淺談數(shù)字圖像壓縮技術(shù)

1、數(shù)字圖像處理結(jié)課論文姓名：X.X.X學(xué)號(hào)：0.0.0.0.0.0.0.0專業(yè)：通信工程淺談數(shù)字圖像壓縮技術(shù)摘要：隨著五千歷史文明的發(fā)展，如今的我們正處于數(shù)字時(shí)代的浪潮中。自從1946年2月14日，世界上第一臺(tái)通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)“埃尼阿克”（ENIAC）宣告研制成功?，F(xiàn)在的我們無時(shí)無刻不在被各種各樣的數(shù)字信息所包圍著。數(shù)字時(shí)代的到來，豐富了我們的日常生活，讓我們的生活與眾不同，絢爛多彩。數(shù)字時(shí)代最偉大的兩大發(fā)明就是：移動(dòng)電話和因特網(wǎng)。而且，如今的移動(dòng)電話和因特網(wǎng)都是利用數(shù)字信息進(jìn)行信息傳輸。其中包括圖像，語音，視頻信息等等。本文主要講有關(guān)于圖像的壓縮技術(shù)。因?yàn)?，原始的圖像一般都很大，只有經(jīng)過壓縮

2、處理之后，才能更好的存儲(chǔ)，傳輸，和利用。Abstract：With 5,000 history of civilization development, now we are in the wave of the digital age. Since February 14, 1946, the world's first general-purpose electronic digital computer "ENIAC" (ENIAC) was developed. All the time now we are surrounded by all kinds

3、of digital information. The arrival of the digital age, enriches our daily lives, make our lives unique and colorful. Greatest two inventions are in the digital age: mobile phones and the Internet. Moreover, today's mobile phones and the Internet is the use of digital information transfer inform

4、ation. Includes images, voice, video, and so on. This article talk about image compression technology. Because the original image is very large, only after the compression process, in order to better storage, transmission, and utilization.關(guān)鍵詞 ：圖像， 壓縮引言隨著數(shù)字時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的普及率也是越來越廣泛，智能手機(jī)等移動(dòng)電話網(wǎng)的覆蓋也是遠(yuǎn)來越寬。多媒體

5、娛樂、信息高速公路等不斷對信息數(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。無獨(dú)有偶，隨之而來的即是數(shù)字圖像處理技術(shù)的突飛猛進(jìn)。想要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)消息的傳遞，信息的傳輸便成了關(guān)鍵，而信息傳輸?shù)暮诵谋闶菙?shù)據(jù)壓縮技術(shù)?？梢赃@么說：數(shù)字圖像處理技術(shù)的核心就是數(shù)字圖像的壓縮。只有有效滴解決了數(shù)據(jù)的壓縮問題，信息才會(huì)更快更可靠地傳輸，才會(huì)有我們現(xiàn)在這樣方便而又舒適的生活。數(shù)字圖像壓縮技術(shù)是數(shù)字圖像處理技術(shù)的一個(gè)重要的分支學(xué)科，所謂的數(shù)字圖像壓縮就是減少表示數(shù)字圖像時(shí)需要的數(shù)據(jù)量，以較少的比特有損或無損地表示原來的像素矩陣的一門綜合技術(shù)?，F(xiàn)在圖像壓縮技術(shù)受

6、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。本文主要從圖像壓縮技術(shù)概述、圖像壓縮技術(shù)必要性、數(shù)字圖像壓縮原理、圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) 、圖像壓縮算法優(yōu)缺點(diǎn)、生活中常用的壓縮方法舉例、圖像壓縮技術(shù)的前景展望7個(gè)方面來論述。一、圖像壓縮技術(shù)概述  在滿足一定保真度的要求下，對數(shù)字圖像進(jìn)行變換、編碼和壓縮,去除多余數(shù)據(jù)，減少表示數(shù)字圖像時(shí)需要的數(shù)據(jù)量，以便于圖像的存儲(chǔ)和傳輸。即以較少的數(shù)據(jù)量有損或無損地表示原來

