圖像壓縮編碼和解碼原理

圖像壓縮編碼和解碼原理

本節介紹圖像壓縮編碼的基本原理，圖像數據壓縮和解壓縮電路的基本結構。它們是看影碟機電路圖的基礎知識。

一、圖像壓縮的基本途徑
圖像的數據量極大，必須對其數據總量大大壓縮，才能夠存儲在直徑12cm的光盤(pán)上。在實(shí)用技術(shù)上，可通過(guò)以下途徑來(lái)壓縮圖像數據的總量。

1、采用亮度(Y)、色度(C)取樣方式
實(shí)用彩色電視技術(shù)沒(méi)有傳輸、處理紅、藍、綠三基色信號，而傳輸、處理亮度信號Y和色度信號C。這種處理方法有利于實(shí)現彩色電視和黑白電視的兼容，也利于限制彩色電視信號的頻帶寬度。在數字圖像處理技術(shù)中，仍然采用傳輸、處理亮度信號Y和色度信號C的方法。由于人眼晴對亮度信息敏感，對彩色信息不夠敏感，因而對Y信號以較高清晰度傳送，對C信號以較低清晰度傳送。實(shí)際作法是這樣的：對每個(gè)亮度Y像素都進(jìn)行傳送；而將色度C分解為U、V兩個(gè)色差信號(或寫(xiě)為Cb、Cr、B-Y、R-Y)，分別進(jìn)行傳送；對亮度Y實(shí)行逐點(diǎn)取樣，而對色度C則取樣較少。即對應于4個(gè)亮度取樣點(diǎn)，僅對色度信號取樣1個(gè)點(diǎn)，即對U、V像素的取樣較低，各取1個(gè)取樣點(diǎn)，這種取樣格式稱(chēng)為YUV411格式。
采用YUV411取樣格式后，它的數據總量將比三基色取樣量格式時(shí)減少一半。若采用三種基色取樣方式時(shí)，各基色應與亮度信號取樣方式一樣，即對每個(gè)紅、綠、藍色采取逐點(diǎn)取樣的方法。采用Y、C傳輸方式時(shí)，取樣次數減少一半，傳輸數碼也減少一半。人眼睛對色度的敏感程度較低，利用人眼睛這一生理視覺(jué)特性，人們在主觀(guān)感覺(jué)上并沒(méi)有感到圖像清晰度下降。顯然，這是壓縮圖像數據碼率的一個(gè)得力措施。

2、將整幅圖像分割為小區域進(jìn)行分割處理
對圖像進(jìn)行數據處理時(shí)，對每幀圖像進(jìn)行分割處理。首先圖像橫向切成若干條，每一條稱(chēng)為一片，將每一片再縱向切成若干塊，稱(chēng)宏塊，宏塊是圖像壓縮的基本單位。每個(gè)宏塊的彩色圖像可用1個(gè)亮度信號Y和兩個(gè)色差信號Cb、Cr(即U、V)來(lái)表示，或者說(shuō)，每個(gè)宏塊分為三層，一層亮度Y，兩層色度(各為Cb、Cr)，統稱(chēng)為一個(gè)宏塊。
由于人眼睛對亮度、色度的主觀(guān)敏感程度不同，通常把亮度宏塊再平均分成4塊，每一小塊稱(chēng)為像塊或區塊，詳見(jiàn)示意圖2.2.1。每個(gè)區塊可以進(jìn)一步分割，稱(chēng)為像素或像點(diǎn)，像素是構成圖像的最小單位。對于數字圖像來(lái)說(shuō)，每一個(gè)像素作為一個(gè)取樣點(diǎn)，有一個(gè)對應的取樣數值?？梢钥闯?，圖像分割越細，像素數越多，取樣點(diǎn)越多，圖像清晰度越高；反之，像素數越少，圖像清晰度越低。實(shí)際上，對圖像壓縮處理，就是對圖像區塊的數據、像素的數據進(jìn)行壓縮處理。

