數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的設(shè)計(jì)研究與發(fā)展分析范文.doc

專業(yè)資料分享 手機(jī)通信編程課程論文 題 目 數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的研究及發(fā)展分析 學(xué)生姓名 王李超 學(xué) 號(hào) 20102334038 院 系 濱江學(xué)院 電子工程 專 業(yè) 通信工程 2012年06 月數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的研究及發(fā)展分析學(xué)號(hào)：20102334038 姓名 王李超 專業(yè) 通信工程摘要:數(shù)字圖像壓縮技術(shù)對于數(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。然后簡介了任意形狀可視對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:數(shù)字圖像;圖像壓縮;壓縮技術(shù);任意形狀可視對象編碼1.數(shù)字圖像壓縮1.1.1、JPEG壓縮負(fù)責(zé)開發(fā)靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的“聯(lián)合圖片專家組”(Joint Photographic Expert Group,簡稱JPEG),于1989年1月形成了基于自適應(yīng)DCT的JPEG技術(shù)規(guī)范的第一個(gè)草案,其后多次修改,至1991年形成ISO10918國際標(biāo)準(zhǔn)草案,并在一年后成為國際標(biāo)準(zhǔn),簡稱JPEG標(biāo)準(zhǔn)。1.1.JPEG壓縮原理及特點(diǎn)JPEG算法中首先對圖像進(jìn)行分塊處理,一般分成互不重疊的 大小的塊,再對每一塊進(jìn)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)量化表進(jìn)行量化,量化的結(jié)果保留了低頻部分的系數(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,然后進(jìn)行哈夫曼編碼。JPEG的特點(diǎn)如下:優(yōu)點(diǎn):(1)形成了國際標(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)由于對圖像進(jìn)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)進(jìn)行量化,是有損壓縮;(3)壓縮比不高,小于50。 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過程來刻畫,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。 1.1.2、JEPG2000壓縮JPEG2000是由ISO/IEC JTCISC29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.JPEG2000壓縮原理及特點(diǎn)編碼過程主要分為以下幾個(gè)過程:預(yù)處理、核心處理和位流組織。預(yù)處理部分包括對圖像分片、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。JPEG2000格式的圖像壓縮比,可在現(xiàn)在的JPEG基礎(chǔ)上再提高10%30%,而且壓縮后的圖像顯得更加細(xì)膩平滑。對于目前的JPEG標(biāo)準(zhǔn),在同一個(gè)壓縮碼流中不能同時(shí)提供有損和無損壓縮,而在JPEG2000系統(tǒng)中,通過選擇參數(shù),能夠?qū)D像進(jìn)行有損和無損壓縮?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的JPEG圖像下載時(shí)是按“塊”傳輸?shù)?而JPEG2000格式的圖像支持漸進(jìn)傳輸,這使用戶不必接收整個(gè)圖像的壓縮碼流。由于JPEG2000采用小波技術(shù),可隨機(jī)獲取某些感興趣的圖像區(qū)域(ROI)的壓縮碼流,對壓縮的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、濾波等操作。 圖1 JPEG2000壓縮編碼與解壓縮的總體流程2.JPEG2000壓縮的前景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)字圖書館和電子商務(wù)等。JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)將成為21世紀(jì)的主流靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。1.3.1.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進(jìn)行多分辨率分解。其具體過程為:首先對圖像進(jìn)行多級小波分解,然后對每層的小波系數(shù)進(jìn)行量化,再對量化后的系數(shù)進(jìn)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際壓縮標(biāo)準(zhǔn),如MPEG-4標(biāo)準(zhǔn),及如上所述的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn) 。 目前3個(gè)最高等級的小波圖像編碼分別是嵌入式小波零樹圖像編碼(EZW),分層樹中分配樣本圖像編碼(SPIHT)和可擴(kuò)展圖像壓縮編碼(EBCOT)。(1)EZW編碼器1993年,Shapiro引入了小波“零樹”的概念,通過定義POS、NEG、IZ和ZTR四種符號(hào)進(jìn)行空間小波樹遞歸編碼,有效地剔除了對高頻系數(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算法打破了信息處理領(lǐng)域長期篤信的準(zhǔn)則:高效的壓縮編碼器必須通過高復(fù)雜度的算法才能獲得,因此EZW編碼器在數(shù)據(jù)壓縮史上具有里程碑意義。