基于綜合評判的圖像壓縮軟件在圖像處理與分析教學中的應用

李新利 宋哲 黃從智 楊國田 劉禾

摘? 要 在圖像處理與分析教學過程中，針對圖像壓縮算法和效果進行研究，提出基于主觀評判和客觀評判的評價參數，構建能直觀表示壓縮效果的壓縮綜合指數。基于GUI圖形界面，設計開發圖像壓縮算法軟件，實現無損壓縮和有損壓縮的經典算法，包括RLE編碼、Huffman編碼、算術編碼、DCT壓縮算法和小波變換壓縮算法，直觀展示不同壓縮算法的壓縮效果，并分析不同壓縮算法的區別。

關鍵詞 圖像處理與分析;圖像壓縮;壓縮綜合指數;GUI圖形界面;圖像處理

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）04-0046-03

Application of Image Compression Software based on Compre-hensive Evaluation in Teaching of Image Processing and Analy-sis//LI Xinli， SONG Zhe， HUANG Congzhi， YANG Guotian， LIU HeAbstract In the process of Image Processing and Analysis teaching， the algorithm and effect of image compression is studied， and the evaluation index is proposed which based on subjective evaluation and objective evaluation， and a compression index is used to expressvisually the compression effect. Based on GUI graphical interface， the image compression algorithm software is designed and developedto realize lossless compression and lossy compression. The classical algorithms include RLE coding， Huffman coding， arithmetic coding， DCT compression algorithm and wavelet transform compression algorithm. The compression effects of different algorithms are visually displayed and the differences between different compressionalgorithms are analyzed.

Key words image processing and analysis; image compression; com-pression comprehensive index; GUI graphical interface; image pro-cessing

1 引言

圖像處理與分析課程是模式識別與智能系統學科核心專業課，圖像處理、圖像分析和圖像識別是人工智能的基礎，也是認知科學與計算機科學中的研究熱點。目前人工智能勢頭正盛，有關的人才需求呈明顯上升趨勢。圖像處理與分析課程涉及多領域的交叉，包括計算機圖形學、計算機視覺和模式識別等，具有較深的理論性和較強的實踐性。因此，培養具有理論與實踐并重的高素質人才成為教學的重要任務，要求所培養的研究生具有實踐和創新的能力。圖像壓縮在圖像傳輸和存儲過程中至關重要，其研究受到人們越來越多的關注。

圖像壓縮是圖像處理中的一個重要組成部分。隨著計算機網絡、通信技術的發展，圖像已成為重要的信息載體，而圖像數據遠比文本更占空間，如何才能高質、快速地傳輸并存儲圖像？圖像壓縮算法成為重要技術。本文基于不同的圖像壓縮算法，設計圖像壓縮算法軟件，并提出基于主觀和客觀的綜合評判方法，構建評判壓縮效果的壓縮綜合指數，讓學生直觀感受不同圖像壓縮算法的特點與效果，同時啟發學生的科研創新思維。

2 圖像壓縮算法

圖像壓縮原理? 圖像壓縮的本質是去除多余數據，盡量僅使用能夠表征一幅圖像必需的相關參數。能夠壓縮圖像的根本原因是在圖像的相關數據之中有一定量的可消除的冗余信息。表示圖像的相關冗余數據較多地存在于[1-2]：圖像中兩個相鄰像素之間存在相關性，從而造成空間上的冗余;圖像的序列中不同幀之間有著相關性，從而造成時間冗余;彩色層之間或頻譜帶之間的相關性產生的頻譜冗余。而數據壓縮的目的，就是消去這些冗余數據，從而盡可能地只保留能夠表示圖像的必要數據。

根據壓縮過程有無損失，分為有損編碼和無損編碼[3]。無損編碼是指對圖像數據進行了無損壓縮，解碼后重新構造的圖像和原始圖像之間完全相同。有損編碼是指對圖像數據進行了有損壓縮，解碼后重新構造的圖像和原始圖像之間存在一定的誤差。

