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图像压缩的基本途径《图像压缩编码和解码原理《影碟机原理与维修(十六)

 影碟机原理与维修(十五)图像压缩编码和解码原理
                                                   
         本节介绍图像压缩编码的基本原理,图像数据压缩和解压缩电路的基本结构。它们是看影碟机电路图的基础知识。
一、图像压缩的基本途径
        图像的数据量极大,必须对其数据总量大大压缩,才能够存储在直径12cm的光盘上。在实用技术上,可通过以下途径来压缩图像数据的总量。
 1、采用亮度(Y)、色度(C)取样方式
       实用彩色电视技术没有传输、处理红、蓝、绿三基色信号,而传输、处理亮度信号Y和色度信号C。这种处理方法有利于实现彩色电视和黑白电视的兼容,也利于限制彩色电视信号的频带宽度。在数字图像处理技术中,仍然采用传输、处理亮度信号Y和色度信号C的方法。由于人眼晴对亮度信息敏感,对彩色信息不够敏感,因而对Y信号以较高清晰度传送,对C信号以较低清晰度传送。实际作法是这样的:对每个亮度Y像素都进行传送;而将色度C分解为U、V两个色差信号(或写为Cb、Cr、B-Y、R-Y),分别进行传送;对亮度Y实行逐点取样,而对色度C则取样较少。即对应于4个亮度取样点,仅对色度信号取样1个点,即对U、V像素的取样较低,各取1个取样点,这种取样格式称为YUV411格式。
       采用YUV411取样格式后,它的数据总量将比三基色取样量格式时减少一半。若采用三种基色取样方式时,各基色应与亮度信号取样方式一样,即对每个红、绿、蓝色采取逐点取样的方法。采用Y、C传输方式时,取样次数减少一半,传输数码也减少一半。人眼睛对色度的敏感程度较低,利用人眼睛这一生理视觉特性,人们在主观感觉上并没有感到图像清晰度下降。显然,这是压缩图像数据码率的一个得力措施。
 2、将整幅图像分割为小区域进行分割处理
       对图像进行数据处理时,对每帧图像进行分割处理。首先图像横向切成若干条,每一条称为一片,将每一片再纵向切成若干块,称宏块,宏块是图像压缩的基本单位。每个宏块的彩色图像可用1个亮度信号Y和两个色差信号Cb、Cr(即U、V)来表示,或者说,每个宏块分为三层,一层亮度Y,两层色度(各为Cb、Cr),统称为一个宏块。
      由于人眼睛对亮度、色度的主观敏感程度不同,通常把亮度宏块再平均分成4块,每一小块称为像块或区块,详见示意图2.2.1。每个区块可以进一步分割,称为像素或像点,像素是构成图像的最小单位。对于数字图像来说,每一个像素作为一个取样点,有一个对应的取样数值。可以看出,图像分割越细,像素数越多,取样点越多,图像清晰度越高;反之,像素数越少,图像清晰度越低。实际上,对图像压缩处理,就是对图像区块的数据、像素的数据进行压缩处理。

 
       彩电制式不同,分割图像的具体数据将有所变化。例如PAL制,大多数为625行扫描标准,那么每帧图像被切为18片,每片再切成22个宏块,即每帧图像分成396个宏块;而525行的NTSC制,每帧图像被切为15片,每片再切成22个宏块,即每帧图像分成330个宏块。对亮度信号来说,每个宏块又分为4个区块,每个区块含有8×8=64个像素,则每个宏块含有256个像素。但对两个色差信号来说,宏块像素数等于区块像素数,即像素数是8×8=64个,是亮度像素的1/4。尽管两色差信号的像素较少,清晰度低,但不影响人眼睛的主观感觉。在进行数字图像处理时,按照图中各个8×8方块( 共64块) 编成次序,再按照编号顺序依次处理。也就是说,以8×8像素的方块作基本操作单元,依次处理每个像素(即取样点)的取样数值。
3、采用帧间和帧内数据压缩技术。
      实用电视每秒钟传送25-30帧画面,使画面变化具有连续感,电视活动图像是由各帧画面差别很小的一系列画面组成的。各帧画面的微小变化主要表现于画面主体部分,画面的背景差别很小。图像是由亮度、色度信息来描述的,在各相邻帧图像内,若分别比较同一相对位置的亮度、色度信号,通常其差别较小。经大量统计发现,在各个像素当中仅有10%以下的像素点的亮度差值变化超过去时2%,而色度差值变化在0.1%以下。在各帧图像中具有大量重复内容,这些重复内容的数据属于多余(冗余)信息,于是,可以通过减少时域冗余信息的方法,即运作帧间数据压缩技术,来减少图像传输的数码率。
        经分析发现,在同一帧画面内也存在相当多的冗余信息。对图像主体部分和眼睛最敏感的部分,应当准确、详细地处理,需要对每个像素点进行精细传输;但对于图像非主体部分和眼睛不敏感的部分,则可以进行粗略地处理,即进行信息数据的压缩处理。于是,可以根据一帧图像内容的具体分布情况,对不同位置可采用不同的数据量来传送,减少传送图像的数据量,使图像数据得到压缩。这种压缩数据的方法,是在同一帧图像的不同空间部位进行数据压缩,称为空间域冗余压缩。例如,有一幅人像画面,其面部和头部的线条清晰度可以不相同,尤其是眼睛、嘴唇部位表情丰富,线条比较精细复杂,是观众最注意的部位,应当用高清晰度传送;而头顶部位和面颊侧面,轮廓变化较少,灰度层次变化较小,观众不太注意这些部位。显然,图像的主要部位,灰度层次变化较大的部位,人眼睛敏感的部位,应当以较大数据量进行精细传送;而那些图像的次要部位,灰度层次变化较小的部位,人眼睛不注意的部位,则可用较少数据量进行粗略传送,甚至于仅仅传送它们的平均亮度信息。
        以下具体讨论数字图像的数据压缩原理。先讨论静止图像的数据压缩技术,即帧内数据压缩技术;然后讨论活动图像的数据压缩技术,即帧间数据压缩技术。

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