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二值图像及其编码 3.1二值图像及其特征 图像分为彩色图像和灰度图像两大类，二值图像就是只有黑白两种灰度级的特殊灰度图像，例如文件、气象图、工程图、指纹卡片、手写文字、地图、报纸等等。此外，为了报纸的印刷，即使原来为灰度的图像，也要做成网纹的二值图像;传真只能一点一点地传送二值数据，也要把灰度的图像转化为二值的图像。二值图像信源编码的目的和灰度图像的编码一样，也是为了减少表示图像所需的比特数。 除了只有黑白两个灰度外，二值图像还有一些其它的特征: 首先，在统计特性上，由于只有两种灰度，即只有两种信源符号，所以只对应两种信源概率P0和P1，且满足P1=1一P0，也就是说信源符号的概率可以只用一种概率来表示; 其次，图像数据量较小，单个像素既可以用其灰度值(例如0和255)来表示，也可以用二进制值(0和1)来表示，显然后一种表示方法在存储和对图像进行数据处理时会比较简便; 此外，二值图像的结构也往往比较简单，黑、白像素区域多为连续分布、划分明显。这些特征对于二值图像的压缩编码都具有重要的意义，大部分编码方法都是直接利用这些特征或者建立在这些特征的基础上的。 3.2 3.3二值图像压缩的意义 前面提到，由于灰度级别只有两种，所以用于表示二值图像的数据量本身就远小于同等尺寸的灰度图像和彩色图像。但是，这并不意味着对它们就不必再进行压缩处理了。二值图像同一般的图像一样，也有着很大的压缩空间。如果每一像素用一位二进制码0或1(白像素为1，黑像素为0)表示，则称为直接编码。一位二进制码为1比特，因而直接编码时表示一帧图像的比特数就等于该图像的像素数。直接编码对数据量是没有压缩效果的，因而通常把直接编码得到数据比特数作为该二值图像的原始数据大小，例如，二值图像以Window:操作系统中的标准图像文件BMP格式存储就是这样一种情况。由于二值图像结构和统计上的冗余特性，直接编码所形成的符号所携带的信息中必然包含了大量的冗余成分，所以，经过各种编码处理，去掉这些冗余成分，能够使表示二值图像的比特数小于该图像的像素数(即小于图像原始大小)，达到压缩的目的。 二值图像在日常生活与科学研究中都大量存在，其传输和存储都占用着相当多的资源，因此，不断研究二值图像压缩和编码技术，想方设法提高现有算法的压缩性能，创新编码方法，都有着极其重要的意义理论和现实意义。总所周知，传真是一种静止图像通信方式，除照片传真外，一般的文件传真都是二值图像。为了缩短传输每帧传真图片所需的时间，就应通过有效编码减少表示每帧图片所需的比特数。例如，本来每帧图片需用ZMb表示，若用2400bit/s的数据调解器在电话线上传输，则需15min。如果希望经过编码，在一分钟内把它传完，则压缩比应为15。另外，在运动跟踪、目标检测、视频压缩等课题的研究过程中，也会产生大量的二值图像，存于数据库或者用于分析研究，这些图像经过压缩再存储则可以节省很多空间。 3.4主要编码方法 正如本章开篇提到的那样，实际当中要处理的二值图像可以分为多种，例如文本类、表格类、工程图类、成像类等，不同的二值图像往往需要有不同的编码方法才能达到最好的压缩效果。目前，常用的二值图像编码方法主要有游程长度编码、跳白块编码、方块编码、识别编码、边界编码等等。 3.4.1游程长度编码 游程长度编码的基本思想，是将具有相同数值、连续出现的信源符号构成的符号串用其数值及串的长度表示。把图像作为信源时，如果有连续的L个像素具有相同的灰度值G，则对其作游程编码后，只需传送一个数组(G，L)就可代替传送这一串像素的灰度值。这些连续的相同像素称为游程。 很明显，游程长度越长，游程编码效率越高，因而特别适用于灰度等级少，灰度值变化小的二值图像。在实际应用当中，游程编码往往与其他编码方法结合使用，即把所有游程对应的数组(G，L)作为信源符号再进行编码，每一个(G，L)分配一个码字，例如被CCITT选作文件传真三类机(G3)一维标准码的修正霍夫曼编码(MH)，就对不同长度的黑游程和白游程采用了最佳霍夫曼编码，如图。 3.4.2跳白块编码 基本跳白块编码是利用二值图像含有大量白色区域这一特点而提出的编码方法。编码方法是将图像每行分成若干子块，每块包括N个像素。如果某块全部是白色，则该块用1比特字“0”表示;否则，如果某快至少包含一个黑色像素，则该块用N+1个比特表示:前缀码“1”加该块的直接编码(白色为“0”，黑色为’1”)。 2.4.3方块编码 所谓方块编码，就是把整个图像分成等大小的子块，然后按每块内像素的不同排列所出现的概率分配不同长度的码字，概率高的分配短码字，不常出现的分配短码，使平均码长达到最短。方块编码最先就是用在二值图像上，如传真图像，后来推广到灰度图像。由于设备简单，可以用于实时处理或传输系统中，因此引起人们越来越广泛的重