圖像壓縮方法的論述及分析

1、.圖像壓縮方法的論述及分析*摘要：在信息化時代，為實(shí)現(xiàn)圖像的有效處理、存儲和傳輸，圖像的壓縮是必不可少的。本文全面的論述了圖像壓縮的原理、圖像壓縮方法的分類以及常用圖像壓縮方法，最后從圖像壓縮的無損壓縮和有損壓縮的角度，對一些常用的圖像壓縮方法進(jìn)行了簡要的比較。關(guān)鍵詞：圖像壓縮、壓縮原理、圖像壓縮方法、無損壓縮、有損壓縮.0 前言在信息環(huán)境中，大量的信息是以數(shù)字化的方式表示、存儲和傳輸?shù)模@些數(shù)字化信息中圖像信息又占了絕大部分。但是數(shù)字化后，圖像具有信息量大、帶寬寬等特點(diǎn)，為了對圖像實(shí)行有效的處理、存儲和傳輸，必須做到：1）需要增加信道，但這很有限，因為信道的增加永遠(yuǎn)趕不上信息的爆炸式增長，

2、況且還要受到環(huán)境的限制：2）必須減少表示圖像的數(shù)據(jù)量，以達(dá)到壓縮圖像數(shù)據(jù)的目的。 故在如今這樣一個發(fā)展日新月異的信息化時代，圖像數(shù)據(jù)壓縮具有相當(dāng)?shù)谋匾? 圖像壓縮的原理由于圖像數(shù)據(jù)之間存在著一定的冗余，所以使得數(shù)據(jù)的壓縮成為可能。信息論的創(chuàng)始人Shannon提出把數(shù)據(jù)看作是信息和冗余度（redundancy）的組合。所謂冗余度，是由于一副圖像的各像素之間存在著很大的相關(guān)性，可利用一些編碼的方法刪去它們，從而達(dá)到減少冗余壓縮數(shù)據(jù)的目的。1.1 圖像冗余1圖像的冗余包括以下幾種：1）空間冗余：像素點(diǎn)之間的相關(guān)性。2）時間冗余：活動圖像的兩個連續(xù)幀間的冗余。3）信息熵冗余：單位信息量大于其熵。4）

3、結(jié)構(gòu)冗余：圖像的區(qū)域上存在非常強(qiáng)的紋理結(jié)構(gòu)。5）知識冗余：有固定的結(jié)構(gòu)，如人的頭像。6）視覺冗余：某些圖像失真是人眼不易覺察的。1.2 壓縮原理對數(shù)字圖像進(jìn)行壓縮通常利用兩個基本原理：1）數(shù)字圖像的相關(guān)性。在圖像的同一行相鄰像素之間、活動圖像的相鄰幀的對應(yīng)像素之間往往存在很強(qiáng)的相關(guān)性，去除或減少這些相關(guān)性，也就去除或減少圖像信息中的冗余度，即實(shí)現(xiàn)了對數(shù)字圖像的壓縮。2）人的視覺心理特征。人的視覺對于邊緣急劇變化不敏感(視覺掩蓋效應(yīng))，對顏色分辨力弱，利用這些特征可以在相應(yīng)部分適當(dāng)降低編碼精度，而使人從視覺上并不感覺到圖像質(zhì)量的下降，從而達(dá)到對數(shù)字圖像壓縮的目的。典型的圖像壓縮系統(tǒng)主要由三部分組

4、成：變換部分（Transformer）、量化部分（Quantize）、和編碼部分（Coder）2。變換部分 它體現(xiàn)了輸入原始圖像和經(jīng)過變換的圖像的一一對應(yīng)關(guān)系。變換也稱為去除相關(guān)，它減少了圖像中的冗余信息，與輸入原始圖像數(shù)據(jù)相比，變換后的圖像數(shù)據(jù)提供了一種更易于壓縮的圖像數(shù)據(jù)表示形式。量化部分 量化部分把經(jīng)過變換的圖像數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行處理后，會得到有限數(shù)目的一些符號。一般而言，這一步會帶來信息的損失，而這也恰是有損壓縮方法和無損壓縮方法之間主要的區(qū)別。在無損壓縮方法中，這一步驟并不存在，這是一個不可逆的過程，原因就在于這是多到一映射，存在有兩種量化類型：標(biāo)量量化與矢量量化，前者是在一個像素、一

