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1、题目：图像压缩技术的综述学生姓名： 徐欢 学号：070110117系别：计算机与信息学院 专业：计算机科学与技术入学年份：2010 年 9 月导师姓名：陈蕴谷 职称/学位：讲师/硕士研究生导师所在单位：中国科学院合肥物质研究院完成时间:2014 年 4 月1.引言随着多媒体技术和通讯技术的不断发展，多媒体娱乐、信息高速公路等不断对信息数据的存储和传输提出了更高的要求，也给现有的有限带宽以严峻的考验，特别是具有庞大数据量的数字图像通信，更难以传输和存储，极大地制约了图像通信的发展，因此图像压缩技术受到了越来越多的关注。图像压缩的目的就是把原来较大的图像用尽量少的字节表示和传输，并且要求复原图像有
2、较好的质量。利用图像压缩，可以减轻图像存储和传输的负担，使图像在网络上实现快速传输和实时处理。图像数据是用来表示图像信息的，如果不同的方法为表示相同的信息使用了不同的数据量，那么使用较多数据量的方法中，有些数据必然代表了无用的信息，或者是重复的表示了其他数据表示的信息，前者成为数据冗余，后者成为不相干信息。图像压缩编码的主要目的，就是通过删除冗余的或者是不相干的信息，以尽可能地的数码率来存储和传输数字图像数据。图像压缩编码技术可以追溯到 1948 年提出的电视信号数字化，到今天已经有 50 多年的历史了。在此期间出现了很多种图像压缩编码方法，特别是到了80 年代后期以后，由于小波变换理论，分形
3、理论，人工神经网络理论，视觉仿真理论的建立，图像压缩技术得到了前所未有的发展，其中分形图像压缩和小波图像压缩是当前研究的热点。本文对当前最为广泛使用的图像压缩算法进行综述，讨论了它们的优缺点以及发展前景。图像编码基础图像编码压缩是指在满足一定图像质量的条件下，用尽可能少的数据量来表示图像。编码技术比较系统的研究始于 Shannon 信息论，从此理论出发可以得到数据压缩的两种基本途径。一种是联合信源的冗余度也寓于信源间的相关性之中，去除他们之间的相关性，使之成为或基本成为不相干信源，如预测编码，变换域编码，混合编码等，但也都受信息熵的约束。总体上可以概括为熵编码，预测编码，变换编码，也成为三大经
4、典编码方法。另一种是设法改变信源的概率分布，使其尽可能地非均匀，再用最佳编码方法使码长逼近信源熵。使用此途径的压缩方法其效率一般以其熵为上界，压缩比饱和于 10：1，如Huffman 编码，算术编码，行程编码等。随着人们对传统压缩编码方法的深入研究和应用，逐渐发现了这些传统方法的许多缺点。如高压缩比时回复图像会出现方块效应，人眼视觉系统（HVS）的特性不易被引入到算法中等。为了克服这些缺点，1985 年 M.Kunl 等人提出了第二代图像压缩编码的概念。经过近 20 年的发展，在这一框架下，人们踢出了鸡枞新的编码方法：分形编码，小波变换编码和基于模型的编码方法等。于是，对数据压缩技术的研究就突
5、破了传统 Shannon 理论的框架，使得压缩效率得以极大提高。图像编码基本原理数字图像的冗余主要表现为以下几种形式：空间冗余，时间冗余，信息熵冗余，结构冗余和知识冗余。图像数据的这些冗余信息为图像压缩编码提供了依据。图像编码的目的就是充分利用图像中存在的各种冗余信息，特别是空间冗余，时间冗余以及视觉冗余，以尽量少的比特数来表示图像。利用各种冗余信息，压缩编码技术能够很好地解决在将模拟信号转换为数字信号后所产生的带宽需求增加的问题，它是使数字信号走上实用化的关键技术之一，虽然表示图像需要大量的数据，但是图像数据是高度相关的，或者说存在冗余信息，去掉这些信息后可以有效压缩图像，同时不会损害图像的
