圖像通信綜述new

1、圖像通信綜述根據(jù)統(tǒng)計人類接受外界信息的比例：視覺占全部的60%，聽覺占20%，其余是觸覺15%，味覺3%，嗅覺2%。人們常說：“眼見為實，耳聽為虛”，“百聞不如一見”，“一目了然”。這些都表明，視覺信息也即圖像信息，在人類認識外部事物的過程中是如此重要。當(dāng)前社會人類已進入了信息時代，圖像通信在電視、電影、傳真、電視會議、作戰(zhàn)指揮、監(jiān)控、醫(yī)療、教育等各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，面對越來越龐大的信息量，如何在實際應(yīng)用中的不同領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效、實時、準確的圖像通信，已成為研究的重點。一、圖像通信的特點圖像通信是傳送和接收圖像信息的通信。與廣泛使用的聲音通信方式不同，傳送的不僅是聲音，而且還有看得見的圖像、文字

2、、圖表等信息，這些可視信息在發(fā)送端通過圖像通信設(shè)備變換為電信號進行傳送，在接收端再把它們真實地再現(xiàn)出來。圖像通信的一大難點是圖像的信息量巨大，特別是彩色活動圖像。例如數(shù)字化后的標準清晰度電視（720×576/4:2:2），需要的帶寬為165.9Mbps，如對比64kbps的數(shù)字話路，相當(dāng)于2592個有效數(shù)字話路。這么大的數(shù)據(jù)量，對于存儲、處理以及在通信線路上傳輸都會造成了巨大的負擔(dān)。正因為如此，先進的數(shù)字圖像壓縮技術(shù)以及先進的數(shù)字傳輸技術(shù)成為了圖像通信的關(guān)鍵技術(shù)。二、人類的視覺特性在進行圖像處理時如果能夠充分考慮人眼的視覺特性，在滿足主觀質(zhì)量的前提下進行有效壓縮，將能夠很好地解決圖像

3、信息在各種通信網(wǎng)絡(luò)上進行交換和傳輸時所帶來的占用帶寬和占用存儲空間大的問題。1）人眼視覺范圍：10°以內(nèi)是視覺的敏銳區(qū)，對彩色及細節(jié)的分辨力最強；10°20°能正確識別圖形等信息；20°30°分辨能力下降，但對活動信息敏感；30°以上分辨能力會大大下降，但有臨場感。利用該特點，在圖像處理時可實現(xiàn)不同區(qū)域不同的壓縮比率。2）視覺惰性：人眼在觀察景物時，光信號傳入大腦神經(jīng)，需經(jīng)過一段短暫的時間，光的作用結(jié)束后，視覺形象并不立即消失，這種殘留的視覺稱“后像”，視覺的這一現(xiàn)象即視覺惰性。具體應(yīng)用中電影采用24幀/秒，電視根據(jù)電源頻率的不同采用

4、50或60場/秒，當(dāng)達到該幀頻時，人眼可產(chǎn)生連續(xù)感覺。利用該特點，發(fā)送端傳輸?shù)膱D像幀數(shù)只需達到一定數(shù)量，接收端即可實現(xiàn)還原。3）圖像信息流大小由視覺的細節(jié)分辨率、灰度分辨率和活動分辨率三個因素決定：活動分辨率高（快速運動）時細節(jié)分辨率會下降，反之會上升；細節(jié)分辨率高（細節(jié)豐富）時灰度分辨率會下降，反之會上升；活動分辨率高（快速運動）時灰度分辨率會下降，反之會上升。利用該特點，根據(jù)人眼對不同類型的圖像的感知不同，可對其不敏感的因素進行壓縮。三、圖像壓縮編碼的原理對于信息量龐大的圖像，在存儲、傳輸、處理時都非常困難，因此有必要對其進行壓縮。而圖像之所以能被壓縮，就是因為其數(shù)據(jù)中存在著冗余。主要表現(xiàn)

5、為：單幀圖像中相鄰像素間具有相關(guān)性（空間冗余）；活動圖像多幀之間存在相關(guān)性（時間冗余）；圖像數(shù)據(jù)不同符號出現(xiàn)的概率不同（符號冗余），可用不同碼長表示；人眼視覺掩蓋效應(yīng)（視覺冗余），如顏色分辨率低于亮度分辨率、靜止部分空間分辨率高于運動部分、平坦區(qū)失真較邊緣紋理區(qū)敏感、屏幕中心區(qū)失真敏感等，可實現(xiàn)有損壓縮；利用先驗知識建立模型（知識冗余），對模型參數(shù)編碼，以實現(xiàn)高壓縮比。圖像編碼一般框圖：1）映射變換：改變圖像數(shù)據(jù)的特性，消除冗余度，使之有利于壓縮。包括預(yù)測編碼、變換編碼、模型編碼等。預(yù)測編碼：利用圖像局部區(qū)域的像素高度的相關(guān)性，根據(jù)先前的像素來推斷當(dāng)前的像素情況。如果預(yù)測比較準確，誤差就會很小

6、。只要把預(yù)測值與實際像素值之間的差值經(jīng)過熵編碼后發(fā)送到接收端，接收端通過預(yù)測值加差值來重建原像素。在同等精度要求的條件下，就可以用比較少的比特進行編碼，達到壓縮數(shù)據(jù)的目的。預(yù)測編碼中典型的壓縮方法有脈沖編碼調(diào)制（PCM）、差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）等。變換編碼：將圖像的光強矩陣（時域信號）變換到系數(shù)空間（頻域信號）上進行處理。在空間上具有強相關(guān)性的信號，反映在頻域上時某些特定區(qū)域內(nèi)的能量常常被集中在一起或系數(shù)矩陣的分布具有某些規(guī)律。利用這些規(guī)律在頻域上減少量化比特數(shù)，達到壓縮的目的。變換編碼是一種間接編碼方法，其中關(guān)鍵問題是圖像數(shù)據(jù)之間相關(guān)性大，空間冗余

