摘 要:图像压缩的目的就是把原来较大的图像用尽量少的字节表示和传输,并且要求复原图像有较好的质量。利用图像压缩与编码技术,可以减轻图像存储和传输的负担,使图像在网络上实现快速传输和实时处理,本文首先从图像压缩编码原理进行分析,针对图像压缩编码的分类的分析,进一步阐述了编码方法及图像压缩技术。
关键词:PCM编码器 图像压缩编码 JPEG压缩
中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2011)04-0059-02
随着多媒体技术和通讯技术的不断发展,多媒体娱乐、信息高速公路等不断对信息数据的存储和传输提出了更高的要求,也给现有的有限带宽以严峻的考验,特别是具有庞大数据量的数字图像通信,更难以传输和存储,极大地制约了图像通信的发展,因此图像压缩编码技术受到了越来越多的关注。
1、图像压缩编码原理
图像压缩编码的原理如图1所示。图中模拟图像信号经过PCM编码器后,再经过压缩编码器、信道编码器送至传输信道。在接收端现则完成它的逆过程。而图像压缩编码是依据图像信号本身的结构和统计上存在冗余和人们视觉特性行的。
图像信号固有的统计表明:相邻相素之间、相邻行之间和相邻帧之间都存在着较强的相关性。利用编码方法在一定程度上消除这些相关性,以便实现图像信息的数据压缩,尽量去掉那些无用的冗余信息,保持有效数据的压缩编码。另一方面,图像最终是由人眼(或经过观测仪器)来看的。根据视觉的生理学、心理学特性,可以允许图像最终经过压缩编码后所得的图像有一定的失真,只要这种失真是一种人们难以觉察的。这种压缩编码属于信息非保持编码。这样,既实现了图像信息的数据压缩,又能使人们的主观视觉看不出经过压缩编码处理后复原图像的区别。因些,用信息非保持编码比起仅用信息保持编码,有更多的数据压缩。
2、图像压缩编码的分类
实现图像压缩编码的方法有很多,对这些方法的分类也有很多。根据恢复图像的准确度可以将图像压缩编码分为三类:信息保持编码、保真度编码和特征提取。从实现方式来分,图像压缩编码可分为概率匹配编码、变换编码和识别编码三大类。图像通信中主要应用变换编码,包括帧内和帧间预测变换,去除空间和时间上的相关性。函数变换也能将图像间的相关性大量去掉,因而其压缩效率很高,并且有很多函数变换及快速算法,可以保证实时处理。为了获得最佳压缩编码效果,一般是多种方法兼用,或以某种方法为主而融入其他方法。
3、常用的图像压缩编码方法
3.1 霍夫曼(Huffman)编码
霍夫曼编码是霍夫曼于1952年提出的一种编码方法,它的基本原理是对那些出现概率较大的信源符号编以较短的代码,而对于那些出现概率较小的信源符号编以较长的代码。霍夫曼编码方法在各种静止和活动图像编码中广泛应用,静止图像编码的JPEG,活动图像编码的H.261、MPEG-1和MPEG-2等国际标准都建议用霍夫曼编码作为统计编码。这种编码码。
3.2 预测变换编码
预测变换编码的原理是利用图像信号的空间和时间冗余特性一,用已知相邻像素(或图像块)来预测当前像素值,再对预测误差进行量化、编码和传输。预测算法的选取,与图像信号的概率分布有关。在实际工作中,要根据大量的统计结果,采用简化的概率分布形式设计最佳的预测器,有时要根据需要还要用自适应预测器,以便更好的描述图像信号的局部特性,提高预测效率。预测编码有两种:一种是帧内预测编码,另一种是帧间预测编码,前者是在一幅图像内进行预测,以消除图像在空间域的相关性;后者是在多幅图像中进行预测,以消除在时间域上的相关性。
3.3 游程长度编码
游程长度编码中的对象不再是每个信源符号本身,而是每种信源符号在信息流中连续出现的长度。以黑白二值图像为例。图像中每一个扫描行由若干段连续的白像素和连续的黑像素组成,分别称为白长和黑长。白长和黑长总是交替出现,这种现象在黑白文件传真更为明显。对于不同长度的白长和黑长,根据出现的概率不同来分别编成不同长度的码字。在一般的视频信号中也有类式的情况,若干个相同亮度或色度的像素相连。不仅如此,人们还常常通过函数变换有意识地构造成片的零值元素,这时同样可以根据长度编码,而不必对每个像素单独编码,从而大大压缩了编码速度。
