器复原到
原始的图像，不可逆。
无误差编码：可逆。
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7.4.1 位平面编码
? 一种能有效减少像素间冗余的技术，对
相关性强的图像，它的编码效率比霍夫
曼码更高。
? 基本方法：将多级图像（灰度图像或彩
色图像）分解成一系列的二值图像，然
后对二值图像应用二值图像编码方法，
以达到对多值图像编码的目的。
? 相关技术：
? 位平面分解
? 二值图像编码
数字图像处理与分析基础
1、位平面分解
设灰度图像的灰度级需要 m比特表示，那么任意一
个灰度级 g都可以表示成一个以 2为底的多项式：
00112211 2222g aaaa mmmm ????? ???? ?
其中 ai=0/1,i=0,1,2,…,m-1
也就是说，图像的同一个比特位的系数的集合就是
一个二值图像，称为一个, 位平面, 。位平面编号
从 0开始，直到 m-1。将 m个位平面组合，显然又可
以恢复原来的灰度图像
127（ 011111112）和 128（ 100000002）
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Grey码
二进制码，它与自然二进制码有一一对应的转换关系。
设它的第 i位为 gi,gi与 ai的转换关系为：
?
?
?
????
??
?
? 20,
1,
1 miaa
mia
g
ii
i
i
?
?
?
??????
??
?
?? 20,
1,
11 miggg
mig
a
mii
i
i ?
格雷码的优点：差值为 1的两个数值的格雷码只有一
位不同。 127（ 01000000g）,128（ 11000000g），
转换后就只在第 7个位平面有一个 0到 1的变化
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7.4.2 二值图像编码
? 位平面图像
? 图形图像或文本图像
? 大量的是连续的白色背景，对这些连续
的块指定短码字，可以达到压缩的效果。
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空白编码
利用了文本类图像中空白较多的特点。
1,将图像的一行分成若干段，规定每段有 k个象素；
2,若 k个象素全是空白，则用,0”表示；否则用,1”表示
，后接直接编码。
例：不同的 10个像素，它们相应的代码如下：
10个象素 相应的代码
0000000000 0
0000000001 10000000001
1000000001 11000000001
Lk=[p?1+(1-p) ?(k+1)]/k =[k+1-kp ]/k
压缩比 = p
k ??
11
1
p(全白 )>1/k，才能达到压缩效果。当 k=10时，对大多数文
本文件比较合适。
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黑块 /白块编码
扩展到二维，是对图像中大片的连续的 1或 0的区域（黑白
块）进行识别编码。
（ 1）设图像被分解为若干块，每一块的大小一致，为 a?b。
（ 2）这些块只有三种类型：全白色、全黑色、混合区域。
（ 3）统计这三类区域的出现概率。
（ 4）码字分配：出现概率最大的类型用 1比特码字, 0”表
示，其他的用 2比特码字, 10”和, 11”表示，后接对应区域的
直接编码。
平均码长
)1)(12(1)X(L pabpab ????
若达到压缩效果，需满足 p>2/(ab+1)
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逐层编码
进一步提高编码效率的方法是使用迭代的方法将
二值图像分解为越来越小的块，逐层进行编码。
逐层编码算法：
（ 1）纯白色的图像块用 1比特码字, 0”表示；
（ 2）其他类型图像用 1比特码字, 1”表示，并且
对图像进行四等份分割，得到四个子块。
（ 3）对每一个子块重复过程（ 1）、（ 2），一
直到规定的最小子块尺寸。
（ 4）图像最小子块采用原图像信息的直接编码。
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7.4.3 行程编码 (Run_length Coding) —
— 映射器
? 又称为,游程编码”
? 可用于二值图像 /灰度值 /连续出现的长度值进
行编码。
? 若在图像的一行内采用，就是一维行程编码，
即 A码；若在图像平面内实施，则为二维行程
编码，它们分别是传真机中使用的两种二值
图像压缩标准（ G3和 G4）中所用技术的基础
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1、一维行程编码 （线性行程编码，
A码）
图像行扫描,xi={x1,x2…,xn},行内连续的相同
的点的数目称为行程长度。 纵坐标为图像灰度级
gi,编码,Wi=(gi,li),li灰度级为 gi的 行程长度。
I gi li
1 2 3
2 5 7
3 4 2
G
8
6
4
2
0
4 8 12 16 20 x
L
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（ a)预测差值编码（ PDQ）
将图像阵列变换为整数对序列 {（ ?i’,?i’’） },?i’是相邻行
同区域开始点列坐标差值,?I’’邻行同区域行程长度差值域。
?i’+?I’’+区域起始点参数 +区域终点参数 =形状，位置
2、二维行程编码
A
B
t1
t2?i’
?i’’’
?i’’=t2-t1
PDQ及 DDC方法说明
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（ b）双重增量编码（ DDC）
(?i’,?i’’’),?i’’’相邻行同区域结束点列坐标差值。
用法：
少数大区域，二维；
较多小区域，一维。
用 B1码对整数序列再编码。
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7.4.4轮廓编码（或等值线编码） ——
映射器
用像素的空间坐标及其灰度值来描述或压缩图像
信息 。
(1) 链码 (Chain Code)：二值图像的轮廓编码
二值图像 f(x,y),0：背景； 1：物体。
算法：
1）确定物体边界起始点 IP,f(x,y)=1;
2）根据 LML（ Look Most Left） 规则跟踪轮廓；
3）给出移动方向码（ Freeman码，链码）。
3
2 0
1
四方位码
4
5 6 7
1
0
23
八方位码
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链码搜索算法（假设图像中只包括一个连续
区域）
1、从上到下，从左到右扫描图像，第一个满足 f(x,y)=1的点
（物体的边界点）确定为链码的起始点 IP，并记录起始搜
索方向为 code[0]=0，起始点坐标 （ x0,y0） ;
2,根据 LML（ Look Most Left）规则跟踪轮廓：
设当前的方向码为 code[i]，下一次的搜索方向为 code[i+1]，
（ 1）首先向当前链码的左方位搜索，
next=（ code[i]-1） mod 8；
（ 2）如果位于该方位的像素也是物体上的点，即满足
f(x,y)=1，那么这就是下一个轮廓点，记录链码，修改方位
code[i+1] = next，进入下一次搜索；
（ 3）如果位于该 next方位的像素不是物体上的点，即不满足
f(x,y)=1,那么它就不是下一个轮廓点，向右依次回溯，
next= next +1；
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（ 4）如果 next = code[1]，且 x=x0,y=y0，则已经回到起
始点，搜索结束；否则继续搜索 ;
3、搜索结束，从 code[1]开始给出区域的起始位置坐标以
及移动方向码（ Freeman码，链码），它们就包括了一
个区域的完整的轮廓信息
八方位码时，方位编码只需要 3bits。各方位码的行程可
用霍夫曼码等进一步编码 。
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减少搜索的技巧
SD
ED
IP
例：左图为图像 f(x,y)中
的目标区域，采用八方位
码，则区域链码
0422426142617161
note,八方位码 只需搜索 5个方向。
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area area
0 y(-1) 7 (y+y+1)/2(-1)
4 y(+1) 5 (y+y+1)/2(+1)
6 0 3 (y-1+y)/2(+1)
2 0 1 (y+y-1)/2(-1)
oe NNP 2??