7、度大，經(jīng)過變換在頻域中描述，數(shù)據(jù)相關(guān)性大大減少，數(shù)據(jù)冗余量減少，參數(shù)獨立，數(shù)據(jù)量少，這樣再進行量化，編碼就能得到較大的壓縮比。常用的正交變換有：傅立葉 (Fourier)變換、沃爾什(Walsh)變換、哈爾(Haar)變換、斜(Slant)變換、余弦變換、正弦變換、K-L(Karhunen-Loeve)變換等。運動補償：是減小幀間時間冗余度的一個有力的工具，以對圖像視頻幀間運動的估算為基礎(chǔ)，即若視頻鏡頭中所有物體均在空間上有一定位移，那么用有限的運動參數(shù)即可對幀間的運動加以描述。由于一些運動矢量之間的空間相關(guān)性通常較高，圖像一般劃分成一些不連接的像素塊（如16×16），對于每一個這樣

8、的像素塊，只對一個運動矢量進行估算、編碼和傳送。通常，預(yù)測誤差和運動矢量均傳送至接收端。2）量化：用于有限失真編碼，以有效提高壓縮比，分為標量量化和矢量量化。標量量化是一維的量化，一個幅度值對應(yīng)一個量化結(jié)果。而矢量量化是二維甚至多維的量化，由兩個或兩個以上的幅度值決定一個量化結(jié)果。標量量化使用固定量化表，矢量量化使用碼書方式成組量化，實現(xiàn)比較復(fù)雜。但矢量量化的好處是引入了多個決定輸出的因素，并且使用了概率的方法，一般會比標量量化效率更高。3）熵編碼：用于消除符號冗余度，屬于無失真編碼，其編碼下限為量化后數(shù)據(jù)的信息熵。常用的熵編碼是Huffman碼和算術(shù)碼，其原理均是大概率符號用短碼，故也稱為變

9、長編碼(VLC)。Huffman編碼的基本方法是先對圖像數(shù)據(jù)掃描一遍，計算出各種像素出現(xiàn)的概率，按概率的大小指定不同長度的唯一碼字，由此得到一張該圖像的Huffman碼表。編碼后的圖像數(shù)據(jù)記錄的是每個像素的碼字，而碼字與實際像素值的對應(yīng)關(guān)系記錄在碼表中。在最新的H.264標準中采用了基于內(nèi)容的自適應(yīng)變長編碼（CAVLC），將零游程與幅值分開考慮，以降低復(fù)雜度，利于碼表優(yōu)化。四、可靠的圖像通信大部分的圖像壓縮編碼使得數(shù)據(jù)通過信道后產(chǎn)生的錯誤不能被定位，并且可能在時間和空間上擴展，高效壓縮的追求也使得碼流對信道傳輸差錯愈加敏感。為加強圖像通信系統(tǒng)對信道誤差的免疫力，從以下三個角度來考慮錯誤恢復(fù)機制

10、：1）前向差錯控制技術(shù)：在發(fā)送端進行信源或信道編碼時在比特流中加入冗余信息，來減少誤碼影響。實際應(yīng)用中可采用分層編碼，即考慮傳輸可分優(yōu)先級，編碼時采取基本層編碼加增強層編碼的方法；多重描述編碼，即在傳輸無法分優(yōu)先級時，編碼采取產(chǎn)生多個同等重要的碼流，每個碼流均可解出圖像，只是質(zhì)量差，但多個組合可得高質(zhì)量圖像；信源信道聯(lián)合編碼，即使信源編碼適應(yīng)信道的具體誤碼特性；穩(wěn)健的變換編碼，即在碼流中保留冗余信息，以提高穩(wěn)健性，如幀內(nèi)編碼幀也傳運動矢量等；穩(wěn)健的熵編碼，如采用可反置變長編碼RVLC，適當(dāng)降低編碼效率，使碼字雙向?qū)ΨQ。2）后向誤碼掩蓋技術(shù)：由于誤碼難免，在已經(jīng)出現(xiàn)差錯且不可糾正的情況下，在解碼器端考慮使用誤碼掩蓋技術(shù)讓人眼對誤碼不敏感。該方法對恢復(fù)圖像的主觀質(zhì)量有很大的提高，而且僅在解碼端進行，使它能夠在圖像壓縮標準之外進行設(shè)計。例如空間預(yù)測：若圖像傳輸過程中運動矢量丟失，則通過所丟塊的相鄰塊地運動矢量來預(yù)測當(dāng)前的運動矢量；若DCT系數(shù)丟失，則從空間相鄰塊的DCT系數(shù)預(yù)測當(dāng)前塊；時間預(yù)測：若圖像傳輸過程中當(dāng)前幀或塊錯誤或丟失，則從上一幀來預(yù)測當(dāng)前錯誤的幀或塊信息。3）雙向差錯控制：該技術(shù)需要有從解碼端到編碼端的實時反饋信道。解碼端通知編碼端哪部分數(shù)據(jù)有誤碼，編碼端將改變操作來抑制誤碼影響。最簡單的方法是再發(fā)送一次丟失的數(shù)據(jù)，但該方法會產(chǎn)生時延，往往行不通。替代