1、引言

　　人眼的視覺系統(tǒng)是世界上最好的圖像處理系統(tǒng)，但它遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是完美的。人眼的視覺系統(tǒng)對(duì)圖像的認(rèn)知是非均勻的和非線性的，并不是對(duì)圖像中的任何變化都能感知。例如圖像系數(shù)的量化誤差引起的圖像變化在一定范圍內(nèi)是不能為人眼所覺察的。因此，如果編碼方案能利用人眼視覺系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，是可以得到高壓縮比的。對(duì)人眼視覺特性的深入研究及由此而建立的各種數(shù)學(xué)模型，一直是各種圖像數(shù)字壓縮算法的基礎(chǔ)。

2、人眼的視覺特性

　　人眼對(duì)380～780納米內(nèi)不同波長的光具有不同的敏感程度，稱為人眼的視敏特性。  衡量描述人眼視敏特性的物理量為視敏函數(shù)和相對(duì)視敏函數(shù)。

　　1）視敏函數(shù) 在相同亮度感覺的條件下，不同波長上光輻射功率的倒數(shù)可以用來衡量人眼對(duì)各波長光明亮感覺的敏感程度。稱為視敏函數(shù) K(λ)=1/p_r(λ)  。

　　2）相對(duì)視敏函數(shù) 實(shí)驗(yàn)表明，人眼對(duì)波長為555納米的光最敏感，因此把任意波長的光的視敏函數(shù)與最大視敏函數(shù)值K(555)相比的比值稱為相對(duì)視敏函數(shù)　 　。

可見光波長

　　實(shí)驗(yàn)表明：視敏涵數(shù)的曲線的最大值位于５５５nm處當(dāng)光線微弱向左偏移最大值為５０7nm處，兩者相差近５０nm，人眼就相當(dāng)于帶通濾波器，這就表明人眼對(duì)亮度變化比較敏感。

　　人眼對(duì)于藍(lán)光的視覺靈敏度要比紅光和綠光低的多．三條曲線的峰值比為Ｒ：Ｇ：Ｂ＝０．５４：０．５７５：０．０５３（藍(lán)光放大２０倍）．三條曲線有相當(dāng)一部分是重疊的．正常觀察條件下，人眼得到的是二者的合成的視覺，不能將他們各自的數(shù)值區(qū)分開來．大腦根據(jù)三者的比例，感知彩色的色調(diào)和飽和度，而三者的和決定了光的總亮度。

　2.1對(duì)比靈敏度

　　人眼對(duì)亮度光強(qiáng)變化的響應(yīng)是非線性的，通常把人眼主觀上剛剛可辨別亮度差別所需的最小光強(qiáng)差值稱為亮度的可見度閾值。也就是說，當(dāng)光強(qiáng)I(xiàn)增大時(shí)，在一定幅度內(nèi)感覺不出，必須變化到一定值I+ΔI時(shí)，人眼才能感覺到亮度有變化，ΔI/I一般也稱為對(duì)比靈敏度。因此恢復(fù)圖像的誤差如果低于對(duì)比靈敏度，即不會(huì)被人眼察覺。此外，高頻部分在相同的靈敏度閾值下，色差信號(hào)Y-R空間頻率只有亮度Y的一半，色差信號(hào)Y-B空間頻率只有亮度Y的1/4。人眼對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像的對(duì)比靈敏度與時(shí)間軸上信息的變化速度有關(guān)，隨著時(shí)間軸變化頻率的增加，人眼所能感受到的圖像信息的誤差閾值呈上升趨勢(shì)，視覺上的這種動(dòng)態(tài)對(duì)比靈敏度特性表現(xiàn)為圖像序列之間相互掩蓋效應(yīng)。可見度閾值和掩蓋效應(yīng)對(duì)圖像編碼量化器的設(shè)計(jì)有重要作用，利用這一視覺特性，在圖像的邊緣可以容忍較大的量化誤差，因而可使量化級(jí)減少，從而降低數(shù)字碼率。

