數(shù)字圖像壓縮技術(shù)

1、數(shù)字圖像壓縮技術(shù)二、JPEGffi縮負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的“聯(lián)合圖片專家組”（JointPhotographicExpertGroup, 簡(jiǎn)稱 JPEG ,于 1989 年 1 月形成 了基于自適合DC硒JPEG支術(shù)規(guī)范的第一個(gè)草案，其后多次修改，至 1991年形成ISO10918國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案，并在一年后成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱 JPEGfe準(zhǔn)。1 . JPEGS縮原理及特點(diǎn)JPEG算法中首先對(duì)圖像實(shí)行分塊處理，一般分成互不重疊的大小的塊， 再對(duì)每一塊實(shí)行二維離散余弦變換（DCT。變換后的系數(shù)基本不相關(guān), 且系數(shù)矩陣的能量集中在低頻區(qū)，根據(jù)量化表實(shí)行量化，量化的結(jié)果 保留了低頻部分的系數(shù)，去掉了

2、高頻部分的系數(shù)。量化后的系數(shù)按zigzag掃描重新組織，然后實(shí)行哈夫曼編碼。JPEG的特點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)：（1 ）形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；（2）具有中端和高端比特率上的良好圖像質(zhì)量。缺點(diǎn)：（1 ）因?yàn)閷?duì)圖像實(shí)行分塊，在高壓縮比時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的方塊效應(yīng)；（2）系數(shù)實(shí)行量化，是有損壓縮；（3）壓縮比不高，小于502。JPEG壓縮圖像出現(xiàn)方塊效應(yīng)的原因是：一般情況下圖像信號(hào)是高度非 平穩(wěn)的，很難用Gauss過(guò)程來(lái)刻畫(huà)，并且圖像中的一些突變結(jié)構(gòu)例如 邊緣信息遠(yuǎn)比圖像平穩(wěn)性重要，用余弦基作圖像信號(hào)的非線性逼近其 結(jié)果不是最優(yōu)的3。2 . JPEGS縮的研究狀況及其前景2針對(duì)JPEG在高壓縮比情況下，產(chǎn)生方塊效應(yīng)，解壓圖

3、像較差，近年 來(lái)提出了很多改進(jìn)方法，最有效的是下面的兩種方法：（1） DC博樹(shù)編碼DCT零樹(shù)編碼把DC供中的系數(shù)組成log2N個(gè)子帶，然后用零樹(shù)編碼 方案實(shí)行編碼。在相同壓縮比的情況下，其 PSNR勺值比EZW高。但在 高壓縮比的情況下，方塊效應(yīng)仍是 DC博樹(shù)編碼的致命弱點(diǎn)。(2)層式DC便樹(shù)編碼此算法對(duì)圖像作的DC儂換，將低頻塊集中起來(lái)，做反 DC餃換；對(duì) 新得到的圖像做相同變換，如此下去，直到滿足要求為止。然后對(duì)層式DC餃換及零樹(shù)排列過(guò)的系數(shù)實(shí)行零樹(shù)編碼。JPEG壓縮的一個(gè)最大問(wèn)題就是在高壓縮比時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的方塊效應(yīng)，所 以在今后的研究中，應(yīng)重點(diǎn)解決 DC儂換產(chǎn)生的方塊效應(yīng)，同時(shí)考慮 與人眼

4、視覺(jué)特性相結(jié)合實(shí)行壓縮。三、JEPG200CS縮JPEG2000是由ISO/IECJTCISC29標(biāo)準(zhǔn)化小組負(fù)責(zé)制定的全新靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)最大改進(jìn)是它采用小波變換代替了余弦變換。2000 年3 月的東京會(huì)議，確定了彩色靜態(tài)圖像的新一代編碼方式JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的編碼算法。1 . JPEG2000S縮原理及特點(diǎn)JPEG2000編解碼系統(tǒng)的編碼器和解碼器的框圖如圖 1所示4。編碼過(guò)程主要分為以下幾個(gè)過(guò)程：預(yù)處理、核心處理和位流組織。預(yù)處理部分包括對(duì)圖像分片、直流電平(DC位移和分量變換。核心處 理部分由離散小波變換、量化和熵編碼組成。位流組織部分則包括區(qū)域劃分、碼塊、層和包的組織。

