對于數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的研究及發(fā)展分析

對于數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的研究及發(fā)展分析

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)上實現(xiàn)快速傳輸和實時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Abstract:Digitalimagecompressiontechnologyisofspecialintrestforthefasttransmissionandreal-timeprocesssingofdigitalimageinformationontheinternet.Thepaperintroducesseveralkindsofthemostimportantimagecompressionalgorithmsatpresent:JPEG，JPEG2000，fractalimagecompressionandwavelettransformationimagecompression，andsummarizestheiradvantageanddisadvantageanddevelopmentprospect.Thenitintroducessimplythepresentdevelopmentofcodingalgorithmsaboutarbitraryshapevideoobject，andindicatesthealgorithmshaveahighcompressionrate.Keyword:Digitalimage;Imagecompression;Compresstechnique;Arbitraryshapevisibleobjectcode一、引言隨著多媒體技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，多媒體娛樂、信息高速公路等不斷對信息數(shù)據(jù)的存儲和傳輸提出了更高的要求，也給現(xiàn)有的有限帶寬以嚴峻的考驗，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，極大地制約了圖像通信的發(fā)展，因此圖像壓縮技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。圖像壓縮的目的就是把原來較大的圖像用盡量少的字節(jié)表示和傳輸，并且要求復(fù)原圖像有較好的質(zhì)量。利用圖像壓縮，可以減輕圖像存儲和傳輸?shù)呢摀?dān)，使圖像在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)快速傳輸和實時處理。圖像壓縮編碼技術(shù)可以追溯到1948年提出的電視信號數(shù)字化，到今天已經(jīng)有50多年的歷史了[1]。在此期間出現(xiàn)了很多種圖像壓縮編碼方法，特別是到了80年代后期以后，由于小波變換理論，分形理論，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，視覺仿真理論的建立，圖像壓縮技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，其中分形圖像壓縮和小波圖像壓縮是當(dāng)前研究的熱點。本文對當(dāng)前最為廣泛使用的圖像壓縮算法進行綜述，討論了它們的優(yōu)缺點以及發(fā)展前景。二、JPEG壓縮負責(zé)開發(fā)靜止圖像壓縮標準的“聯(lián)合圖片專家組”（JointPhotographicExpertGroup，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)范的第一個草案，其后多次修改，至1991年形成ISO10918國際標準草案，并在一年后成為國際標準，簡稱JPEG標準。1．JPEG壓縮原理及特點JPEG算法中首先對圖像進行分塊處理，一般分成互不重疊的大小的塊，再對每一塊進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，然后進行哈夫曼編碼。JPEG的特點如下：優(yōu)點：（1）形成了國際標準；（2）具有中端和高端比特率上的良好圖像質(zhì)量。缺點：（1）由于對圖像進行分塊，在高壓縮比時產(chǎn)生嚴重的方塊效應(yīng)；（2）系數(shù)進行量化，是有損壓縮；（3）壓縮比不高，小于50[2]。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)例如邊緣信息遠比圖像平穩(wěn)性重要，用余弦基作圖像信號的非線性逼近其結(jié)果不是最優(yōu)的[3]。2．JPEG壓縮的研究狀況及其前景[2]針對JPEG在高壓縮比情況下，產(chǎn)生方塊效應(yīng)，解壓圖像較差，近年來提出了不少改進方法，最有效的是下面的兩種方法：（1）DCT零樹編碼DCT零樹編碼把DCT塊中的系數(shù)組成log2N個子帶，然后用零樹編碼方案進行編碼。在相同壓縮比的情況下，其PSNR的值比EZW高。但在高壓縮比的情況下，方塊效應(yīng)仍是DCT零樹編碼的致命弱點。（2）層式DCT零樹編碼此算法對圖像作的DCT變換，將低頻塊集中起來，做反DCT變換；對新得到的圖像做相同變換，如此下去，直到滿足要求為止。然后對層式DCT變換及零樹排列過的系數(shù)進行零樹編碼。JPEG壓縮的一個最大問題就是在高壓縮比時產(chǎn)生嚴重的方塊效應(yīng)，因此在今后的研究中，應(yīng)重點解決DCT變換產(chǎn)生的方塊效應(yīng)，同時考慮與人眼視覺特性相結(jié)合進行壓縮。三、JEPG2000壓縮JPEG2000是由ISO/IECJTCISC29標準化小組負責(zé)制定的全新靜止圖像壓縮標準。一個最大改進是它采用小波變換代替了余弦變換。2000年3月的東京會議，確定了彩色靜態(tài)圖像的新一代編碼方式—JPEG2000圖像壓縮標準的編碼算法。1．JPEG2000壓縮原理及特點JPEG2000編解碼系統(tǒng)的編碼器和解碼器的框圖如圖1所示[4]。編碼過程主要分為以下幾個過程：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膩平滑。對于目前的JPEG標準，在同一個壓縮碼流中不能同時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像進行有損和無損壓縮?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的JPEG圖像下載時是按“塊”傳輸?shù)模鳭PEG2000格式的圖像支持漸進傳輸，這使用戶不必接收整個圖像的壓縮碼流。由于JPEG2000采用小波技術(shù)，可隨機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)進行傳輸、濾波等操作[4]。圖1JPEG2000壓縮編碼與解壓縮的總體流程2．JPEG2000壓縮的前景JPEG2000標準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、移動通信、醫(yī)療、數(shù)字圖書館和電子商務(wù)等[5]。JPEG2000圖像壓縮標準將成為21世紀的主流靜態(tài)圖像壓縮標準。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進行多分辨率分解。其具體過程為：首先對圖像進行多級小波分解，然后對每層的小波系數(shù)進行量化，再對量化后的系數(shù)進行編碼。小波圖像壓縮是當(dāng)前圖像壓縮的熱點之一，已經(jīng)形成了基于小波變換的國際壓縮標準，如MPEG-4標準，及如上所述的JPEG2000標準[2]。2．小波變換圖像壓縮的發(fā)展現(xiàn)狀及前景目前3個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）和可擴展圖像壓縮編碼（EBCOT）。（1）EZW編碼器[6]1993年，Shapiro引入了小波“零樹”的概念，通過定義POS、NEG、IZ和ZTR四種符號進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[8]

優(yōu)化截斷點的嵌入塊編碼方法（EBCOT）首先將小波分解的每個子帶分成一個個相對獨立的碼塊，然后使用優(yōu)化的分層截斷算法對這些碼塊進行編碼，產(chǎn)生壓縮碼流，結(jié)果圖像的壓縮碼流不僅具有SNR可擴展而且具有分辨率可擴展，還可以支持圖像的隨