6、有效信息。2.常用的编码方法及其分类 图像压缩分为无损压缩和有损压缩，有损压缩分为预测编码，变换编码，混合编码 ，有损编码分为：JPEG,MPEG,P*64，无损编码分为：Lempd Zew,Huffman 编码，行程编码，算数编码。目前常用的数字图像压缩编码方法可分为两大类：一是冗余压缩发，也称为无损压缩发；另一无损压缩的算法删除的仅仅是冗余的信息，因此可以在解压缩时精确的恢复原图像。有损压缩的算法把不相干的信息也删除了，解压缩时只能对图像进行类似的重构，而不能精确的复原，所 i 有损压缩算法可以达到更高的压缩比。对于多数图像来说，为了达到更高的压缩比，保真度的轻微损失是可以接受的；有些图像
7、不允许进行任何修改，只能对他们进行无损压缩。无损压缩利用数据的统计特性进行数据压缩，其压缩率一般为 2：1 至 5：1。有损压缩不能完全恢复数据，而是利用人的视觉特性（人的眼睛好比是一个“积分器” ）使解压缩后的图像看起来与原始图像一样。压缩比随编码方法的不同差别较大。2.1 预测编码在图像中，相邻像素通常在灰度上存在较大的相关性，因此，图像中某一像素的灰度可以用邻近的若干个像素灰度来估计。只对实际值和预测值的差进行编码和传输。因为预测编码是根据信号的一些已知情况，预测信号可能发生的情况，所以预测时有误差，如果预测比较准确，误差就较小，预测编码就能达到压缩数据的目的。典型预测编码的压缩算法有：
8、DPM(差分脉冲调制)和ADPCM（自适应差分脉冲调制） 。2.2 Huffman 编码无失真编码方法中，Huffman 编码是一种较有效的编码方法。Huffman 编码是一种长度不均匀的，平均码率可以接近信息熵值的一种编码。他的编码思想是：对于出现概率较大的信息，采用字短的码，对于出现概率低的信息采用字长的码，以达到缩短平均码长，从而实现数据的压缩。Huffman 编码小变字长编码方法是最佳的，其码字平均长度很接近信息符号的熵值。Huffman 编码的最高压缩效率可达到 8：1.2.3 行程编码 在一个逐行存储的图像中，具有相同灰度值的一些像素组成的序列称为一个行列。在编码时，对于每个行程只
9、存储一个灰度值的码，再紧跟着存储这个行程码的长度。这种按照形成进行的编码被称为行程编码。行程编码是相对简单的一种编码，是指一行扫描的像素中，比较相邻像素的幅度（如：亮度） ，当幅度有一显著变化时，就说有一行程存在。随终点位置标记方法不同，行程编码可分为“行程终点编码”和“行程长度编码” 。行程编码对于仅包含很少几个灰度级的图像，特别像二值图像，比较有效。2.4 变换编码变换编码的原理框图如图所示，在发送端，原始图像被分成若干个相同大小的子图像，对每个子图像做变换，采用“区域采样”的方法，只取变换系数中幅度较大的元素，即变换结果阵列中的一些主要阵元进行编码，然后进行传输，而把其他幅度较小的大部分
10、变化系数当作零，不予编码。在接收端，解码器将收到的信号进行解码，以零补足所有未被传输的阵元，然后对每个子阵进行相应的反变换，将每个反变换阵列拼起来便得到重建图像。只取变换阵列中的一些主要阵元进行编码和传输，本身就已经达到了一定程度的数据压缩效果，在辅以非线性量化，可以进一步压缩数据率。DCT 变换，傅里叶变换和 HARR 变换等。2.5 矢量量化压缩方法前面说的预测编码，变换编码等都属于标量量化，即先将图像经某种映射变换变成一个数的序列，然后一个数一个数地进行量化编码。矢量量化（简称VQ）在近几年发展很快，它与标量量化方法不同，他把图像数据分成很多组，每组看成为一个矢量，然后逐个矢量进行量化编
11、码。在 VQ 算法中，图像中的各种相关信息（如：各像素点见，各块之间以及相邻编码地址间等）可通过有效的码书设计得以充分地去除，矢量量化是限失真压缩编码方法，压缩比可达到40：1。2.6 统计编码f（m,n）变换F(u,v)样本选择量化编码器增值解码F（u,v）迭变 f(m,n)统计编码是根据消息出现的概率分布特性而进行的压缩编码。其宗旨在于：在消息和编码之间找到明确的一一对应关系，以便在回复是能准确无误地再现出来，使平均码长或码率压低到最低限度。其中常用的有：Huaffman 码，ShannonFano 码，算数编码等， 。行程编码就是其中一种典型的统计编码，他首先计算信源符号出现的行程长度，