無損壓縮? 無損編碼的經典算法主要包括行程編碼、Huffman編碼、LZW編碼和熵編碼。行程編碼也稱RLE算法，基本原理是把圖像數據看成一個線性序列，用一個字節表示該數據塊重復的次數，然后在這個數據重復次數的后面放置對應的數據字節本身。Huffman編碼是利用加長的編碼表對圖像數據中的每一個進行編碼，其中加長的編碼表是通過對圖像元素出現的頻率進行統計的方法得到的。出現頻率高的字母使用較短的編碼;反之，出現頻率低的則使用較長的編碼。LZW編碼算法原理是構建一個字符串表，視為字典，以字典的規則，用較短的代碼表示較長的字符串，從而實現壓縮的效果。算術編碼算法是一種熵編碼，先將所有數據進行概率統計，并記錄它們相對于統計前的位置信息，然后根據概率將[0，1]的區間進行分割[4]。

有損壓縮? 有損編碼包括離散余弦變換DCT（Discrete Cosine Transform）編碼和小波變換WT（ Wavelet Trans-form）。DCT編碼基本思路是將圖像分解為8×8的子塊或16×16的子塊[5]，對每一個子塊進行DCT變換，然后對變換結果進行量化、編碼。小波變換算法原理是通過小波矩陣對圖像數據進行多級小波分解，然后對每層小波系數進行量化、編碼。

3 圖像壓縮算法的綜合評判指標

壓縮比? 圖像壓縮算法的好壞，對評價指標至關重要。壓縮比和失真性是常用來衡量圖像壓縮的重要指標。其中壓縮比是圖像壓縮前后的信息量之比，信息量可包括數據量和信息熵。失真性對有損編碼而言，是指圖像經過有損壓縮，然后其解碼的圖像與原圖像之間的誤差。本文以壓縮前后數據量之比為例進行研究，相較于信息熵而言，數據量之比展示結果更具有直觀性，更加貼合用戶體驗。

壓縮時間? 壓縮時間嚴格來說，是從開始進行壓縮到壓縮停止之間的時間間隔。對用戶而言，不僅關注壓縮開始到完成的時間，同時關注解壓縮所用時間，如果壓縮時間很短但解壓縮時間很長，同樣不會被用戶廣泛接受。因此，本文將壓縮時間定義為從開始進行壓縮的時間點到完整顯示解壓縮后圖像時的時間點，將壓縮和解壓縮兩個時間段融合在一起，考察、評價不同壓縮算法。

圖像壓縮的綜合評價指數? 圖像壓縮和解壓縮后效果如何，人的主觀感受也很重要，因此，本文提出基于主觀和客觀的綜合評價指數。主觀評判標準，即解壓縮之后將得到的圖像與原圖像進行主觀比較，并設定主觀感受度進行效果評價。客觀評判標準以壓縮比和壓縮時間為主。

在用戶主觀評判依據中，本文設定五級主觀感受度作為評定標準，分別為0、0.25、0.5、0.75和1：0表示完全沒有圖像或從復原圖像中看不出原圖像的樣子;0.25表示顏色嚴重失真，本文是利用彩色圖像進行壓縮實驗，將實驗結果二值圖像設定為0.25;而0.5表示解壓縮圖像為灰度圖像，即保留了一部分的顏色，但缺失彩色;0.75表示解壓縮圖像為彩色，但存在一定的數據損壞或丟失，直觀來說，就是圖像跟原圖像相比有可見缺損，但不影響圖像辨識;1表示基本復現，人眼看不出圖像缺損和顏色偏差。

