——图像通信概论.pptx

韦 耿河海大学计算机与信息学院wei_一、概述一、概述二、图像通信原理二、图像通信原理三、网络传输技术三、网络传输技术四、图像通信的关键问题四、图像通信的关键问题五、图像信号编码的国际标准五、图像信号编码的国际标准六、图像通信的硬件技术六、图像通信的硬件技术图像通信图像通信图像通信图像通信 用电的方法传送用电的方法传送静止图像静止图像（文字符（文字符号、图形、相片等）和号、图形、相片等）和活动图像活动图像（电影、（电影、录像、电视等）的通信。录像、电视等）的通信。它是以人的它是以人的视觉视觉为基础的一种通信为基础的一种通信方式。方式。一、概述一、概述人的感官人的感官：视视 听听 触触 味味 嗅嗅 65 20 15 3 21.1 1.1 图像通信的重要性图像通信的重要性图像通信的重要性图像通信的重要性.图像通信的优点图像通信的优点：1、效率高、效率高 2、形象逼真、形象逼真 3、便于记录、便于记录 4、功能齐全、功能齐全百闻不如一见百闻不如一见耳听为虚耳听为虚 眼见为实眼见为实人们对外界信息的感受有人们对外界信息的感受有65%以上来自以上来自视觉。视觉。一、概述一、概述1.2 1.2 图像传输的质量指标图像传输的质量指标图像传输的质量指标图像传输的质量指标图像的质量评价分为客观度量和主观评价，客观度量是通过仪器测量传输系统的性能指标。主观评价主观评价是观察者对图像质量优劣作出的主观评定。主观评价主观评价五级评分制 5很好 4好 3一般 2差 1很差广播级：广播级：3 34 4分分一般电视：一般电视：2.52.53 3分分一、概述一、概述图图像像通通信信静止静止图像图像通信通信活动活动图像图像通信通信传真通信可视图文二值图像慢扫描静止图像特点特点：图像的内容不变或变化图像的内容不变或变化很慢、码率低、占用频很慢、码率低、占用频带窄，一般通过电话线带窄，一般通过电话线路或一路数字电话电路路或一路数字电话电路就能传送，费用较低。就能传送，费用较低。可视电话会议电视点播电视（VOD）数字视频广播（DVB）高清晰度电视（HDTV）特点特点：图像的内容变化快、图像的内容变化快、码率高、占用频带宽、码率高、占用频带宽、技术较复杂、一般需技术较复杂、一般需要专用信道传输。费要专用信道传输。费用较高。用较高。1.3 1.3 图像通信的分类图像通信的分类图像通信的分类图像通信的分类一、概述一、概述图像输入图像输入设备设备信道编码信道编码信源编码信源编码压缩编码压缩编码解调解调信道信道调制调制显示显示信源解码信源解码信道解码信道解码存储存储解压缩解压缩 将一幅图像转换成数字信号输入到计算机中，进将一幅图像转换成数字信号输入到计算机中，进行压缩处理，然后存储或传输。行压缩处理，然后存储或传输。1.4 1.4 数字图像通信系统的构成数字图像通信系统的构成数字图像通信系统的构成数字图像通信系统的构成一、概述一、概述1、可多次中继而不引起噪声积累，可远距离传输、可多次中继而不引起噪声积累，可远距离传输 或在存储中多次复制。或在存储中多次复制。2、可采用压缩编码技术，节省频带。、可采用压缩编码技术，节省频带。3、易于与计算机技术结合，实现综合业务。、易于与计算机技术结合，实现综合业务。4、可采用纠错编码技术，提供抗干扰能力。、可采用纠错编码技术，提供抗干扰能力。5、易于实现保密通信。、易于实现保密通信。6、采用大规模集成电路，可降低功耗、体积、重、采用大规模集成电路，可降低功耗、体积、重 量、成本。提高可靠性，便于维护。量、成本。提高可靠性，便于维护。1.5 1.5 数字图像通信的优点数字图像通信的优点数字图像通信的优点数字图像通信的优点一、概述一、概述二、图像通信原理二、图像通信原理2.1 2.1 图像信号的数字化图像信号的数字化图像信号的数字化图像信号的数字化数字化数字化定义:将一幅图像从原来的形式转化为数字形式的过程。逆过程是“显示”扫描扫描对一幅图像按一定顺序寻址，依次传送。扫描的最小单元为像素数字化过程数字化过程扫描、采样、量化构成了数字化过程。采样采样在一幅图像的像素位置上测量灰度值(光亮度)传感元件将光亮度转化为电压值。量化量化将测量的灰度值用整数表示通过模数转化器实现对比度对比度灰度反差的大小灰度分辨率灰度分辨率指单位幅度上包含的灰度级数二、图像通信原理二、图像通信原理2.1 2.1 图像信号的数字化图像信号的数字化图像信号的数字化图像信号的数字化图像压缩编码的可能性图像压缩编码的可能性 图像信源的信息冗余量很大。