Y+1
y
y-1
13
572640
unitx
其中 Ne是边界链码中偶数的数目，
No是奇数的数目。
（ 2）面积
（ 1）周长
由链码计算图形的几何特征
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(3)Xmax,Xmin,Ymax,Ymin,重心，矩
编码构成：
编号 +IP坐标 (x,y)+链码
特点：图像细节少
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图像多等灰度级区域，边界是等值线，用链码表示。区域
内部不存储或传输。等值线编码压缩。
编码内容：等值线号、灰度级,IP行号,IP列号、链码
（自然码）（差分码）（自然码 /行程编码 /Huffman编码）
全体象素位置标记为 I，
（ 1） T算法（等值线）：链码，并对跟踪过的点标记 A,D、
R,I。若二次通过看分配表。
（ 2） IP算法（起始点）：图像左上角，左 —— 右，扫描图
像，检查标志符。算法：比较点表。
等值线编码 —— 映射器
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7.5 有误差编码技术 —— 映射器
? 图像像素之间的相关性很高，可以将图
像映射到另一个表示域，减少数据的变
换范围。
? 在编码时通常还对造成较小误差的数据
忽略，以获得更高的编码率，因此属于
“有误差编码技术”。
? 1、预测编码
? 2、变换编码
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7.5.1预测编码（ DPCM）
(微分 /差分脉冲调制 )
-
+
XN’
e’N
XN’
e’NeN输出 XN
输出 XN’
量化器 编码器
预测器
解码器
预测器
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预测编码原理
?根据信号规律，设计预测公式，对预测的误差进行编码。
?线性预测编码（差分脉冲调制）、非线性预测编码。
当前 xn，之前的信号 xn-1,xn-2,…,xn-m，
则预测值为
预测误差
en是用于传输的量，远小于原值。
令,E（ en 2） ?0，则可获得最佳估值
),.,,,(? 1 mnnn xxfx ???
nnn xxe ???
数字图像处理与分析基础
预测误差
? ??
? ?
? ?
??
??
??
??
??????
??
??
??
??
??
??
?????
??
??
??
??
???
??
??
??
dxdxxxpdxxxxpxx
dxdxxxpxxxpxx
dxdxxxxpxxeE
????
????
???
]
?
[
/
?
)()
?
()(
)()/()(
)()()(
11
2
11
2
? ???? ???? dxxxxpxxxF )/()( 12 ??)?(
令
与误差 en最小值条件一致。
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令,? ??
?? ??????? dxxxxpxxxxF )/()()/( 1 ?
?2??
得到：
)/)/( 11 xxxEdxxxxpxx ?????? ?? ?? ? ?? (?
,
)p ( xx/xp ( x nmnnn ??? ?1
)()()/( 1 xEdxxpxdxxxxpxx ??? ?? ???????? ?? ??
]))([(])?[()( xExExxEeE ?? ??????
也就是说,xn的最佳估值是已知条件 xn-1,xn-2,…,xn-m下 xn
的数学期望。设与序列的前值无关，那么：
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预测编码
?利用预测误差传送信号，差分脉冲编码调制（ DPCM）
nx
nx?
xn表示时刻 n的输入信号,表示预测信号，它是
由 xn之前的 m个信号估计的,en为预测误差信号。
因此，在实际系统中，信号前 m个值是不能预测
的，输入的是实际信号的幅度，它们要用单独的
方式编码。若框图中缺少“量化器”，则传送的
信号无损失，整个系统无误差，为“无损预测编
码”。在有“量化器”时，误差被重整为很少的
数目 e’n，为“有损预测编码”，但编码比特数减
少，可以获得更大的压缩比。
nx?
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1、线性预测
假设二维静止图像信号是一个均值为 0，方差为 2?
的平稳随机过程,x1,x2,…,xn-1为在时刻 t1,t2,…,
tn-1的采样值，那么时刻 tn的采样值可以由它之前的
n-1已知的采样值估计，
?
?
?
?
1
1
n
i
iin tat
?
?
?
?
1
1
1
n
i
ia
数字图像处理与分析基础
Prisch研究并修正了这个结论
为了防止 DPCM系统中出现, 极限环, （ Limit
Circle）振荡和减少传输误码的扩散效应，应满足
下列两个条件：
（ 1）预测误差 e=0应该是一个量化输出电平，也
就是说量化分层的总数 K应该是奇数；
（ 2）所有预测系数应当满足
??
?
?
1
1
1
n
i
ia
和 ??
?
?
1
1
1
n
i
ia
数字图像处理与分析基础
DPCM中利用已知信息的方法
扫
描
方
向
前一行 ? X6 X3 X2 X4 X7 ?
当前行 ? X5 X1 X P
3?
当前象素
图 7-13 预测当前象素时采用的以前像素的位置, 数字表示优先关系
扫描方向
数字图像处理与分析基础
（ 1）前值预测：对 XN的估计只取前一个值 X N-1；
（ 2）一维预测（行内预测）,取同行中前面若干个；
（ 3）二维预测：本行前几个与上行相邻几个。
（ 4）三维预测：相邻两帧图像的相关性，动态图
像（视频）。
数字图像处理与分析基础
隔行扫描的电视图像，经验公式：
)1,1(
8
1
)1,1(
8
1
),1(
4
1
)1,(
2
1
),(
??????
????
nmfnmf
nmfnmfnmf
人头像的典型预测公式为：
)1,1(0, 0 6 1)1,1(0, 2 0 0
),1(0, 4 3 7)1,(0, 7 0 2),(?
??????
????
nmfnmf
nmfnmfnmf
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2、非线性预测编码
ai变化，与图像的局部特性相匹配，
典型方案：按象素差值大小进行预测
??
?
?
?
?
?????????
?
?
其它
如果
),,1(97.0
)1,1()1,()1,1(),1(
)1,(97.0
),(?
nmf
nmfnmfnmfnmf
nmf
nmf
数字图像处理与分析基础
注,Si不是时间序列，而是由 S0与 Si之间距离来决定的序列，
距离越近,Si越小。
令, d1=s0-s1,d11=a(s3-s2); d2=s0-s2,d22=a(s1-s7);
d3=s0-s3,d33=a(s1-s2); a=0.5
由于 Si状态不一样，非线性预测进一步修改为：
S11 S9
S7
S8 S10 S12
S2 S6S3 S4
S5 S0S1
dd
??
??
????
m
i ii
i
m
i
ii dWddsWs
11
1,1)
2
1(1?
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无损预测系统
压缩图像
预测器 整数舍入
+输入图像 fn 符号编码器+
-
en
预测器
+解压图像 符号解码器+
+
en 压缩图像
图 6.5.1 无损预测编码系统
数字图像处理与分析基础
有损预测系统
预测器
+解压图像 符号解码器+
+
E’n 压缩图像
图 无损预测编码系统
压缩
图像
预测器 +
输入
图像 fn 符号编码器
+en+ 量化器
+
+
-
+ E’n
数字图像处理与分析基础
3、预测误差的量化
n
ne
n
e2
e
n e2
1)e(p ?
?
?
?