在客觀評判標準中，算法對應的壓縮比越大，壓縮時間越少，表示該算法的壓縮效果越好。

基于上述主觀和客觀評判標準，構建壓縮綜合指數作為評價圖像壓縮的指標，如式（1）所示：

式中CR為壓縮比，T為壓縮時間，A為主觀感受度。壓縮比與主觀感受度的乘積除以壓縮時間，表示單位時間內對圖像壓縮的客觀與主觀綜合壓縮程度。該數值越大，表示壓縮效果越好。

4 基于綜合評價指數的圖像壓縮軟件

GUI界面是圖形用戶界面，相對于命令行界面更便于人機交互[6]。本文基于GUI，編程實現圖像無損壓縮和有損壓縮的六種經典壓縮算法，同時顯示壓縮前和壓縮后圖像，以及不同壓縮算法的壓縮時間、壓縮比和綜合評價指數。

搭建GUI界面? 為了方便教學，設計軟件的輸出數據為輸出壓縮前的原圖像、對解壓后得到的圖像、壓縮比、壓縮時間以及壓縮綜合指數。在GUI界面上需要三個edit框輸出數據，兩個axes部件輸出圖像。本文是根據它們各自的Tag分別對它們編寫輸出語句，從而達到輸出的目的。GUI可編輯界面如圖1所示。

右上側彈出菜單里含有六種壓縮算法可供選擇，其中包括有損壓縮的兩種經典算法以及無損壓縮的四種經典算法。通過選擇不同的算法，可以對應得到壓縮時間、壓縮比和圖像主觀復現程度等參數，更加直觀和方便進行橫向與縱向比較。對于學生而言，對于壓縮過程的理解也會有所加深。

一些壓縮算法中涉及參數設置，如LZW算法的壓縮步長，一般選擇為2的n次方，即每次壓縮2n×2n個數據，將原圖像進行分塊壓縮。可通過軟件界面進行參數設置。

對于學生教學而言，這種界面布置更加簡潔清晰，將壓縮前后圖像差別以及相關參數放置在一個界面中，學生可明顯看出壓縮前后的區別，可以更加深刻地了解有損壓縮對于圖像數據的損失程度，以及無損壓縮壓縮時間上的缺陷。

GUI界面運行? 運行GUI的步驟：打開GUI的可編輯界面，點擊運行按鈕，即可運行GUI界面，如圖2所示。通過GUI進行仿真的步驟：打開GUI界面點擊運行，選擇好算法，點擊確認按鈕，等待圖像和數據的顯示。可再次選擇其他算法進行多組不同實驗，也可多次實驗同一種算法，促使學生思考每次運行結果產生微小差異的原因。

5 結語

通過圖像壓縮算法的研究，提出基于客觀和主觀的綜合評價指數，對圖像壓縮效果進行評價;基于GUI圖形界面，設計實現無損壓縮和有損壓縮的六種算法，包括RLE算法、Huffman編碼、LZW編碼、算術編碼、DCT算法和小波變換。通過圖像壓縮軟件，可以讓學生直觀比較不同壓縮算法的運行效果和特點。所設計的綜合評價指數，不僅可以讓學生通過實驗分析有損壓縮和無損壓縮的區別、不同壓縮算法的壓縮效果和最佳參數設置，而且可以啟發學生進行更多的科研探索，結合所處理的圖像類型，設計更好的編碼和評價指標。

參考文獻

[1]張春田，蘇育挺，等.數字圖像壓縮編碼[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2]薩洛蒙.數據壓縮原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

[3]岡薩雷斯，伍茲.數字圖像處理[M].3版.北京：電子工業出版社，2011.

[4]吳曉云.算術編碼算法在圖像壓縮中的研究[J].計算機與數字工程，2017，45（9）：1863-1865.

[5]馮飛，劉培學，李曉燕，等.離散余弦變換在圖像壓縮算法中的研究[J].計算機科學，2016（S2）：240-241，255.

[6]宗節保，段柳云，王瑩，等.基于MATLAB GUI軟件制作方法的研究與實現[J].電子設計工程，2010，18（7）：54-56.