圖像壓縮方法分類及其評價

張 霞

(1.山東師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000；2.泰安市中心醫(yī)院 遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)中心，山東 泰安 271000)

1 圖像壓縮原理

冗余來自于圖像數(shù)據(jù)本身，也受到主觀因素和外界環(huán)境的影響.經(jīng)過調(diào)查研究，要實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲和傳輸就要想辦法去除掉圖像當(dāng)中的冗余信息.常見的數(shù)據(jù)冗余有：

空間冗余主要存在于靜態(tài)圖像當(dāng)中，表現(xiàn)形式為圖案的粗細(xì)程度；時間冗余是序列圖像中所包含的冗余，取決于圖像隨時間變化程度；結(jié)構(gòu)冗余把圖像看作是區(qū)域集時產(chǎn)生的冗余.例如一幅靜態(tài)圖像存在著一大部分區(qū)域是相同的顏色或者有很明顯的分布特點，換句話說就是圖像具有較強的規(guī)律性和重復(fù)性；知識冗余是日常生活中，有很多圖像的理解與某些基礎(chǔ)知識相關(guān)，應(yīng)用這些先驗知識和背景知識得到的信息；視覺冗余指圖像數(shù)據(jù)中普遍存在的冗余.所謂視覺冗余是相對于人眼的視覺特性而言的，對整體結(jié)構(gòu)來說相對不敏感，不敏感的區(qū)域被人眼視為多余的信息；統(tǒng)計冗余指圖像是由一連串的像素點構(gòu)成，不同的像素點具有不同的像素值.對于由一系列像素值構(gòu)成的數(shù)據(jù)，假如某些像素值出現(xiàn)的頻率高，有些出現(xiàn)的頻率卻很低，因這些頻率出現(xiàn)的高低不同造成的不均性就是統(tǒng)計冗余的表現(xiàn)形式.

2 圖像壓縮方法分類

圖像壓縮方法很多，從不同的技術(shù)角度出發(fā)，有不同的分類方法.一般來說，根據(jù)對圖像進(jìn)行重構(gòu)之后，與原來的圖像對比存在差異程度可以將圖像壓縮方法分為有損壓縮和無損壓縮兩種，圖像壓縮分類方法如圖1所示.

2.1 有損壓縮

有損壓縮是利用人眼的視覺特性去除圖像中的冗余信息和對視覺不敏感的細(xì)節(jié)分量，以盡可能少的比特來表示輸入的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)壓縮后的圖像在解壓縮后與原始圖像相比存在一定的誤差，但并不影響觀看.

2.1.1 變換編碼

常見的離散余弦變換就是一種變換編碼技術(shù).所謂的變換編碼就是將圖像當(dāng)中的空域信號轉(zhuǎn)換到另外的一個正交空間，在變換的時候會形成一些變換系數(shù)，將這些系數(shù)進(jìn)行編碼、量化處理.這樣圖像當(dāng)中的冗余信息減少，圖像的相關(guān)性也會減少，得到的圖像壓縮效率較高.

圖1 圖像壓縮方法分類圖

2.1.2 矢量編碼

矢量量化編碼是把輸入的數(shù)據(jù)幾個一組地分成許多組，然后成組的量化編碼.它是一種限失真編碼，其原理仍是使用信息論中的率失真函數(shù)理論來分析.

2.1.3 自適應(yīng)預(yù)測編碼

預(yù)測編碼是數(shù)據(jù)壓縮理論的一個重要分支.它利用離散信號的相關(guān)性，對相鄰信號進(jìn)行預(yù)測分析，根據(jù)預(yù)測值與實際值之間的差異來編碼.假如使用的預(yù)測方法準(zhǔn)確，差值就會很小，就可以使用很少的碼位進(jìn)行編碼，以達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的.

2.1.4 小波變換圖像編碼

小波變換圖像編碼是多分辨率編碼方法的一種，是最有發(fā)展前途的數(shù)據(jù)壓縮方法.小波變換在時域和頻率都具有良好的局部化特性，而且在頻率高的部分使用比較細(xì)的時域步長，這樣可以實現(xiàn)聚集圖像細(xì)節(jié)區(qū)域.

2.2 無損壓縮

無損壓縮就是利用圖像的各種冗余進(jìn)行壓縮，可完全恢復(fù)原始圖像數(shù)據(jù)而不會引起任何失真.無損壓縮編碼與解碼的過程是可逆的，因為通過無損壓縮消除冗余，減少的數(shù)據(jù)量，在解碼時可完全無失真的進(jìn)行顯示，對觀察圖像的人沒有任何影響.

2.2.1 哈夫曼編碼

哈夫曼編碼是一種經(jīng)典的無損壓縮編碼方法，該算法依據(jù)信源符號出現(xiàn)的概率來構(gòu)造碼字，是可變字長編碼算法的一種.它使用變長編碼表對輸入的原信源符號進(jìn)行編碼，其中，變長編碼表是通過一種評估來源符號出現(xiàn)概率的方法得到的，出現(xiàn)概率高的字母使用較短的編碼，反之則使用較長的編碼，這樣通過減少字符串的長度實現(xiàn)圖像的壓縮.

2.2.2 游程編碼

游程編碼又被稱為行程編碼，是統(tǒng)計編碼的一種.它使用一個符號串來代替相同的連續(xù)符號，可以使編碼后的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始長度.當(dāng)每行每列的代碼發(fā)生改變時記錄出現(xiàn)的重復(fù)數(shù)，這樣可以方便的實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的壓縮.

2.2.3 算術(shù)編碼

算術(shù)編碼是一種熵編碼方法.它直接把整個輸入的消息序列編碼為一個滿足0-1區(qū)間的一個小數(shù)N.在使用算術(shù)編碼時，通常先要對輸入符號的概率進(jìn)行估計，然后編碼，如果已給定符號出現(xiàn)的概率和符號集合，使用算術(shù)編碼可以給出最好的編碼.因此，算術(shù)編碼的結(jié)果是一個0-1之間的實數(shù)，且這個數(shù)是唯一的，在解碼時可進(jìn)行精確重構(gòu).

2.2.4 LZW編碼

LZW編碼通過建立一個字符串表，實現(xiàn)字符重用與編碼.它的基本原理是提取原圖像文件當(dāng)中的所有不重復(fù)的字符，構(gòu)成一個編譯表，之后使用編譯表當(dāng)中的索引替換原文件當(dāng)中的對應(yīng)字符，減少原始數(shù)據(jù)大小來實現(xiàn)圖像的壓縮.

3 圖像壓縮方法的評價

在重構(gòu)壓縮后的圖像時，往往與原圖像間會有一定誤差，此時就需要有衡量壓縮圖像質(zhì)量的準(zhǔn)則.

3.1 圖像壓縮比(R)

衡量壓縮比的重要指標(biāo)就是對圖像的壓縮程度如何，壓縮比越高，則對圖像的壓縮效率就越高.設(shè)R為壓縮比，則

3.2 均方差(MSE)

本文主要介紹了圖像壓縮算法的原理、分類及其評價方法，通過分析可以清楚地了解什么樣的方法適合什么樣的圖像，可以采取什么方式對壓縮后的圖像進(jìn)行評價.

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