拉普拉斯分布
均匀量化，只要量化级数少于 8bits就可望达到压缩
的效果。也可以根据最佳量化器的设计方法，设计
最佳的非线性量化器，当每像素平均 2bits时就可以
得到较好的图像质量。若采用自适应量化或矢量量
化，图像质量可进一步提高。
数字图像处理与分析基础
7.5.2 变换编码 —— 映射器
实际图像的空间域信息 — 正交变换 — 频率 /列率 — 编码
特点,1）正交变换，相关性下降；
2）频谱信息来自整个图像，频谱能量集中低频；
3）受噪声干扰小；
4）变换系数存在量化过程，不可逆编码。
输入图像
构造子图像 正变换 量化 符号编码
压缩数据
压缩数据 符号解码 反变换 合并子图像 解压图像
图 典型的变换编码系统框图
数字图像处理与分析基础
编码中需考虑的重要因素
1、变换方法的选择
信息集中能力强弱,KLT,DCT,DFT,WHT
计算量大小,KLT,DCT,DFT,WHT
2、子图像尺寸的选择
2的幂次，图像的相关性与图像尺寸有关,8*8,16*16
3、比特的分配
对变换子图像的系数截留、量化和编码的全过程。
数字图像处理与分析基础
系数截留方式, 区域编码 和 域值编码
1）区域编码：对能量集中区域进行抽样，并对区域内变换
系数编码。压缩率高
2）域值编码：对变换系数的幅度进行编码。效果好
7 6 5 4 3 28 1
6 5 4 3 2 17 0
5 4 3 2 1 06 0
4 3 2 1 0 05 0
3 2 1 0 0 04 0
2 1 0 0 0 03 0
1 0 0 0 0 02 0
0 0 0 0 0 01 0
区域比特分配图
数字图像处理与分析基础
压缩步骤
? 1、确定矩阵阶数；
? 2,分别按图像矩阵的行或列，求得图
像数据的协方差矩阵；
? 3,确定变换矩阵；
? 4,计算变换域的协方差矩阵；
? 5,保留较大的系数，把小于等于域值
的系数以 0代替；
? 6,按新矩阵传输非零系数，并在接收
端用反变换核求原始图像的值
数字图像处理与分析基础
特点：
（ 1）变换系数的相关性远远小于图象象素间的相
关性；
（ 2）变换矩阵固定，
DFT,DCT,Walsh_Hadamard,Slant,Haar；
（ 3）快速算法。
数字图像处理与分析基础
2,混合编码,较好的复原图像
f(x,y) 1D行变换核 行间预测 编码
数字图像处理与分析基础
1、以上的编码方法均以信号和信息理论为指导，属波形编码。
2、图像压缩降低了数字图像的存储量，缩短了图像传送所需
求的时间，但是这是以压缩和解压缩的时间为代价的。
3、有损压缩比无损压缩可以达到更高的压缩比，但是后者保
持了数据的完整性。
4,K-L变换对于静态图像的编码是最佳的方法，但是它需要
对特征矩阵作繁重的计算。
5、对于那些可以用一阶马尔科夫（ Markov）过程来模拟的
图像来说,DCT是 K-L变换很好的近似，尤其是当 P接近 1时。
波形编码图像压缩要点
数字图像处理与分析基础
6、基于方波变换的图像压缩方法在计算量上效率比
较高，但是一般来说，比起 DCT编码的效率要低。
7、最佳编码方法生成的误差图像只包含高斯白噪声。
8、现代图像和视频压缩标准综合各种数据压缩技术，
以达到更高的效率和更好的结果。
9、由于有损压缩方法得到的图像的质量，依赖于压
缩率和图像的内容。评价是，应该在高质量的现实
设备上，用具有代表性的待压缩图像进行对照性的
比较。
数字图像处理与分析基础
7.7 图像编码标准
? 1、二值图像压缩编码
? 2、静态图像压缩编码
? 3、动态图像压缩编码
国际标准化组织 (international standardization
organization,ISO)
国际电信联盟 (international telecommunication union,
ITU)
国际电话电报咨询委员会 (consultative committee of
the international telephone and telegraph,CCITT)。
数字图像处理与分析基础
表 7-8 主要的数据压缩标准及其典型应用
标准号 俗称 适用信源 典型应用
ITU-T T.82 | ISO/IEC 11544 JBIG-1 二值图像、图形 G4传真机、计算机图形
ISO/IEC 14492 JBIG-2 二值图像、图形 传真机,WWW图形库,PDA等
ITU-T T.81 | ISO/IEC 10918 JPEG 连续色调静止图像 图像库、传真、彩色印刷、数码相机等
ITU-T T.87 | ISO/IEC 14495 JPEG-LS 连续色调静止图像 医学、遥感图像资料的无损 /近似无压
缩
ISO/IEC 11544 JPEG2000 连续色调静止图像 各种图形、图像（含计算机生成的）
ITU-T G.723, G.728和
G.729
语音 数字通信和电话录音
ITU-T-T H.261 P× 64 活动图像 ISDN上的会议电视 /可视电话
ITU-T-T H.263 活动图像 PSTN上的会议电视 /可视电话
ISO/IEC 11172 MPEG-1 活动图像及伴音 VCD,DBA、多媒体,VOD等
ITU-T-T H.262 |
ISO/IEC 13818-2
MPEG-2视频 高质量活动图像 SVCD/DVD,VOD/MOD、多媒体视频
游戏,DVB DTV/HDTV等
ISO/IEC 14496 MPEG-4 多媒体音像数据 WWW 上的视频、音频扩展
数字图像处理与分析基础
7.7.1 二值图像压缩编码
1,G3和 G4
CCITT的 T.0建议书,公共电话网文件传输传真设备分类,
中定义了 G1,G2,G3和 G4四种传真机。规定 G3传真
机可采用 MH（ Modified Huffman） 和 MR（ Modified
READ） 编码方式,G4传真机采用 MMR（ Modified
Modified READ） 编码方式。
数字图像处理与分析基础
G3和 G4
G3：非自适应编码, 1-D游程编码技术, 位平面分解,
常数块编码 。 对每组 N行 (N＝ 2或 N=4)扫描线中的后 N-1
行也可以用 2-D方式编码 。
1组共 8幅, 试验, 图用来评判各种压缩方法, 包括打印
的文字, 用几种语言手写的文字, 少量的线绘图
G3对它们的压缩率约为 15,1。
G4,G3的 1种简化版本, 其中只使用 2-D编码 。
G4的压缩率一般比 G3高 1倍 。
数字图像处理与分析基础
2,JBIT（ Joint Bi-level Image
Coding Experts group)
?一种高清晰度的二值图像编码标准,1991年制
定 。
?自适应技术，对 半调灰度 (halftone)图有改进
?“软拷贝通信”
?用于传真机：图像按位平面进行分解，分层传送。
?用于图像检索,渐进 (累进 )的传输与重建策略。 原图
像缩小，水平 /垂直各 1/2求概略图，最低分辨率，依次
传送，满意可中止。
数字图像处理与分析基础
JBIG标准
图像缩小 DP 模板模型 熵编码
抖动或非抖动图像
图 7-15 JBIG标准的方框图
? 图像缩小（ reduction method,分辨率变换）采用 PRES形
式（ progressive reduction scheme，累进压缩方案），使图
像和图形部分保持良好的缩小特性。
? DP（ deterministic prediction，唯一性预测），根据图像缩
小的方式，从已编过码的像素唯一地确定所要编码的像素值。
? 模板模型（ template model）是编码时所用的参考像素的模
型，在分辨率最低图像中采用的是高阶马尔科夫模型。
? 熵编码（ entropy coder）中采用的是 QM码，属于自适应算
术编码方式。
数字图像处理与分析基础
6.9.2 静止彩色图像压缩标准
? 1,JPEG
? 2,JPEG 2000
数字图像处理与分析基础
1,JPEG（ Joint Picture Experts Group)
? 联合图像专家小组
?,联合” 是指，国际电报电话咨询委员会（ CCIT）
和国际标准化协会（ ISO）联合组成的一个图像专家
小组。联合图像专家小组 1986年成立，任务是开发
研制出连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压
缩编码标准，使之满足以下的要求：
? （ 1）达到或接近当前压缩比与图像保真度技术水平，
能覆盖一个较宽的图像质量等级，能达到“很好”到
“极好”的评估，即编码图像与原始图像相比较，人
的视觉难以区分差别。
? （ 2）能适用于任何种类的连续色调的图像，且长宽
比都不受限制，同时也不受限于景物内容、图像的复
杂度和统计特性等。
? （ 3）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
数字图像处理与分析基础
（ 4） JPEG算法具有下面四种操作方式：
顺序编码 。每个图像按从左到右、从上到下扫描，一次
扫描完成编码。
累进编码 。图像编码在多次扫描中完成。累进编码传输
时间长，接受端收到的图像是多次扫描由粗糙到清晰的累
进过程。
无失真编码 。可保证解码后完全精确地恢复源图像，其
压缩比低于有失真编码。
分层编码 。图像在多个空间分辨率进行编码。当信道传
输速率慢，接收端显示器分辩率也不高的情况下，只需做
低分辨率解码，不必进行高分辨率解码。
数字图像处理与分析基础
Fig7-16 JPEG BASELINE 系统结构图
DCT
8?8
量化
器
输入
图像
量化表
DC系数
AC系数
块间
DPCM
Z字型扫
描
DC霍夫曼表
霍夫曼
编码
霍夫曼
编码AC霍夫曼
表
字节填充 复用
输出数据
标识码控制信号
数字图像处理与分析基础
离散余弦变化后得到 64个变换系数，对应
于频率为 0的系数称为“直流分量”
（ DC系数）,其它 63个系数称为“交流
分量”（ AC系数）。这两种系数量化
和编码的方式都不同。
数字图像处理与分析基础
量化器由包含 64个分量的量化表组成，量化表的内容由用
户指定，每一个分量是从 1到 255的任意整数。因此量化就
是每一个 DCT系数被与它相对应的量化器的步长（ quantizer
step size）除，再取整：u,v) )( C ( u,v) / Q (( u,v)C Q 取整?