5、個像素的基礎(chǔ)上量化，而后者對像素向量進(jìn)行量化。編碼部分 這是壓縮過程中最后一個步驟。這個部分將經(jīng)過變換的系數(shù)（量化或未量化）編碼為二進(jìn)制位流，這個部分可以采用固定長編碼，或變動長度編碼。2 圖像壓縮方法圖像壓縮，也稱數(shù)字圖像壓縮，有時又稱為圖像壓縮編碼或圖像編碼。圖像壓縮編碼包括圖像數(shù)據(jù)的壓縮和編碼表示，也就是將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為盡可能不相關(guān)的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)編碼，就是用某種方式對信息的符號進(jìn)行表示。數(shù)據(jù)壓縮中所指的數(shù)據(jù)編碼是通過選用有效的表示方法，減少表示信息的數(shù)據(jù)量，從而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。2.1 圖像壓縮方法分類3圖像壓縮方法有許多種，從不同的角度出發(fā)有不同的分類方法，比如：1）按照壓縮前及解

6、壓后的信息保持程度分成以下三類：（1）信息保持型壓縮、解壓中無信息損失，主要用于圖像存檔，其特點(diǎn)是信息無失真，但壓縮比有限，也稱無失真/無損/可逆型編碼。（2）信息損失型犧牲部分信息，來獲取高壓縮比，數(shù)字電視、圖像傳輸和多媒體等應(yīng)用場合常用這類壓縮，其特點(diǎn)是通過忽略人的視覺不敏感的次要信息來提高壓縮比，也稱有損壓縮。（3）特征抽取型僅對于實(shí)際需要的特征信息進(jìn)行編碼，而丟掉其它非特征信息，屬于信息損失型。第三類是針對特殊的應(yīng)用場合，因此，一般就將圖像壓縮編碼分成無損壓縮和有損壓縮兩大類。2）按照圖像壓縮的方法原理可分成四類：（1）像素編碼 編碼時只對每個像素單獨(dú)處理。如脈沖編碼調(diào)制、熵編碼、行程

7、編碼等。（2）預(yù)測編碼 通過去除相鄰像素之間的相關(guān)性和冗余性，只對新的信息進(jìn)行編碼。常用的有差分脈沖編碼調(diào)制。（3）變換編碼 對給定圖像采用某種變換，使得大量的信息能用較少的數(shù)來表示。通常采用的變換包括：離散傅立葉變換（DFT），離散余弦變換 (DCT)和離散小波變換 (DWT)。（4）其它方法 早期的編碼，如混合編碼、矢量量化、LZW算法。近些年來也出現(xiàn)了很多新的壓縮編碼方法，如使用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的壓縮編碼算法、分形編碼算法、小波變換壓縮方法、基于對象的壓縮編碼算法、基于模型的壓縮編碼算法等。3）按照壓縮對象上來看，可分為靜止圖像壓縮和運(yùn)動圖像壓縮。針對靜止圖像和運(yùn)動圖像的壓縮，它們所采用的

8、圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的，如靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)為JPEG、JPEG2000，動態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)為H.261、H.263、H.264、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7 等等。2.2 常用圖像壓縮方法4,5圖像壓縮研究始于1948年，至今已提出或產(chǎn)生了多種的圖像壓縮方法。自1988年以來，各種圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的相繼產(chǎn)生，圖像壓縮研究也取得了重要的進(jìn)展。在此，把1988 年以前主要研究的壓縮編碼方法通常稱為“經(jīng)典方法”或“傳統(tǒng)方法”，其后提出的具有重要發(fā)展前景的方法稱為“現(xiàn)代方法”。2.2.1 經(jīng)典方法1）行程長度編碼（RLE）行程長度編碼（run-length encoding

9、）是壓縮一個文件最簡單的方法之一。它的做法是把一系列的重復(fù)值（如圖像像素的灰度值）用一個單獨(dú)的值再加上一個計數(shù)值來取代。比如有這樣一個字母序列aabbbccccccccdddddd，它的行程長度編碼就是2a3b8c6d。這種方法實(shí)現(xiàn)起來很容易，而且對于具有長重復(fù)值的串的壓縮編碼很有效。例如對于有大面積的連續(xù)陰影或者顏色相同的圖像，使用這種方法壓縮效果很好。很多位圖文件格式都用行程長度編碼，例如TIFF，PCX，GEM 等。2）LZW 編碼LZW 編碼原理是將每一個字節(jié)的值都要與下一個字節(jié)的值配成一個字符對，并為每個字符對設(shè)定一個代碼。當(dāng)同樣的一個字符對再度出現(xiàn)時，就用代號代替這一字符對，然后再