5、JPEG2000格式的圖像壓縮比，可在現(xiàn)在的 JPEGS礎(chǔ)上再提升 10%30%而且壓縮后的圖像顯得更加細(xì)膩平滑。對(duì)于當(dāng)前的JPEG示準(zhǔn)，在同一個(gè)壓縮碼流中不能同時(shí)提供有損和無(wú)損壓縮，而在JPEG200(M(統(tǒng)中，通過(guò)選擇參數(shù)，能夠?qū)D像實(shí)行有損和無(wú)損壓縮?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的JPEG®像下載時(shí)是按“塊”傳輸?shù)?，?JPEG200解式 的圖像支持漸進(jìn)傳輸，這使用戶不必接收整個(gè)圖像的壓縮碼流。因?yàn)镴PEG200睬用小波技術(shù)，可隨機(jī)獲取某些感興趣的圖像區(qū)域（ROI）的壓縮碼流，對(duì)壓縮的圖像數(shù)據(jù)實(shí)行傳輸、濾波等操作4。圖1JPEG20005縮編碼與解壓縮的總體流程2 . JPEG2000S縮的前景

6、JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)適用于各種圖像的壓縮編碼。其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)↖nternet 、傳真、打印、遙感、移動(dòng)通信、醫(yī)療、數(shù)字圖書(shū)館和電子商務(wù)等5。JPEG200cH像壓縮標(biāo)準(zhǔn)將成為21世紀(jì)的主流靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。四、小波變換圖像壓縮1 小波變換圖像壓縮原理小波變換用于圖像編碼的基本思想就是把圖像根據(jù)Mallat 塔式快速小波變換算法實(shí)行多分辨率分解。其具體過(guò)程為：首先對(duì)圖像實(shí)行多級(jí)小波分解，然后對(duì)每層的小波系數(shù)實(shí)行量化，再對(duì)量化后的系數(shù)實(shí)行編碼。小波圖像壓縮是當(dāng)前圖像壓縮的熱點(diǎn)之一，已經(jīng)形成了基于小波變換的國(guó)際壓縮標(biāo)準(zhǔn)，如 MPEG-標(biāo)準(zhǔn)，及如上所述的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)2。2 小波變換圖像壓縮的

7、發(fā)體現(xiàn)狀及前景當(dāng)前 3 個(gè)最高等級(jí)的小波圖像編碼分別是嵌入式小波零樹(shù)圖像編碼（EZW ,分層樹(shù)中分配樣本圖像編碼（SPhD和可擴(kuò)展圖像壓縮編碼（EBCO）。 T(1) EZ順碼器61993 年， Shapiro 引入了小波“零樹(shù)”的概念，通過(guò)定義POS、 NEG、IZ和ZTR四種符號(hào)實(shí)行空間小波樹(shù)遞歸編碼，有效地剔除了對(duì)高頻系數(shù)的編碼，極大地提升了小波系數(shù)的編碼效率。此算法采用漸進(jìn)式量化和嵌入式編碼模式，算法復(fù)雜度低。EZVW法打破了信息處理領(lǐng)域長(zhǎng) 期篤信的準(zhǔn)則：高效的壓縮編碼器必須通過(guò)高復(fù)雜度的算法才能獲得，所以EZWS碼器在數(shù)據(jù)壓縮史上具有里程碑意義。(2) SPIHT編碼器7由Said和

8、Pearlman提出的分層小波樹(shù)集合分割算法(SPIHT)則利用空間樹(shù)分層分割方法，有效地減小了比特面上編碼符號(hào)集的規(guī)模。同EZWf比，SPhT算法構(gòu)造了兩種不同類型的空間零樹(shù)，更好地利用了小波系數(shù)的幅值衰減規(guī)律。同 EZV褊碼器一樣，SPhT編碼器的算法 復(fù)雜度低，產(chǎn)生的也是嵌入式比特流，但編碼器的性能較 EZW有很大 的提升。(3) EBCO褊碼器8優(yōu)化截?cái)帱c(diǎn)的嵌入塊編碼方法(EBCOT首先將小波分解的每個(gè)子帶分成一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的碼塊，然后使用優(yōu)化的分層截?cái)嗨惴▽?duì)這些碼塊實(shí)行編碼，產(chǎn)生壓縮碼流，結(jié)果圖像的壓縮碼流不但具有SN阿擴(kuò)展而且具有分辨率可擴(kuò)展，還能夠支持圖像的隨機(jī)存儲(chǔ)。比較來(lái)說(shuō)，E

