影像壓縮

圖像壓縮是數據壓縮技術在數字圖像上的應用，目的是減少圖像數據中的冗餘信息，從而用更加高效的格式存儲和傳輸數據。

壓縮的原理

資料越一致，代表統計特性越集中，包括傅立葉轉換域(Fourier transform domain)、直方圖(histogram)、特徵值(eigenvalue)......等方面的集中度。壓縮的通則即是利用資料的一致性，越一致的資料，越能夠進行壓縮。除此之外，也可利用資料的規則性與可預測性來對其作壓縮。通常而言，若可以用比較精簡的自然語言來描述一個東西，那麼也就越能夠對這個東西作壓縮。

利用資料的特性作壓縮

• 文章：常用字或字母(字母多出現E，少出現QXZ)。
• 歌曲：重複的旋律、頻率的倍頻關係、節拍內頻率的穩定。
• 聲音：能量多集中在低頻、頻率在短區間內的穩定。
• 卡通：每塊區域的邊緣(edge)資訊與顏色(color)、邊緣(edge)資訊可以用較少參數編碼(如果邊緣(edge)是幾何圖案)。

資料壓縮範例

• 聲音：MP3(.mp3)，壓縮率約1/3。
• 圖片：JPEG(.jpg)，壓縮率約1/10(灰階)或1/20(彩色，利用4：2：0)。
• 影片：MPEG(H.264、H.265)，壓縮率約1/30(灰階)或1/60(彩色)。

影像的一致性

空間上的一致性

影像中每一點的值，會和相鄰的點的值非常接近。

${\displaystyle \operatorname {F} [m,n+1]\,\!}$ ≈ ${\displaystyle \operatorname {F} [m,n]\,\!}$

${\displaystyle \operatorname {F} [m+1,n]\,\!}$ ≈ ${\displaystyle \operatorname {F} [m,n]\,\!}$

直方圖(histogram)是統計出現次數的一種方法，它會去計算一個向量(vector)或一個矩陣(matrix)當中，有多少個點會等於某一個值。

舉例來說，${\displaystyle \operatorname {x} [n]=[1,2,3,4,4,5,5,3,5,5,4]\,\!}$

則 ${\displaystyle \operatorname {x} [n]\,\!}$的直方圖(histogram)為 ${\displaystyle \operatorname {h} [1]=1\,\!}$，${\displaystyle \operatorname {h} [2]=1\,\!}$，${\displaystyle \operatorname {h} [3]=2\,\!}$，${\displaystyle \operatorname {h} [4]=3\,\!}$，${\displaystyle \operatorname {h} [5]=4\,\!}$

將影像相臨值的差異，利用直方圖(histogram)來統計，會發現值幾乎都落在0附近。

頻率上的一致性

一張影像的頻譜大多集中在低頻的地方。 影像的「頻率」是在空間域(space domain)作分析：

• 低頻成分代表變化較為緩和的地方，對應的是影像的「顏色」(color)和「強度」(intensity)。
• 高頻成分代表變化較為劇烈的地方，對應的是影像的「邊緣」(edge)和「雜訊」(noise)。

常用影像壓縮技術

壓縮的技術分成兩種：失真壓縮(lossy compression)的壓縮率較高，但無法重建原來的資料，例如：DFT、DCT、KLT(搭配量化(quantization)與截斷(truncation))、4：2：2或4：2：0、多項式曲線的近似(polynomial approximation)；無失真壓縮(lossless compression)的壓縮率較低，但可以重建原來的資料，例如：二元編碼(binary coding)、霍夫曼編碼(Huffman coding)、算術編碼(arithmetic coding)、格倫布編碼 (Golomb coding)。

4：2：2或4：2：0

此技術運用的是空間上的一致性。

將像素(pixel)的RGB值，利用以下的公式轉換成YCbCr

Y = 0.299 R + 0.578 G + 0.114 B

Cb = -0.169 R - 0.331 G + 0.500 B ( Cb = 0.565 (B - Y) )

Cr = 0.500 R - 0.419 G - 0.081 B ( Cr = 0.713 (R - Y) )