7、的像素矩陣的技術(shù),也稱圖像編碼。圖像數(shù)據(jù)之所以可以進(jìn)行壓縮，主要是因?yàn)橐话阍紙D像數(shù)據(jù)中的像素和像素之間是高度相關(guān)的，都含有大量的冗余信息。圖像壓縮編碼的目的就是消除各種冗余，并在給定的畸變下用盡量少的比特?cái)?shù)來表征和重建圖像，使它符合人們既定的各種要求。圖像壓縮編碼可分為兩類:一類壓縮是可逆的 ,即從壓縮后的數(shù)據(jù)可以完全恢復(fù)原來的圖像 ,信息沒有損失 ,稱為無損壓縮編碼；另一類壓縮是不可逆的 ,即從壓縮后的數(shù)據(jù)無法完全恢復(fù)原來的圖像 ,信息有一定損失 ,但是不影響人們的正常使用，稱為有損壓縮編碼。除了圖像可以壓縮外，音頻，視頻數(shù)據(jù)都可以根據(jù)人們的要求實(shí)現(xiàn)一定的壓縮，因?yàn)椴皇潜疚挠懻摰闹攸c(diǎn)，所以

8、在這里不再論述。二、圖像壓縮技術(shù)必要性 數(shù)字時(shí)代，對于信息的實(shí)時(shí)性要求很高，所以，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)性傳輸就顯得非常必要了。但是在現(xiàn)有的通信能力下,如果原始信息不經(jīng)過壓縮,就無法完成大量多媒體信息的實(shí)時(shí)傳輸。數(shù)字圖像高速傳輸和存貯所需要的巨大容量已成為推廣數(shù)字圖像通信的最大障礙, 因此對圖像進(jìn)行壓縮十分必要。進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮可以較快地傳輸各種信源、提高信道的利用率、降低發(fā)射功率、節(jié)約能源以及減少存儲(chǔ)容量等。三、數(shù)字圖像壓縮原理 1.0 JPEG壓縮原理 JPEG算法中首先對圖像進(jìn)行分塊處理，一般分成大小不等互不重疊的模塊，再對每一模塊進(jìn)行二維離散余弦變換（DCT

9、）。每一個(gè)模塊變換后的系數(shù)基本不相關(guān)，而且系數(shù)矩陣的能量集中在低頻區(qū)。再根據(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壓縮是基于二維離散余弦變換（DCT）的圖像壓縮在MATLAB里輸入程序：I=imread(cameraman.tif);I=im2double(I);%圖像存儲(chǔ)類型轉(zhuǎn)換T=dctmtx(8);%離散余弦變換B=blkproc(I,8 8,P1*P2,T,T);Mask=1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0

10、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0  0 0 0 0 0 0 0 0B2=blkproc(B,8 8,P1.*X.mask);%數(shù)據(jù)壓縮，丟棄右下角高頻數(shù)據(jù)I2=blkproc(B2,8 8,P1*x*P2,T,T);%進(jìn)行DCT反變換，得到壓縮后的圖像subplot(1,2,1);imshow(I);title(原圖)subplot(1,2,2);  imshow(I2);title( 壓縮后的圖像) 實(shí)驗(yàn)截圖如下：由以上程序及圖像可知：我們舍棄了85%的DC

11、T系數(shù)，也即是減少了原圖像85%的大小容量，更加利于存儲(chǔ)和傳輸，而且，壓縮后的圖像雖然略有模糊但是依然很清晰，并不影響我們正常觀看。2.0 JPEG2000壓縮原理 JPEG2000格式的圖像壓縮比，可以在現(xiàn)有的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，用戶通過選擇參數(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格式的圖像在下載時(shí)是按“塊”傳輸?shù)?，而JPEG2000格式的圖像支持漸進(jìn)傳輸，用戶在下載圖像時(shí)不必接收整個(gè)圖像的壓縮碼流，從而節(jié)約了流量和減少了

12、下載時(shí)間，以及用戶的等待時(shí)間。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，再對壓縮的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行傳輸、濾波等操作。 3.0小波變換圖像壓縮原理 小波變換用于圖像編碼的基本原理是：在Mallat 塔式快速小波變換算法的基礎(chǔ)上對圖像進(jìn)行多分辨率分解。其具體過程為：首先對圖像進(jìn)行多級(jí)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。一個(gè)圖像作小波分解后 , 可得到一系列不同分辨率的子圖像 ,不同分辨率的子圖像對應(yīng)的頻率是不相同的 。高分辨率 ( 即高頻) 子圖像上大部分點(diǎn)的數(shù)值都接近于 0 , 越是高頻這種現(xiàn)

13、象越明顯 。對一個(gè)圖像來說 ,表現(xiàn)一個(gè)圖像最主要的部分是低頻部分 ,所以一個(gè)最簡單的壓縮方法是利用小波分解 ,去掉圖像的高頻部分而只保留低頻部分 。在MATLAB中輸入程序：I=imread(yw.jpg);x=rgb2gray(i);%彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像cA,Ch,cV,cD=dwt2(x,db1);對圖像進(jìn)行單層分解，小波圖像為db1A=upcoef2(a ,cA ,db1,1 );H=upcoef2(h ,cH ,db1,1 );V=upcoef2(v ,cV ,db1,1 );D=upcoef2(d ,cD ,db1,1 );%圖像編碼figuresubplot(3.1.1);im

