圖像壓縮技術在網絡中的應用

袁 玲

圖像壓縮技術在網絡中的應用

袁 玲

（西安郵電大學，西安 710121）

圖像往往比文字能夠更直觀地表達事物的特征和具體信息，但是由于圖像本身占有的數據量大，使得存儲和傳輸需要占用更大空間和更大帶寬，從而增加網絡的負擔。本文通過對圖像壓縮技術的分析，探討圖像壓縮技術更好地在網絡中應用。

圖像壓縮技術；網絡；應用

1 圖像壓縮技術的基本思想

圖像由于本身占有的數據量大，使得存儲和傳輸往往需要更大的空間，因此采取圖像壓縮方法是非常重要的，而且應用的非常廣泛，好比數碼相機可視電話、可視電話，視頻會議系統、USB攝像頭、視頻點播和數字監控系統等都應用了圖像壓縮技術。而在計算機發展過程中，圖像壓縮已經有幾十年的研究了，圖像壓縮技術也出現了幾種方法：復合壓縮方法、小波變換的壓縮方法、分形壓縮方法、變換壓縮方法、變長編碼、預測編碼的壓縮方法、二值圖像編碼的壓縮方法等。并且在發展過程中也出臺了基于離散余弦（DCT)的混合編碼等技術的的國際壓縮標準，如JPEG、MPEG和H.261圖像壓縮卡等。這類技術標準具有較高的壓縮率和計算復雜度低，更加符合硬件實現等方面的優點，但是人們在使用過程中，還是發現了許多缺點，比如只能提供整個信號全部時向或者是空間下的整體頻域特性，但是并沒有可以提供任何局部時間或者是空間段上的頻率信息情況。同時在高壓縮比時，會造成圖像嚴重的方塊效應問題，在圖像中表現出邊緣、紋理等是高度局部性的，而且人眼視覺系統的特性往往不是很容易被引入到壓縮算法中等。所以我們需要把在時域和領域中信號的特性，以及在空域和領域的圖像特性進行結合分析，就好比我們要知道信號在某一段頻率分布是什么情況，以及圖像的哪一部分存在多的高頻分量等情況，這在傳統變換方法中都是無法實現的。

而圖像壓縮技術在網絡中的應用往往需要知道信號在某一段頻率分布是什么情況，以及圖像的哪一部分存在多的高頻分量等情況，和信息、能量傳輸中不損失。而小波變換壓縮方法恰好具有時頻局部性特點，可以變換頻率和位置，尤其是在分析低頻信號時，可以通過降低時間分辨率達到提高頻率分辨率的目的，并且信息、能量都不損失，所以說這類方法非常適合分析瞬態信號。如圖像編碼基本方法就是將圖像所包含的信息從一種空間變換到另一種空間的過程中圖像的信息和能量要求不損失。通常我們接觸的正交變換就是一種變換后能量不損失的變換，計算式為：Y=AX（1），其中AT? A?1，A為正交矩陣，則Y和X的能量為通過公式我們看見變換前后能量保持不變，說明能量沒有損失。

2 小波變換用于圖像壓縮的結構

2.1 小波的概念

小波是在傅里葉變換條件上發展起來的一個新的計算分析工具，在有限區間內快速衰減到0的函數，平均值是0。函數f（t）是小波函數：如果它在區間滿足積數是零的函數，即ψ（t）dt=0，如果它在區間滿足，也就是假設函數?left(x i ght)存在傅里葉變換，則對任意實數ω0，函數也存在傅里葉變換，且有在公式中用athcal表示傅里葉變換的作用算子，e是自然對數的底，平體?表示變換的結果（復函數），i 是虛數單位sqr。

2.2 小波變換定義和用于圖像壓縮的措施

①小波變換的定義是指經過多分辨分析后把一幅圖像區別成近似與細節兩個部分，細節相對是小尺度的瞬變，并在本尺度內非常穩定。對細節部分進行存儲，而對近似部分則是在接下尺度上做分解用，反復進行該過程就行，而在正交鏡像濾波器算法中關于近似和細節兩部分相對應的是高通濾波與低通濾波，通過尺度去掉相關性的變換在圖像壓縮中是有效的。

小波變換的圖像壓縮方法的流程：原始圖象輸入→預處理→小波變換→量化→編碼→存儲或傳輸→解碼→反量化→小波逆變換→后處理→解碼圖像輸出。小波變換的構思是把任意一個函數f看做是小波的疊加，用函數f看做的小波疊加就是把函數f分解成各種尺度級，在每個不同尺度級別中函數f還在這一個尺度級相對的分辨率中被分解，尺度級是同頻率相對應的，如果頻率升高，相對的分辨率也會跟著升高。在小波變換的實踐運用中，對函數f通常是寫成離散的疊加，這個疊加只是求和而不是積分。一個離散化的措施通常是設a=a0m,b=nb0m。而a0,b0是常數，其中m,n的表示是m,n∈Z,a0＞1,b0＞0。

②小波變換用于圖像壓縮的措施。在圖像壓縮處理過程中，通常是采用二維正交離散小波變換。二維小波變換的具體過程是先對圖像進行信息的小波變換，然后進行列信息的小波變換，這就相當于兩次一維小波變換。在二維基本離散小波函數做空間大小、尺度長短和時移的變化處理，就得到了關于L2（R2）空間的標準正交基函數序列的函數式小波變換圖像壓縮算法構成二維圖像空間的緊支、對稱的正交小波框架，確保了小波變換的正交性。