(2)EBCOT編碼器 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)相對獨(dú)立的碼塊,然后使用優(yōu)化的分層截?cái)嗨惴▽@些碼塊進(jìn)行編碼,產(chǎn)生壓縮碼流,結(jié)果圖像的壓縮碼流不僅具有SNR可擴(kuò)展而且具有分辨率可擴(kuò)展,還可以支持圖像的隨機(jī)存儲(chǔ)。比較而言,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小波系數(shù)的編碼問題上。在以后的工作中,應(yīng)充分考慮人眼視覺特性,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)。(3)SPIHT編碼器 由Said和Pearlman提出的分層小波樹集合分割算法(SPIHT)則利用空間樹分層分割方法,有效地減小了比特面上編碼符號(hào)集的規(guī)模。同EZW相比,SPIHT算法構(gòu)造了兩種不同類型的空間零樹,更好地利用了小波系數(shù)的幅值衰減規(guī)律。同EZW編碼器一樣,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。1.4、分形圖像壓縮1988年,Barnsley通過實(shí)驗(yàn)證明分形圖像壓縮可以得到比經(jīng)典圖像編碼技術(shù)高幾個(gè)數(shù)量級的壓縮比。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。1.4.1. 分形圖像壓縮的原理分形壓縮主要利用自相似的特點(diǎn),通過迭代函數(shù)系統(tǒng)(Iterated Function System, 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)子圖像對應(yīng)的迭代函數(shù)反復(fù)迭代,就可以恢復(fù)出原來的子圖像,從而得到原始圖像。1.4.2.幾種主要分形圖像編碼技術(shù) 隨著分形圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展,越來越多的算法被提出,基于分形的不同特征,可以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利用小尺度度量不規(guī)則曲線長度的方法,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)方法是目前研究最多、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在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,并通過存儲(chǔ)比原圖像數(shù)據(jù)量小的仿射系數(shù),來達(dá)到壓縮的目的。如果尋得的仿射變換簡單而有效,那么迭代函數(shù)系統(tǒng)就可以達(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)的基于塊的分形圖像壓縮方案,它也是一個(gè)尋找映射關(guān)系的過程,但尋找的對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可以去除,而且其解碼圖像中存在著明顯的方塊效應(yīng)。1.5、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、自適應(yīng)多相子帶壓縮方法等,在此不作贅述。下面簡單介紹近年來任意形狀紋理編碼的幾種算法10 13。(1)形狀自適應(yīng)DCT(SA-DCT)算法SA-DCT把一個(gè)任意形狀可視對象分成 的圖像塊,對每塊進(jìn)行DCT變換,它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)類似于形狀自適應(yīng)Gilge DCT1011變換的有效變換,但它比Gilge DCT變換的復(fù)雜度要低。可是,SA-DCT也有缺點(diǎn),它把像素推到與矩形邊框的一個(gè)側(cè)邊相平齊,因此一些空域相關(guān)性可能丟失,這樣再進(jìn)行列DCT變換,就有較大的失真了111415。(2)形狀自適應(yīng)離散小波變換(SA-DWT)Li等人提出了一種新穎的任意形狀對象編碼,SA-DWT編碼1822。這項(xiàng)技術(shù)包括SA-DWT和零樹熵編碼的擴(kuò)展(ZTE),以及嵌入式小波編碼(EZW)。SA-DWT的特點(diǎn)是:經(jīng)過SA-DWT之后的系數(shù)個(gè)數(shù),同原任意形狀可視對象的像素個(gè)數(shù)相同;小波變換的空域相關(guān)性、區(qū)域?qū)傩砸约白訋еg的自相似性,在SA-DWT中都能很好表現(xiàn)出來;對于矩形區(qū)域,SA-DWT與傳統(tǒng)的小波變換一樣。SA-DWT編碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)被新的多媒體編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4的對于任意形狀靜態(tài)紋理的編碼所采用。在今后的工作中,可以充分地利用人類視覺系統(tǒng)對圖像邊緣部分較敏感的特性,嘗試將圖像中感興趣的對象分割出來,對其邊緣部分、內(nèi)部紋理部分和對象之外的背景部分按不同的壓縮比進(jìn)行壓縮,這樣可以使壓縮圖像達(dá)到更大的壓縮比,更加便于傳輸。(3)Egger方法Egger等人1617提出了一個(gè)應(yīng)用于任意形狀對象的小波變換方案。在此方案中,首先將可視對象的行像素推到與邊界框的右邊界相平齊的位置,然后對每行的有用像素進(jìn)行小波變換,接下來再進(jìn)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。然而這一方案也有它的問題,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)彼此之間有正確的相同相位,以及可能引起第二個(gè)方向小波分解的不連續(xù)等。2數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)所涉及的知識(shí)面十分廣闊，具體方法種類繁多，應(yīng)用也極為普遍，人們對監(jiān)控圖像質(zhì)量的要求越來越高，提升監(jiān)控圖像的實(shí)用價(jià)值已經(jīng)成為社會(huì)向整個(gè)監(jiān)控行業(yè)提出的新要求，在這樣的形式下，數(shù)字圖像處理技術(shù)在監(jiān)控行業(yè)有哪些具體運(yùn)用？