圖像壓縮速率的提高和應用

摘要：介紹了圖像的壓縮、有關壓縮標準、圖像壓縮速率的方法及應用。

關鍵詞：圖像壓縮 編碼 冗余

中圖分類號：TN911.73 文獻標識碼：A 文章編號：1002－2422(2008)04－0011－02

1 圖像的壓縮編碼技術

壓縮可分為兩大類，第一類冗余度壓縮方法，也稱無損壓縮，壓縮過程是可逆的，信息保持編碼或熵編碼，壓縮后的圖像能夠完全恢復出原來的圖像，信息沒有任何丟失，稱為無損壓縮；第二類信息量壓縮方法，也稱有損壓縮，失真度編碼或熵壓縮編碼，解碼圖像和原始圖像是有差別的，壓縮過程是不可逆的，無法完全恢復出原圖像，信息有一定的丟失。通常有損壓縮的壓縮比(即原圖像占的字節數與壓縮后圖像占的字節數之比，壓縮比越大，說明壓縮效率越高)比無損壓縮的高。

壓縮就是去掉信息中的冗余，即保留不確定的信息，去掉確定的信息，也就是用一種更接近信息本質的描述來代替原有冗余的描述。信息本質就是信息量。

數字圖像的冗余主要表現為幾種形式：

(1)空間冗余：圖像內部相鄰像素之間存在較強的相關性所造成的冗余。

(2)時間冗余：視頻圖像序列中的不同幀之間的相關性所造成的冗余。

(3)視覺冗余；是指人眼不能感知或不敏感的那部分圖像信息。

(4)信息熵冗余：也稱編碼冗余，如果圖像中平均每個像素使用的比特數大于圖像的信息熵，則圖像中存在冗余，這種冗余稱為信息熵冗余。

(5)結構冗余：是指圖像中存在很強的紋理結構或自相似性。

(6)知識冗余：是指在有些圖像LIJ還包含與某些先驗知識有關的信息。

圖像編碼的目的就是充分利用圖像中存在的各種冗余信息，以盡量少的比特數來表示圖像。利用各種冗余信息，壓縮編碼技術能夠很好地解決在將模擬信號轉換為數字信號后所產生的帶寬需求增加的問題。

2 圖像壓縮標準

2.1 JPEG標準

(1)基本順序過程，實現有損圖像壓縮，重建圖像質量達到人眼難以觀察出來的要求。采用的是8×8像素自適應DCT算法、量化及Huffman型的熵編碼器。

(2)基于DCT的擴展過程，使用累進工作方式，采用自適應算術編碼過程。

(3)無失真過程，采用預測編碼及Huffman編碼，可保證重建圖像數據與原始圖像數據完全相同。

2.2 JPEG算法、離散余弦變換、量化、游程編碼、熵編碼

(1)JPEG算法：可分成以下三個步驟：通過離散余弦變換(DCT)去除數據冗余；使用量化表對以DCT系數進行量化，量化表是根據人類視覺系統和壓縮圖像類型的特點進行優化的量化系數矩陣；對量化后的DCT系數進行編碼使其熵達到最小，熵編碼采用Huffman可變字長編碼。

(2)離散余弦變換：JPEG采用8×8子塊的二維離散余弦變換算法。在編碼器的輸入端，把原始圖像順序地分割成一系列8×8的子塊。在8×8圖像塊中，由于像素值一般變化較平緩，因此具有較低的空間頻率。實施三維8×8離散余弦變換可以將圖像塊的能量集中在極少數幾個系數上，其它系數的值與這些系數相比，絕對值要小得多。

(3)量化：為了達到壓縮數據的目的，對，DCT系數需作量化處理。量化是多對一映射，是造成DCT編碼信息損失的根源。JPEG標準中采用線性均勻量化器，量化過程為對64個DCT系數除以量化步長并四舍五入取整，量化步長由量化表決定。量化表元素因DET系數位置和彩色分量的不同而取不同值。量化表為8×8矩陣，與DCT變換系數一一對應。量化表一般由用戶規定YPEG標準中給出了參考值，并作為編碼器的一個輸入。量化表中元素為1－255之間的任意整數，其值規定了所對應DCT系數的量化步長。DCT變換系數除以量化表中對應位置的量化步長并合入小數部分后。多夢變為零，從而達到了壓縮的目的。

(4)游程編碼：64個變換數經量化后，左上角系數是直流分量，即空間域中64個圖像采樣值的均值。相鄰8×8塊之間的DC系數一般有很強的相關性，JPEG標準對DC系數采用DPCM編碼方法，即對相鄰像素塊之間的L系數的差值進行編碼。其余63個交流分量使用游程編碼，從左上角開始沿對角線方向，以z字形(Zig-Zag)進行掃描直至結束。

(5)熵編碼：為了進一步壓縮數據，對DC碼和AC行程編碼的碼字再作基于統計特性的熵編碼。JPEG標準建議使用的熵編碼方法有Huffman編碼和自適應二進制算術編碼。

3 圖像壓縮的應用

圖像信息壓縮應用非常廣泛。在生產線中對產品進行無損檢測是DIP技術的重要應用，主要有產品質量檢測、生產過程的自動控制、機器人視覺等；在產品質量檢測方面，在電子工業中，檢驗印刷電路板的質量、監測零部件的裝配等，食品、水果質量的檢查，紡織品質量檢查，焊縫質量或表面缺陷、無損探傷；在工業自動化控制中，主要使用機器視覺系統對生產過程進行監視和控制，如港口的監測調度、交通管理、流水生產線的自動控制等；在醫學方面，醫學整容、立體腦圖像配準、心臟核磁共振數據的可視化、支氣管虛擬內窺鏡，無論是臨床診斷還是病理研究都大量采用DIP技術；在流媒體方面，流媒體又叫流式媒體，它是指商家用一個視頻傳送服務器把節目圖像當成數據包發出，傳送到網絡上。用戶通過解壓設備對這些數據進行解壓后，節目就會象發送前那樣顯示出來。