【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 差的圖像 2 分 對(duì)觀看較有影響 非常差的圖像 1 分 非常嚴(yán)重的質(zhì)量變壞，基本不能觀看 主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)之間有一定聯(lián)系，但不能完全 等同，由于客觀評(píng)價(jià)比較便，很有說服力，故在一般的圖像壓縮研究中被采用。主觀評(píng)價(jià)很直觀，符合人眼的視效果，比較實(shí)際，但是打分尺度很難把握，不可避免有人為因素。 圖像壓縮 技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn) 信息技術(shù)的突出特點(diǎn)是互操作性和全球聯(lián)網(wǎng)。隨著全球范圍內(nèi)的信息傳輸和交換越來越重要，統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成為實(shí)現(xiàn)全球范圍信息傳輸和交換的關(guān)鍵。 統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是不同國(guó)家地區(qū)和廠商的產(chǎn)品能夠相互兼容和協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。近些年來，圖像編碼技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，并且日臻成熟，其標(biāo)志就是幾個(gè)關(guān)于圖像編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，有關(guān)圖像壓縮編碼已 有的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) （ 或建議 ） 有 、 JPEG、 JPEG20 MPEGl、 MPEG MPEG4 等，涉及到二值圖像傳真、靜225510 lgPSNR MSN? 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 態(tài)圖像傳輸、可視電話、會(huì)議電視、 VCD、 DVD、常規(guī)數(shù)字電視、高清晰度電視、多媒體可視通信、多媒體視頻點(diǎn)播與傳輸?shù)葟V泛應(yīng)用領(lǐng)域。這些標(biāo)準(zhǔn)圖像編碼算法融合了各種性能優(yōu)良的傳統(tǒng)圖像編碼方法，是對(duì)傳統(tǒng)編碼技術(shù)的總結(jié)，代表了目前圖像編碼的發(fā)展水平。 各種圖像編碼的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上都是博采各種方法之所長(zhǎng)的優(yōu)化組合的混合編碼系統(tǒng)。有關(guān)圖像編碼的若干國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) （ 建議 ） 的名稱、主要目標(biāo)和內(nèi)容 以及應(yīng)用范圍如下 [4]： (1) 建議 建議是 CCITT 于 1990 年 7 月通過的有關(guān)圖像 （ 視頻 ） 壓縮編碼的第一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化建議，其全稱為“ p 64kbit/s(p=1~30)視聽業(yè)務(wù)的視頻編解碼器 ”。 的主要對(duì)象是 m 64kbit/s 和 n 354kbit/s 兩類碼率。其應(yīng)用目標(biāo)是可視電話和會(huì)議電視，其對(duì)圖像質(zhì)量的要求不很高。 (2) JPEG 標(biāo)準(zhǔn) JPEG 是 ISO 和 CCITT 于 1986 年成立的聯(lián)合圖像專家組 （ Joint Photgoparhic Expert Group） 的簡(jiǎn)稱。 1992 年作為靜止圖像壓縮算法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)正式推出。它適用于不同類型不同分辨率要求的彩色和黑白靜止圖像，有多種編碼模式和數(shù)據(jù)格式。主要應(yīng)用于彩色產(chǎn)值、靜止圖像、可視通訊、印刷出版、新聞圖片、醫(yī)學(xué)和衛(wèi)星圖像的傳輸、檢索和存儲(chǔ)。 (3) JPEG2020 標(biāo)準(zhǔn) JPEG2020 是 21 世紀(jì)的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它把 JPEG 的四種模式 （ 順序模式、漸進(jìn)模式 、無損模式和分層模式 ） 集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，在編碼端以最大的壓縮質(zhì)量和最大的圖像分辨率壓縮圖像，在解碼端可以從碼流中以任意的圖像質(zhì)量和分辨率解壓圖像。 JPEG2020的主要特征如下： ⅰ .高壓縮率 ： 由于采用離散小波變換，圖像可以轉(zhuǎn)換成一系列“小波”，壓縮比可比 JPEG 提高 10%~30%，而且壓縮后的圖像顯得更加細(xì)膩平滑。 ⅱ .JPEG2020 提供無損和有損兩種壓縮方式。 