關(guān)于圖像壓縮編碼的研究

鄭忠霞，孫卓敬

1.棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東 滕州 277500

2.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266100

目前，圖像壓縮方法在廣義上可以分成兩類(lèi)，一類(lèi)是無(wú)損壓縮，又稱為可逆編碼另一類(lèi)是有損壓縮，又稱不可逆壓縮。

1 圖像壓縮編碼的可行性研究

圖像數(shù)據(jù)的壓縮機(jī)理來(lái)自兩個(gè)方面：一是利用圖像中存在大量冗余度可供壓縮；二是利用人眼的視覺(jué)特性。

1.1 圖像數(shù)據(jù)的冗余度

1）空間冗余：在一幅圖像中規(guī)則的物體和規(guī)則的背景具有很強(qiáng)的相關(guān)性；

2）時(shí)間冗余：電視圖像序列中相鄰兩幅圖像之間有較大的相關(guān)性；

3）結(jié)構(gòu)冗余和知識(shí)冗余：圖像從大面積上看常存在有紋理結(jié)構(gòu)，稱之為結(jié)構(gòu)冗余；

4）視覺(jué)冗余：人眼的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)于圖像的感知是非均勻和非線性的，對(duì)圖像的變化并不都能察覺(jué)出來(lái)。

1.2 人眼的視覺(jué)特性

1）亮度辨別閾值：當(dāng)景物的亮度在背景亮度基礎(chǔ)上增加很少時(shí)，人眼是辨別不出的，只有當(dāng)亮度增加到某一數(shù)值時(shí)，人眼才能感覺(jué)其亮度有變化。人眼剛剛能察覺(jué)的亮度變化值稱為亮度辨別閾值；

2）視覺(jué)閾值：視覺(jué)閾值是指干擾或失真剛好可以被察覺(jué)的門(mén)限值，低于它就察覺(jué)不出來(lái)，高于它才看得出來(lái)，這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值；

3）空間分辨力：空間分辨力是指對(duì)一幅圖像相鄰像素的灰度和細(xì)節(jié)的分辨力，視覺(jué)對(duì)于不同圖像內(nèi)容的分辨力不同。

2 圖像壓縮編碼方法研究

圖像編碼的過(guò)程可以概括成圖1所示的3個(gè)步驟，原始圖像經(jīng)映射變換后的數(shù)據(jù),經(jīng)量化器和熵編碼器成為碼流輸出。目前，常見(jiàn)的編碼方法有如下幾種：

圖1 圖像壓縮編碼的一般框圖

2.1 預(yù)測(cè)編碼

預(yù)測(cè)編碼是根據(jù)某一模型利用過(guò)去的樣值對(duì)當(dāng)前樣值進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后將當(dāng)前樣值的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值相減得到一個(gè)誤差值，只對(duì)這一預(yù)測(cè)誤差值進(jìn)行編碼。預(yù)測(cè)方法：1）幀內(nèi)預(yù)測(cè)幀內(nèi)預(yù)測(cè)利用圖像信號(hào)的空間相關(guān)性來(lái)壓縮圖像的空間冗余，根據(jù)前面已經(jīng)傳送的同一幀內(nèi)的像素來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前像素；2）幀間預(yù)測(cè)：電視圖像在相鄰幀之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性；3）預(yù)測(cè)系數(shù)的選擇：預(yù)測(cè)系數(shù)的選擇通常采用最優(yōu)線性預(yù)測(cè)法，選擇預(yù)測(cè)系數(shù)a1，a2，…，an-1使誤差信號(hào)en的均方值最小；4）自適應(yīng)預(yù)測(cè)：自適應(yīng)預(yù)測(cè)又稱為非線性預(yù)測(cè)。可以利用預(yù)測(cè)誤差作為控制信息，因?yàn)轭A(yù)測(cè)誤差的大小反映了圖像信號(hào)的相關(guān)性。