如空间冗余，时间冗余，图像信源的信息冗余量很大。如空间冗余，时间冗余，频谱冗余。频谱冗余。数据压缩实质上是减少这些冗余量。冗余量减少可以数据压缩实质上是减少这些冗余量。冗余量减少可以减少数据量减少数据量而而不减少信源的信息量不减少信源的信息量。二、图像通信原理二、图像通信原理2.2 2.2 图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩数据冗余类型数据冗余类型 1.1.空间冗余空间冗余l景物表面颜色有很强的空间相关性景物表面颜色有很强的空间相关性，这些相关性在数字化图像中就表现这些相关性在数字化图像中就表现为空间冗余。我们可以通过改变物为空间冗余。我们可以通过改变物体表面颜色的像素存储方式来利用体表面颜色的像素存储方式来利用空间相关性，达到减少数据量的目空间相关性，达到减少数据量的目的。的。二、图像通信原理二、图像通信原理2.2 2.2 图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩 数据冗余类型数据冗余类型 2.2.时间冗余时间冗余l 图像序列中的相邻帧图像（电视图像、动画）之间有较图像序列中的相邻帧图像（电视图像、动画）之间有较大的相关性，一组连续画面中的相邻帧往往包含相同的背景大的相关性，一组连续画面中的相邻帧往往包含相同的背景和移动物体，移动物体空间位置略有不同和移动物体，移动物体空间位置略有不同。2.2 2.2 图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩 3.3.结构冗余结构冗余l 有些图像具有较强的相似性的纹理结构，例如布有些图像具有较强的相似性的纹理结构，例如布纹图像和草席图像，方格状的地板图案等，我们称纹图像和草席图像，方格状的地板图案等，我们称此为结构冗余。此为结构冗余。2.2 2.2 图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩 数据冗余类型数据冗余类型4.4.知识冗余知识冗余 有许多图像的理解与某有许多图像的理解与某些些基础知识基础知识有相当大的相有相当大的相关性关性，这类规律性的结构这类规律性的结构可由先验知识和背景知识可由先验知识和背景知识得到，我们称此类冗余为得到，我们称此类冗余为知识冗余。根据已有的知知识冗余。根据已有的知识，我们可以构造图像物识，我们可以构造图像物体体的的基本模型，并创建图基本模型，并创建图像库。像库。2.2 2.2 图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩 数据冗余类型数据冗余类型 5.5.视觉冗余视觉冗余l人的接收系统如视觉系统和听觉系统是有一定限度人的接收系统如视觉系统和听觉系统是有一定限度的，人眼并不能察觉图像场的所有变化，的，人眼并不能察觉图像场的所有变化，如如人类视人类视觉系统分辨能力约为觉系统分辨能力约为6464灰度等级，而一般图像量化灰度等级，而一般图像量化采用采用256256灰度等级，这类冗余我们称为视觉冗余。灰度等级，这类冗余我们称为视觉冗余。6.6.听觉冗余听觉冗余l人耳的敏感性不能察觉所有频率的变化，存在听觉人耳的敏感性不能察觉所有频率的变化，存在听觉冗余。冗余。2.2 2.2 图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩图像信号的冗余及压缩 数据冗余类型数据冗余类型 编码压缩方法有许多种，从不同的角度出发有不同的分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，从信息论角度出发可分为两大类：类方法，从信息论角度出发可分为两大类：(1)冗余度压缩方法，也冗余度压缩方法，也称称无损压缩无损压缩无损压缩无损压缩解码图像和压缩解码图像和压缩 编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。算。(2)信息量压缩方法，也称信息量压缩方法，也称有损压缩有损压缩有损压缩有损压缩解码图像和原始图解码图像和原始图像是有差别的，允许有一定的失真。像是有差别的，允许有一定的失真。