圖像壓縮編碼技術的發展歷程及應用前景

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上世紀末期，隨著計算機技術的發展，人類開始進入數字化時期。作為數字技術當中的重要構成部分之一，數字圖像技術將我們帶入多媒體時代。各類五彩斑斕的圖像訊息得到快速傳播，特別是在信息化不斷發展的當前，圖片處理功能要求越來越多，如果只是依靠傳統擴大帶寬與存儲介質容量的方式，顯然與時代發展不相適應，因此，圖像壓縮編碼技術應運而生。

基于圖像保真的前提下，對相關的圖像及數據進行壓縮、編碼與變換，以此來達到方便圖像的傳輸與存儲的目的，這種新型技術即為圖像壓縮編碼技術。本文對其發展歷程進行回顧，并在此基礎上，對其應用前景進行綜合分析。

一、圖像壓縮編碼技術的發展歷程

自二十世紀四十年代開始，隨著電視信號數字化的提出，對于第一代圖像壓縮編碼技術的分析與研究工作也提上了日程，至今已走過了六十多年歷史。在最初階段，由于客觀條件所限，僅對亞取樣內插復原之法與幀內預測法進行研究與分析。在此之后的1969年，隨著首屆圖像編碼會議的成功召開，才使得其正式成為了一門獨立學科，與此同時，圖像壓縮編碼技術的研究取得了重大進步，特別是在編碼算法領域當中，比如量化編碼、變換編碼都成為了當時重點研究的領域[1]。

為了改變傳統圖像壓縮編碼技術存在的圖像復原質量差、壓縮比小等缺點，Kunt 等人在1985年基于人眼當中的視覺特性，提出了新型圖像壓縮編碼概念，也即是第二代的圖像壓縮編碼技術概念。而在此之后的1987年，著名的Mallat 算法首次成功將處于計算機視覺范疇之內的“多尺度分析思想”運用至小波變換當中，因而將此前各類小波構建之法加以統一。僅過了一年，Sloan 就與Barnsley 在1988年共同提出了圖像分形編碼壓縮之法，此法具有解碼分辨率無關性與壓縮潛力大等特征，從一定程度上來講，具有很強的科學性與潛力。此后，多國學者紛紛將目光投入至此領域，掀起了一股分形圖像編碼研究的高潮。

二十世紀九十年代，由于在這領域內的關注度不斷上升，因而在這一領域又取得了一系列階段性的研究成果。比如，Knowles 與A.S.Lewis 首先就提出了基于零樹編碼之法。1993年，J.M.Shapiro 提出了新型嵌入式的零樹小波變換編碼計算之法，此種算法有效地將小波系數特性進行了利用，因而使圖像可分級編碼得以實現。當前，圖像壓縮研究領域當中的一個重要方向即是基于小波變換當中的圖像壓縮編碼算法。

而在最近的幾十年里，這種技術的發展更是被廣泛運用到了各個領域當中，發展非常迅速，且日臻成熟。比如制定了幾個圖像編碼的國際標準，也即是活動圖像編碼相關標準MPEG-4、MPEG-2 等；靜止圖像當中的編碼標準JPEG2000 與JPEG，還有相關的視頻編碼的標準如H.264、H.263 等[2]。

二、剖析圖像壓縮編碼運用前景

隨著一系列圖像編碼國際標準的產生，它標志著這項技術已經趨于成熟，它的發展與出現的作用已經大到能夠使當前信息產業的模式與結構產生巨變，同時也使計算機、廣播與通信產業之間的界限越來越模糊。當前，許多國家加大了數字電視的推廣力度，就我國而言，數字電視在當前的普及率已相當高，由于數字電視具備頻譜利用率高、圖像質量高等特點，因而其可以實現多種不同業務間的統計復用與動態組合，擁有互操作性、可分組性、可擴展性、易于加密等優點，這恰好也是傳統模擬機所無法達到的。然而，由于數字電視本身所傳送的數據量相當大，因此必須保證其傳輸的數量與質量雙重要求，在這里，視頻壓縮技術就顯得尤為重要。因此，從前幾年開始，對于圖像編碼的研究就集中于視頻壓縮領域，以此來不斷改進當前數字電視自身的性能，拓寬其應用領域。隨著當前數字電視的普及，這一研究成果的意義不言而喻。將分辨率作為基礎，可將數字電視分為高清電視、數字標清電視、會議電視、可視電話四個等級。此外，在其他領域圖像編碼技術同樣被廣泛應用，比如多媒體出版物，它包含電子報刊、電子圖書等；電視計算機，這是一種介于計算機與電視之間的應用，將電視與計算機融為一體，從而形成了一個多媒體的工作站[3]。