彩電制式不同，分割圖像的具體數據將有所變化。例如PAL制，大多數為625行掃描標準，那么每幀圖像被切為18片，每片再切成22個(gè)宏塊，即每幀圖像分成396個(gè)宏塊；而525行的NTSC制，每幀圖像被切為15片，每片再切成22個(gè)宏塊，即每幀圖像分成330個(gè)宏塊。對亮度信號來(lái)說(shuō)，每個(gè)宏塊又分為4個(gè)區塊，每個(gè)區塊含有8×8=64個(gè)像素，則每個(gè)宏塊含有256個(gè)像素。但對兩個(gè)色差信號來(lái)說(shuō)，宏塊像素數等于區塊像素數，即像素數是8×8=64個(gè)，是亮度像素的1/4。盡管兩色差信號的像素較少，清晰度低，但不影響人眼睛的主觀(guān)感覺(jué)。在進(jìn)行數字圖像處理時(shí)，按照圖中各個(gè)8×8方塊( 共64塊) 編成次序，再按照編號順序依次處理。也就是說(shuō)，以8×8像素的方塊作基本操作單元，依次處理每個(gè)像素(即取樣點(diǎn))的取樣數值。
3、采用幀間和幀內數據壓縮技術(shù)。
實(shí)用電視每秒鐘傳送25－30幀畫(huà)面，使畫(huà)面變化具有連續感，電視活動(dòng)圖像是由各幀畫(huà)面差別很小的一系列畫(huà)面組成的。各幀畫(huà)面的微小變化主要表現于畫(huà)面主體部分，畫(huà)面的背景差別很小。圖像是由亮度、色度信息來(lái)描述的，在各相鄰幀圖像內，若分別比較同一相對位置的亮度、色度信號，通常其差別較小。經(jīng)大量統計發(fā)現，在各個(gè)像素當中僅有10%以下的像素點(diǎn)的亮度差值變化超過(guò)去時(shí)2%，而色度差值變化在0.1%以下。在各幀圖像中具有大量重復內容，這些重復內容的數據屬于多余(冗余)信息，于是，可以通過(guò)減少時(shí)域冗余信息的方法，即運作幀間數據壓縮技術(shù)，來(lái)減少圖像傳輸的數碼率。
經(jīng)分析發(fā)現，在同一幀畫(huà)面內也存在相當多的冗余信息。對圖像主體部分和眼睛最敏感的部分，應當準確、詳細地處理，需要對每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行精細傳輸；但對于圖像非主體部分和眼睛不敏感的部分，則可以進(jìn)行粗略地處理，即進(jìn)行信息數據的壓縮處理。于是，可以根據一幀圖像內容的具體分布情況，對不同位置可采用不同的數據量來(lái)傳送，減少傳送圖像的數據量，使圖像數據得到壓縮。這種壓縮數據的方法，是在同一幀圖像的不同空間部位進(jìn)行數據壓縮，稱(chēng)為空間域冗余壓縮。例如，有一幅人像畫(huà)面，其面部和頭部的線(xiàn)條清晰度可以不相同，尤其是眼睛、嘴唇部位表情豐富，線(xiàn)條比較精細復雜，是觀(guān)眾最注意的部位，應當用高清晰度傳送；而頭頂部位和面頰側面，輪廓變化較少，灰度層次變化較小，觀(guān)眾不太注意這些部位。顯然，圖像的主要部位，灰度層次變化較大的部位，人眼睛敏感的部位，應當以較大數據量進(jìn)行精細傳送；而那些圖像的次要部位，灰度層次變化較小的部位，人眼睛不注意的部位，則可用較少數據量進(jìn)行粗略傳送，甚至于僅僅傳送它們的平均亮度信息。
以下具體討論數字圖像的數據壓縮原理。先討論靜止圖像的數據壓縮技術(shù)，即幀內數據壓縮技術(shù)；然后討論活動(dòng)圖像的數據壓縮技術(shù)，即幀間數據壓縮技術(shù)。
二、幀內數據壓縮技術(shù)