C(u,v)
Q(u,v)
(u,v)CQ
C(u,v)图像 DCT之后的系数,Q(u,v)量化参数,CQ(u,v)量
化后的 DCT系数。由于存在取整，量化过程不可逆，造成信
息的丢失，因此会使图像失真。如果这种失真足够小，不
影响视觉感受，就是可以接受的。
u,v) )( C ( u,v) / Q (( u,v)C Q 取整?
1、量化
数字图像处理与分析基础
表 7-9 亮度量化表
16 11 10 16 24 40 51 61
12 12 14 19 26 58 60 55
14 13 16 24 40 57 69 56
14 17 22 29 51 87 80 62
18 22 37 56 68 109 103 77
24 35 55 64 81 104 113 92
49 64 78 87 103 121 120 101
72 92 95 98 112 100 103 99
数字图像处理与分析基础
表 7-10 色度量化表
17 18 24 47 99 99 99 99
18 21 26 66 99 99 99 99
24 26 66 99 99 99 99 99
47 66 99 99 99 99 99 99
99 99 99 99 99 99 99 99
99 99 99 99 99 99 99 99
99 99 99 99 99 99 99 99
99 99 99 99 99 99 99 99
数字图像处理与分析基础
2、编码
1、直流系数采用差值编码。
2、交流系数，需要先将交
流系数从 AC01开始，按照
,Z”字形路线扫描，至
AC63，这样可以将低频系
数置于高频系数之前，获得
大量连续的, 0”。非零的系
数采用霍夫曼码编码，而
,0”采用行程编码，多种技
术综合使用可以得到很高的
压缩比，
7 6 5 4 3 28 1
6 5 4 3 2 17 0
5 4 3 2 1 06 0
4 3 2 1 0 05 0
3 2 1 0 0 04 0
2 1 0 0 0 03 0
1 0 0 0 0 02 0
0 0 0 0 0 01 0
数字图像处理与分析基础
表 7-11 中等复杂程度的彩色图像的压
缩结果及图像品质统计
压缩结果（ bits/pixel） 图像品质评价
0.25~0.5 中 ~好，满足某些应用
0.5~0.75 好 ~很好，满足多数应用
0.75~1.5 极好，满足大多数应用
1.5~2.0 几乎与原图像无差别
数字图像处理与分析基础
6.9.2 静止彩色图像压缩标准
? 2,JPEG2000
1997年开始征集提案（ call for proposal）
目标,提高图像的压缩质量，尤其是低码率的
增加新功能：根据图像质量、视觉感受和分辨
率进行渐进传输，对码流的随机存取和处理，
开放结构、向下兼容等。
1999年形成工作草案,2000年问世。
数字图像处理与分析基础
7.7.3 视频编码标准
? 1,H.261；
? 2,MPEG-I;
? 3,MPEG-II
? 4,MPEG-IV
? 5,MPEG-VII
各种电视通讯领域：电视会议、数字广播、
可视电话、网络传输
数字图像处理与分析基础
1、电视会议标准 —— H.261
CCITT1990年制定的序列灰度图像压缩标准, 会议电视
也称为 P*64标准 （ P=1,2,…,30）, 其码流可为,64，
128,…, 1920kbit/s。 可以允许通过 T1线路 （ 带宽为
1.544Mbit/s） 以小于 150ms的延迟传输运动视频 。
DCT的方法进行了扩展, 减少帧间冗余
（ 1） 对序列中的第 1帧 （ 或某参考帧 ） 图用类似于 JPEG
中的 DCT压缩, 以减少帧内冗余；
（ 2） 估计目标的运动 （ 通过计算当前帧与下 1帧间的相
关 ）, 以确定如何压缩下 1帧以减少帧间冗余度 。
数字图像处理与分析基础
运动图像编码器基本框图
帧间预测值 量化后的帧间预测误差
DCT 变长编码量化器
图像输入 编码输出
缓冲存储
IDCT 反量化
帧存储器运动补偿滤波器
运动估值
运动矢量
重建图像数据
帧间预测误差
图 7-18基本的运动补偿视频压缩 DPCM/DCT编码器框图
量化间隔值
数字图像处理与分析基础
多媒体标准 —— MPEG-I
? 针对视频点播、数字 HDTV、图像 /视频数据
库等领域的多媒体也使用变换编码基础上的
运动估计技术，其主要标准包括 MPEG-I,
MPEG-II,MPEG-IV等。
? MPEG-I是运动图像专家组（ Moving picture
expert group,MPEG） 1992年制定的第一个
运动图像压缩标准
? 一种娱乐质量的视频标准，主要用于数字媒
体上压缩图像数据的存储和提取。未制定具
体的编码程序，只确定了一个标准的编码码
流和对应的解码器，允许比 T1更高的码率和
质量。
数字图像处理与分析基础
MPEG-II
? 1993年制定的第二个运动图像压缩标准。
用于视频传输，适用于从普通电视
（ 5~10Mbit/s）到高清晰度电视
（ 30~40Mbit/s，原 MPEG-III的内容）
的带宽范围。
? 与 H.261类似，但它适用于场景变化快
的情况，规定每 15帧要有一关键帧，没
有限定需要多少帧图像来进行运动估计。
数字图像处理与分析基础
MPEG-IV
? 在窄带宽（一般 <64kbit/s）线路上对动态（可低于视
频）图像进行传输,1993年开始低码率图像压缩标
准制定,1999年第一版开始使用。
? 现在的目标：对各种音频视频 AV，主要包括静止图
像、序列图像、计算机图形,3D模型、动画、语言、
声音等进行统一有效的编码。
? 它固定码流 /变码流，对三种码流的视频已达最优：
(1)<64kbit/s； (2)64~384kbit/s (3)384kbit/s~4Mbit/s,
50Mbit/s的码流 [ISO 1998a]。
? 主要技术：基于目标的编码和基于模型的编码。
? 一个多媒体应用的标准
数字图像处理与分析基础
MPEG-VII
? 1996年始，运动图像组组成新的委员会着手
进行有关多媒体内容描述标准的工作。
MPEG-VII的正式名称是“多媒体内容描述界
面”（ Multimedia content description
interface） [ISO 1998b]。
? 目标：指定 1组表述不同媒体信息的标准描述
符，与信息内容相关，以便能快速有效地查
询各种多媒体信息。 MPEG-VII的描述方案和
方法与被描述的内容是否编码或如何存储无
关，例如视觉信号仍可以用已有的各种编码
方案。
? MPEG-VII 1998年 10月发出征集建议通知，
现在仍未问世
分析基础
第七章 图像编码技术
数字图像处理与分析基础
7.4 无误差编码技术
Lossless Compression Techniques
? 位平面编码
? 二值图像编码
? 行程编码 (Run_length Coding)
? 轮廓编码
有误差编码：编码后的图像不能经解码器复原到
原始的图像，不可逆。
无误差编码：可逆。
数字图像处理与分析基础
7.4.1 位平面编码
? 一种能有效减少像素间冗余的技术，对
相关性强的图像，它的编码效率比霍夫
曼码更高。
? 基本方法：将多级图像（灰度图像或彩
色图像）分解成一系列的二值图像，然
后对二值图像应用二值图像编码方法，
以达到对多值图像编码的目的。
? 相关技术：
? 位平面分解
? 二值图像编码
数字图像处理与分析基础
1、位平面分解
设灰度图像的灰度级需要 m比特表示，那么任意一
个灰度级 g都可以表示成一个以 2为底的多项式：
00112211 2222g aaaa mmmm ????? ???? ?
