【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓縮比，以適應(yīng)不同畫(huà)面質(zhì)量、存儲(chǔ)容量以及帶寬的要求。 MPEG4 是對(duì)數(shù)字音 /視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、通信、存取和操作管理等的新標(biāo)準(zhǔn)，并為各種通信環(huán)境提供一種通用的技術(shù)解決方案。 MPEG 專(zhuān)家組深入分析了信息領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)、通信以及以電視為代表的消費(fèi)電器即 3C 交叉融合的方式后，認(rèn)為 MPEG4 應(yīng)提供用于通信的新方式，其中心是基于內(nèi)容的 AV 信息存儲(chǔ)、處理與操作，支持交互性、高壓縮比以及通用存儲(chǔ)性等功能。在其結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有適應(yīng)性與可擴(kuò)張 性，以適應(yīng)軟、硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，及時(shí)融合新的技術(shù)。由于 MPEG4 的中心是基于內(nèi)容與交互性的，它就不再對(duì)低碼率范圍做出特別要求。 MPEG4 在通信信息描述中，首次提出了對(duì)象的概念，如視頻對(duì)象 VO（ Video Object）、音頻對(duì)象 AO（ Audio Object）等，這是一個(gè)新的飛躍。在編碼方案上， MPEG4 仍是以塊為基礎(chǔ)的混合編碼。 MPEG4 標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于視頻電話(huà)、視頻電子郵件和電子新聞等，其傳輸速率要求較低，在 ～ 64kb/s 之間，分辨率為 176?144。 MPEG4 利用很窄的帶寬，通過(guò)幀重建技術(shù)，壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求以最少數(shù)據(jù)獲得最佳圖像質(zhì)量。 MPEG4 更適用于交互 AV 服務(wù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。 MPEG7 由 MPEG 委員會(huì)于 1998 年 10 月提出提議， 2020 年 9 月正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，又稱(chēng)為 “ 多媒體內(nèi)容描述接口（ Multimedia Content Description Interface） ” ，其目標(biāo)是建立對(duì)多媒體信息內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化描述，試圖規(guī)范不同種類(lèi)多媒體信息的描述而不受表達(dá)形式的限制。這些描述要與信息內(nèi)容直接相關(guān) 以便用來(lái)快速有效的查詢(xún)、訪(fǎng)問(wèn)各種多媒體信息。 MPEG7 的應(yīng)用范圍廣泛，既可以應(yīng)用于存儲(chǔ)，也可用于流式應(yīng)用（如廣播、將模型加入 Inter 等）。它可以在實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)環(huán)境下應(yīng)用，如數(shù)字圖書(shū)館、多媒體編輯等。另外， MPEG7 在教育、新聞、導(dǎo)游信息、娛樂(lè)、研究業(yè)務(wù)、地理信息系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)、購(gòu)物、建筑等各方面均有較深的應(yīng)用潛力。 MPEG21是基于 “ 多媒體框架（ Multimedia Framework）標(biāo)準(zhǔn) ” 的，其最終目的是建立一個(gè)多媒體框架，以通過(guò)預(yù)購(gòu)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備使多媒體資源在用戶(hù)之間透明方便的使用。