通過Mallat算法能夠快速計算各級小波分解的小波系數，mallat算法是mallat提出的用于某一函數F (t)的二進小波分解和重構的快速算法，也將原始信號分別采取低通和高通濾波，然后對兩者分別做二元下抽樣工作，便得到了關于低頻、高頻兩種系數，使得在實際應用中減少了小波變換的復雜度。它的分解式子是：

重構式子是：

二維Mallat算法分解與重構完全是離散的，實質上是分別對圖像數據的行與列做一維小波變換。圖像小波變換通常使用的是Daubechies小波函數，它的特點是從兩尺度方程系數出發設計出的離散正交小波。程序用Matlab中小波函數分解圖像，通常Matlab中記為dbN，N為小波的序號，N值取2，3，…，10。該小波沒有明確的解析表達式，小波函數φ與尺度函數Φ的有效支撐長度為2N-1.當N取2時便成為Haar小波。而在Matlab中分解出來的系數可以當做小波函數的幅值，這樣把二維圖像看做是二維小波基函數的加權和。

其中LH表示的是垂直方向的高頻分量，HH表示的是對角方向的高頻分量，HL表示的是水平方向的高頻分量。從圖2我們可以看出高頻子圖像上很多分點的數值都在0附近，這就體現出一個圖像最重點的部分都是低頻部分，在LH、HL、HH子圖中小波系數分布狀況猶如一個高斯分布。經過修改閾值的值可以得到合成的圖像系數是0的個數，而大多數高頻系數的值都在0附近。尤其是在閾值的不斷增大中，圖像的壓縮比也隨著增加，使得保存文件的空間就會越來越小，從而達到了有效壓縮圖像的目的，而且通過二進制小波進行數字化，更利于在網絡中的傳輸。

3 圖像壓縮技術在網絡中的應用

通過小波變換用于圖像壓縮，為了防止在網絡傳輸中圖像的失真，可以增加運動補償技術。該技術是通過先前的局部圖像進行預測和補償當前的局部圖像，能夠達到有效減少幀序列冗余信息的目的。首先將要編碼的圖像細分為16×16的宏塊，而每個宏塊依照某指定的規則，在所參考圖像中搜索與其最相近的塊。然后用DCT方法進行編碼，最開始對殘差圖像里的幀內編碼宏塊用DCT技術采取變換、量化和編碼其結果可以當作總數據的一部分輸出到比特流中。其中量化就是用有限的幅度值把以前連續的幅度值將其近似化，并將模擬信號的連續程度變為有一定間隔的離散值。而編碼則是按照規律，并用二進制表示量化后的值進行轉換成多值的數字信號流的過程。

但是需要注意的是圖像小波系數的掃描，該描述通常是按照量化過程中對于量化結果中的非“0”系數，我們認為是孤立次要系數、正系數以及負系數，在游程編碼時需要直接進行跳過，原因是這部分系數變化多而大，根本不適合游程編碼。而量化編碼后的圖像塊經過恢復后就得到了重構塊，然后用原塊對重構塊得到殘差塊進行減掉，也就是幀間編碼塊。由殘差塊替代殘差圖像里相對的幀內編碼塊，結果就是殘差圖像就全部由幀間編碼塊組成了，使得整體上更近于零。但是在分塊不足的是運動補償的塊變小時，得到的殘差圖像的能量就會相應的更小。同時分塊越小，就會使得塊增多，算法就會更加復雜化，矢量數目也就變得多，使得傳輸矢量所需要的數量非常多，而且存在大于圖像殘差能量，所以如果減小所節省的數據量，那么就顯得得不償失了。對于這樣的問題處理方式就是使用自適應的分塊大小，對細節較少的部位使用大的分塊，對細節較多的部位使用較小的分塊措施，達到提高圖像快速、高質量傳輸的目的。

［1］吳金建.基于人類視覺系統的圖像信息感知和圖像質量評價［D］.西安電子科技大學，2014.

［2］李紅.數字圖像壓縮技術的探究［J］.吉林工程技術師范學院學報，2010（08）.

［3］許小明.基于DCT變換的彩色圖像壓縮應用研究［J］.宜春學院學報，2010（08）.

［4］孫文方，趙亦工，朱紅.一種基于噪聲修整Contourlet變換的低碼率圖像壓縮算法［J］.光子學報，2009（11）.

［5］婁莉，劉天時.基于小波與分形相結合的圖像壓縮優化算法［J］.微電子學與計算機，2010（06）.

歡迎訂閱《影像技術》

《影像技術》是由全國輕工感光材料信息中心、中國感光學會和天津遠大感光材料公司共同主辦的技術性期刊，創辦于1989年。本刊主要報導國內外影像技術方面的發展狀況,數字成像技術和數字影像材料，以及醫學類、傳統感光材料和各種新型影像記錄系統的應用技術。讀者對象是數碼影像行業中的專業人士、相關院校的師生，以及廣大的數碼、影像技術愛好者。主要欄目有：印刷制版、醫學影像、數碼影像、遙感與航空攝影、微縮成像與特種照相、工業射線照相、打印與輸出、經營管理與市場調研等，并辟有海外藏中國書畫作品供書畫愛好者欣賞。

《影像技術》為雙月刊，大16開彩色封面，銅板紙印刷。每期64頁，定價10元，全年60元。可在全國各地郵局訂閱，也可匯款到編輯部直接訂閱。

地 址：天津市河西區洞庭路20號

郵 編：300220

電 話：022-88113470

傳 真：022-88112801

郵 箱：yixi@chinajournal.net.cn

yxjs_journal@163.com

TP751;TP393

B

10.3969/j.issn.1001-0270.2015.06.23

2015-05-21

袁玲（1972年出生），女，漢族，籍貫（江蘇省宿遷市），工程師，碩士學位，研究方向：計算機技術與應用。