其中 ai=0/1,i=0,1,2,…,m-1
也就是说，图像的同一个比特位的系数的集合就是
一个二值图像，称为一个, 位平面, 。位平面编号
从 0开始，直到 m-1。将 m个位平面组合，显然又可
以恢复原来的灰度图像
127（ 011111112）和 128（ 100000002）
数字图像处理与分析基础
Grey码
二进制码，它与自然二进制码有一一对应的转换关系。
设它的第 i位为 gi,gi与 ai的转换关系为：
?
?
?
????
??
?
? 20,
1,
1 miaa
mia
g
ii
i
i
?
?
?
??????
??
?
?? 20,
1,
11 miggg
mig
a
mii
i
i ?
格雷码的优点：差值为 1的两个数值的格雷码只有一
位不同。 127（ 01000000g）,128（ 11000000g），
转换后就只在第 7个位平面有一个 0到 1的变化
数字图像处理与分析基础
7.4.2 二值图像编码
? 位平面图像
? 图形图像或文本图像
? 大量的是连续的白色背景，对这些连续
的块指定短码字，可以达到压缩的效果。
数字图像处理与分析基础
空白编码
利用了文本类图像中空白较多的特点。
1,将图像的一行分成若干段，规定每段有 k个象素；
2,若 k个象素全是空白，则用,0”表示；否则用,1”表示
，后接直接编码。
例：不同的 10个像素，它们相应的代码如下：
10个象素 相应的代码
0000000000 0
0000000001 10000000001
1000000001 11000000001
Lk=[p?1+(1-p) ?(k+1)]/k =[k+1-kp ]/k
压缩比 = p
k ??
11
1
p(全白 )>1/k，才能达到压缩效果。当 k=10时，对大多数文
本文件比较合适。
数字图像处理与分析基础
黑块 /白块编码
扩展到二维，是对图像中大片的连续的 1或 0的区域（黑白
块）进行识别编码。
（ 1）设图像被分解为若干块，每一块的大小一致，为 a?b。
（ 2）这些块只有三种类型：全白色、全黑色、混合区域。
（ 3）统计这三类区域的出现概率。
（ 4）码字分配：出现概率最大的类型用 1比特码字, 0”表
示，其他的用 2比特码字, 10”和, 11”表示，后接对应区域的
直接编码。
平均码长
)1)(12(1)X(L pabpab ????
若达到压缩效果，需满足 p>2/(ab+1)
数字图像处理与分析基础
逐层编码
进一步提高编码效率的方法是使用迭代的方法将
二值图像分解为越来越小的块，逐层进行编码。
逐层编码算法：
（ 1）纯白色的图像块用 1比特码字, 0”表示；
（ 2）其他类型图像用 1比特码字, 1”表示，并且
对图像进行四等份分割，得到四个子块。
（ 3）对每一个子块重复过程（ 1）、（ 2），一
直到规定的最小子块尺寸。
（ 4）图像最小子块采用原图像信息的直接编码。
数字图像处理与分析基础
7.4.3 行程编码 (Run_length Coding) —
— 映射器
? 又称为,游程编码”
? 可用于二值图像 /灰度值 /连续出现的长度值进
行编码。
? 若在图像的一行内采用，就是一维行程编码，
即 A码；若在图像平面内实施，则为二维行程
编码，它们分别是传真机中使用的两种二值
图像压缩标准（ G3和 G4）中所用技术的基础
数字图像处理与分析基础
1、一维行程编码 （线性行程编码，
A码）
图像行扫描,xi={x1,x2…,xn},行内连续的相同
的点的数目称为行程长度。 纵坐标为图像灰度级
gi,编码,Wi=(gi,li),li灰度级为 gi的 行程长度。
I gi li
1 2 3
2 5 7
3 4 2
G
8
6
4
2
0
4 8 12 16 20 x
L
数字图像处理与分析基础
（ a)预测差值编码（ PDQ）
将图像阵列变换为整数对序列 {（ ?i’,?i’’） },?i’是相邻行
同区域开始点列坐标差值,?I’’邻行同区域行程长度差值域。
?i’+?I’’+区域起始点参数 +区域终点参数 =形状，位置
2、二维行程编码
A
B
t1
t2?i’
?i’’’
?i’’=t2-t1
PDQ及 DDC方法说明
数字图像处理与分析基础
（ b）双重增量编码（ DDC）
(?i’,?i’’’),?i’’’相邻行同区域结束点列坐标差值。
用法：
少数大区域，二维；
较多小区域，一维。
用 B1码对整数序列再编码。
数字图像处理与分析基础
7.4.4轮廓编码（或等值线编码） ——
映射器
用像素的空间坐标及其灰度值来描述或压缩图像
信息 。
(1) 链码 (Chain Code)：二值图像的轮廓编码
二值图像 f(x,y),0：背景； 1：物体。
算法：
1）确定物体边界起始点 IP,f(x,y)=1;
2）根据 LML（ Look Most Left） 规则跟踪轮廓；
3）给出移动方向码（ Freeman码，链码）。
3
2 0
1
四方位码
4
5 6 7
1
0
23
八方位码
数字图像处理与分析基础
链码搜索算法（假设图像中只包括一个连续
区域）
1、从上到下，从左到右扫描图像，第一个满足 f(x,y)=1的点
（物体的边界点）确定为链码的起始点 IP，并记录起始搜
索方向为 code[0]=0，起始点坐标 （ x0,y0） ;
2,根据 LML（ Look Most Left）规则跟踪轮廓：
设当前的方向码为 code[i]，下一次的搜索方向为 code[i+1]，
（ 1）首先向当前链码的左方位搜索，
next=（ code[i]-1） mod 8；
（ 2）如果位于该方位的像素也是物体上的点，即满足
f(x,y)=1，那么这就是下一个轮廓点，记录链码，修改方位
code[i+1] = next，进入下一次搜索；
（ 3）如果位于该 next方位的像素不是物体上的点，即不满足
f(x,y)=1,那么它就不是下一个轮廓点，向右依次回溯，
next= next +1；
数字图像处理与分析基础
（ 4）如果 next = code[1]，且 x=x0,y=y0，则已经回到起
始点，搜索结束；否则继续搜索 ;
3、搜索结束，从 code[1]开始给出区域的起始位置坐标以
及移动方向码（ Freeman码，链码），它们就包括了一
个区域的完整的轮廓信息
八方位码时，方位编码只需要 3bits。各方位码的行程可
用霍夫曼码等进一步编码 。
数字图像处理与分析基础
减少搜索的技巧
SD
ED
IP
例：左图为图像 f(x,y)中
的目标区域，采用八方位
码，则区域链码
0422426142617161
note,八方位码 只需搜索 5个方向。
数字图像处理与分析基础
area area
0 y(-1) 7 (y+y+1)/2(-1)
4 y(+1) 5 (y+y+1)/2(+1)
6 0 3 (y-1+y)/2(+1)
2 0 1 (y+y-1)/2(-1)
oe NNP 2??