二、图像通信原理二、图像通信原理2.3 2.3 图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类熵编码（游程熵编码（游程RLC、变字长、变字长VLC）无损压缩无损压缩预测编码（预测编码（DPCM）有损压缩有损压缩变换编码（变换编码（离散余弦变换离散余弦变换DCT）有损压缩有损压缩矢量量化（运动矢量估值）矢量量化（运动矢量估值）分形编码分形编码小波变换与压缩编码小波变换与压缩编码二、图像通信原理二、图像通信原理2.3 2.3 图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类预测编码技术预测编码技术l利用图像像素的以往样本值（前面一个或几个点利用图像像素的以往样本值（前面一个或几个点的数据）对于新样本值（下一个点的数据）进行的数据）对于新样本值（下一个点的数据）进行预测，然后将样本的实际值与其预测值相减得到预测，然后将样本的实际值与其预测值相减得到一个误差值一个误差值(较小较小)，预测编码技术是一种有失真，预测编码技术是一种有失真编码方法。编码方法。二、图像通信原理二、图像通信原理2.3 2.3 图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类l 最常用的是差值脉冲编码调制法，简称为最常用的是差值脉冲编码调制法，简称为DPCMDPCM。DPCMDPCM编、解码系统原理图编、解码系统原理图传传输输信信道道输入输入预测器预测器量化器量化器编码器编码器解码器解码器预测器预测器XnenXnen输出输出XnXnenXn二、图像通信原理二、图像通信原理2.3 2.3 图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类预测编码技术预测编码技术哈夫曼编码技术哈夫曼编码技术l属于变字长码，把信息源事件按概率大小顺序属于变字长码，把信息源事件按概率大小顺序排列，对出现概率大的信息源事件赋予短码字，排列，对出现概率大的信息源事件赋予短码字，而对于概率小的信息源事件赋予长码，只要码而对于概率小的信息源事件赋予长码，只要码字长度按照信息出现的概率大小逆顺序排列，字长度按照信息出现的概率大小逆顺序排列，平均码字长度一定小于其它任何事件顺序的排平均码字长度一定小于其它任何事件顺序的排列方式。列方式。二、图像通信原理二、图像通信原理2.3 2.3 图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类游程游程(RLC)(RLC)编码技术编码技术l用编码器不断比较信息源符号相邻元素值的变化用编码器不断比较信息源符号相邻元素值的变化幅度，一旦发现有明显的变化，就开始一个行程。幅度，一旦发现有明显的变化，就开始一个行程。l编码器检测每一个行程起点位置开始的多次重复编码器检测每一个行程起点位置开始的多次重复的比特或者字符序列，然后将一个的比特或者字符序列，然后将一个相同值的连续相同值的连续串出现次数作为行程长度串出现次数作为行程长度，并将行程长度转换成，并将行程长度转换成代码，这种编码称为行程编码，或称游程编码，代码，这种编码称为行程编码，或称游程编码，常用常用RLCRLC表示。表示。二、图像通信原理二、图像通信原理2.3 2.3 图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类游程编码应用于大量重复出现的情况。最早游程编码应用于大量重复出现的情况。最早应用于传真通信。应用于传真通信。游程游程(RLC)(RLC)编码技术编码技术二、图像通信原理二、图像通信原理2.3 2.3 图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类图像信号压缩编码分类三、网络传输技术三、网络传输技术3.1 3.1 传输网络传输网络传输网络传输网络 1 1 公用电话网公用电话网 2 2 数字数据网数字数据网 3 3 综合业务数字网综合业务数字网 4 ATM4 ATM网网 5 5 计算机网络计算机网络 6 6 甚小天线地面站（甚小天线地面站（VSATVSAT）3.2 3.2 数字调制技术数字调制技术数字调制技术数字调制技术（1 1）数字基带信号）数字基带信号 模拟图像信号经数字化以后就形成模拟图像信号经数字化以后就形成PCMPCM数字基带信号。数字基带信号。