10、以這個代號與下個字符配對。LZW 編碼原理的一個重要特征是，代碼不僅僅能取代一串同值的數(shù)據(jù)，也能夠代替一串不同值的數(shù)據(jù)。在圖像數(shù)據(jù)中若有某些不同值的數(shù)據(jù)經(jīng)常重復(fù)出現(xiàn)，也能找到一個代號來取代這些數(shù)據(jù)串。在此方面，LZW 壓縮原理是優(yōu)于RLE 的。3）霍夫曼編碼（Huffman）霍夫曼編碼是一種基于統(tǒng)計的壓縮編碼方法。它是通過用不固定長度的編碼代替原始數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的?；舴蚵幋a最初是為了對文本文件進(jìn)行壓縮而建立的，迄今已經(jīng)有很多變體。它的基本思路是出現(xiàn)頻率越高的值，其對應(yīng)的編碼長度越短，反之出現(xiàn)頻率越低的值，其對應(yīng)的編碼長度越長。例如：假設(shè)信源符號為（a、b、c、d、e、f、g），其出現(xiàn)的概率相應(yīng)的

11、為（0.25、0.025、0.025、0.05、0.35、0.25、0.05），共7 個字符。對其進(jìn)行Huffman編碼，算法為：按照每個字符出現(xiàn)的頻率大小從左到右排列：0.35、0.25、0.25、0.05、0.05、0.025、0.025。選出最小的兩個值作為葉子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一棵二叉樹，值較大的葉子節(jié)點(diǎn)在左，兩個葉子節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的頻率之和作為根節(jié)點(diǎn)。把原排列中最小的兩個節(jié)點(diǎn)刪除，新的根節(jié)點(diǎn)插入排列保持大小從左到右的排列順序不變；重復(fù)執(zhí)行，直到最后得到值為1 的根節(jié)點(diǎn)。得到一棵Huffman樹，如圖1 所示。圖1 Huffman編碼示意圖4）預(yù)測及內(nèi)插編碼一般在圖像中局部區(qū)域的象素是高度相關(guān)的，因此

12、可以用先前的象素的有關(guān)灰度知識來對當(dāng)前象素的灰度進(jìn)行預(yù)計，這就是預(yù)測。而所謂內(nèi)插就是根據(jù)先前的和后來的象素的灰度知識來推斷當(dāng)前象素的灰度情況。如果預(yù)測和內(nèi)插是正確的，則不必對每一個象素的灰度都進(jìn)行壓縮，而是把預(yù)測值與實(shí)際象素值之間的差值經(jīng)過熵編碼后發(fā)送到接收端。在接收端通過預(yù)測值加差值信號來重建原象素。5）矢量量化編碼矢量量化編碼利用相鄰圖像數(shù)據(jù)間的高度相關(guān)性，將輸入圖像數(shù)據(jù)序列分組，每一組m 個數(shù)據(jù)構(gòu)成一個m 維矢量，一起進(jìn)行編碼，即一次量化多個點(diǎn)。根據(jù)仙農(nóng)率失真理論，對于無記憶信源，矢量量化編碼總是優(yōu)于標(biāo)量量化編碼。編碼前，先通過大量樣本的訓(xùn)練或?qū)W習(xí)或自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，得到一系列

13、的標(biāo)準(zhǔn)圖像模式，每一個圖像模式就稱為碼字或碼矢，這些碼字或碼矢合在一起稱為碼書，碼書實(shí)際上就是數(shù)據(jù)庫。輸入圖像塊按照一定的方式形成一個輸入矢量。編碼時用這個輸入矢量與碼書中的所有碼字計算距離，找到距離最近的碼字，即找到最佳匹配圖像塊。輸出其索引（地址）作為編碼結(jié)果。2.2.2 現(xiàn)代方法1）小波變換壓縮方法小波變換把圖像分解成逼近圖像和細(xì)節(jié)圖像之和，它們分別代表圖像的不同結(jié)構(gòu)，然后采用快速算法(Mallat) 進(jìn)行壓縮，可以獲得很高的壓縮比?；谛〔ㄗ儞Q的圖像壓縮算法首先使用某種小波基函數(shù)將圖像作小波變換，再根據(jù)4個通道的不同情況，分別量化編碼，比如對低頻頻段(LL)采用較多的量化級別，而對中間

14、頻段(LH，RH)采用較少量化級別，對高頻頻段(HH)采用很少幾個量化級別，這樣根據(jù)重構(gòu)時對復(fù)原信號的重要程度分別對待的方式可以有效地提高壓縮比而又不產(chǎn)生明顯的失真。小波變換在靜態(tài)圖像壓縮中的作用已經(jīng)得到公認(rèn)，為JPEG2000 標(biāo)準(zhǔn)所采納。小波變換應(yīng)用于圖像壓縮時，本質(zhì)上是對原始圖像的小波系數(shù)進(jìn)行重組處理，然后用處理后的小波系數(shù)恢復(fù)圖像，在實(shí)際的信號壓縮標(biāo)準(zhǔn)中(如JPEG2000)，一般采用支集長度為9 和7 的雙正交小波，該方法容錯性比較好，因此更適合實(shí)際的應(yīng)用。2）離散余弦變換壓縮法離散余弦變換(DCT)是與傅里葉變換相關(guān)的一種變換，它類似于離散傅里葉變換(DFT)，但是只使用實(shí)數(shù)。由于