首先對整幅圖像進(jìn)行分割處理，經(jīng)分割取得最小操作單元。下面按8×8=64個(gè)像素組成的區塊來(lái)計論。每一個(gè)像素值都可以按一定規律取樣，例如可對亮度各個(gè)像素的亮度值取樣，若每個(gè)像素按8bit量化，則每個(gè)區塊的總數據量為8bit×64（像素點(diǎn)），即512bit?？梢?jiàn)，對全畫(huà)面各像素量化處理后數據量十分龐大，需要進(jìn)行數據壓縮。通常，經(jīng)過(guò)離散余弦變換，Z字型掃描，可變長(cháng)度編碼等處理過(guò)程，可將數據總量進(jìn)行大量壓縮。
1、離散余弦變換（DCT）編碼
(1) 功能簡(jiǎn)述
離散余弦變換簡(jiǎn)稱(chēng)為DCT（是英Discrete Cosine Transform的縮寫(xiě)詞），是一種數字處理方法，經(jīng)常用于數據處理。DCT是多種數字變換方法的一種，它是把空間域圖像變換到頻率域進(jìn)行分析的方法。由于DCT的變換核構成的基向量與圖像內容無(wú)關(guān)，而且變換核是可以分離的，既二維DCT可以用兩次一維DCT來(lái)完成，使得數學(xué)運算難度大大簡(jiǎn)化，再配以已經(jīng)發(fā)現的其它快速算法，使得DCT編碼得到了廣泛的應用。將DCT應用于圖像數據壓縮，可以減少代表圖像亮度(或色度)層次數碼信息，達到數據壓縮的目的。利用DCT不僅可將圖像編碼，還可以在編碼變換過(guò)程發(fā)現圖像細節的位置，以便刪去或略去對視覺(jué)不敏感的部分，而更加突出視覺(jué)的敏感部分，通過(guò)選擇主要數據來(lái)傳輸、重視圖像。
利用DCT壓縮圖像數據，主要是根據圖像信號在頻率域的統計特性。在空間域看來(lái)，圖像內容千差萬(wàn)別；但在頻率域上，經(jīng)過(guò)對大量圖像的統計分析發(fā)現，圖像經(jīng)過(guò)DCT變換后，其頻率系數的主要成分集中于比較小的范圍，且主要位于低頻部分。利用DCT變換揭示出這種規律后，可以再采取一些措施把頻譜中能量較小的部分舍棄，盡量保留傳輸頻譜中主要的頻率分量，就能夠達到圖像數據壓縮目的。
(2)規律和特點(diǎn)
①時(shí)間域信號的頻譜
對于一個(gè)隨時(shí)間變化的波形來(lái)說(shuō)，它是隨時(shí)間變化的周期信號，它是以一定幅度值為波形的直流平均值，其波形可看成是基波與無(wú)數次諧波疊加而成。其基波振幅最大，然后各次諧波振幅逐漸減小。各次諧波疊加次數越高，則合成波形越接近于理想矩形波。此分析方法就是應用日益廣泛的頻譜分析方法。其中各次正弦波諧波的振幅值經(jīng)常稱(chēng)為頻譜系數，將頻譜系數排列起來(lái)，可以組成一個(gè)系數列。上述事實(shí)說(shuō)明，周期性矩形波可以由時(shí)間域 (反映幅度－時(shí)間關(guān)系)來(lái)描述，也可以由頻率域(幅度－頻率關(guān)系)來(lái)描述。兩者有互相對應的關(guān)系。實(shí)際上，各種時(shí)間域信號都可以由頻率域的規律來(lái)描述，兩種描述方法存在內在的聯(lián)系，可以互相轉換。
②空間域信號的頻譜系數
對于各種空間域分布的信號，也可以進(jìn)行類(lèi)似的頻率變換，即將空間域信號轉變?yōu)轭l率域信號。DCT就是其中一種頻率分析方法?？蓞㈤唸D2.2.2來(lái)說(shuō)明DCT變換過(guò)程。
由圖像內取出一個(gè)區塊，分成8×8個(gè)像素的64格陣列，即由圖(a)轉變?yōu)閳D(b)。經(jīng)過(guò)對逐個(gè)像素的亮度（或討論色度）數值取樣，并將像素的亮度數值列成矩陣形表格，見(jiàn)圖（C）。然后利用離散余弦變換（DCT）可將各空間取樣值轉變