數(shù)字圖像壓縮技術(shù)

數(shù)字圖像壓縮技術(shù)二、JPEG壓縮負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)靜止圖像壓縮原則的“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DCT的JPEG技術(shù)規(guī)范的第一種草案，其后多次修改，至1991年形成ISO10918國(guó)際原則草案，并在一年后成為國(guó)際原則，簡(jiǎn)稱JPEG原則。1．JPEG壓縮原理及特點(diǎn)JPEG算法中首先對(duì)圖像實(shí)施分塊解決，普通分成互不重疊的大小的塊，再對(duì)每一塊實(shí)施二維離散余弦變換（DCT）。變換后的系數(shù)基本不有關(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)施量化，量化的成果保存了低頻部分的系數(shù)，去掉了高頻部分的系數(shù)。量化后的系數(shù)按zigzag掃描重新組織，然后實(shí)施哈夫曼編碼。JPEG的特點(diǎn)以下：優(yōu)點(diǎn)：（1）形成了國(guó)際原則；（2）含有中端和高端比特率上的良好圖像質(zhì)量。缺點(diǎn)：（1）由于對(duì)圖像實(shí)施分塊，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)施量化，是有損壓縮；（3）壓縮比不高，不大于502。JPEG壓縮圖像出現(xiàn)方塊效應(yīng)的因素是：普通狀況下圖像信號(hào)是高度非平穩(wěn)的，很難用Gauss過(guò)程來(lái)刻畫(huà)，并且圖像中的某些突變構(gòu)造例如邊沿信息遠(yuǎn)比圖像平穩(wěn)性重要，用余弦基作圖像信號(hào)的非線性逼近其成果不是最優(yōu)的3。2．JPEG壓縮的研究狀況及其前景2針對(duì)JPEG在高壓縮比狀況下，產(chǎn)生方塊效應(yīng)，解壓圖像較差，近年來(lái)提出了諸多改善辦法，最有效的是下面的兩種辦法：（1）DCT零樹(shù)編碼DCT零樹(shù)編碼把DCT塊中的系數(shù)構(gòu)成log2N個(gè)子帶，然后用零樹(shù)編碼方案實(shí)施編碼。在相似壓縮比的狀況下，其PSNR的值比EZW高。但在高壓縮比的狀況下，方塊效應(yīng)仍是DCT零樹(shù)編碼的致命弱點(diǎn)。（2）層式DCT零樹(shù)編碼此算法對(duì)圖像作的DCT變換，將低頻塊集中起來(lái)，做反DCT變換；對(duì)新得到的圖像做相似變換，如此下去，直到滿足規(guī)定為止。然后對(duì)層式DCT變換及零樹(shù)排列過(guò)的系數(shù)實(shí)施零樹(shù)編碼。JPEG壓縮的一種最大問(wèn)題就是在高壓縮比時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的方塊效應(yīng)，因此在此后的研究中，應(yīng)重點(diǎn)解決DCT變換產(chǎn)生的方塊效應(yīng)，同時(shí)考慮與人眼視覺(jué)特性相結(jié)合實(shí)施壓縮。三、JEPG壓縮JPEG是由ISO/IECJTCISC29原則化小組負(fù)責(zé)制訂的全新靜止圖像壓縮原則。一種最大改善是它采用小波變換替代了余弦變換。3月的東京會(huì)議，擬定了彩色靜態(tài)圖像的新一代編碼方式—JPEG圖像壓縮原則的編碼算法。1．JPEG壓縮原理及特點(diǎn)JPEG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)程重要分為下列幾個(gè)過(guò)程：預(yù)解決、核心解決和位流組織。預(yù)解決部分涉及對(duì)圖像分片、直流電平（DC）位移和分量變換。核心解決部分由離散小波變換、量化和熵編碼構(gòu)成。位流組織部分則涉及區(qū)域劃分、碼塊、層和包的組織。JPEG格式的圖像壓縮比，可在現(xiàn)在的JPEG基礎(chǔ)上再提高10%~30%，并且壓縮后的圖像顯得更加細(xì)膩平滑。對(duì)于現(xiàn)在的JPEG原則，在同一種壓縮碼流中不能同時(shí)提供有損和無(wú)損壓縮，而在JPEG系統(tǒng)中，通過(guò)選擇參數(shù)，能夠?qū)D像實(shí)施有損和無(wú)損壓縮?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的JPEG圖像下載時(shí)是按“塊”傳輸?shù)?，而JPEG格式的圖像支持漸進(jìn)傳輸，這使顧客不必接受整個(gè)圖像的壓縮碼流。由于JPEG采用小波技術(shù)，可隨機(jī)獲取某些感愛(ài)好的圖像區(qū)域（ROI）的壓縮碼流，對(duì)壓縮的圖像數(shù)據(jù)實(shí)施傳輸、濾波等操作4。圖1JPEG壓縮編碼與解壓縮的總體流程2．JPEG壓縮的前景JPEG原則合用于多個(gè)圖像的壓縮編碼。其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑸婕癐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。