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第4章 图像信息处理 4.1 图像信号概述 4.2 图像信号数字化 4.3 数字图像压缩方法的分类 4.4 典型的熵编码方法 4.5 静态图像压缩编码标准 4.6 动态图像压缩编码标准 §4.1 图像信号概述 图像是一种可视化的信息， 图像信号是图像信息的理论描述方法， 图像信号按其内容变化与时间的关系来分， 主要包括静态图像和动态图像两种。 静态图像其信息密度随空间分布， 且相对时间为常量； 动态图像也称时变图像， 其空间密度特性是随时间而变化的。 人们经常用静态图像的一个时间序列来表示一个动态图像。 1． 彩色图像信号的分量表示 对于黑白图像信号， 每个像素点用灰度级来表示， 若用数字表示一个像素点的灰度， 有8比特就够了， 因为人眼对灰度的最大分辨力为26。 对于彩色视频信号（例如常见的彩色电视信号）均基于三基色原理， 每个像素点由红（R）、 绿（G）、 蓝（B）三基色混合而成。 若三个基色均用8比特来表示， 则每个像素点就需要24比特，由于构成一幅彩色图像需要大量的像素点， 因此，图像信号采样、 量化后的数据量就相当大，不便于传输和存储。 （1） YUV彩色空间。 其中亮度信号Y表示了单位面积上反射光线的强度， 而色差信号U 、 V（所谓色差信号， 就是指基色信号中的三个分量信号R、 G、 B与亮度信号之差）决定了彩色图像信号的色调。 发送端将Y、 U、 V三个信号进行编码， 用同一信道发送出去， 这就是在PAL彩色电视制式中使用的YUV彩色空间。 YUV与RGB彩色空间变换的对应关系如式（4.1-1）所示。 YUV彩色空间的一个优点是， 它的亮度信号Y和色差信号U、 V是相互独立的，所以可以对这些单色图分别进行编码。 此外， 利用YUV之间的独立性解决了彩色电视机与黑白电视机的兼容问题。 YUV表示法的另一个优点是， 可以利用人眼的视觉特性来降低数字彩色图像的数据量。 在PAL彩色电视制式中， 亮度信号的带宽为4.43 MHz， 用以保证足够的清晰度， 而把色差信号的带宽压缩为1.3 MHz， 达到了减少带宽的目的。  在实际操作中对亮度信号Y和色差信号U、 V分别采用不同的采样频率。 常用的Y、 U、 V采样频率的比例有4∶2∶2和4∶1∶1。 例如：存储R∶G∶B＝8∶8∶8的彩色图像（640×480），那么所需要的存储容量为： ；如果用Y∶U∶V＝4∶1∶1来表示同一幅彩色图像， 则存储量变为： 尽管数据量减少了一半， 但人眼察觉不出有明显变化。 （2） YIQ彩色空间。 在NTSC彩色电视制式中选用YIQ彩色空间， 其中Y表示亮度， I、 Q是两个彩色分量。 I、 Q与U、 V是不相同的。 人眼的彩色视觉特性表明， 人眼对红、 黄之间颜色变化的分辨能力最强； 而对蓝、 紫之间颜色变化的分辨能力最弱。 在YIQ彩色空间中， 色彩信号I表示人眼最敏感的色轴， Q表示人眼最不敏感的色轴。 （3）YCbCr彩色空间 YCbCr （亮度和两个色差信号）彩色空间是由ITU-R（国际电联无线标准部， 原国际无线电咨询委员会CCIR）制定的彩色空间。 按照CCIR601-2标准， 将非线性的RGB信号编码成YCbCr编码过程开始是先采用符合SMPTE-CRGB（它定义了三种荧光粉， 即一种参考白光， 应用于演播室监视器及电视接收机标准的RGB）的基色作为r校正信号。 2 ． 彩色图像信号的分量编码 彩色图像信号数字压缩编码，可以采用复合编码，它直接对复合图像信号进行采样、 编码和传输；另一种是分量编码，它首先把复合图像中的亮度和色度信号分离出来，然后分别进行取样、 编码和传输。目前分量编码已经成为图像信号压缩的主流。以YUV彩色空间为例，分量编码系统的基本框图如图4.1-1所示，其中对亮度信号Y使用较高的采样频率，对色差信号U、 V则使用较低的采样频率。  §4.2 图像信号数字化 图像信号数字化与音频数字化一样主要包括两方面的内容：采样和量化。  图像在空间上的离散化称为取样， 即使空间上连续变化的图像离散化， 也就是用空间上部分点的灰度值来表示图像， 这些点称为样点（或像素、样本）。 一幅图像应取多少样点呢？其约束条件是： 由这些样点采用某种方法能够正确重建原图像。 采样的方法有两类：读取各离散点上的信号值， 所得结果就是一个样点值阵列， 所以也称为点阵取样； 另一类是先将图像函数进行正交变换，用其变换系数作为取样值，故称为正交系数取样。  对样点灰度级值的离散化过程称为量化，量化也可分为两种： 一种是将样点灰度级值等间隔分档取整