數字圖像壓縮原理概述

梁國茂，楊光，李川

摘 要：數據壓縮是通過改變信息的表示方式，在有限的信息空間中表示盡可能多的信息。在信息設備容量有限的前提下，數字圖像壓縮技術對于數字圖像信息在網絡上實現快速傳輸和實時處理具有重要的意義。本文論述了數字圖像壓縮的必要性、可行性以及壓縮原理；介紹了幾種基本的數字圖像壓縮算法的思想和算法實現。

關鍵詞：數字圖像壓縮；理論研究；算法；壓縮編碼

現代圖像和多媒體通信業務的發展需要大量地存儲、記錄和傳輸各類靜止圖像和活動圖像，而圖像和視頻信號數字化具備許多在模擬信號條件下所不具備的優點，諸如：數字傳輸質量顯著高于模擬傳輸質量；數據形式易于加密，提高信息安全性；數字電路易于大規模集成；數字設備可靠性高、維護簡便等。但是，任何事物都有兩面性，數字化在提供諸多優點的同時也帶來了一些問題，其中最主要的問題是信號數字化后數據量太大，數碼率太高，占用頻帶太寬，直接傳輸對信道利用很不經濟，存儲則占用巨大的存儲容量等。

如何妥善處理圖像和視頻信號數字化后的數據壓縮問題，在保證圖像質量的前提下，用最少的數碼或最低的數碼率實現各類數字圖像和視頻信息的存儲、記錄和傳輸，達到優質、經濟、可靠的要求，也就成為多媒體信息處理中的關鍵技術之一。

1 圖像數字壓縮的必要性和可能性

圖像信號可以壓縮的依據有兩個，一方面是圖像信號中存在大量冗余度可供壓縮，并且這種冗余度在解碼后還可無失真地恢復；另一方面是可以利用人的視覺特性，在不被主觀視覺察覺的容限內，通過減少信號的精度，以一定的客觀失真換取數據壓縮。

圖像信號的冗余度存在于結構和統計兩方面。圖像信號結構上的冗余度表現為很強的空間（幀內的）和時間（幀間的）相關性；信號統計上的冗余度來源于被編碼信號概率密度分布的不均勻。充分利用人的視覺特點，挖掘潛力，是實現數碼率壓縮的又一重要途徑。

2 圖像壓縮信源編碼過程

圖像和視頻信源編碼的整個過程一般由以下三個步驟完成：

（1）對表示信號的形式進行某種映射，即變換描寫信號的方式。通過這種映射解除或削弱存在于圖像信號內部的相關性，降低其結構上存在的亢余度；

（2）在滿足對圖像質量一定要求的前提下，減少表示信號的精度。這通過采用符合主觀視覺特性的量化來實現。

（3）利用統計編碼消除最終被編碼的符號所含的統計亢余度。

3 常用數據壓縮編碼方法介紹

按照壓縮還原效果是否存在失真，數據壓縮分為無損壓縮和有損壓縮。對于某些數據（如計算機應用軟件程序）里面的每個數據都不容許有任何變更，因此是無損壓縮。而對于一副彩色照片，它的某些對人眼不敏感的地方被壓縮掉，從而可以提高壓縮比，此為有損壓縮。

3.1 Huffman編碼

Huffman是一種基于統計的壓縮編碼方法。在對數據進行編碼時，對于出現頻率較高的字符，采用較短的編碼，對于出現頻率較低的字符，則采用較長的字符；兩個出現頻率最少的符號將有相同長度的碼字，并且它們只有最低有效位不同。

3.2 行程編碼

行程編碼的縮寫方法廣泛用于各種圖像格式的數據壓縮處理中，是最簡單的壓縮圖像方法之一。行程編碼技術是在給定的圖像數據中尋找連續重復的數值，然后用兩個字符值取代這些連續值。這種方法在處理包含大量重復信息的數據時可以獲得很好的壓縮效率。但是如果連續重復的數據很少，則難獲得較好的壓縮比。而且甚至可能會導致壓縮后的編碼字節數大于處理前的圖像字節數。所以行程編碼的壓縮效率與圖像數據的分布情況密切相關。

3.3 算術編碼

算術編碼與霍夫曼編碼方法相似，都是利用比較短的代碼取代圖像數據中出現比較頻繁的數據，而利用比較長的代碼取代圖像數據中使用頻率比較低的數據從而達到數據壓縮的目的。其基本思想是將被編碼的數據序列表示成0 和1 之間的一個間隔（也就是一個小數范圍），該間隔的位置與輸入數據的概率分布有關。信息越長，表示間隔就越小，因而表示這一間隔所需的二進制位數就越多（由于間隔是用小數表示的）。

3.4 預測編碼

預測編碼方式是目前應用比較廣泛的編碼技術之一。預測編碼中典型的壓縮方法有脈沖編碼調制、差分脈沖編碼調制、自適應差分脈沖編碼調制等，它們較適合于聲音、圖像數據的壓縮，因為這些數據由采樣得到，相鄰樣值之間的差相差不會很大，可以用較少位來表示。采用預測編碼時，傳輸的不是圖像的實際像素值（色度值或亮度值），而是實際像素和預測像素值之差，即預測誤差。

3.5 變換編碼

變換編碼是將圖像時域信號變換到系數空間（頻域）上進行處理的方法。在時域空間上具有很強相關的信息，在頻域上反映出在某些特定的區域內能量常常被集中在一起或者是系數矩陣的分布具有某些規律，從而可以利用這些規律分配頻域上的量化比特數而達到壓縮的目的。

3.6 矢量量化編碼

矢量量化編碼是利用相鄰圖像數據間的高度相關性，將輸入圖像數據序列分組，每一組m個數據構成m維矢量，一起進行編碼，即一次量化多個點。矢量量化編碼屬于有損壓縮編碼，它的缺點是復雜度隨矢量維數呈指數增加，數據量和計算量都很大。

在上述常用圖像數據壓縮編碼方法中，霍夫曼編碼，行程編碼，算術編碼屬于無損壓縮，而預測編碼，變換編碼，其他編碼等屬于有損壓縮。

4 結束語

近年來，隨著計算機與數字通信技術的迅速發展，特別是網絡和多媒體技術的興起，已經為圖像壓縮技術開拓全新的應用領域打下了堅實的基礎。當前的數字圖像壓縮編碼技術充分利用了人的視覺、生理、心理和圖像信源的各種特征，而不僅僅局限于信息論的框架，而且可將多種編碼方法綜合起來運用，能獲得較高的壓縮比，但同時也帶來了運算復雜等問題。因此，在選擇圖像壓縮編碼方法的時候，應該綜合考慮各種因素，選擇最適合的壓縮編碼算法。

參考文獻

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