數(shù)字圖像壓縮技術(shù)

1、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(yán)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?fù)擔(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。在此期間出現(xiàn)了很多種圖像壓縮編碼方法,特別是到了8

2、0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(jìn)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(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.JPEG壓縮原理及特點 JPEG算法

3、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的特點如下: 優(yōu)點:(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:(1)由于對圖像進(jìn)行分塊,在高壓縮比時產(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是高度非平穩(wěn)的,很難用Gauss過程來

4、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。 (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

5、,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(jìn)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(yán)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(jìn)行壓縮。 三、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 JPEG2000編解碼系統(tǒng)的編碼器和解碼器的框圖如圖1

6、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(xì)膩平滑。對于目前的JPEG標(biāo)準(zhǔn),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(jìn)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)?而JPEG2000格式的圖像支持漸進(jìn)傳輸,這使用戶不必接收整個圖像的壓縮碼流

7、。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(jìn)行傳輸、濾波等操作。 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)。 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(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

8、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(biāo)準(zhǔn),如MPEG-4標(biāo)準(zhǔn),及如上所述的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)。 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(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

9、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(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存儲。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

10、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)前的一個研究熱點2。 (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。五、分形圖像壓縮 1. 分形圖像壓縮的原理 分形壓縮主要利用自相似的特點,通過迭代函數(shù)系統(tǒng)(Ite

11、rated Function System, IFS)實現(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子圖像,然后每一個子圖像對應(yīng)一個迭代函數(shù),子圖像以迭代函數(shù)存儲,迭代函數(shù)越簡單,壓縮比也就越大。同樣解碼時只要調(diào)出每一個子圖像對應(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 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

12、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,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的基于塊的分形圖像壓縮方案,它也是一個尋找映射關(guān)系的過程,但尋找的對象域是將圖像分割成塊之后的

13、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

14、-DCT把一個任意形狀可視對象分成 的圖像塊,對每塊進(jìn)行DCT變換,它實現(xiàn)了一個類似于形狀自適應(yīng)Gilge DCT變換的有效變換,但它比Gilge DCT變換的復(fù)雜度要低?？墒?SA-DCT也有缺點,它把像素推到與矩形邊框的一個側(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象編碼,SA-DWT編碼。這項技術(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的特點是:經(jīng)過SA-DWT之后的系數(shù)個數(shù),同原任意形狀可視對象的像素個數(shù)相同;小波變換

15、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等人提出了一個應(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