影響監(jiān)控圖像處理技術(shù)的兩大因素是什么？現(xiàn)在的主流視頻圖像處理技術(shù)又是什么？ 2.1.1、將（運(yùn)動(dòng)）目標(biāo)從視頻圖像中分離出來。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測是數(shù)字圖像處理技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，它是計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、運(yùn)動(dòng)圖像編碼、安全監(jiān)控等研究領(lǐng)域的重點(diǎn)與難點(diǎn)，在軍事、國防和工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的視頻（運(yùn)動(dòng)）探測其實(shí)是亮度探測，并沒有發(fā)揮視頻監(jiān)控圖像處理技術(shù)的特點(diǎn)。確定圖像中是否有探測目標(biāo)（人、物等），并將目標(biāo)從背景圖像中分離出來是圖像內(nèi)容分析的首要任務(wù)，進(jìn)而對目標(biāo)分類、統(tǒng)計(jì)、關(guān)聯(lián)。判斷圖像中有無目標(biāo)、目標(biāo)的復(fù)合或離散等也是圖像過濾的基礎(chǔ)。 2.2.2、對目標(biāo)進(jìn)行行為分析，判定其運(yùn)動(dòng)的方向、方式，并能發(fā)現(xiàn)和告警異常的行為；產(chǎn)生目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并能進(jìn)行目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤。實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤是很難的事，它要求系統(tǒng)能分析、預(yù)測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并能實(shí)時(shí)地作出修正。同時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)過程與伺服機(jī)構(gòu)間傳遞函數(shù)的非線性，伺服系統(tǒng)也是很復(fù)雜的。 2.2.3、實(shí)現(xiàn)視頻語義的解析，圖像處理分析的最高層次。通過對一個(gè)圖像序列作出分析，得出其包含的真實(shí)信息，可以與話音的語義解析（已有了初步的成果）結(jié)合起來，逐步實(shí)現(xiàn)視頻語義的解析，如通過對大量的、多渠道的圖像資料的分析，得出社會(huì)對某一事件的反映程度；分析和統(tǒng)計(jì)某類事件發(fā)生，發(fā)展的規(guī)律（概率及時(shí)間、地域分布等）。能夠進(jìn)行這樣分析，表明機(jī)器具有了與人一樣的理解圖像的能力，但具有人所不能達(dá)到的效率。比如現(xiàn)在的博物館利用智能分析處理技術(shù)為商情決策提供依據(jù)。3.其他應(yīng)用引例Internet防火墻技術(shù)內(nèi)容摘要：1.防火墻技術(shù)防火墻技術(shù)是建立在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息安全技術(shù)基礎(chǔ)上的應(yīng)用性安全技術(shù)，越來越多地應(yīng)用于專用網(wǎng)絡(luò)與公用網(wǎng)絡(luò)的互連環(huán)境之中，尤以Internet網(wǎng)絡(luò)為最甚。Internet的迅猛發(fā)展，使得防火墻產(chǎn)品在短短的幾年內(nèi)異軍突起，很快形成了一個(gè)產(chǎn)業(yè)：1995年，剛剛面市的防火墻技術(shù)產(chǎn)品市場量還不到1萬套；到1996年底，就猛增到10萬套；據(jù)國際權(quán)威商業(yè)調(diào)查機(jī)構(gòu)的預(yù)測，防火墻市場將以173%的復(fù)合增長率增長，今年底將達(dá)到150萬套，市場營業(yè)額將從1995年的1.6億美元上升到今年的9.8億美元。為了更加全面地了解Internet防火墻及其發(fā)展過程，特別是第四代防火墻的技術(shù)特色，我們非常有必要從產(chǎn)品和技術(shù)角度計(jì)算機(jī)審計(jì)在國內(nèi)發(fā)展以及運(yùn)用內(nèi)容摘要：一、發(fā)展計(jì)算機(jī)審計(jì)的必要性1、拓寬審計(jì)范圍，全面開展審計(jì)監(jiān)督一方面，審計(jì)人員借助于審計(jì)軟件，利用計(jì)算機(jī)提供的程序輸入必要的條件進(jìn)行樣本抽取，對異常項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)查測試，以確定審計(jì)重點(diǎn)，并可以在一定范圍內(nèi)逐筆審計(jì)，使得審計(jì)內(nèi)容更加廣泛，審計(jì)人員可以不再由于時(shí)間和工作量的原因而縮小審計(jì)范圍。另一方面，在計(jì)算機(jī)審計(jì)條件下可以利用計(jì)算機(jī)快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，積極開展事前審計(jì)、事中審計(jì)和效益審計(jì)，擴(kuò)大審計(jì)范圍、提高審計(jì)工作質(zhì)量、減少審計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，使全面審計(jì)成為可能。2、科學(xué)統(tǒng)計(jì)與抽樣，提高審計(jì)工作效率會(huì)計(jì)電算化提供的電子賬是肉眼不可見的，對不懂計(jì)算機(jī)的審計(jì)人員來說是風(fēng)險(xiǎn)，但對可以用計(jì)算機(jī)查賬的審計(jì)人員來說是有利條件。審計(jì)人員利用計(jì)算機(jī)多媒體科技在革新能力培育中運(yùn)用內(nèi)容摘要：跨入21世紀(jì)，知識(shí)經(jīng)濟(jì)已成為主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)。知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)