其中 Y 是亮度(Luminance)，Cb是藍色色差(chrominance) ，Cr 是紅色色差(chrominance)。

人類的視覺系統，對於亮度比較敏感，而對於彩度比較不敏感。 因此我們可以利用人類視覺的特性，減少Cb、Cr的取樣個數，取樣格式有4：2：2 與 4：2：0兩種。

假設一張圖片原本壓縮前(即4：4：4)的Y、Cb、Cr各有M×N個值，4：2：2的壓縮Y保留為M×N個值、Cb、Cr則取樣到各剩下M/2×N個值；4：2：0的壓縮Y同樣保留為M×N個值、Cb、Cr則進一步取樣到各剩下M/2×N/2個值。 從4：4：4到4：2：2，壓縮率約為2/3；從4：4：4到4：2：0，壓縮率約為1/2。 從4：4：4壓縮到4：2：2，再壓縮到4：2：0，單一像素(pixel)儲存的bit 數可以等效為：24 bits/pixel → 16 bits/pixel → 12 bits/pixel。

還原時，則是利用插值(interpolation)的方式：

${\displaystyle \operatorname {C_{\text{b}}} [2m+1,2n]\,\!}$ = 1/2 ×(${\displaystyle \operatorname {C_{\text{b}}} [2m,2n]\,\!}$ + ${\displaystyle \operatorname {C_{\text{b}}} [2m+2,2n]\,\!}$ )

8×8 離散餘弦轉換(DCT)

此技術運用的是頻率上的一致性。

通常我們會將影像切成8×8的方格作離散餘弦轉換(DCT)，原因如下：

• 一張影像的每個區塊，其高低頻成分都不一樣，對整張影像直接作離散餘弦轉換(DCT)，多少會有高頻成分的出現。如果切成8×8的方格，則對大部分的方格幾乎都沒有高頻成分。
• 降低記憶體的需要量
• 降低運算量

經過離散餘弦轉換(DCT)後的8×8矩陣稱為DCT矩陣。DCT矩陣最左上角的係數稱為直流(DC)成分，而其他63個係數則稱為交流(AC)成分。越靠近DC值的AC值係數表示頻率較低的部分，而越往右下角方向的AC值代表的頻率則越高。

2D的8×8 DCT的輸出通常會按照"zigzag"的順序，將2D轉為1D的型態。按照此順序排列，能量可能較大的會被擺在前面，而後面的高頻成分從某個值開始後幾乎為零，以符號EOB(end of block)表示，指後面的高頻的部分經過量化(quantization)之後皆為0。

差分編碼(Differential coding)

此技術運用的是空間上的一致性。

差分編碼指的是，除第一個元素外，將其中各元素都表示為各該元素與其前一元素的差的編碼。

對${\displaystyle \operatorname {DC} [i,j]\,\!}$ ，是針對 ${\displaystyle \operatorname {DC} [i,j]\,\!}$ - ${\displaystyle \operatorname {DC} [i,j-1]\,\!}$ 去編碼， 而不是直接對${\displaystyle \operatorname {DC} [i,j]\,\!}$作編碼。

霍夫曼編碼(Huffman coding)

霍夫曼編碼(Huffman coding)的編碼原則：(Greedy Algorithm)

• 所有的碼皆在編碼樹(coding tree)的端點，再下去沒有分枝。滿足唯一可解譯碼(uniquely decodable code)與即時可解碼(instantaneous decodable code)。
• 機率越大的，編碼長度(code length)越短；機率越小的，編碼長度(code length)越長。
• 假設 ${\displaystyle S_{\text{a}}\,\!}$ 是第L層的節點(node)，${\displaystyle S_{\text{b}}\,\!}$ 是第L+1層的節點(node)，則 ${\displaystyle \operatorname {P} (S_{\text{a}})\,\!}$ >= ${\displaystyle \operatorname {P} (S_{\text{b}})\,\!}$ 必須滿足。

不滿足以上的條件則往上推一層。

算術編碼(Arithmetic coding)