從國際相關的數據壓縮發展來看，特別是MPEG 的發展，基于內容之上的圖像壓縮編碼方式是將來編碼發展的必然趨勢。比如，給出一幅圖像，包括汽車、房以及人臉等內容，就可通過相關技術提取需要的內容，運用這項技術就可實現對不同指定對象予以編碼，而MPEG-4 技術在這個方面特別是人面部表情與其動作層面之上就取得了許多碩果。比如利用人工與自然合成內容當中的合并來進行編碼，MPEG-4 的引入有效解決了對于臉部與動面編碼這個問題。但值得指出的是，很多更復雜的東西需要建立一系列的編碼與模型，且不同形物體所需要建立的相關問題還未得到解決，因而嚴重制約了其運用的寬廣性。因此，筆者認為視頻編碼技術將朝著跨模式與多模式的方向發展。與此同時，通過Metadata（元數據）進行編碼也可能是今后其所發展的具體方向，一般而言，詳細地將音視頻信息當中的基本元素進行描述即是元數據，MPEG-7 最為主要的功能就是描述這種音視頻信息，在描述這些信息的同時，就可將編碼完成，這是由于此時的編碼對象是對圖像的描述，而并不是圖像本身了。

隨著多媒體信息自身消費方式的轉變，因而也要求必須實現不同網絡相互之間的數據交換。針對這個問題，MPEG 運用了一類與ITU-T不盡相同的標準化的格式。它將多媒體數據的具體表示方式進行了定義，試圖使大部分的數據得到充分的互動性與共享數據格式。而MPEG-4 在音頻編碼與語音層面上的工作則擴寬了多媒體服務、寬帶的應用范圍。由于它提供了一系列的MPEG-4 編碼工具的集成與新功能，因此也相當于超集了大量現存編碼標準自身的功能。在應用音視頻之時，因為MPEG 具有基于視音頻對象的特殊編碼方式，因此也不斷提高了MPEG 音頻自身的編碼質量。除此之外，由于以往的ITU-T 注重實時通訊，與此相反，MPEG-4 更注重對存儲媒體的關注，其自身所攜帶的回放速度轉變于數據庫搜索當中具有相當大的作用，同時，它還提供一系列在知識產權保護領域之內的功能支持。從某些方面來講，當前，消費者還是對服務提供端過于依賴，因而很容易導致其局限于地域性服務。由于受到特定環境之內有限的服務供應商的所限，這也是非常自然的。然而，隨著當前交互模式寬帶網絡的運用，從而提供了使個人成為內容供應商的可能性，其服務也是基于通用領域的基礎上的，從而使得廣大消費者可以在內容供應商方面接受大范圍內的服務。這種以消費者為中心的模式，可以從一定程度上拓寬商業機遇，隨之而來的是各種類型的服務、內容供應商都將可能得到前所未有的機遇，達到理想的消費市場[4]。

總的來講，社會發展需求從一定程度上決定了圖像壓縮編碼發展的步伐與方向，在這一領域之內的突破無論對于多媒體事業還是通信事業的發展都將帶來重大影響。也正因為如此，探索與研究新型的壓縮編碼算法也將成為未來及當前圖像處理領域范圍內的重中之重。

注釋

[1]潘遠翠：《基于圖像壓縮與編碼技術的研究》[J]，《數字技術與應用》，2011年第4期。

[2]查宣威、岑峰：《DC 恢復算法及其在圖像壓縮編碼中的應用》[J]，《微型機與應用》，2013年第1期。

[3]任燕：《針對WMSN 圖像傳輸能耗優化方法的技術研究》[J]，《科技通報》，2013年第3期。

[4]蒲亞坤、叢爽：《基于小波變換的圖像壓縮改進方法及其應用》[J],《科技導報》,2009年第18期。