重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 MPEG21的基本框架要素包括數(shù)字項(xiàng)目說(shuō)明、內(nèi)容表示、數(shù)字項(xiàng)目的識(shí)別和描述、內(nèi)容管理和使用、知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理和保護(hù)、終端和網(wǎng)絡(luò)、事件報(bào)告等。它支持的功能有：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，使用并交互操作多媒體對(duì)象；實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)模型，包括對(duì)版權(quán)和交易的自動(dòng)管理；對(duì)內(nèi)容進(jìn)行隱私的尊重等。目前，這一標(biāo)準(zhǔn)仍處于開(kāi)發(fā)當(dāng)中。 （二） 1984 年國(guó)際電報(bào)電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì)的第 23 研究組建立了一個(gè)專(zhuān)家組專(zhuān)門(mén)研究電視電話(huà)的編碼問(wèn)題。經(jīng)過(guò)研究與努力， 1988 年形成草案， 1990 年 12 月通過(guò) ITUT 的 [7]建議。 是 ITUT 針對(duì)可視電話(huà)和會(huì)議、窄帶 ISDN 等要求實(shí)時(shí)編碼和低延時(shí)應(yīng)用提出的一個(gè)編碼標(biāo)準(zhǔn)。它允許 “ 采用 p?64kbit 的圖像業(yè)務(wù)的圖像編解碼 ” ，因而 簡(jiǎn)稱(chēng) p?64。其中 p 是一個(gè)整數(shù)，取值范圍為 1～ 30，對(duì)應(yīng)比特率為 64kb/s～ 。它建議采用中間格式 CIF（ Common Intermediate Format）和 QCIF（ Quarter CIF）解決不同制式通信的矛盾；解決了編碼算法問(wèn)題。 采用了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)和離散余弦變換相結(jié)合的混合編碼方案，獲得很好的圖像壓縮效果。 1995 年，在 的基礎(chǔ)上， ITUT 總結(jié)當(dāng)時(shí)國(guó)際上視頻圖像壓縮編碼的最新進(jìn)展，針對(duì)低比特率視頻應(yīng)用制定了 標(biāo)準(zhǔn)。它提高了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木?，常用于超低速率的圖像傳輸，被公認(rèn)為是以像素為基礎(chǔ)的采用第一代編碼技術(shù)的混合編碼方案所能達(dá)到的最佳結(jié)果。之后， ITUT 又對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)充，以提高編碼效率，增強(qiáng)編碼功能。補(bǔ)充修訂的版本有 1998 年的 +， 2020 年的 ++。 采用第一代編碼技術(shù)，在低速率視頻傳輸質(zhì)量，抗誤碼能力方面有明顯提高，在視頻業(yè)務(wù)傳輸中得到廣泛應(yīng)用。 與 只能工作在 CIF、 QCIF 兩種格式不同， 的信源編碼器可以工作于 5 種圖像格式： QCIF、 SubQCIF、 CIF、 4CIF、 16CIF。另外， 還在 基本編碼算法的基礎(chǔ)上提供了四種可選編碼模式：非限制運(yùn)動(dòng)矢量模式、基于語(yǔ)法的算術(shù)編碼模式、高級(jí)預(yù)測(cè)模式以及 PB 幀模式。由于僅限于五種固定圖像大小、形狀和時(shí)鐘頻率，它應(yīng)用的靈活性較低。 +[8]即 ITUT 在 1998 年通過(guò)的 第二版，增加了 12 個(gè)新的高級(jí)模式，修正了第一版中的非限制運(yùn)動(dòng)矢量模式。修訂版首先在視頻格式多樣性上做了改進(jìn)，還提出一些新技術(shù)：如附加增強(qiáng)信息模式和增強(qiáng)參考幀再采樣模式，進(jìn)一步擴(kuò)大適用范圍，支持圖像凍結(jié)和快照，以及多分辨率視頻的應(yīng)用，同時(shí)還增加了一些新技術(shù)來(lái)增強(qiáng)抗誤碼的能力：如分片結(jié)構(gòu)模式、增強(qiáng)參考幀選擇模式等，使視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮編碼后能夠在具有較大噪聲干擾的窄帶信道 PSTN（ Integrate Services Digital Network）和無(wú)限移動(dòng)信道等 上傳輸。