Y+1
y
y-1
13
572640
unitx
其中 Ne是边界链码中偶数的数目，
No是奇数的数目。
（ 2）面积
（ 1）周长
由链码计算图形的几何特征
数字图像处理与分析基础
(3)Xmax,Xmin,Ymax,Ymin,重心，矩
编码构成：
编号 +IP坐标 (x,y)+链码
特点：图像细节少
数字图像处理与分析基础
图像多等灰度级区域，边界是等值线，用链码表示。区域
内部不存储或传输。等值线编码压缩。
编码内容：等值线号、灰度级,IP行号,IP列号、链码
（自然码）（差分码）（自然码 /行程编码 /Huffman编码）
全体象素位置标记为 I，
（ 1） T算法（等值线）：链码，并对跟踪过的点标记 A,D、
R,I。若二次通过看分配表。
（ 2） IP算法（起始点）：图像左上角，左 —— 右，扫描图
像，检查标志符。算法：比较点表。
等值线编码 —— 映射器
数字图像处理与分析基础
7.5 有误差编码技术 —— 映射器
? 图像像素之间的相关性很高，可以将图
像映射到另一个表示域，减少数据的变
换范围。
? 在编码时通常还对造成较小误差的数据
忽略，以获得更高的编码率，因此属于
“有误差编码技术”。
? 1、预测编码
? 2、变换编码
数字图像处理与分析基础
7.5.1预测编码（ DPCM）
(微分 /差分脉冲调制 )
-
+
XN’
e’N
XN’
e’NeN输出 XN
输出 XN’
量化器 编码器
预测器
解码器
预测器
数字图像处理与分析基础
预测编码原理
?根据信号规律，设计预测公式，对预测的误差进行编码。
?线性预测编码（差分脉冲调制）、非线性预测编码。
当前 xn，之前的信号 xn-1,xn-2,…,xn-m，
则预测值为
预测误差
en是用于传输的量，远小于原值。
令,E（ en 2） ?0，则可获得最佳估值
),.,,,(? 1 mnnn xxfx ???
nnn xxe ???
数字图像处理与分析基础
预测误差
? ??
? ?
? ?
??
??
??
??
??????
??
??
??
??
??
??
?????
??
??
??
??
???
??
??
??
dxdxxxpdxxxxpxx
dxdxxxpxxxpxx
dxdxxxxpxxeE
????
????
???
]
?
[
/
?
)()
?
()(
)()/()(
)()()(
11
2
11
2
? ???? ???? dxxxxpxxxF )/()( 12 ??)?(
令
与误差 en最小值条件一致。
数字图像处理与分析基础
令,? ??
?? ??????? dxxxxpxxxxF )/()()/( 1 ?
?2??
得到：
)/)/( 11 xxxEdxxxxpxx ?????? ?? ?? ? ?? (?
,
)p ( xx/xp ( x nmnnn ??? ?1
)()()/( 1 xEdxxpxdxxxxpxx ??? ?? ???????? ?? ??
]))([(])?[()( xExExxEeE ?? ??????
也就是说,xn的最佳估值是已知条件 xn-1,xn-2,…,xn-m下 xn
的数学期望。设与序列的前值无关，那么：
数字图像处理与分析基础
预测编码
?利用预测误差传送信号，差分脉冲编码调制（ DPCM）
nx
nx?
xn表示时刻 n的输入信号,表示预测信号，它是
由 xn之前的 m个信号估计的,en为预测误差信号。
因此，在实际系统中，信号前 m个值是不能预测
的，输入的是实际信号的幅度，它们要用单独的
方式编码。若框图中缺少“量化器”，则传送的
信号无损失，整个系统无误差，为“无损预测编
码”。在有“量化器”时，误差被重整为很少的
数目 e’n，为“有损预测编码”，但编码比特数减
少，可以获得更大的压缩比。
nx?
数字图像处理与分析基础
1、线性预测
假设二维静止图像信号是一个均值为 0，方差为 2?
的平稳随机过程,x1,x2,…,xn-1为在时刻 t1,t2,…,
tn-1的采样值，那么时刻 tn的采样值可以由它之前的
n-1已知的采样值估计，
?
?
?
?
1
1
n
i
iin tat
?
?
?
?
1
1
1
n
i
ia
数字图像处理与分析基础
Prisch研究并修正了这个结论
为了防止 DPCM系统中出现, 极限环, （ Limit
Circle）振荡和减少传输误码的扩散效应，应满足
下列两个条件：
（ 1）预测误差 e=0应该是一个量化输出电平，也
就是说量化分层的总数 K应该是奇数；
（ 2）所有预测系数应当满足
??
?
?
1
1
1
n
i
ia
和 ??
?
?
1
1
1
n
i
ia
数字图像处理与分析基础
DPCM中利用已知信息的方法
扫
描
方
向
前一行 ? X6 X3 X2 X4 X7 ?
当前行 ? X5 X1 X P
3?
当前象素
图 7-13 预测当前象素时采用的以前像素的位置, 数字表示优先关系
扫描方向
数字图像处理与分析基础
（ 1）前值预测：对 XN的估计只取前一个值 X N-1；
（ 2）一维预测（行内预测）,取同行中前面若干个；
（ 3）二维预测：本行前几个与上行相邻几个。
（ 4）三维预测：相邻两帧图像的相关性，动态图
像（视频）。
数字图像处理与分析基础
隔行扫描的电视图像，经验公式：
)1,1(
8
1
)1,1(
8
1
),1(
4
1
)1,(
2
1
),(
??????
????
nmfnmf
nmfnmfnmf
人头像的典型预测公式为：
)1,1(0, 0 6 1)1,1(0, 2 0 0
),1(0, 4 3 7)1,(0, 7 0 2),(?
??????
????
nmfnmf
nmfnmfnmf
数字图像处理与分析基础
2、非线性预测编码
ai变化，与图像的局部特性相匹配，
典型方案：按象素差值大小进行预测
??
?
?
?
?
?????????
?
?
其它
如果
),,1(97.0
)1,1()1,()1,1(),1(
)1,(97.0
),(?
nmf
nmfnmfnmfnmf
nmf
nmf
数字图像处理与分析基础
注,Si不是时间序列，而是由 S0与 Si之间距离来决定的序列，
距离越近,Si越小。
令, d1=s0-s1,d11=a(s3-s2); d2=s0-s2,d22=a(s1-s7);
d3=s0-s3,d33=a(s1-s2); a=0.5
由于 Si状态不一样，非线性预测进一步修改为：
S11 S9
S7
S8 S10 S12
S2 S6S3 S4
S5 S0S1
dd
??
??
????
m
i ii
i
m
i
ii dWddsWs
11
1,1)
2
1(1?
数字图像处理与分析基础
无损预测系统
压缩图像
预测器 整数舍入
+输入图像 fn 符号编码器+
-
en
预测器
+解压图像 符号解码器+
+
en 压缩图像
图 6.5.1 无损预测编码系统
数字图像处理与分析基础
有损预测系统
预测器
+解压图像 符号解码器+
+
E’n 压缩图像
图 无损预测编码系统
压缩
图像
预测器 +
输入
图像 fn 符号编码器
+en+ 量化器
+
+
-
+ E’n
数字图像处理与分析基础
3、预测误差的量化
n
ne
n
e2
e
n e2
1)e(p ?
?
?
?
