数字压缩编码技术

从信息论观点来看，图像作为一个信源，描述信源的数据是信息量(信源熵)和信息冗余量之和。信息冗余量有许多种，如空间冗余，时间冗余，结构冗余，知识冗余，视觉

编码压缩方法有许多种，从不同的角度出发有不同的分类方法，比如从信息论角度出发可分 为两大类：

(1)冗余度压缩方法，也称无损压缩，信息保持编码或熵编码。具体讲就是解码图像和压缩 编码前的图像严格相同，没有失真，从数学上讲是一种可逆运算。

(2)信息量

压缩编码的方法有几十种之多，并在编码过程中涉及较深的的数学里理论基础问题，在此仅介绍 几种常用的压缩编码方法，主要是从物理意义上作一定的解释，读者如对数据压缩专题感兴 趣的话，请参看讲座结束后所附的参考资料。

1、

JPEG是Joint Photographic Experts Group的缩写，主要用于计算机静止图像的压缩，在用 于活动图像时，其算法仅限于帧内，便于编辑。

采用JPEG标准可以得到不同压缩比的图像，在使图像质量得到保证的情况下，可以从每个像 素24bit减到每个像素1bit甚至更小。

JPEG标准所根据的算法是基于DCT(离散余弦变换)和可变长编码。系统框图如图4－8所示， 从图中可见，JPEG的关键技术有变换编码、量化、差分编码、运动补偿、霍夫曼编码和游程 编码等。

图4－8 JPEG系统框图 6 H.261标准 JPEG算法的原理是利用单帧内的空间相关性，减小空间冗余度，这种方式称为帧内编码。我 们知道电视图像(包括各种活动图像)各个连续帧之间也有很大的相关性，称为时间相关性。

为了进一步提高图像压缩比，要设法减小时间冗余度，这种编码方式称为帧间编码。H.261 是用于会议电视的国际标准，既采用了帧内编码，又采用了帧间编码，因此它的压缩比大致 是JPEG的三倍。 H.261标准用于音象业务的码率是p×64kbps(p=1，2…，30)。用于电视电话时p=1或2，用 于电视会议时p≥6。这种标准具有最小延迟实时对话的能力。

图4－9是H.261编码器的原理框图。从编码器中看到，它有一个和解码器一样的过程，解出 的图像放在运动补偿 预测器(存储器)中形成过去帧，它的输出和当前帧一起加到“运动估计”，求得的运动矢 量一方面经VLC送到复用器中去，另一方面加到运动补偿预测器中，使之产生估计帧(对当前 帧)，它和当前帧相减即求得差值，这个差值经DCT和Q、VLC也送到复用器中去。

图4－9 H.261编码器的原理框图 在进行帧间编码时，编码器和解码器必须使用相同的预测器，否则两者会脱轨。为了获得重 建图像，被量化以后的系数要用一个反量化器和反余弦变换(IDCT)来处理，为防止编码器和 解码器慢慢漂移分离，必须对误差的平均值加以严格规定，即使如此，仍然要周期地使用帧 内编码，使解码器处于一个已知状态。

运动补偿单元使帧间差最小，从而减少所需传输码率。搜索窗的大小在水平和垂直方向上都 是±15个采样值。通常只对亮度信号作运动估计，但运动补偿不仅作用于亮度，也作用于色 度(亮度象素位移的一半)。

图4－10画出了解码器的框图。被压缩的数据送入缓冲器，然后作可变长度解码，解码器余 下的 部分相似于编码器的后端，仅有的区别是不再需要运动估计。运动矢量和其它附带的信息是 直接从可变长解码器的输出得到的。

在编码器的输出端有缓冲器(Buffer)，这是因为编码过程产生的比特率不是 恒定的，它取决于运动序列中各点的图像统计特征。在图像的“简单”部分允许节省一些比 特，而在“复杂”的部分要多花一些比特。对于每一个编码图像，比特的数目也允许变更。 但是在传输网络中的数据的比特率又必须是恒定的，所以在视频编码器的输出端必须有数据 缓冲器来提供平滑的作用。相反的，在解码器要以非恒定的速率来利用接收到的信息，所以 也要包含一个解码器的缓冲器。 图4－10 H.261的解码器框图 在传输中，帧频的长期平均值是CIF的标准值，但是在短的时间间隔内帧频会有一定变化。

H.261的一幅图像是由块(Block)组成宏块(Macroblock)，宏块组成图像组(GO B)，图像组组 成图像

H.261的一幅图像是由块(Block)组成宏块(Macroblock)，宏块组成图像组(GO B)，图像组组 成图像，如图4－11所示。两种格式的码率为：CIF：1  5~2Mbps  QCIF：128kbps  7 MPEG- 1和MPEG-2标准 MPEG(Moving Picture Expert Group)意思是“运动图像专家组”。这个专家组的任务 是为了对数字存储媒质、电视广播、通信等方面的运动图像和伴音给出一种通用的编码 方法 。符合这种编码方法的运 MPEG用句法规定了一个层次性的结构，共分六层。这六层是图像序列(Video Sequence)-图像组(Group of Picture)-图像(Picture)-宏块条(Silce)- 宏块(Macroblock )-块(Block)。 一个图像包含亮度阵列和色度阵列。在MPEG- 1中亮度和色度的格式是4∶2∶0，而在MPEG-2 中，除这一格式外，还允许有4∶2∶2及4∶4∶4。

所谓4∶2∶0是指在垂直方向每隔一行去除一行色度信号。