（2 2）多相相移键控（）多相相移键控（mPSKmPSK）多相相移键控利用被调制的串行数字基带信号，通过多相相移键控利用被调制的串行数字基带信号，通过 串并变换器处理，形成不同长度比特单位。串并变换器处理，形成不同长度比特单位。（3 3）多电平正交幅度键控（）多电平正交幅度键控（mQAMmQAM）在在mQAMmQAM调制中，载波的相位和幅度各自载荷着调制调制中，载波的相位和幅度各自载荷着调制 信息，而且是相互独立的。信息，而且是相互独立的。（4 4）网格编码调制）网格编码调制 把编码和调制相结合统一进行设计，即将编码器和把编码和调制相结合统一进行设计，即将编码器和 调制器当作一个整体来进行设计，这种设计方式就是网调制器当作一个整体来进行设计，这种设计方式就是网 格编码调制格编码调制（Trellis Coded ModulationTrellis Coded Modulation，TCMTCM）。3.2 3.2 数字调制技术数字调制技术数字调制技术数字调制技术（5 5）OFDMOFDM调制调制 将总的信号带宽划分为将总的信号带宽划分为N N个互不重叠的子通道，个互不重叠的子通道，N N个子通道进行正交频分多重调制，可克服单载波串个子通道进行正交频分多重调制，可克服单载波串 行数据系统的缺陷。行数据系统的缺陷。（6 6）数字）数字VSBVSB调制调制 数字数字VSBVSB（Vestizial Side BandVestizial Side Band）调制方式输出的）调制方式输出的 是一种使用单个载波、采用幅度调制的、抑制载波的是一种使用单个载波、采用幅度调制的、抑制载波的 残留边带信号。它可以应用于地面广播和有线电视。残留边带信号。它可以应用于地面广播和有线电视。小结小结1、图像信号数字化技术、图像信号数字化技术（1）取样、量化和编码）取样、量化和编码（2）数字视频格式：）数字视频格式：A、复合数字视频格式；、复合数字视频格式；B、ITU-RBT 601格式格式2、图像信号压缩技术、图像信号压缩技术 （1）图像信号的统计特性）图像信号的统计特性 （2）空间域预测法）空间域预测法 （3）运动估计）运动估计 （4）频率域变换法：）频率域变换法：A、正交变换、正交变换 B、离散余弦变换（、离散余弦变换（DCT）（5）变长编解码）变长编解码3、网络传输技术、网络传输技术四、图像通信的关键问题四、图像通信的关键问题l l1高效的编码算法l l2低复杂度的编码算法l l3实时通信l l4高效转码l l5.高效的差错隐藏方法l l6.基于图像内容理解的编码方法l l7.视频编码新框架五、图像信号编码的国际标准五、图像信号编码的国际标准l1H.261标准标准l2H.263、H.263+标准标准l3H.264标准标准l4MPEG-1标准标准l5MPEG-2标准（通用的活动图像及其伴音的编码）标准（通用的活动图像及其伴音的编码）l6MPEG-4标准（视听对象的编码）标准（视听对象的编码）l7JPEG标准标准l8JPEG2000标准标准六、图像通信的硬件技术六、图像通信的硬件技术l l6.1 6.1 图像数据处理对图像数据处理对图像数据处理对图像数据处理对DSPDSP的要求的要求的要求的要求 处理的数据量庞大处理的数据量庞大 处理的数据量可变、突发性强处理的数据量可变、突发性强 在图像通信系统中，同步性、实时性在图像通信系统中，同步性、实时性 要求高要求高6.2 6.2 高速高速高速高速DSPDSP的常用结构的常用结构的常用结构的常用结构（1）单指令、多数据流）单指令、多数据流（2）分裂算逻部件）分裂算逻部件（3）超长指令字）超长指令字（4）多指令、多数据流）多指令、多数据流6.3 6.3 高速高速高速高速DSPDSP芯片的发展趋势芯片的发展趋势芯片的发展趋势芯片的发展趋势l DSP发展发展的趋势，一是朝着并行化多处理器的趋势，一是朝着并行化多处理器 的方向发展，这可采取以下措施，如增加单片内的方向发展，这可采取以下措施，如增加单片内 的各运算单元的并行处理能力；或者在一个芯片的各运算单元的并行处理能力；或者在一个芯片 内设置多个处理器，使它们可同时并行工作；此内设置多个处理器，使它们可同时并行工作；此 外还可以增加芯片之间的协同工作能力，方便地外还可以增加芯片之间的协同工作能力，方便地 组成多处理器协同工作系统，甚至于组成大型的组成多处理器协同工作系统，甚至于组成大型的 DSP阵列阵列。