　2.2分辨率

　　當(dāng)空間平面上兩個(gè)黑點(diǎn)相互靠攏到一定程度時(shí)，離開黑點(diǎn)一定距離的觀察者就無法區(qū)分它們，這意味 著人眼分辨景物細(xì)節(jié)的能力是有限的，這個(gè)極限值就是分辨率。研究表明人眼的分辨率有如下一些特點(diǎn)：①當(dāng)照度太強(qiáng)、太弱時(shí)或當(dāng)背景亮度太強(qiáng)時(shí)，人眼分辨率降低。②當(dāng)視覺目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度加快時(shí)，人眼分辨率降低。③人眼對(duì)彩色細(xì)節(jié)的分辨率比對(duì)亮度細(xì)節(jié)的分辨率要差，如果黑白分辨率為1，則黑紅為0.4，綠藍(lán)為0.19。

　2.3馬赫效應(yīng)

　　當(dāng)亮度發(fā)生躍變時(shí)，會(huì)有一種邊緣增強(qiáng)的感覺，視覺上會(huì)感到亮側(cè)更亮，暗側(cè)更暗。馬赫效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致局部閾值效應(yīng)，即在邊緣的亮側(cè)，靠近邊緣像素的誤差感知閾值比遠(yuǎn)離邊緣閾值高3~4倍，可以認(rèn)為邊緣掩蓋了其鄰近像素，因此對(duì)靠近邊緣的像素編碼誤差可以大一些。

3、圖像子采樣

　　對(duì)色差信號(hào)使用的采樣頻率比對(duì)亮度信號(hào)使用的采樣頻率低，這種采樣就稱為圖像子采樣（Subsampling）。最簡(jiǎn)便的圖像壓縮技術(shù)恐怕就要算圖像子采樣了。這種壓縮方法的基本根據(jù)是人的視覺系統(tǒng)所具有的兩個(gè)特性，一是人眼對(duì)色度信號(hào)的敏感程度比對(duì)亮度信號(hào)的敏感程度低，利用這個(gè)特性可以把圖像中表達(dá)顏色的信號(hào)去掉一些而使人不易察覺：二是人眼對(duì)圖像細(xì)節(jié)的分辨能力有一定的限度，利用這個(gè)特性可以把圖像中的高頻信號(hào)去掉而使人不易察覺，子采樣就是利用這個(gè)特性來壓縮彩色電視信號(hào)。

　　子采樣格式：4∶2∶2子采樣格式是指在每條掃描線上每4個(gè)連續(xù)的采樣點(diǎn)取4個(gè)亮度Y樣本，2個(gè)紅色差cr樣本和2個(gè)藍(lán)色差cb樣本，平均每個(gè)像素用2個(gè)樣本表示。4∶1∶1子采樣格式是指在每條掃描線上每4個(gè)連續(xù)的采樣點(diǎn)取4個(gè)亮度Y樣本，1個(gè)紅色差cr樣本和1個(gè)藍(lán)色差cb樣本，平均每個(gè)像素用1.5個(gè)樣本表示。這是數(shù)字電視磁帶DVC（Digital Video Cassette）上使用的格式。4∶2∶0子采樣格式是指在水平和垂直方向上每2個(gè)連續(xù)的采樣點(diǎn)上取2個(gè)亮度Y樣本，1個(gè)紅色差Cr樣本和1個(gè)藍(lán)色差Cb樣本，平均每個(gè)像素用1.5個(gè)樣本表示。

4、變換編碼

　　在圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)中，變換編碼（Transform Coding）與預(yù)測(cè)編碼（Predictive Coding）已成為最基本的兩種編碼方法。變換編碼的基本思想是，將空間域描寫的圖像信號(hào)變換到一個(gè)正交變換域（正交的矢量空間）進(jìn)行描寫。變換前后的明顯差別是，在空間域像素塊中的像素存在很強(qiáng)的相關(guān)性，能量分布比較均勻，經(jīng)過正交變換后，變換系數(shù)近似統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，基本上去除了相關(guān)性，能量集中在直流和少數(shù)低頻系數(shù)上。然后在變換域內(nèi)進(jìn)行濾波、量化（與視覺特性匹配）及統(tǒng)計(jì)編碼，以實(shí)現(xiàn)有效的碼率壓縮。

　　電視信號(hào)的能量主要集中在低頻部分，隨著頻率的升高，能量迅速下降，考慮到人眼的主觀視覺對(duì)高頻成分不如對(duì)低頻成分敏感的特點(diǎn)，在編碼時(shí)對(duì)高低頻成分分別采用粗細(xì)不同的量化，甚至對(duì)高頻成分舍棄不傳，這樣既可降低碼率又可以保持良好的主觀圖像質(zhì)量。

