图像编码技术比较

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1、目 录摘 要：10 前言11图像编码综述21.1图像编码起源与发展21.2图像编码的基本原理21.3图像编码的目的32经典编码技术42.1熵编码42.11行程编码42.12霍夫曼编码52.13算术编码52.2预测编码62.21差分脉冲编码调制62.22自适应差分脉冲编码调制72.3变换编码72.31 K-L变换82.32 离散余弦变换82.4混合编码83第二代编码技术93.1分型编码93.2模型编码93.3小波变换编码104图像编码技术发展前景115结论12参考文献13图像编码技术比较刘炎基（河南大学物理与电子学院，河南 开封，475004）摘 要： 本文简要回顾了图像编码技术起源及其发展。介

2、绍了经典图像编码技术和“第二代”图像编码技术的理论思想与实现方法，比较分析了各种编码技术之间的区别与优缺点，并讨论了图像编码技术的发展前景。关键词： 数字图像处理；图像编码技术；比较；分析Compare of Image Coding Technology Liu Yan-ji(School of Physics and Electronics, Henan University, Henan Kaifeng 475004, China)Abstract:In this paper, a brief review of the origin of the image coding techno

3、logy and its development. Introduced the classic image coding techniques and second generation image coding technology to achieve the theoretical ideas and methods, comparative analysis of a variety of coding techniques and the advantages and disadvantages of the distinction between and the image co

4、ding techniques discussed prospects for development.Key words: digital picture processing ; image coding technology;compare; analyse0 前言图像编码技术是20世纪60年代发展起来的一门新兴学科。近40年来，由于大规模集成电路技术和计算机技术的迅猛发展，离散数学理论的创立和完善以及社会各方面应用需要的不断增长，图像编码技术的理论和方法得到进一步完善，取得了很多成果，使得数字图像得到了近似完美的应用，显示出其广阔的前景！ 1图像编码综述1.1图像编码起源与发展图像编码

5、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平均码长逼近信源熵。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。另一种是联合信源的冗余度也寓于信源间的相关性之中，去除它们之间的相关性，使之成为或基本成为不相关信源，如预测编码、变换域编码、混合编码等，但也大都受信息熵的约束。总体上可以概括为熵编码，预测编码，变换编码。也称为三大经典编码方法。随着人们对传统

6、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。如高压缩比时恢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MKunl等人提出了第2代图像压缩编码的概念。经过近20年的发展，在这一框架下，人们提出了几种新的编码方法：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破了传统Shannon理论的框架，使得压缩效率得以极大提高。1.2图像编码的基本原理 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有效信息。数字图像的冗余主要

7、表现为一下几种形式：空间冗余，时间冗余，视觉冗余，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，特别时空间冗余，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。1.3图像编码的目的图像编码主要使利用图像信号的统计特性以及人类视觉的生理学及心理学特性，对图像信号进行高效编码，即研究数据压缩技术，目的是在保证图像质量的前提下压缩数据，便于存储和传输，以解决数据量大的矛盾。一

8、般来说，图像编码的目的有三个：1.减少数据存储量；2.降低数据率以减少传输带宽；3.压缩信息量，便于特征提取，为后续识别做准备。1.4图像编码的评价随着众多图像压缩算法的出现，如何评价图像压缩算法就成为重要的课题。一般来说，评价图像压缩算法的优劣有以下4个参数：1） 算法的编码效率算法的编码效率通常有几种表现形式：平均码字长度（R），图像的压缩比（rate,r）,每秒钟所需的传输比特数（bps）,图像熵与平均码长之比（）。2） 编码图像的质量图像质量评价可分为客观质量评价和主观质量评价。最常用的客观质量评价指标使均方误差（MSE）和峰值信噪比（PSNR）。主观质量评价是指由一批观察者对编码图像

9、进行观察并打分，然后综合所有人的批评结果，给出图像的质量评价。客观质量评价能够快速有效地评价编码图像的质量，但符合客观质量评价指标的图像不一定具有较好的主观质量。主观质量能够与人的视觉效果相匹配，但其评判过程缓慢费时。3） 算法的适用范围特定的图像编码算法具有其相应的适用范围，并不是对所有图像都有效。一般来说，大多数基于图像信息统计特性的压缩算法具有较广的适用范围，而一些特定的编码算法的适用范围较窄，如分形编码主要用于自相似性高的图像。4） 算法的复杂度算法的复杂度即指完成图像压缩和解压缩所需的运算量和硬件实现该算法的难易程度。优秀的压缩算法要求有较高的压缩比，压缩和解压缩快，算法简单，易于硬