霍夫曼編碼(Huffman coding)是將每一筆資料分開編碼，算術編碼(Arithmetic coding)則是將多筆資料一起編碼，因此壓縮效率比霍夫曼編碼(Huffman coding)更高，近年來的壓縮資料大多使用算術編碼(Arithmetic coding)。

• 範例：

假設要對X來作二進位的編碼，且經過事先的估計，${\displaystyle \operatorname {X} [i]=a\,\!}$ 的機率為0.8，${\displaystyle \operatorname {X} [i]=b\,\!}$ 的機率為0.2。

若實際上輸入的資料為 ${\displaystyle \operatorname {X} =aaabaa\,\!}$

Initial(${\displaystyle \operatorname {X} [1]=a\,\!}$)：lower =0，upper=0.8

When i = 2 (${\displaystyle \operatorname {X} [2]=a\,\!}$)：lower =0，upper=0.64

When i = 3 (${\displaystyle \operatorname {X} [3]=a\,\!}$)：lower =0，upper=0.512

When i = 4 (${\displaystyle \operatorname {X} [4]=b\,\!}$)：lower =0.4096，upper=0.512

When i = 5 (${\displaystyle \operatorname {X} [5]=a\,\!}$)：lower =0.4096，upper=0.49152

When i = 6 (${\displaystyle \operatorname {X} [6]=a\,\!}$)：lower =0.4096，upper=0.475136

由於 lower =0.4096，upper=0.475136

lower <= 14*${\displaystyle 2^{-5}\,\!}$ < 15*${\displaystyle 2^{-5}\,\!}$ <= upper

所以編碼的結果為

${\displaystyle 14_{\text{(2,5)}}=01110\,\!}$

動態影像之編碼

MPEG(Moving Picture Experts Group)為動態影像編碼的國際標準。 動態影像編碼的使用原理為：不同時間，同一個像素(pixel)之間的相關度通常極高，只需對有移動的物件(objects)記錄移動向量(motion vector)。

${\displaystyle \operatorname {F} [m,n,t]\,\!}$ ：時間為t的影像

如何由${\displaystyle \operatorname {F} [m,n,t]\,\!}$ ，${\displaystyle \operatorname {F} [m,n,t+delta]\,\!}$ 來預測 ${\displaystyle \operatorname {F} [m,n,t+2*delta]\,\!}$？

(1)移動向量${\displaystyle \operatorname {V_{\text{x}}} [m,n]\,\!}$，${\displaystyle \operatorname {V_{\text{y}}} [m,n]\,\!}$

(2)預測${\displaystyle \operatorname {F} [m,n,t+2*delta]\,\!}$：

${\displaystyle \operatorname {F_{\text{p}}} [m,n,t+2*delta]\,\!}$ = ${\displaystyle \operatorname {F} [m-{V_{\text{x}}}[m,n],n-{V_{\text{y}}}[m,n],t+delta]\,\!}$

(3)計算「預測誤差」

${\displaystyle \operatorname {E} [m,n,t+2*delta]\,\!}$ = ${\displaystyle \operatorname {F} [m,n,t+2*delta]\,\!}$ - ${\displaystyle \operatorname {F_{\text{p}}} [m,n,t+2*delta]\,\!}$

對預測誤差 ${\displaystyle \operatorname {E} [m,n,t+2*delta]\,\!}$ 作編碼。

影像檔案的處理(Matlab)

基本概念

• 灰階影像在Matlab 當中是一個矩陣，彩色影像在Matlab 當中是三個矩陣，分別代表紅色(Red)、綠色(Green)、藍色(Blue)。

.bmp: 沒有經過任何壓縮處理的圖檔

.jpg: 有經過JPEG 壓縮的圖檔

• 要對影像做運算時，要先變成double的格式，否則電腦會預設影像為integer 的格式，在做浮點運算時會產生誤差。

例如，若要對影像做2D離散傅立葉轉換(Discrete Fourier transform)：

im=imread('C:\Program Files\MATLAB\pic\Pepper.bmp');

im=double(im);

Imf=fft2(im);