JPEG圖像壓縮原則將成為21世紀(jì)的主流靜態(tài)圖像壓縮原則。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)施多分辨率分解。其具體過(guò)程為：首先對(duì)圖像實(shí)施多級(jí)小波分解，然后對(duì)每層的小波系數(shù)實(shí)施量化，再對(duì)量化后的系數(shù)實(shí)施編碼。小波圖像壓縮是現(xiàn)在圖像壓縮的熱點(diǎn)之一，已經(jīng)形成了基于小波變換的國(guó)際壓縮原則，如MPEG-4原則，及如上所述的JPEG原則2。2．小波變換圖像壓縮的發(fā)體現(xiàn)狀及前景現(xiàn)在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)中分派樣本圖像編碼（SPIHT）和可擴(kuò)展圖像壓縮編碼（EBCOT）。（1）EZW編碼器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)施空間小波樹(shù)遞歸編碼，有效地剔除了對(duì)高頻系數(shù)的編碼，極大地提高了小波系數(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。EZW算法打破了信息解決領(lǐng)域長(zhǎng)久篤信的準(zhǔn)則：高效的壓縮編碼器必須通過(guò)高復(fù)雜度的算法才干獲得，因此EZW編碼器在數(shù)據(jù)壓縮史上含有里程碑意義。（2）SPIHT編碼器7由Said和Pearlman提出的分層小波樹(shù)集合分割算法（SPIHT）則運(yùn)用空間樹(shù)分層分割辦法，有效地減小了比特面上編碼符號(hào)集的規(guī)模。同EZW相比，SPIHT算法構(gòu)造了兩種不同類型的空間零樹(shù)，更加好地運(yùn)用了小波系數(shù)的幅值衰減規(guī)律。同EZW編碼器同樣，SPIHT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有很大的提高。（3）EBCOT編碼器8優(yōu)化截?cái)帱c(diǎn)的嵌入塊編碼辦法（EBCOT）首先將小波分解的每個(gè)子帶分成一種個(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)施編碼，產(chǎn)生壓縮碼流，成果圖像的壓縮碼流不僅含有SNR可擴(kuò)展并且含有分辨率可擴(kuò)展，還能夠支持圖像的隨機(jī)存儲(chǔ)。比較來(lái)說(shuō)，EBCOT算法的復(fù)雜度較EZW和SPIHT有所提高，其壓縮性能比SPIHT略有提高。小波圖像壓縮被認(rèn)為是現(xiàn)在最有發(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。在后來(lái)的工作中，應(yīng)充足考慮人眼視覺(jué)特性，進(jìn)一步提高壓縮比，改善圖像質(zhì)量。并且考慮將小波變換與其它壓縮辦法相結(jié)合。例如與分形圖像壓縮相結(jié)合是現(xiàn)在的一種研究熱點(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典型圖像編碼技術(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)成為可能。1．分形圖像壓縮的原理分形壓縮重要運(yùn)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，然后每一種子圖像對(duì)應(yīng)一種迭代函數(shù)，子圖像以迭代函數(shù)存儲(chǔ)，迭代函數(shù)越簡(jiǎn)樸，壓縮比也就越大。同樣解碼時(shí)只要調(diào)出每一種子圖像對(duì)應(yīng)的迭代函數(shù)重復(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．幾個(gè)重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，基于分形的不同特性，能夠分成下列幾個(gè)重要的分形圖像編碼辦法。（1）尺碼編碼辦法尺碼編碼辦法是基于分形幾何中運(yùn)用小尺度度量不規(guī)則曲線長(zhǎng)度的辦法，類似于傳統(tǒng)的亞取樣和內(nèi)插辦法，其重要不同之處在于尺度編碼辦法中引入了分形的思想，尺度隨著圖像各個(gè)構(gòu)成部分復(fù)雜性的不同而變化。（2）迭代函數(shù)系統(tǒng)辦法迭代函數(shù)系統(tǒng)辦法是現(xiàn)在研究最多、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有關(guān)的特點(diǎn)，尋找這種自有關(guān)映射關(guān)系的體現(xiàn)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)成壓縮的目的。如果尋得的仿射變換簡(jiǎn)樸而有效，那么迭代函數(shù)系統(tǒng)就能夠達(dá)成極高的壓縮比。