5、預(yù)測(cè)編碼

　　差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）是一種預(yù)測(cè)編碼技術(shù)，其原理是基于圖像信號(hào)冗余度高的事實(shí)，當(dāng)前的像素值可用與它鄰近的像素值預(yù)測(cè)獲得。在預(yù)測(cè)編碼中，不直接傳輸像素樣值本身，而是對(duì)實(shí)際樣值與它的一個(gè)預(yù)測(cè)值之間的差值進(jìn)行量化、編碼再傳送，以達(dá)到很高的壓縮比，這個(gè)差值就是預(yù)測(cè)誤差。在視頻序列編碼中，主要用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償著行時(shí)間軸冗余度壓縮。通常預(yù)測(cè)誤差值的分布主要集中在0附近的一個(gè)小范圍內(nèi)，其動(dòng)態(tài)范圍比原圖像更為集中，相關(guān)性比原圖像小得多，只是在圖像劇烈變化之處，如圖像的邊緣和輪廓處出現(xiàn)一些較大的預(yù)測(cè)誤差，而人眼對(duì)圖像邊緣處的較大誤差不敏感，因此對(duì)預(yù)測(cè)誤差量化所需要的級(jí)數(shù)比對(duì)圖像樣值本身進(jìn)行量化所需要的級(jí)數(shù)少得多，可以大大提高編碼的效率。

　　電視信號(hào)的幀內(nèi)編碼利用圖像信號(hào)的空間相關(guān)性實(shí)現(xiàn)碼率壓縮，而數(shù)據(jù)壓縮編碼中的量化（Quantization）處理是指經(jīng)正交變換、差分或預(yù)測(cè)處理后，在熵編碼之前對(duì)正交變換系數(shù)、差值或預(yù)測(cè)誤差的量化處理，量化輸入值的動(dòng)態(tài)范圍很大，量化輸出只能取有限個(gè)整數(shù)，稱作量化級(jí)。量化處理總是把一批輸入量化到一個(gè)輸出級(jí)上，所以量化處理是一個(gè)多對(duì)一的處理過程，是個(gè)不可逆的過程，量化處理中有信息丟失，會(huì)引起量化誤差。所謂量化誤差就是由于量化所引起信號(hào)原來的值與量化之后值的差值。

６、量化

　　量化器的最佳設(shè)計(jì)可以達(dá)到最佳的壓縮效果，對(duì)于預(yù)測(cè)誤差這樣的信號(hào)，應(yīng)采用非均勻量化，對(duì)概率密度大的區(qū)域細(xì)量化，對(duì)概率密度小的區(qū)域粗量化。與均勻量化相比，在相同的量化分層條件下，非均勻量化的量化誤差要比均勻量化的小，這種非均勻量化特性也與人眼的視覺特性相適應(yīng)。人眼對(duì)圖像量化誤差的敏感度與存在量化誤差時(shí)圖像的變化程度有關(guān)，圖像變化越大，量化誤差越不容易察覺（越容易掩蓋），也就是說人眼對(duì)圖像邊緣和輪廓的量化誤差不敏感，這部分出現(xiàn)的概率小因而可以粗量化，而在圖像變化平坦部分的量化誤差容易被覺察，而且在圖像變化平坦處的預(yù)測(cè)誤差小，出現(xiàn)概率大，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行細(xì)量化。

　　近年來被認(rèn)為效果最佳的量化器設(shè)計(jì)方案是利用主觀實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這種方法首先利用主觀實(shí)驗(yàn)對(duì)大量不同的圖像測(cè)出量化誤差與可見度閾值的關(guān)系曲線，根據(jù)這條曲線選取量化電平，使可能產(chǎn)生的最大量化誤差剛剛處于可見度閾值之下，這樣既可保證重建圖像有很高的主觀質(zhì)量，又把平均量化層降到最少。

7、結(jié)束語

　　長期以來，通過對(duì)人眼視覺現(xiàn)象的觀測(cè)和研究，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)人眼的視覺特性有很多特點(diǎn)，特別是視覺掩蓋效應(yīng)，可以直接或間接地用于改善視頻信息的處理。如何充分利用人眼的視覺特性，已成為現(xiàn)代編碼技術(shù)中首先要考慮的一個(gè)基本問題。