基本指令

• Image 檔讀取: imread
• Image 檔顯示: imshow, image, imagesc
• Image 檔製作: imwrite
• Video 檔讀取: aviread

範例

• 黑白影像

im=double(imread('C:\Program Files\MATLAB\pic\Pepper.bmp'));

(如果Pepper.bmp 是個灰階圖，im 將是一個矩陣)

size(im);

(用size 這個指令來看im 這個矩陣的大小)

image(im);

colormap(gray(256));

• 彩色影像

im2=double(imread('C:\Program Files\MATLAB\pic\Pepper512c.bmp'));

size(im2);

(由於這個圖檔是個彩色的，所以im2 將由三個矩陣複合而成)

壓縮方法

圖像壓縮可以是有損數據壓縮也可以是無損數據壓縮。常見的應用有raw和tiff格式等。gif和jpeg是有損壓縮。通過DCT變換後選擇性丟掉人眼不敏感的信號分量，實現高壓縮比率。

無損壓縮

對於如繪製的技術圖、圖表或者漫畫，優先使用無損壓縮，這是因為有損壓縮方法，尤其是在低的位速條件下，將會帶來壓縮失真，如醫療圖像或者用於存檔的掃描圖像……等，這些有價值的內容的壓縮也儘量選擇無損壓縮方法。

• 遊程編碼
• 熵編碼法
• 如LZW這樣的自適應字典算法

有損壓縮

有損方法非常適合於自然的圖像，例如一些應用中圖像的微小損失是可以接受的（有時是無法感知的），這樣就可以大幅度地減小位速。

• 色彩空間：這是化減到圖像中常用的顏色。所選擇的顏色定義在壓縮圖像頭的調色板中，圖像中的每個像素都用調色板中顏色索引表示。這種方法可以與抖動一起使用以模糊顏色邊界。
• 色度抽樣：這利用了人眼對於亮度變化的敏感性遠大於顏色變化，這樣就可以將圖像中的顏色信息減少一半甚至更多。
• 變換編碼：這是最常用的方法。首先使用如離散餘弦變換（DCT）或者小波變換這樣的傅立葉相關變換，然後進行量化和用熵編碼法壓縮。
• 分形壓縮：

特性

圖像壓縮的目的就是在給定位速或者壓縮比下實現最好的圖像質量。但是，還有一些其它的圖像壓縮機制的重要特性：

• 可擴展編碼 ：又稱漸進編碼、嵌入式位流，通常表示操作位流和文件產生的質量下降（沒有解壓縮和再壓縮）。儘管具有不同的特性，在無損編碼中也有可擴展編碼，它通常是使用粗糙到精細像素掃描的格式。尤其是在下載時預覽圖像（如瀏覽器中）或者提供不同的圖像質量訪問時（如在數據庫中）可擴展編碼非常有用，有幾種不同類型的可擴展性：
  • 質量漸進：又稱層漸進，位流漸進更新重建的圖像。
  • 分辨率漸進：首先在低分辨率編碼圖像，然後編碼與高分辨率之間的差別。
  • 成分漸進：首先編碼灰度數據，然後編碼彩色數據。

• 感興趣區域編碼：圖像某些部分的編碼質量要高於其它部分，這種方法可以與可擴展編碼組合在一起（首先編碼這些部分，然後編碼其它部分）。
• 元數據信息：壓縮數據可以包含關於圖像的信息用來分類、查詢或者瀏覽圖像。這些信息可以包括顏色、紋理統計信息、小預覽圖像以及作者和版權信息。

壓縮方法的質量經常使用峰值信噪比來衡量，峰值信噪比用來表示圖象有損壓縮帶來的噪聲。但是，觀察者的主觀判斷也認為是一個重要的、或許是最重要的衡量標準。

參見

• 數據壓縮
• 圖形文件格式
• 數字信號處理
• 圖像處理
• 計算機圖形學
• 萊娜圖
• 標準測試圖像
• 圖像質量
  • 峰值信噪比
  • 結構相似度

參考文獻

Jian-Jiun Ding, 「Advanced Digital Signal Processing」, NTU, 2021.