通重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 過(guò)使用去方塊效應(yīng)濾波器，降低分辨率更新模式和修正量化模式等新技術(shù)，重建圖像的主觀(guān)質(zhì)量顯著提高。由于 +的高級(jí)模式有些不能同時(shí)使用，有些需結(jié)合使用，如何選擇合適的編碼模式結(jié)合，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)很困難，因此 ITUT 于 2020 年 11 月提出了 ++，稱(chēng)為 的第三版。它在 +的基礎(chǔ)上增加了三個(gè)高級(jí)模式。 [9]標(biāo)準(zhǔn)是 ITUT和 ISO/IEC聯(lián)合制定的最新的圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，它最先由 ITUT的 VCEG 于 1997 年提出的，它的目標(biāo)是提出一種更高性能的視頻質(zhì)量有實(shí)質(zhì)性提 高的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)于 2020 年 3 月完成，在 ITUT 中被稱(chēng)為 Remendation H .264 而在ISO/IEC 中成為 MPEG4 標(biāo)準(zhǔn)的第 10 部分（ ISO/IEC 1449610 AVC，簡(jiǎn)稱(chēng) MPEG410）。 ：視頻編碼層（ VCL： Video Coding Layer）以及網(wǎng)絡(luò)適配層（ NAL： Network Adapter Layer），前者負(fù)責(zé)對(duì)視頻進(jìn)行高效的壓縮，后者則負(fù)責(zé)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的傳輸需要進(jìn)行編碼數(shù)據(jù)的打包。 以下的特點(diǎn)：低碼率、高質(zhì)量、可達(dá)到比 +提高一倍以上的編碼效率；廣闊的應(yīng)用范圍，既可用于嚴(yán)格時(shí)延限制的實(shí)時(shí)通信，可用于對(duì)時(shí)延要求不高的其他應(yīng)用；穩(wěn)健性，在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，有較強(qiáng)的抗誤碼性能；對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)的友好性，提供了友好的網(wǎng)絡(luò)接口。 第三節(jié) 圖像壓縮技術(shù)分類(lèi) 圖像壓縮的優(yōu)點(diǎn)在于，如抗干擾、處理精度高、靈活性好等，其中主要缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量太大，傳輸中占頻帶太寬。數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的壓縮按應(yīng)用不同可分為以下三類(lèi)： ① 信息保持型數(shù)據(jù)壓縮 （ 無(wú)損壓縮 ）： 它要求壓縮圖像的比特?cái)?shù)而不丟失任何信息。主要用 在圖像信息保存中，要求圖像存儲(chǔ)能保持信息并能快速存取圖像。例如短時(shí)隨機(jī)存取主要用于處理過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)的存儲(chǔ)，它要求經(jīng)過(guò)不同存儲(chǔ)介質(zhì)多次重復(fù)不變質(zhì)、不失真。又如遙感圖像，攝取地球上許多地區(qū)，因來(lái)不及處理，可暫時(shí)保存以便以后處理。 ② 保真度型數(shù)據(jù)壓縮 ： 傳送的圖像應(yīng)該能夠適應(yīng)通信的通道限制，若接收端是人觀(guān)看的情況，由于人眼的生理特性不需要過(guò)高的空間分辨率和灰度分辨率，因此在壓縮過(guò)程中允許丟失一些人感覺(jué)不到的信息，這就是一種允許微量失真的圖像壓縮。數(shù)字電視、圖像傳輸和多媒體中常用這種壓縮。 ③ 特征保持型數(shù)據(jù)壓 縮 （ 有損壓縮 ）： 許多圖像處理的目的是為了計(jì)算機(jī)的識(shí)別、分析、控制，這時(shí)并不需要圖像的全部細(xì)節(jié)及灰度細(xì)節(jié)。只要能保存圖像中的感興趣的特征重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 信息，無(wú)用信息都可丟掉。