12、然后将行程长度转换成代码。这种方法 0，1成片出现的数据压缩。2.7 混合编码 混合编码对信源数据同时使用两种或者两种以上的编码方法，能大大提高数据压缩的效率。静态图像压缩标准 JPEG 就是一种典型的混和编码的压缩标准。2.8 JPEG 编码JPEG 是联合图像专家组的缩写名称。JPEG 致力于研制彩色的和单色的，夺回度连续色调的静态图像的数字图像压缩的通用国际标准。JPEG 算法中首先对图像进行分块处理，一般分成互不重叠的 大小的块，再对每一块进行二维离散余弦变换（DCT） 。变换后的系数基本不相关，且系数矩阵的能量集中在低频区，根据量化表进行量化，量化的结果保留了低频部分的系数，去掉了高
13、频部分的系数。量化后的系数按 zigzag 扫描重新组织，然后进行哈夫曼编码。JPEG 的特点优点：（1）形成了国际标准；（2）具有中端和高端比特率上的良好图像质量。缺点：（1）由于对图像进行分块，在高压缩比时产生严重的方块效应；（2）系数进行量化，是有损压缩；（3）压缩比不高，小于 50。 JPEG 压缩图像出现方块效应的原因是：一般情况下图像信号是高度非平稳的，很难用 Gauss 过程来刻画，并且图像中的一些突变结构例如边缘信息远比图像平稳性重要，用余弦基作图像信号的非线性逼近其结果不是最优的。（1）DCT 零树编码DCT 零树编码把 DCT 块中的系数组成 log2N 个子带，然后用零树
14、编码方案进行编码。在相同压缩比的情况下，其 PSNR 的值比 EZW 高。但在高压缩比的情况下，方块效应仍是 DCT 零树编码的致命弱点。（2）层式 DCT 零树编码此算法对图像作的 DCT 变换，将低频块集中起来，做反 DCT 变换；对新得到的图像做相同变换，如此下去，直到满足要求为止。然后对层式 DCT 变换及零树排列过的系数进行零树编码。JPEG 压缩的一个最大问题就是在高压缩比时产生严重的方块效应，因此在今后的研究中，应重点解决 DCT 变换产生的方块效应，同时考虑与人眼视觉特性相结合进行压缩。 基于 DCT 的 JPEG 标准的压缩是有失真的，DCT 变换后系数的量化是引起失真的主要
15、原因。压缩效果与图像内容本身有较大的关系。2.9 JEPG2000 压缩JPEG2000 是由 ISO/IEC JTCISC29 标准化小组负责制定的全新静止图像压缩标准。一个最大改进是它采用小波变换代替了余弦变换。2000 年 3 月的东京会议，确定了彩色静态图像的新一代编码方式 JPEG2000 图像压缩标准的编码算法。 JPEG2000 压缩编码过程主要分为以下几个过程：预处理、核心处理和位流组织。预处理部分包括对图像分片、直流电平（DC）位移和分量变换。核心处理部分由离散小波变换、量化和熵编码组成。位流组织部分则包括区域划分、码块、层和包的组织。JPEG2000 格式的图像压缩比，可在
16、现在的 JPEG 基础上再提高 10%30%，而且压缩后的图像显得更加细腻平滑。对于目前的 JPEG 标准，在同一个压缩码流中不能同时提供有损和无损压缩，而在 JPEG2000 系统中，通过选择参数，能够对图像进行有损和无损压缩。现在网络上的 JPEG 图像下载时是按“块”传输的，而 JPEG2000 格式的图像支持渐进传输，这使用户不必接收整个图像的压缩码流。由于 JPEG2000 采用小波技术，可随机获取某些感兴趣的图像区域（ROI）的压缩码流，对压缩的图像数据进行传输、滤波等操作。 3 数据压缩新技术 分形图像编码是在分形几何理论的基础上发展起来的一种编码方法，分形几何是欧氏几何理论的扩展，他描述了自然界物体的自相似性，这种自相似性可以引入迭代函数来刻画，并将其用于图像编码。基于分型的压缩方法分形（fractal）的应用十分广泛，与多媒体领域相关的应用的不规则几何造型，图像处理等方面。小波变换在图像压缩中的应用也取得了很大的进展，小波（wevelet）分解编码本质上是一种变换编码技术。简单地说，小波变换就是将原图像信号分解成不同
