淺談數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的研究與發(fā)展

周蘇玲

【摘要】 數(shù)字圖像壓縮技術(shù)對(duì)于數(shù)字圖像信息在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)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(diǎn)及發(fā)展前景。然后簡(jiǎn)介了任意形狀可視對(duì)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】 JPEG；JPEG2000；分形圖像壓縮；小波變換；任意形狀可視對(duì)象編碼；

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(lái)越多的關(guān)注。

二、JPEG壓縮

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。

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(lái)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(lái)，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。

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(gè)最大改進(jìn)是它采用小波變換代替了余弦變換。

1.JPEG2000壓縮原理及特點(diǎn)

JPEG2000編解碼系統(tǒng)的編碼器和解碼器如下。

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%，而且壓縮后的圖像顯得更加細(xì)膩平滑。

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(dòng)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(duì)圖像進(jìn)行多級(jí)小波分解，然后對(duì)每層的小波系數(shù)進(jìn)行量化，再對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行編碼。

2.小波變換圖像壓縮的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

目前3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）。

（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(hào)進(jìn)行空間小波樹遞歸編碼，有效地剔除了對(duì)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領(lǐng)域長(zhǎng)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?cái)帱c(diǎn)的嵌入塊編碼方法（EBCOT）首先將小波分解的每個(gè)子帶分成一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的碼塊，然后使用優(yōu)化的分層截?cái)嗨惴▽?duì)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(jī)存儲(chǔ)。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。

（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(hào)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

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。

1. 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)（Iterated Function System， IFS）實(shí)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(gè)子圖像，然后每一個(gè)子圖像對(duì)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(jiǎn)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(duì)應(yīng)的迭代函數(shù)反復(fù)迭代，就可以恢復(fù)出原來(lái)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(lái)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(zhǎng)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(lái)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。

六、總結(jié)

圖像壓縮技術(shù)研究了幾十年，取得了很大的成績(jī)，但還有許多不足，值得我們進(jìn)一步研究。小波圖像壓縮和分形圖像壓縮是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但二者也有各自的缺點(diǎn)，在今后工作中，應(yīng)與人眼視覺特性相結(jié)合。

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