14、age(wcodemat(A,192);title(近似細(xì)節(jié)系數(shù))；subplot(3.1.2);image(wcodemat(H,192);title(水平細(xì)節(jié)系數(shù))；subplot(3.1.3);image(wcodemat(V,192);title(垂直細(xì)節(jié)系數(shù))；subplot(3.1.4);image(wcodemat(D,192);title(對角細(xì)節(jié)系數(shù))；d=idwt2(cA,cH,cV,cD,db1);對分解的細(xì)節(jié)系數(shù)執(zhí)行單層重構(gòu)，小波為db1imshow(d,);運(yùn)行程序，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：4.0 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)實(shí)現(xiàn)

15、。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)迭代進(jìn)行逆運(yùn)算，就可以恢復(fù)出原來的子圖像，從而得到原始圖像。在MATLAB中輸入程序：I=imread(cameraman.tif);imshow(I);X1=imresize(I,1)X2=imresize(I,0.8)X3=imresize(I,0.6)X4=imresize(I,0.4)X5=imresize(I,0.2)X6=imresize(I,0.09)subplot(2.1.1),imshow(X1),

16、title(原始圖像)subplot(2.1.2),imshow(X2),title（縮小0.8倍）subplot(2.1.3),imshow(X3),title（縮小0.6倍）subplot(2.1.4),imshow(X4),title（縮小0.4倍）subplot(2.1.5),imshow(X5),title（縮小0.2倍）subplot(2.1.6),imshow(X6),title（縮小0.09倍）實(shí)驗(yàn)截圖如下：由圖可知：縮小的越厲害，圖像的容量就越小，但是并不是越小越好，因?yàn)榭s小到一定程度，圖像就變的越來越模糊了，這樣子就影響到人們正常的使用了，就得不償失了。所以，在進(jìn)行圖像壓縮

17、時(shí)，一定要找到一個(gè)合適的壓縮比，既能實(shí)現(xiàn)圖像壓縮，又不影響人們正常使用。 四、圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) （一） JPEG標(biāo)準(zhǔn) JPEG標(biāo)準(zhǔn)適合于各種連續(xù)色調(diào)圖像的壓縮 ，其源圖像類型可以不受圖像尺寸、內(nèi)容、統(tǒng)計(jì)特性、像素形狀以及顏色空間等的限制，在壓縮性能方面可以達(dá)到非常高的水平。而且JPEG標(biāo)準(zhǔn)的算法適合于各種軟硬件，此方法性價(jià)比較高。 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”(JointPhotographic 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

18、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)。 （二） JPEG2000標(biāo)準(zhǔn) 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(jí)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。   （三）小波變換圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) 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(jí)小波分解, 然后對每層的小波系數(shù)

19、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)。         四、圖像壓縮算法優(yōu)缺點(diǎn) 1.0 JPEG壓縮的優(yōu)點(diǎn)如下:   （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)方面：（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:

20、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。 2.0 JEPG2000 壓縮 JPEG2000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。3.0 小波變換圖像壓

21、縮 目前三個(gè)最高等級(jí)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)。  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(jí)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)。 4.0 分形圖像壓縮 分形圖像壓縮可以得到比經(jīng)典圖像

22、編碼技術(shù)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)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。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。   五、生活中常用的壓縮方法舉例在我們的日常生活中，一般不會(huì)用到MATLAB軟件來進(jìn)行圖像的壓縮，因?yàn)檫@樣子還要寫程序，很是麻煩啊。所以直接利用一些圖像壓縮軟件來進(jìn)行簡單的圖像壓縮也是可以的。而且還具有很可觀的壓縮比。對于平時(shí)的存儲(chǔ)，傳輸都有不錯(cuò)的效果。（1）：這里就簡單的利用瑞影無損圖片壓縮大師來做幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。由上面的圖片信息可知，原始圖像大小為466KB，利用軟件壓縮之后大小為193KB，壓縮后的圖像只有原始圖像的40%，實(shí)現(xiàn)了一定層度上的壓縮。由上面的圖片信息可知，原始圖像大小為497KB，利用軟件壓縮之后大小為151KB，壓縮后的圖像只有原始圖像的30%，也達(dá)到了壓縮的目的。（2）：上面是利用軟件進(jìn)行壓縮，下面介紹另外一種壓