15、離散余弦變換具有很強(qiáng)的”能量集中”特性：大多數(shù)的自然信號(包括聲音和圖像)的能量都集中在離散余弦變換后的低頻部分，而且當(dāng)信號具有接近馬爾科夫過程的統(tǒng)計特性時，離散余弦變換的去相關(guān)性接近于K-L變換(具有最優(yōu)的去相關(guān)性)的性能。故離散余弦變換用于對圖像(包括靜止圖像和運(yùn)動圖像)進(jìn)行有損壓縮。離散余弦變換公式為:其中 公式表明: DCT 對一個NN的方陣P 進(jìn)行處理，得到一個NN的頻率系數(shù)方陣F。3）分形編碼法分形法是基于物質(zhì)的自相似性，在編碼時將信號分解為若干分形子圖，提取其迭代函數(shù)系統(tǒng)代碼(IFS代碼)?；謴?fù)時則由該代碼按規(guī)律迭代重構(gòu)各子圖?；贗FS的分形法編碼壓縮過程應(yīng)包括以下步驟：(1)

16、將原圖預(yù)分割成若干分形子圖，使每一子圖具有一定的分形結(jié)構(gòu)。目前這一步需要采用圖像處理、計算機(jī)視覺和模式識別的技術(shù)，經(jīng)過反復(fù)試湊才能完成。(2)對每一子圖提取IFS代碼。即將子圖置于計算機(jī)屏幕上，采用伸縮、平移、旋轉(zhuǎn)或仿射手段，對子圖進(jìn)行壓縮獲得一組仿射變換參量，便可得到該子圖的IFS代碼。(3)對IFS代碼采用經(jīng)典的編碼方法進(jìn)行編碼。(4)譯碼形成IFS代碼。(5)由IFS代碼，利用隨機(jī)迭代法獲取相應(yīng)的重構(gòu)子圖。(6)把各重構(gòu)子圖拼成恢復(fù)圖像。對于一定的整體與局部存在明顯相似性或仿射性的分形圖像類，這種方法可以取得很高的壓縮比。2.2.3 復(fù)合壓縮方法各種壓縮方法適用的場合不同，達(dá)到的效果也不

17、同，為了充分利用各自的優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)，相應(yīng)產(chǎn)生了多種復(fù)合方法: 如基于小波變換的分形圖像壓縮; 基于DCT 的分形圖像壓縮; 基于非均勻分割和基礎(chǔ)表的圖像壓縮; 基于小波變換和矢量量化的圖像壓縮; 基于二值圖像壓縮編碼的前處理等等。3 討論與比較圖像壓縮方法主要分為兩大類：有損壓縮和無損壓縮。它們間的主要區(qū)別在于壓縮前和解壓后的圖像是否失真。有損壓縮又稱失真度編碼，是不可逆的，壓縮比較大，一般在50：1左右，而無損壓縮稱信息保持編碼或熵編碼，壓縮前后沒有失真，從數(shù)學(xué)上講是一種可逆運(yùn)算，壓縮比一般不大，在2：1至3：1之間。就目前圖像壓縮方法來看，有損壓縮包括：預(yù)測編碼、離散余弦變換壓縮法、統(tǒng)計

18、分塊編碼、子帶編碼、比特分配及矢量量化等，其中這些壓縮方法采取的方法又不一樣，如離散余弦變換壓縮法和子帶編碼是基于頻率域方法；統(tǒng)計分塊編碼是基于空間域方法；分形編碼是根據(jù)模型方法構(gòu)造分形塊；而比特分配和矢量量化是基于圖像信息的重要性的。無損壓縮包括：Huffman編碼、算術(shù)編碼、行程編碼（RLE）和LZW編碼等，其中Huffman編碼在無失真編碼方法中，是一種較有效的編碼方法。Huffman編碼是一種長度不均勻的，平均碼率可以接近信息熵值的一種編碼，其最高壓縮效率可達(dá)到81。行程編碼是相對簡單的一種編碼，對于僅包含很少幾個灰度級的圖像，特別是二值圖像，比較有效。相對行程編碼而言，LZW編碼不僅能取代一串同值的數(shù)據(jù)，也能夠代替一串不同值的數(shù)據(jù)，故LZW壓縮原理是優(yōu)于RLE 的。通常，無損壓縮編碼法是將數(shù)字圖像資料一絲不漏地送去壓縮，還原回來的資料和