9、BCO算法的復(fù)雜度較EZW口 SPIHT有所提升，其壓縮性能比 SPhT略 有提升。小波圖像壓縮被認(rèn)為是當(dāng)前最有發(fā)展前途的圖像壓縮算法之一。小波圖像壓縮的研究集中在對(duì)小波系數(shù)的編碼問(wèn)題上。在以后的工作中，應(yīng)充分考慮人眼視覺(jué)特性，進(jìn)一步提升壓縮比，改善圖像質(zhì)量。并且考慮將小波變換與其他壓縮方法相結(jié)合。例如與分形圖像壓縮相結(jié)合是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)2。五、分形圖像壓縮1988 年， Barnsley 通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明分形圖像壓縮能夠得到比經(jīng)典圖像編碼技術(shù)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的壓縮比。1990 年， Barnsley 的學(xué)生A.E.Jacquin 提出局部迭代函數(shù)系統(tǒng)理論后，使分形用于圖像壓縮在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)實(shí)現(xiàn)成

10、為可能。1 分形圖像壓縮的原理分形壓縮主要利用自相似的特點(diǎn)，通過(guò)迭代函數(shù)系統(tǒng)（ IteratedFunctionSystem,IFS ）實(shí)現(xiàn)。其理論基礎(chǔ)是迭代函數(shù)系統(tǒng)定理和拼貼定理。分形圖像壓縮把原始圖像分割成若干個(gè)子圖像，然后每一個(gè)子圖像對(duì)應(yīng)一個(gè)迭代函數(shù)，子圖像以迭代函數(shù)存儲(chǔ)，迭代函數(shù)越簡(jiǎn)單，壓縮比也就越大。同樣解碼時(shí)只要調(diào)出每一個(gè)子圖像對(duì)應(yīng)的迭代函數(shù)反復(fù)迭代，就能夠恢復(fù)出原來(lái)的子圖像，從而得到原始圖像9。2 幾種主要分形圖像編碼技術(shù)9隨著分形圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的算法被提出，基于分形的不同特征，能夠分成以下幾種主要的分形圖像編碼方法。（ 1）尺碼編碼方法尺碼編碼方法是基于分形幾何中

11、利用小尺度度量不規(guī)則曲線長(zhǎng)度的方法，類似于傳統(tǒng)的亞取樣和內(nèi)插方法，其主要不同之處在于尺度編碼方法中引入了分形的思想，尺度隨著圖像各個(gè)組成部分復(fù)雜性的不同而改變。（ 2）迭代函數(shù)系統(tǒng)方法迭代函數(shù)系統(tǒng)方法是當(dāng)前研究最多、應(yīng)用最廣泛的一種分形壓縮技術(shù)，它是一種人機(jī)交互的拼貼技術(shù)，它基于自然界圖像中普遍存有的整體和局部自相關(guān)的特點(diǎn)，尋找這種自相關(guān)映射關(guān)系的表達(dá)式，即仿射變換，并通過(guò)存儲(chǔ)比原圖像數(shù)據(jù)量小的仿射系數(shù)，來(lái)達(dá)到壓縮的目的。如果尋得的仿射變換簡(jiǎn)單而有效，那么迭代函數(shù)系統(tǒng)就能夠達(dá)到極高的壓縮比。（ 3） A-E-Jacquin 的分形方案A-E-Jacquin 的分形方案是一種全自動(dòng)的基于塊的分形

12、圖像壓縮方案，它也是一個(gè)尋找映射關(guān)系的過(guò)程，但尋找的對(duì)象域是將圖像分割成塊之后的局部與局部的關(guān)系。在此方案中還有一部分冗余度能夠去除，而且其解碼圖像中存有著明顯的方塊效應(yīng)。3 分形圖像壓縮的前景2雖然分形圖像壓縮在圖像壓縮領(lǐng)域還不占主導(dǎo)地位，但是分形圖像壓縮既考慮局部與局部，又考慮局部與整體的相關(guān)性，適合于自相似或自仿射的圖像壓縮，而自然界中存有大量的自相似或自仿射的幾何形狀，所以它的適用范圍很廣。六、其它壓縮算法除了以上幾種常用的圖像壓縮方法以外，還有：NNT(數(shù)論變換)壓縮、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓縮方法、Hibert 掃描圖像壓縮方法、自適合多相子帶壓縮方法等，在此不作贅述。下面簡(jiǎn)單介紹近年來(lái)任