10、件实现，还要求解压缩后的图像质量较好。选用编码方法时一定要考虑图像信源本身的统计特性，多媒体系统的适应能力，应用环境以及技术标准。2经典编码技术经典图像编码技术根据编码原理可分为：熵编码、预测编码、变换编码和混合编码等。2.1熵编码 熵编码是纯粹基于信号统计特性的编码技术，是一种无损编码。熵编码的基本原理是给出现概率较大的符号赋予一个短码子，而给出现概率较小的符号赋予一个长码字，从而使得最终的平均码长很小。常见的熵编码方法有行程编码、霍夫曼编码和算术编码等。2.11行程编码行程编码又称行程长度编码，是一种熵编码，该编码属于无损压缩编码。对于二值图有效。其基本原理是：将具有相同值的连续串用其串长

11、和一个代表值来代替，使符号长度少于原始数据的长度。改连续串就称为行程，串长称为行程长度。例如：5555557777733322221111111行程编码为：（5，6）（7，5）（3，3）（2，4）（l，7）。可见，行程编码的位数远远少于原始字符串的位数。行程编码分为定长和不定长编码两种。定长编码是指编码的行程长度所用的二进制位数固定，而变长行程编码是指对不同范围的行程长度使用不同位数的二进制位数进行编码。使用变长行程编码需要增加标志位来表明所使用的二进制位数。行程编码比较适合与二值图像的编码，一般用于量化后出现大量零系数连续的场合，用行程来表示连零码。行程编码对传输差错很敏感，一位符号出错就会

12、改变行程编码的长度，使整个图像出现偏移，因此，一般要用行同步、列同步的方法，把差错控制在一行一列之内。它适用于那些包含很少灰度级的图像，对单一颜色背景下物体的图形图像可以达到很高的压缩比，但对其他类型的图像压缩比就很低。在最坏的情况下，RLC甚至可将文件的大小加倍。2.12霍夫曼编码霍夫曼（Huffman）编码是1952年为文本文件而建立，是一种熵编码，属于无损压缩编码。该方法完全依据字符出现的概率来构造码字，对频繁出现的字符使用较短的码字，而对出现次数较少的字符使用较长的码字。在具有相同信源概率分布的前提下，它的平均码字长度是最短的。变长最佳编码定理是霍夫曼编码的理论基础。静态霍夫曼编码使用

13、一棵在压缩之前就建好的编码树，它是根据可能的字符出现的概率来生成的。相反，动态霍夫曼编码是在编码过程中建立它的编码树。具体的方法是，在分配码字长度时，首先将其中概率最小的两个符号的概率求和，并把它看作是一个新组合符号的概率，再与其它符号按概率递降顺序排列，重复上述做法，直到最后只剩下两个符号的概率为止。然后开始以相反顺序逐步进行编码，每一步有两个概率分支，各赋予一个二进制的码。可以对概率小的赋编码为0，则概率大的就赋l，也可以反过来赋编码。这种统计方法能够达到更高的压缩比，而且此方法有效简单，编码效率高。但是，这是以增大编码和解码的时间为代价的。霍夫曼编码具有一些明显的特点： 1) 编出来的码

14、都是异字头码，保证了码的唯一可译性。 2) 由于编码长度可变。因此译码时间较长，使得霍夫曼编码的压缩与还原相当费时。 3) 编码长度不统一，硬件实现有难度。 4) 对不同信号源的编码效率不同，当信号源的符号概率为2的负幂次方时，达到100的编码效率；若信号源符号的概率相等，则编码效率最低。 5) 由于0与1的指定是任意的，故由上述过程编出的最佳码不是唯一的，但其平均码长是一样的，故不影响编码效率与数据压缩性能。2.13算术编码算术编码是80年代发展起来的一种熵编码方法，其基本原理是将被编码的数据序列表示成0和1之间的一个间隔（也就是一个小数范围），该间隔的位置与输入数据的概率分布有关。信息越长

15、，表示间隔就越小。因而表示这一间隔所需的二进制位数就越多。算数编码有两种模式：一种是基于信源概率统计特性的固定编码模式，另一种是针对未知信源概率模型的自适应模式。算术编码适合于由相同的重复序列组成的文件，算术编码接近压缩的理论极限。这种方法，是将不同的序列映像到0到1之间的区域内，该区域表示成可变精度(位数)的二进制小数，越不常见的数据要的精度越高(更多的位数)，这种方法比较复杂，因而不太常用。2.2预测编码预测编码是基于图像数据的空间或时间冗余特性，用已传输的像素对当前的像素进行预测，然后对预测误差进行量化和编码。如果预测比较准确，误差就会很小。在同等精度要求的条件下，就可以用比较少的比特进行编码，达到压缩数据的目的。预测编码可以分为一维预测（行内预测）、二位预测（帧内预测）和三维预测（帧间预测）。常用的预测编码有差分脉冲编码调制（DPCM）和自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）等。2.21差分脉冲编码调制在PCM系统中，原始的模拟信号经过采样后得到的每一个样值都被量化成为数字信号。为了压缩数据，可以不对每一样值都进行量化，而是预测下一样值，并量化实际值与预测值之间的差值，这就是DPCM（差分脉冲编码调制）。1952年贝尔（Bell）实验室的C.C.Cutler取得了差分脉冲编码调制系统的专利，奠定了真正实用的预测编码系统的基础。