拉普拉斯分布
均匀量化，只要量化级数少于 8bits就可望达到压缩
的效果。也可以根据最佳量化器的设计方法，设计
最佳的非线性量化器，当每像素平均 2bits时就可以
得到较好的图像质量。若采用自适应量化或矢量量
化，图像质量可进一步提高。
数字图像处理与分析基础
7.5.2 变换编码 —— 映射器
实际图像的空间域信息 — 正交变换 — 频率 /列率 — 编码
特点,1）正交变换，相关性下降；
2）频谱信息来自整个图像，频谱能量集中低频；
3）受噪声干扰小；
4）变换系数存在量化过程，不可逆编码。
输入图像
构造子图像 正变换 量化 符号编码
压缩数据
压缩数据 符号解码 反变换 合并子图像 解压图像
图 典型的变换编码系统框图
数字图像处理与分析基础
编码中需考虑的重要因素
1、变换方法的选择
信息集中能力强弱,KLT,DCT,DFT,WHT
计算量大小,KLT,DCT,DFT,WHT
2、子图像尺寸的选择
2的幂次，图像的相关性与图像尺寸有关,8*8,16*16
3、比特的分配
对变换子图像的系数截留、量化和编码的全过程。
数字图像处理与分析基础
系数截留方式, 区域编码 和 域值编码
1）区域编码：对能量集中区域进行抽样，并对区域内变换
系数编码。压缩率高
2）域值编码：对变换系数的幅度进行编码。效果好
7 6 5 4 3 28 1
6 5 4 3 2 17 0
5 4 3 2 1 06 0
4 3 2 1 0 05 0
3 2 1 0 0 04 0
2 1 0 0 0 03 0
1 0 0 0 0 02 0
0 0 0 0 0 01 0
区域比特分配图
数字图像处理与分析基础
压缩步骤
? 1、确定矩阵阶数；
? 2,分别按图像矩阵的行或列，求得图
像数据的协方差矩阵；
? 3,确定变换矩阵；
? 4,计算变换域的协方差矩阵；
? 5,保留较大的系数，把小于等于域值
的系数以 0代替；
? 6,按新矩阵传输非零系数，并在接收
端用反变换核求原始图像的值
数字图像处理与分析基础
特点：
（ 1）变换系数的相关性远远小于图象象素间的相
关性；
（ 2）变换矩阵固定，
DFT,DCT,Walsh_Hadamard,Slant,Haar；
（ 3）快速算法。
数字图像处理与分析基础
2,混合编码,较好的复原图像
f(x,y) 1D行变换核 行间预测 编码
数字图像处理与分析基础
1、以上的编码方法均以信号和信息理论为指导，属波形编码。
2、图像压缩降低了数字图像的存储量，缩短了图像传送所需
求的时间，但是这是以压缩和解压缩的时间为代价的。
3、有损压缩比无损压缩可以达到更高的压缩比，但是后者保
持了数据的完整性。
4,K-L变换对于静态图像的编码是最佳的方法，但是它需要
对特征矩阵作繁重的计算。
5、对于那些可以用一阶马尔科夫（ Markov）过程来模拟的
图像来说,DCT是 K-L变换很好的近似，尤其是当 P接近 1时。
波形编码图像压缩要点
数字图像处理与分析基础
6、基于方波变换的图像压缩方法在计算量上效率比
较高，但是一般来说，比起 DCT编码的效率要低。
7、最佳编码方法生成的误差图像只包含高斯白噪声。
8、现代图像和视频压缩标准综合各种数据压缩技术，
以达到更高的效率和更好的结果。
9、由于有损压缩方法得到的图像的质量，依赖于压
缩率和图像的内容。评价是，应该在高质量的现实
设备上，用具有代表性的待压缩图像进行对照性的
比较。
数字图像处理与分析基础
7.7 图像编码标准
? 1、二值图像压缩编码
? 2、静态图像压缩编码
? 3、动态图像压缩编码
国际标准化组织 (international standardization
organization,ISO)
国际电信联盟 (international telecommunication union,
ITU)
国际电话电报咨询委员会 (consultative committee of
the international telephone and telegraph,CCITT)。
数字图像处理与分析基础
表 7-8 主要的数据压缩标准及其典型应用
标准号 俗称 适用信源 典型应用
ITU-T T.82 | ISO/IEC 11544 JBIG-1 二值图像、图形 G4传真机、计算机图形
ISO/IEC 14492 JBIG-2 二值图像、图形 传真机,WWW图形库,PDA等
ITU-T T.81 | ISO/IEC 10918 JPEG 连续色调静止图像 图像库、传真、彩色印刷、数码相机等
ITU-T T.87 | ISO/IEC 14495 JPEG-LS 连续色调静止图像 医学、遥感图像资料的无损 /近似无压
缩
ISO/IEC 11544 JPEG2000 连续色调静止图像 各种图形、图像（含计算机生成的）
ITU-T G.723, G.728和
G.729
语音 数字通信和电话录音
ITU-T-T H.261 P× 64 活动图像 ISDN上的会议电视 /可视电话
ITU-T-T H.263 活动图像 PSTN上的会议电视 /可视电话
ISO/IEC 11172 MPEG-1 活动图像及伴音 VCD,DBA、多媒体,VOD等
ITU-T-T H.262 |
ISO/IEC 13818-2
MPEG-2视频 高质量活动图像 SVCD/DVD,VOD/MOD、多媒体视频
游戏,DVB DTV/HDTV等
ISO/IEC 14496 MPEG-4 多媒体音像数据 WWW 上的视频、音频扩展
数字图像处理与分析基础
7.7.1 二值图像压缩编码
1,G3和 G4
CCITT的 T.0建议书,公共电话网文件传输传真设备分类,
中定义了 G1,G2,G3和 G4四种传真机。规定 G3传真
机可采用 MH（ Modified Huffman） 和 MR（ Modified
READ） 编码方式,G4传真机采用 MMR（ Modified
Modified READ） 编码方式。
数字图像处理与分析基础
G3和 G4
G3：非自适应编码, 1-D游程编码技术, 位平面分解,
常数块编码 。 对每组 N行 (N＝ 2或 N=4)扫描线中的后 N-1
行也可以用 2-D方式编码 。
1组共 8幅, 试验, 图用来评判各种压缩方法, 包括打印
的文字, 用几种语言手写的文字, 少量的线绘图
G3对它们的压缩率约为 15,1。
G4,G3的 1种简化版本, 其中只使用 2-D编码 。
G4的压缩率一般比 G3高 1倍 。
数字图像处理与分析基础
2,JBIT（ Joint Bi-level Image
Coding Experts group)
?一种高清晰度的二值图像编码标准,1991年制
定 。
?自适应技术，对 半调灰度 (halftone)图有改进
?“软拷贝通信”
?用于传真机：图像按位平面进行分解，分层传送。
?用于图像检索,渐进 (累进 )的传输与重建策略。 原图
像缩小，水平 /垂直各 1/2求概略图，最低分辨率，依次
传送，满意可中止。
数字图像处理与分析基础
JBIG标准
图像缩小 DP 模板模型 熵编码
抖动或非抖动图像
图 7-15 JBIG标准的方框图
? 图像缩小（ reduction method,分辨率变换）采用 PRES形
式（ progressive reduction scheme，累进压缩方案），使图
像和图形部分保持良好的缩小特性。
? DP（ deterministic prediction，唯一性预测），根据图像缩
小的方式，从已编过码的像素唯一地确定所要编码的像素值。
? 模板模型（ template model）是编码时所用的参考像素的模
型，在分辨率最低图像中采用的是高阶马尔科夫模型。
? 熵编码（ entropy coder）中采用的是 QM码，属于自适应算
术编码方式。
数字图像处理与分析基础
6.9.2 静止彩色图像压缩标准
? 1,JPEG
? 2,JPEG 2000
数字图像处理与分析基础
1,JPEG（ Joint Picture Experts Group)
? 联合图像专家小组
?,联合” 是指，国际电报电话咨询委员会（ CCIT）
和国际标准化协会（ ISO）联合组成的一个图像专家
小组。联合图像专家小组 1986年成立，任务是开发
研制出连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压
缩编码标准，使之满足以下的要求：
? （ 1）达到或接近当前压缩比与图像保真度技术水平，
能覆盖一个较宽的图像质量等级，能达到“很好”到
“极好”的评估，即编码图像与原始图像相比较，人
的视觉难以区分差别。
? （ 2）能适用于任何种类的连续色调的图像，且长宽
比都不受限制，同时也不受限于景物内容、图像的复
杂度和统计特性等。
? （ 3）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
数字图像处理与分析基础
（ 4） JPEG算法具有下面四种操作方式：
顺序编码 。每个图像按从左到右、从上到下扫描，一次
扫描完成编码。
累进编码 。图像编码在多次扫描中完成。累进编码传输
时间长，接受端收到的图像是多次扫描由粗糙到清晰的累
进过程。
无失真编码 。可保证解码后完全精确地恢复源图像，其
压缩比低于有失真编码。
分层编码 。图像在多个空间分辨率进行编码。当信道传
输速率慢，接收端显示器分辩率也不高的情况下，只需做
低分辨率解码，不必进行高分辨率解码。
数字图像处理与分析基础
Fig7-16 JPEG BASELINE 系统结构图
DCT
8?8
量化
器
输入
图像
量化表
DC系数
AC系数
块间
DPCM
Z字型扫
描
DC霍夫曼表
霍夫曼
编码
霍夫曼
编码AC霍夫曼
表
字节填充 复用
输出数据
标识码控制信号
数字图像处理与分析基础
离散余弦变化后得到 64个变换系数，对应
于频率为 0的系数称为“直流分量”
（ DC系数）,其它 63个系数称为“交流
分量”（ AC系数）。这两种系数量化
和编码的方式都不同。
数字图像处理与分析基础
量化器由包含 64个分量的量化表组成，量化表的内容由用
户指定，每一个分量是从 1到 255的任意整数。因此量化就
是每一个 DCT系数被与它相对应的量化器的步长（ quantizer
step size）除，再取整：u,v) )( C ( u,v) / Q (( u,v)C Q 取整?