13、意形狀紋理編碼的幾種算法1013。(1)形狀自適合DCT(SA-DCT算法SA-DCT把一個(gè)任意形狀可視對(duì)象分成的圖像塊，對(duì)每塊實(shí)行DC餃換,它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)類似于形狀自適合GilgeDCT1011 變換的有效變換，但它比GilgeDCT變換的復(fù)雜度要低。不過(guò)，SA-DC他有缺點(diǎn)，它把像素推到與矩形邊框的一個(gè)側(cè)邊相平齊，所以一些空域相關(guān)性可能丟失，這樣再實(shí)行列DC餃換，就有較大的失真了 111415。(2) Egger 方法Egger 等人 1617提出了一個(gè)應(yīng)用于任意形狀對(duì)象的小波變換方案。在此方案中，首先將可視對(duì)象的行像素推到與邊界框的右邊界相平齊的位置，然后對(duì)每行的有用像素實(shí)行小波變換，接下

14、來(lái)再實(shí)行另一方向的小波變換。此方案，充分利用了小波變換的局域特性。不過(guò)這個(gè)方案也有它的問(wèn)題，例如可能引起重要的高頻部分同邊界部分合并，不能保證分布系數(shù)彼此之間有準(zhǔn)確的相同相位，以及可能引起第二個(gè)方向小波分解的不連續(xù)等。（ 3）形狀自適合離散小波變換（SA-DW）TLi等人提出了一種新穎的任意形狀對(duì)象編碼，SA-DW啕碼1822。這項(xiàng)技術(shù)包括SA-DW和零樹(shù)嫡編碼的擴(kuò)展（ZTB ,以及嵌入式小波編 碼（EZVV。SA-DWT勺特點(diǎn)是：經(jīng)過(guò)SA-DW之后的系數(shù)個(gè)數(shù)，同原任 意形狀可視對(duì)象的像素個(gè)數(shù)相同；小波變換的空域相關(guān)性、區(qū)域?qū)傩?以及子帶之間的自相似性，在 SA-DW并都能很好表現(xiàn)出來(lái)；對(duì)于矩

15、形 區(qū)域，SA-DWTJ傳統(tǒng)的小波變換一樣。SA-DW褊碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)被 新的多媒體編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4勺對(duì)于任意形狀靜態(tài)紋理的編碼所采用。在今后的工作中，能夠充分地利用人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像邊緣部分較敏感的特性，嘗試將圖像中感興趣的對(duì)象分割出來(lái)，對(duì)其邊緣部分、內(nèi) 部紋理部分和對(duì)象之外的背景部分按不同的壓縮比實(shí)行壓縮，這樣能 夠使壓縮圖像達(dá)到更大的壓縮比，更加便于傳輸。七、總結(jié)圖像壓縮技術(shù)研究了幾十年，取得了很大的成績(jī)，但還有很多不足，值得我們進(jìn)一步研究。小波圖像壓縮和分形圖像壓縮是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但二者也有各自的缺點(diǎn)，在今后工作中，應(yīng)與人眼視覺(jué)特性相結(jié)合?？倎?lái)說(shuō)之，圖像壓縮是一個(gè)非常有發(fā)展前途

16、的研究領(lǐng)域，這個(gè)領(lǐng) 域的突破對(duì)于我們的信息生活和通信事業(yè)的發(fā)展具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。摘要：數(shù)字圖像壓縮技術(shù)對(duì)于數(shù)字圖像信息在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)處理具有重要的意義。本文介紹了當(dāng)前幾種最為重要的圖像壓縮算法：JPEG JPEG2000分形圖像壓縮和小波變換圖像壓縮，總結(jié)了 它們的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景。然后簡(jiǎn)介了任意形狀可視對(duì)象編碼算法的 研究現(xiàn)狀，并指出此算法是一種產(chǎn)生高壓縮比的圖像壓縮算法。關(guān)鍵詞：JPEG JPEG2000分形圖像壓縮；小波變換；任意形狀可視 對(duì)象編碼高的要求，也給現(xiàn)有的有限帶寬以嚴(yán)峻的考驗(yàn)，特別是具有龐大數(shù)據(jù)量的數(shù)字圖像通信，更難以傳輸和存儲(chǔ)，極大地制約了圖像通信的發(fā)展，所以圖像壓縮技術(shù)受到了越來(lái)越多的注重。圖像壓縮的目的就是把原來(lái)較大的圖像用盡量少的字節(jié)表示和傳輸，并且要