數(shù)字圖像壓縮技術(shù)

數(shù)字圖像壓縮技術(shù)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(duì)信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸提出了更高的要求,也給現(xiàn)有的有限帶寬以嚴(yán)峻的考驗(yàn),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(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(chǔ)和傳輸?shù)呢?fù)擔(dān),使圖像在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)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(hào)數(shù)字化,到今天已經(jīng)有50多年的歷史了。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(diǎn)。本文對(duì)當(dāng)前最為廣泛使用的圖像壓縮算法進(jìn)行綜述,討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)以及發(fā)展前景。二、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”(JointPhotographicExpertGroup,簡(jiǎn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案,并在一年后成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),簡(jiǎn)稱JPEG標(biāo)準(zhǔn)。1.JPEG壓縮原理及特點(diǎn)JPEG算法中首先對(duì)圖像進(jìn)行分塊處理,一般分成互不重疊的大小的塊,再對(duì)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(guó)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(duì)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[3]。2.JPEG壓縮的研究狀況及其前景針對(duì)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(jìn)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(gè)子帶,然后用零樹編碼方案進(jìn)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(diǎn)。(2)層式DCT零樹編碼此算法對(duì)圖像作的DCT變換,將低頻塊集中起來,做反DCT變換;對(duì)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(duì)層式DCT變換及零樹排列過的系數(shù)進(jìn)行零樹編碼。JPEG壓縮的一個(gè)最大問題就是在高壓縮比時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的方塊效應(yīng),因此在今后的研究中,應(yīng)重點(diǎn)解決DCT變換產(chǎn)生的方塊效應(yīng),同時(shí)考慮與人眼視覺特性相結(jié)合進(jìn)行壓縮。三、JEPG2000壓縮JPEG2000是由ISO/IECJTCISC29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)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(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(duì)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(jiǎn)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(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)。3.分形圖像壓縮的前景雖然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相關(guān)性,適合于自相似或自仿射的圖像壓縮,而自然界中存在大量的自相似或自仿射的幾何形狀,因此它的適用范圍很廣。六、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(jiǎn)單介紹近年來任意形狀紋理編碼的幾種算法。(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(duì)象分成的圖像塊,對(duì)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)GilgeDCT變換的有效變換,但它比GilgeDCT變換的復(fù)雜度要低?？墒?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。(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(duì)象編碼,SA-DWT編碼。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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)圖像邊緣部分較敏感的特性,嘗試將圖像中感興趣的對(duì)象分割出來,對(duì)其邊緣部分、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等人提出了一個(gè)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