例如識(shí)別軍艦類(lèi)型、巡航導(dǎo)彈地形識(shí)別等只要輪廓信息就可以了。又如在機(jī)場(chǎng)跑道的識(shí)別中農(nóng)田、房屋信息皆可丟掉，只保留跑道的圖像信息即可。這些圖像信號(hào)可以進(jìn)行特征保持型數(shù)據(jù)壓縮。圖像編碼也可以根據(jù)編碼所在數(shù)據(jù)域劃分為空間域編碼和變換域編碼。 第四節(jié) 圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 從國(guó)際數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的發(fā)展尤其是 MPEG 的發(fā)展可以看出，基于內(nèi)容的圖像壓縮編碼方法是未來(lái)編碼的發(fā)展趨勢(shì)。它不僅能滿(mǎn)足進(jìn)一步獲得更大的圖像數(shù)據(jù)壓縮比的要求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)的功能。另外，任意形狀物體的模型建立的關(guān)鍵問(wèn)題還沒(méi)有解決，這嚴(yán)重影響其應(yīng)用的廣泛性。 通過(guò)元數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼也是今后編碼的發(fā)展方向。元數(shù)據(jù)是指詳細(xì)的描述音 /視頻信息的基本元素，利用元數(shù)據(jù)來(lái)描述音視頻對(duì)象的同時(shí)也就完成了編碼，因?yàn)榇藭r(shí)編碼的對(duì)象是圖像的一種描述而不再是圖像本身。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，進(jìn)一步提高壓縮比，提高碼流的附屬功能（碼流內(nèi)容的可訪(fǎng)問(wèn)性、抗誤碼能力、可伸縮性等）也將是未來(lái)的編碼的兩個(gè)發(fā)展方向。 第五節(jié) 本章小結(jié) 圖像壓縮技術(shù)已經(jīng)為開(kāi)拓全新的應(yīng)用領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圖像壓縮技術(shù)的基本應(yīng)用在更深更廣層次上的應(yīng)用就成為我們研究的熱點(diǎn)。 本章重點(diǎn)對(duì)現(xiàn)代圖像壓縮技術(shù)進(jìn)行概括性介紹。 圖像壓縮就是減少表示數(shù)字圖像時(shí)需要的數(shù)據(jù)量。是指以較少的比特有損或無(wú)損地表示原來(lái)的像素矩陣的技術(shù)，也稱(chēng)圖像編碼。 其次介紹了靜態(tài)與動(dòng)態(tài)圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。最后分別介紹了圖像壓縮技術(shù)的分類(lèi)。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第二章 圖像有損壓縮技術(shù) 隨著多媒體技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展 ， 多媒體娛樂(lè)、信息高速公路等不斷對(duì)信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸提出了更高的要求，也給現(xiàn)有的有限帶寬以嚴(yán) 峻的考驗(yàn)，特別是具有龐大數(shù)據(jù)量的數(shù)字圖像通信 ， 更難以傳輸和存儲(chǔ)，極大地制約了圖像通信的發(fā)展，因此圖像壓縮技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。圖像壓縮的目的就是把原來(lái)較大的圖像用盡量少的字節(jié)表示和傳輸 ， 并且要求復(fù)原圖像有較好的質(zhì)量。利用圖像壓縮可以減輕圖像存儲(chǔ)和傳輸?shù)呢?fù)擔(dān) ， 使圖像在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)處理。 第一節(jié) 有損壓縮概述 有損壓縮 [10]是對(duì)利用了人類(lèi)是絕對(duì)圖像或聲波中的某些頻率成分不敏感的特性，允許壓縮過(guò)程中損失一定的信息；雖然不能完全回復(fù)原始數(shù)據(jù)，但是所損失的部分對(duì)理解原始圖像的影響縮小有損壓縮， 卻換來(lái)了大得多的壓縮比。有損壓縮廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音，圖像和視頻數(shù)據(jù)的壓縮。