2.2 正交變換編碼

變換編碼(Transform Coding)的基本思想是將在通常的歐幾里德幾何空間(空間域)描寫(xiě)的圖像信號(hào)變換到另外的向量空間(變換域)進(jìn)行描寫(xiě)，然后再根據(jù)圖像在變換域中系數(shù)的特點(diǎn)和人眼的視覺(jué)特性進(jìn)行編碼。

2.3 哈夫曼(Huffman)編碼

Huffman編碼方法就是利用了這個(gè)定理，它是一種效率高、方法簡(jiǎn)單的編碼。信源中符號(hào)出現(xiàn)的概率相差越大，Huffman編碼效果越好。

Huffman編碼步驟：1）把信源符號(hào)xi(i=1,2,…,N)按出現(xiàn)概率的值由大到小的順序排列；2）對(duì)兩個(gè)概率最小的符號(hào)分別分配以“0”和“1”，然后把這兩個(gè)概率相加作為一個(gè)新的輔助符號(hào)的概率；3）將這個(gè)新的輔助符號(hào)與其他符號(hào)一起重新按概率大小順序排列；4）跳到第2步，直到出現(xiàn)概率相加為1為止；5）用線將符號(hào)連接起來(lái)，從而得到一個(gè)碼樹(shù)，樹(shù)的N個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)N個(gè)信源符號(hào)；6）從最后一個(gè)概率為1的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，沿著到達(dá)信源的每個(gè)符號(hào)，將一路遇到的二進(jìn)制碼“0”或“1”順序排列起來(lái)，就是端點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的信源符號(hào)的碼字。由于Huffman方法構(gòu)造出來(lái)的碼不是惟一的，主要有兩個(gè)原因：一是在兩個(gè)符號(hào)概率相加給兩條支路分配“0”和“1”時(shí)，這一選擇是任意的；二是當(dāng)兩個(gè)消息的概率相等時(shí)，0，1分配也是隨意的。Huffman編碼對(duì)不同的信源，其編碼效率是不同的。7）Huffman編碼中，沒(méi)有一個(gè)碼字是另一個(gè)碼字的前綴。因此，每個(gè)碼字惟一可譯。

2.4 子帶編碼

子帶編碼的基本思想是利用帶通濾波器組將信道頻帶分割成若干個(gè)子頻帶(Subband)，將子頻帶搬移至零頻處進(jìn)行子帶取樣，再對(duì)每一個(gè)子帶用一個(gè)與其統(tǒng)計(jì)特性相適配的編碼器進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)壓縮。另外，子帶編碼還有以下優(yōu)點(diǎn)：1）一個(gè)子帶的編碼噪聲在解碼后只局限于該子帶內(nèi)，不會(huì)擴(kuò)散到其他子帶。這樣，即使有的子帶信號(hào)較弱，也不會(huì)被其他子帶的編碼噪聲所掩蓋；2）可以根據(jù)主觀視覺(jué)特性，將有限的數(shù)碼率在各個(gè)子帶之間合理分配，有利于提高圖像的主觀質(zhì)量；3）通過(guò)頻帶分解，各個(gè)子帶的抽樣頻率可以成倍下降。

3 結(jié)論

圖像編碼是各類(lèi)圖像信息傳輸、存貯產(chǎn)品的一項(xiàng)核心技術(shù)。圖像編碼技術(shù)的進(jìn)展已使那些制約因素不再成為瓶頸，從而推動(dòng)了各類(lèi)圖像通信系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。

[1]董士海.圖像格式編程指南.北京：清華大學(xué)出版社，1994.

[2]張遠(yuǎn)鵬，董海，周文靈.計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)基礎(chǔ).北京：北京大學(xué)出版社，1996.

[3]章毓晉.圖象處理和分析，北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[4]Yue，Z.Q，Chen，S.，Tham，L.G.Finite element modeling of geomaterials using digital image processing,Computers and Geotechnics,v30（5）：375-97.