圖像有損壓縮技術的研究

韓雪瑩

【摘要】：有損壓縮技術是利用了人類對圖像或聲波中的某些頻率成分不敏感的特性，允許壓縮過程中損失一定的信息；雖然不能完全回復原始數據，但是所損失的部分對理解原始圖像的影響縮小，卻換來了大得多的壓縮比。常見的聲音、圖像、視頻壓縮基本都是有損的。在多媒體應用中，常見的壓縮方法有：預測編碼，變換編碼，矢量量化編碼，分形編碼等，混合編碼是近年來廣泛采用的方法。

有損數據壓縮方法是經過壓縮、解壓的數據與原始數據不同但是非常接近的壓縮方法。有損數據壓縮又稱破壞型壓縮，即將次要的信息數據壓縮掉，犧牲一些質量來減少數據量，使壓縮比提高。它是與無損數據壓縮對應的壓縮方法。根據各種格式設計的不同，有損數據壓縮都會產生丟失：壓縮與解壓文件都會帶來漸進的質量下降。

【關鍵詞】：有損壓縮；無損壓縮；壓縮編碼技術；比較；變換編碼

一、圖像壓縮技術概述

圖像壓縮就是減少表示數字圖像時需要的數據量。是指以較少的比特有損或無損地表示原來的像素矩陣的技術，也稱圖像編碼。

在我們的生活中無論是普通人還是一些工作在科研領域的科技工作者，都會對數據信息進行傳輸與存儲有所接觸。隨著數字時代的到來，影像的制作、處理和存儲都脫離了傳統的介質（紙、膠片等），相比傳統方式，數字圖像有著傳統方式無法比擬的優越性。但是每種技術出現的同時，都有制約其發展的一面。比如數字電視、遙感照片、由雷達、飛機等提供的軍事偵察圖像、可視電話、會議電視和傳真照片，在教育、商業、管理等領域的圖文資料、CT機、X射線機等設備的醫用圖像、天氣云圖等等，無論是利用哪種傳輸媒介進行傳輸的信息，都會遇到需要對大量圖像數據進行傳輸與存儲的問題。而對大量圖像數據進行傳輸要保證其傳輸的質量、速度等，對其進行存儲也要考慮其大小容量等。所以，要解決大量圖像數據的傳輸與存儲，在當前傳輸媒介中，存在傳輸帶寬的限制，故在一些限制條件下傳輸盡可能多的活動圖像，如何能對圖像數據進行最大限度的壓縮，并且保證壓縮后的重建圖像能夠被用戶所接受等問題，就成為研究圖像壓縮技術的問題之源。

圖像數據之所以可以進行壓縮，主要是因為一般原始圖像數據是高度相關的，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[2]，并在給定的畸變下用盡量少的比特數來表征和重建圖像，使它符合預定應用場合的要求。

二、圖像壓縮技術標準

① JPEG標準：JPEG全名為Joint Photographic Experts Group，是一個在國際標準組織（ISO）下從事靜止圖像壓縮標準制定的委員會。JPEG標準從1986年正式開始制訂，1988年決定采用以圖像質量最好的ADCT（Adaptive Discrete Cosine Transform）方式為基礎的算法作標準，于1991年3月提出10918號標準“連續色調靜止圖像的數字壓縮編碼”，即JPEG標準。它在較低的計算復雜度下，能提供較高的壓縮比與保真度[3]。

JPEG采用4種編解碼方式：串行DCT[4]（Discrete Cosine Transform）方式、漸進浮現式DCT方式、無失真方式和分層方式。由于JPEG優良的品質，使它在短短幾年內就獲得極大的成功。隨著多媒體應用領域激增，傳統的JPEG壓縮技術已無法滿足人們對多媒體影像資料的要求。因此，更高壓縮率以及更多功能的新一代靜止影像壓縮技術JPEG2000就誕生了。