（3）A-E-Jacquin的分形方案A-E-Jacquin的分形方案是一種全自動(dòng)的基于塊的分形圖像壓縮方案，它也是一種尋找映射關(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。在此方案中尚有一部分冗余度能夠去除，并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即使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有關(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，因此它的合用范疇很廣。六、其它壓縮算法除了以上幾個(gè)慣用的圖像壓縮辦法以外，尚有：NNT（數(shù)論變換）壓縮、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓縮辦法、Hibert掃描圖像壓縮辦法、自適合多相子帶壓縮辦法等，在此不作贅述。下面簡(jiǎn)樸介紹近年來(lái)任意形狀紋理編碼的幾個(gè)算法10~13。（1）形狀自適合DCT（SA-DCT）算法SA-DCT把一種任意形狀可視對(duì)象分成的圖像塊，對(duì)每塊實(shí)施DCT變換，它實(shí)現(xiàn)了一種類似于形狀自適合GilgeDCT1011變換的有效變換，但它比GilgeDCT變換的復(fù)雜度要低。但是，SA-DCT也有缺點(diǎn)，它把像素推到與矩形邊框的一種側(cè)邊相平齊，因此某些空域有關(guān)性可能丟失，這樣再實(shí)施列DCT變換，就有較大的失真了111415。（2）Egger辦法Egger等人1617提出了一種應(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)施小波變換，接下來(lái)再實(shí)施另一方向的小波變換。此方案，充足運(yùn)用了小波變換的局域特性。但是這個(gè)方案也有它的問(wèn)題，例如可能引發(fā)重要的高頻部分同邊界部分合并，不能確保分布系數(shù)彼此之間有精確的相似相位，以及可能引發(fā)第二個(gè)方向小波分解的不持續(xù)等。（3）形狀自適合離散小波變換（SA-DWT）Li等人提出了一種新穎的任意形狀對(duì)象編碼，SA-DWT編碼18~22。這項(xiàng)技術(shù)涉及SA-DWT和零樹(shù)熵編碼的擴(kuò)展（ZTE），以及嵌入式小波編碼（EZW）。SA-DWT的特點(diǎn)是：通過(guò)SA-DWT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)相似；小波變換的空域有關(guān)性、區(qū)域?qū)傩砸约白訋еg的自相似性，在SA-DWT中都能較好體現(xiàn)出來(lái)；對(duì)于矩形區(qū)域，SA-DWT與傳統(tǒng)的小波變換同樣。SA-DWT編碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)被新的多媒體編碼原則MPEG-4的對(duì)于任意形狀靜態(tài)紋理的編碼所采用。在此后的工作中，能夠充足地運(yùn)用人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像邊沿部分較敏感的特性，嘗試將圖像中感愛(ài)好的對(duì)象分割出來(lái)，對(duì)其邊沿部分、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)施壓縮，這樣能夠使壓縮圖像達(dá)成更大的壓縮比，更加便于傳輸。七、總結(jié)圖像壓縮技術(shù)研究了幾十年，獲得了很大的成績(jī)，但尚有諸多局限性，值得我們進(jìn)一步研究。小波圖像壓縮和分形圖像壓縮是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)，但兩者也有各自的缺點(diǎn)，在此后工作中，應(yīng)與人眼視覺(jué)特性相結(jié)合。總來(lái)說(shuō)之，圖像壓縮是一種非常有發(fā)展前途的研究領(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)展含有久遠(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)解決含有重要的意義。本文介紹了現(xiàn)在幾個(gè)最為重要的圖像壓縮算法：JPEG、JPEG、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。然后介紹了任意形狀可視對(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。核心詞：JPEG；JPEG；分形圖像壓縮；小波變換；任意形狀可視對(duì)象編碼高的規(guī)定，也給現(xiàn)有的有限帶寬以嚴(yán)峻的考驗(yàn)，特別是含有龐大數(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，因此圖像壓縮技術(shù)受到了越來(lái)越多的重視。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)表達(dá)和傳輸，并且規(guī)定復(fù)原