常見(jiàn)的聲音、圖像、視頻壓縮基本都是有損的。 有損壓縮可以減少圖像在內(nèi)存和磁盤(pán)中占用的空間，在屏幕上觀(guān)看圖像時(shí)，不會(huì)發(fā)現(xiàn)它對(duì)圖像的外觀(guān)產(chǎn)生太大的不利影響。因?yàn)槿说难劬?duì)光線(xiàn)比較敏感，光線(xiàn)對(duì)景物的作用比顏色的作用更為重要，這就是有損壓縮技術(shù)的基本依據(jù)。 有損壓縮的特點(diǎn)是保持顏色的逐漸變化，刪除圖像中顏色的突然變化。生物學(xué)中的大量實(shí)驗(yàn)證明，人類(lèi)大腦會(huì)利用與附近最接近的顏色來(lái)填補(bǔ)所丟失的顏色。例如，對(duì)于藍(lán)色天空背景上的一朵白云，有損壓縮的方法就是 刪除圖像中景物邊緣的某些顏色部分。當(dāng)在 屏幕上看這幅圖時(shí)，大腦會(huì)利用在景物上看到的顏色填補(bǔ)所丟失的顏色部分。利用有損壓縮技術(shù)，某些數(shù)據(jù)被有意地刪除了，而被取消的數(shù)據(jù)也不再恢復(fù)。 無(wú)可否認(rèn)，利用有損壓縮技術(shù)可以大大地壓縮文件的數(shù)據(jù)，但是會(huì)影響圖像質(zhì)量。如果使用了有損壓縮的圖像僅在屏幕上顯示，可能對(duì)圖像質(zhì)量影響不太大，至少對(duì)于人類(lèi)眼睛的識(shí)別程度來(lái)說(shuō)區(qū)別不大。可是，如果要把一幅經(jīng)過(guò)有損壓縮技術(shù)處理的圖像用高分辨率打印機(jī)打印出來(lái)，那么圖像質(zhì)量就會(huì)有明顯的受損痕跡。 在多媒體應(yīng)用中，常見(jiàn)的壓縮方法 [11]有： PCM（ 脈沖編碼調(diào)制 ） ，預(yù)測(cè)編碼，變換編碼，重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 插值和外推法，統(tǒng)計(jì)編碼，矢量量化和子帶編碼等，混合編碼是近年來(lái)廣泛采用的方法。mp divX、 Xvid、 jpeg、 rm、 rmvb、 wma、 wmv 等都是有損壓縮。有損數(shù)據(jù)壓縮方法是經(jīng)過(guò)壓縮、解壓的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)不同但是非常接近的壓縮方法。有損數(shù)據(jù)壓縮又稱(chēng)破壞型壓縮，即將次要的信息數(shù)據(jù)壓縮掉，犧牲一些質(zhì)量來(lái)減少數(shù)據(jù)量，使壓縮比提高。這種方法經(jīng)常用于因特網(wǎng)尤其是流媒體以及電話(huà)領(lǐng)域。在這篇文章中經(jīng)常成為編解碼。它是與無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮對(duì)應(yīng)的壓縮方法。根據(jù)各種格式設(shè)計(jì)的不同，有損數(shù)據(jù)壓 縮都會(huì)有 generation loss：壓縮與解壓文件都會(huì)帶來(lái)漸進(jìn)的質(zhì)量下降。 第二節(jié) 有損壓縮機(jī)制 由于圖像數(shù)據(jù)之間存在這一定的冗余，所以使得數(shù)據(jù)的壓縮成為可能。信息論的創(chuàng)始人 Shannon 提出把數(shù)據(jù)看作是信息和冗余度 [12]（ redundancy）的組合。所謂冗余度是由于一副圖像的各像素之間存在著很大的相關(guān)性，可利用一些編碼的方法刪去它們，從而達(dá)到減少冗余壓縮數(shù)據(jù)的目的。為了去掉數(shù)據(jù)中的冗余，常常要考慮信號(hào)源的統(tǒng)計(jì)特性，或建立信號(hào)源的統(tǒng)計(jì)模型。 圖像的冗余包括以下幾種： ① 空間冗余：像素點(diǎn)之間的相 關(guān)性； ② 時(shí)間冗余：活動(dòng)圖像兩個(gè)連續(xù)幀之間的冗余； ③ 信息熵冗余：?jiǎn)挝恍畔⒘看笥谄潇兀? ④ 結(jié)構(gòu)冗余：區(qū)域上存在非常強(qiáng)的紋理結(jié)構(gòu)； ⑤ 知識(shí)冗余：有固定的結(jié)構(gòu)，如人的頭像； ⑥ 視覺(jué)冗余：某些圖像的失真是人眼不易覺(jué)察的。 對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行有損壓縮通常利用兩個(gè)基本原理： 一是數(shù)字圖像的相關(guān)