4、几种压缩技术
4.1 JPEG压缩
JPEG是Joint Photographic Expert Group的缩写,主要用于计算机静止图像的压缩,在用于活动图像时,其算法仅限于帧内,便于编辑。采用JPEG标准可以得到不同压缩比的图像,使图像的质量在得到保证的情况下,可以从每个像素24bit减到每个像素1bit,甚至更小。其原理为:在JPEG算法中,先对图像进行分块处理,一般把图像分成互不重叠的大小的块,再对每一块进行二维离散余弦变换(DCT)。变换后的系数基本上要保持不相关,要求系数矩阵的能量集中在低频区,根据量化表进行量化,量化的结果保留了低频部分的系数,去掉了高频部分的系数。量化后的系数按zigzag扫描重新组织,然后进行哈夫曼编码。JPEG的特点如下:
优点:(1)形成了国际标准;(2)具有中端和高端比特率上的良好图像质量。
缺点:(1)由于对图像进行分块,在高压缩比时产生严重的方块效应;(2)系数进行量化,是有损压缩;(3)压缩比不高,小于50。
4.2 JEPG2000压缩
JPEG2000是由ISO/IEC JTCISC29标准化小组负责制定的全新静止图像压缩标准。一个最大改进是它采用小波变换代替了余弦变换。其压缩原理及特点是:PEG2000编码过程主要分为以下几个过程:预处理、核心处理和位流组织。预处理部分包括对图像分片、直流电平(DC)位移和分量变换。核心处理部分由离散小波变换、量化和熵编码组成。位流组织部分则包括区域划分、码块、层和包的组织。JPEG2000格式的图像压缩比,可在现在的JPEG基础上再提高10%～30%,而且压缩后的图像显得更加细腻平滑。对于目前的JPEG标准,在同一个压缩码流中不能同时提供有损和无损压缩,而在JPEG2000系统中,通过选择参数,能够对图像进行有损和无损压缩。现在网络上的JPEG图像下载时是按“块”传输的,而JPEG2000格式的图像支持渐进传输,这使用户不必接收整个图像的压缩码流。由于JPEG2000采用小波技术,可随机获取某些感兴趣的图像区域(ROI)的压缩码流,对压缩的图像数据进行传输、滤波等操作。
4.3 小波变换图像压缩
小波变换图像压缩原理:小波变换用于图像编码的基本思想就是把图像根据Mallat塔式快速小波变换算法进行多分辨率分解。其具体过程为:首先对图像进行多级小波分解,然后对每层的小波系数进行量化,再对量化后的系数进行编码。小波图像压缩是当前图像压缩的热点之一,已经形成了基于小波变换的国际压缩标准,如MPEG-4标准,及如上所述的PEG2000标准。
4.4 分形图像压缩
1988年,Barnsley通过实验证明分形图像压缩可以得到比经典图像编码技术高几个数量级的压缩比。1990年,Barnsley的学生A.E.Jacquin提出局部迭代函数系统理论后,使分形用于图像压缩在计算机上自动实现成为可能。其原理为:分形压缩主要利用自相似的特点,通过迭代函数系统(Iterated Function System,IFS)实现。其理论基础是迭代函数系统定理和拼贴定理。分形图像压缩把原始图像分割成若干个子图像,然后每一个子图像对应一个迭代函数,子图像以迭代函数存储,迭代函数越简单,压缩比也就越大。同样解码时只要调出每一个子图像对应的迭代函数反复迭代,就可以恢复出原来的子图像,从而得到原始图像
除了以上几种常用的图像压缩方法以外,还有:NNT(数论变换)压缩、基于神经网络的压缩方法、Hibert扫描图像压缩方法、自适应多相子带压缩方法等
5、结语
图像压缩与编码技术研究了几十年,取得了很大的成绩,但还存在着很多不足之处,值得我们进一步研究和探讨。虽然小波图像压缩和分形图像压缩是当前研究的热点,但二者也有各自的缺点,在今后的研究中,要与人眼视觉特性相结合。总而言之,图像压缩与编码技术是一个非常有发展前途的研究领域,这一领域的突破对于我们的信息生活和通信事业的发展具有深远的影响。
参考文献
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