② JPEG2000：JPEG2000[5]，正式名稱為“ISO 15444”，亦是由JPEG組織負責制定。自1997年3月開始籌劃，2000年規定基本編碼系統的最終協議草案才提出。JPEG2000與JPEG最大的不同，在于它放棄了JPEG所采用的以DCT為主的區塊編碼方式，而改用以DWT（Discrete Wavelet Transform）為主的多分辨率編碼方式。JPEG2000的新特征有：

JPEG2000作為JPEG的升級版，具有良好的低比特率性能，特別是對細節豐富的圖像以0.25bpp的比特率進行壓縮時，總體上其壓縮率比JPEG高約30%左右；

JPEG2000同時支持有損和無損壓縮；而JPEG只支持有損壓縮；

JPEG2000能實現漸進傳送。它先傳輸圖像的輪廓，然后逐步傳輸圖像數據的細節，接收端重構圖像時讓圖像由朦朧到清晰顯示，而不像JPEG那樣由上到下由左到右的顯示；

JPEG2000支持所謂的“感興趣區域”編碼（Region of interest coding）。可任意指定圖像上感興趣區域的壓縮質量，亦可以選擇指定的部分先解壓縮以突出重點。

三、圖像壓縮技術分類

圖像壓縮的優點在于，如抗干擾、處理精度高、靈活性好等，其中主要缺點是數據量太大，傳輸中占頻帶太寬。數字圖像數據量的壓縮按應用不同可分為以下三類：

① 信息保持型數據壓縮（無損壓縮）：它要求壓縮圖像的比特數而不丟失任何信息。主要用在圖像信息保存中，要求圖像存儲能保持信息并能快速存取圖像。例如短時隨機存取主要用于處理過程中的各個環節的存儲，它要求經過不同存儲介質多次重復不變質、不失真。又如遙感圖像，攝取地球上許多地區，因來不及處理，可暫時保存以便以后處理。

② 保真度型數據壓縮：傳送的圖像應該能夠適應通信的通道限制，若接收端是人觀看的情況，由于人眼的生理特性不需要過高的空間分辨率和灰度分辨率，因此在壓縮過程中允許丟失一些人感覺不到的信息，這就是一種允許微量失真的圖像壓縮。數字電視、圖像傳輸和多媒體中常用這種壓縮。

③ 特征保持型數據壓縮（有損壓縮）：許多圖像處理的目的是為了計算機的識別、分析、控制，這時并不需要圖像的全部細節及灰度細節。只要能保存圖像中的感興趣的特征信息，無用信息都可丟掉。例如識別軍艦類型、巡航導彈地形識別等只要輪廓信息就可以了。又如在機場跑道的識別中農田、房屋信息皆可丟掉，只保留跑道的圖像信息即可。這些圖像信號可以進行特征保持型數據壓縮。圖像編碼也可以根據編碼所在數據域劃分為空間域編碼和變換域編碼。

四、圖像壓縮技術的發展趨勢

從國際數據壓縮技術的發展尤其是MPEG的發展可以看出，基于內容的圖像壓縮編碼方法是未來編碼的發展趨勢。它不僅能滿足進一步獲得更大的圖像數據壓縮比的要求，而且能夠實現人機對話的功能。另外，任意形狀物體的模型建立的關鍵問題還沒有解決，這嚴重影響其應用的廣泛性。

通過元數據進行編碼也是今后編碼的發展方向。元數據是指詳細的描述音/視頻信息的基本元素，利用元數據來描述音視頻對象的同時也就完成了編碼，因為此時編碼的對象是圖像的一種描述而不再是圖像本身。從另一個角度來說，進一步提高壓縮比，提高碼流的附屬功能（碼流內容的可訪問性、抗誤碼能力、可伸縮性等）也將是未來的編碼的兩個發展方向。

參考文獻：

[1]尹顯東，李在銘，姚軍.圖像壓縮標準研究的發展與前景[M].北京：北京郵電大學出版社，2003.1（4）：326-331

[2]薛文通，宋建設，袁禮海，沈濤.圖像壓縮技術的現狀與發展[M].北京： 電子工業出版社，2003.65-67