C(u,v)
Q(u,v)
(u,v)CQ
C(u,v)图像 DCT之后的系数,Q(u,v)量化参数,CQ(u,v)量
化后的 DCT系数。由于存在取整，量化过程不可逆，造成信
息的丢失，因此会使图像失真。如果这种失真足够小，不
影响视觉感受，就是可以接受的。
u,v) )( C ( u,v) / Q (( u,v)C Q 取整?
1、量化
数字图像处理与分析基础
表 7-9 亮度量化表
16 11 10 16 24 40 51 61
12 12 14 19 26 58 60 55
14 13 16 24 40 57 69 56
14 17 22 29 51 87 80 62
18 22 37 56 68 109 103 77
24 35 55 64 81 104 113 92
49 64 78 87 103 121 120 101
72 92 95 98 112 100 103 99
数字图像处理与分析基础
表 7-10 色度量化表
17 18 24 47 99 99 99 99
18 21 26 66 99 99 99 99
24 26 66 99 99 99 99 99
47 66 99 99 99 99 99 99
99 99 99 99 99 99 99 99
99 99 99 99 99 99 99 99
99 99 99 99 99 99 99 99
99 99 99 99 99 99 99 99
数字图像处理与分析基础
2、编码
1、直流系数采用差值编码。
2、交流系数，需要先将交
流系数从 AC01开始，按照
,Z”字形路线扫描，至
AC63，这样可以将低频系
数置于高频系数之前，获得
大量连续的, 0”。非零的系
数采用霍夫曼码编码，而
,0”采用行程编码，多种技
术综合使用可以得到很高的
压缩比，
7 6 5 4 3 28 1
6 5 4 3 2 17 0
5 4 3 2 1 06 0
4 3 2 1 0 05 0
3 2 1 0 0 04 0
2 1 0 0 0 03 0
1 0 0 0 0 02 0
0 0 0 0 0 01 0
数字图像处理与分析基础
表 7-11 中等复杂程度的彩色图像的压
缩结果及图像品质统计
压缩结果（ bits/pixel） 图像品质评价
0.25~0.5 中 ~好，满足某些应用
0.5~0.75 好 ~很好，满足多数应用
0.75~1.5 极好，满足大多数应用
1.5~2.0 几乎与原图像无差别
数字图像处理与分析基础
6.9.2 静止彩色图像压缩标准
? 2,JPEG2000
1997年开始征集提案（ call for proposal）
目标,提高图像的压缩质量，尤其是低码率的
增加新功能：根据图像质量、视觉感受和分辨
率进行渐进传输，对码流的随机存取和处理，
开放结构、向下兼容等。
1999年形成工作草案,2000年问世。
数字图像处理与分析基础
7.7.3 视频编码标准
? 1,H.261；
? 2,MPEG-I;
? 3,MPEG-II
? 4,MPEG-IV
? 5,MPEG-VII
各种电视通讯领域：电视会议、数字广播、
可视电话、网络传输
数字图像处理与分析基础
1、电视会议标准 —— H.261
CCITT1990年制定的序列灰度图像压缩标准, 会议电视
也称为 P*64标准 （ P=1,2,…,30）, 其码流可为,64，
128,…, 1920kbit/s。 可以允许通过 T1线路 （ 带宽为
1.544Mbit/s） 以小于 150ms的延迟传输运动视频 。
DCT的方法进行了扩展, 减少帧间冗余
（ 1） 对序列中的第 1帧 （ 或某参考帧 ） 图用类似于 JPEG
中的 DCT压缩, 以减少帧内冗余；
（ 2） 估计目标的运动 （ 通过计算当前帧与下 1帧间的相
关 ）, 以确定如何压缩下 1帧以减少帧间冗余度 。
数字图像处理与分析基础
运动图像编码器基本框图
帧间预测值 量化后的帧间预测误差
DCT 变长编码量化器
图像输入 编码输出
缓冲存储
IDCT 反量化
帧存储器运动补偿滤波器
运动估值
运动矢量
重建图像数据
帧间预测误差
图 7-18基本的运动补偿视频压缩 DPCM/DCT编码器框图
量化间隔值
数字图像处理与分析基础
多媒体标准 —— MPEG-I
? 针对视频点播、数字 HDTV、图像 /视频数据
库等领域的多媒体也使用变换编码基础上的
运动估计技术，其主要标准包括 MPEG-I,
MPEG-II,MPEG-IV等。
? MPEG-I是运动图像专家组（ Moving picture
expert group,MPEG） 1992年制定的第一个
运动图像压缩标准
? 一种娱乐质量的视频标准，主要用于数字媒
体上压缩图像数据的存储和提取。未制定具
体的编码程序，只确定了一个标准的编码码
流和对应的解码器，允许比 T1更高的码率和
质量。
数字图像处理与分析基础
MPEG-II
? 1993年制定的第二个运动图像压缩标准。
用于视频传输，适用于从普通电视
（ 5~10Mbit/s）到高清晰度电视
（ 30~40Mbit/s，原 MPEG-III的内容）
的带宽范围。
? 与 H.261类似，但它适用于场景变化快
的情况，规定每 15帧要有一关键帧，没
有限定需要多少帧图像来进行运动估计。
数字图像处理与分析基础
MPEG-IV
? 在窄带宽（一般 <64kbit/s）线路上对动态（可低于视
频）图像进行传输,1993年开始低码率图像压缩标
准制定,1999年第一版开始使用。
? 现在的目标：对各种音频视频 AV，主要包括静止图
像、序列图像、计算机图形,3D模型、动画、语言、
声音等进行统一有效的编码。
? 它固定码流 /变码流，对三种码流的视频已达最优：
(1)<64kbit/s； (2)64~384kbit/s (3)384kbit/s~4Mbit/s,
50Mbit/s的码流 [ISO 1998a]。
? 主要技术：基于目标的编码和基于模型的编码。
? 一个多媒体应用的标准
数字图像处理与分析基础
MPEG-VII
? 1996年始，运动图像组组成新的委员会着手
进行有关多媒体内容描述标准的工作。
MPEG-VII的正式名称是“多媒体内容描述界
面”（ Multimedia content description
interface） [ISO 1998b]。
? 目标：指定 1组表述不同媒体信息的标准描述
符，与信息内容相关，以便能快速有效地查
询各种多媒体信息。 MPEG-VII的描述方案和
方法与被描述的内容是否编码或如何存储无
关，例如视觉信号仍可以用已有的各种编码
方案。
? MPEG-VII 1998年 10月发出征集建议通知，
现在仍未问世