ⅲ .漸進(jìn)傳輸 ： 采用 JPEG2020 格式的圖像支持漸進(jìn)傳輸。所謂漸進(jìn)傳輸就是先傳輸圖像輪廓數(shù)據(jù)，然后再逐步傳輸其他數(shù)據(jù)來不斷提高圖像質(zhì)量。 ⅳ .感興趣區(qū)域壓縮：可以指定圖片上感興趣的區(qū)域 （ Region of Interest） ，然后在壓縮時(shí)對(duì)這些區(qū)域指定壓縮質(zhì)量，或在恢復(fù)時(shí)指定某些區(qū)域的解壓縮要求。 ⅴ .碼流的隨機(jī)訪問和處 理 ： 這一特征允許用戶隨機(jī)定義感興趣區(qū)域，使得這一區(qū)域的圖像質(zhì)量高于其它區(qū)域。 ⅵ .容錯(cuò)性。 ⅶ .開放的框架結(jié)構(gòu)。 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 ⅷ .基于內(nèi)容的描述。 JPEG2020 的應(yīng)用領(lǐng)域包括互聯(lián)網(wǎng)、彩色傳真、打印、掃描、數(shù)字?jǐn)z像、遙感、移動(dòng)通信、醫(yī)療圖像和電子商務(wù)等。 (4) MPEG1 標(biāo)準(zhǔn) MPEG 是活動(dòng)圖像專家組 Moving Pictuer Experts Group 的簡(jiǎn)稱。 MPEGl 的全稱是ISO/IEC CDIl72， Coding of Moving Picture and Assoeiated Audio for digital storage media at up to ，中文譯為“用于數(shù)字存儲(chǔ)媒體、碼率約為 音的編碼”。 它是 MPEG 專家組的第一階段成果， 1993 年正式通過為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 MPEG1包括系統(tǒng)、視頻、音頻以及測(cè)試和軟件實(shí)現(xiàn)等。 MPEG1 主要面向數(shù)字存儲(chǔ)媒體，應(yīng)用于多媒體計(jì)算機(jī)、教育與訓(xùn)練、演示與咨詢服務(wù)、創(chuàng)作與娛樂、電子出版物、數(shù)字視聽系統(tǒng) VCD 以及 VOD、交互式電視 ITV 等領(lǐng)域。 (5) MPEG2 標(biāo)準(zhǔn) MPEG2 標(biāo)準(zhǔn)的全稱是 ISO/IEC DIS13818， Generie Coding of Moving Pictures and Assoeiated Audio Information，中文名為“活動(dòng)圖像及其伴音信息的通用編碼 （ 標(biāo)準(zhǔn) ）”，1993 年 11 月正式推出。 MPEG2 包括系統(tǒng)、視頻、音頻和測(cè)試，與 MPEG1 后向兼容。MPEG2 的視頻編碼部分碼率為 4~10Mbit/s，圖形質(zhì)量接近演播室質(zhì)量。 MPEG2 在技術(shù)、功能、語法結(jié)構(gòu)、選擇項(xiàng)、可分級(jí)性和應(yīng)用范圍等方面比 MPEG 有重大改進(jìn)和發(fā)展。因此成為一種從多媒體計(jì)算機(jī)到 家用消費(fèi)數(shù)字音像電子產(chǎn)品、從寬帶數(shù)字通信到數(shù)字視頻廣播以及 HDTV 的“通用”共性關(guān)鍵技術(shù)。 MPEG2 從技術(shù)上促進(jìn)了計(jì)算機(jī)、廣播電視、數(shù)字通信三大領(lǐng)域的交匯融合，并發(fā)揮出了巨大的作用。 (6) 建議 全稱是 ITUT Remendation ， Video Coding of Low Bitrate Communation。它是 “ Terminal for Low Bitrate Multimedia Communation”的主要組成部分。其面向低碼率多媒體通信， 原來的目標(biāo)為在 PSTN 上運(yùn)行低于 64Kbit/s 以下碼率的新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。 由于低碼率下實(shí)現(xiàn)多媒體通信在技術(shù)上更為困難和復(fù)雜，因此 采用了多種先進(jìn)技術(shù)以降低碼率，提供各種業(yè)務(wù)，后來又推出了 +和 ++。 (7) MPEG4 和 MPEG7 MPEG4 的目標(biāo)是交互式的多媒體應(yīng)用。其特點(diǎn)有 ： ⅰ .基于內(nèi)容的交互性 ： 基于內(nèi)容的多媒體數(shù)據(jù)訪問、基于內(nèi)容的碼流操作和編輯。 ⅱ .高效的壓縮算法。 ⅲ .自然的與合成的圖像編碼及其混合編碼。 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 ⅳ .通用的可接入性 ： 包括惡劣環(huán)境下強(qiáng)大的抗差錯(cuò)能力，基 于內(nèi)容的可分級(jí)。 圖像壓縮 的分類 圖像 壓縮的效果好與不好，關(guān)鍵要看三樣指標(biāo)：一是壓縮比要大，二是壓縮算法簡(jiǎn)單、速度快，三是恢復(fù)效果好。 數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的壓縮按照應(yīng)用不同可分為兩大類：無損壓縮和有損壓縮。 無損、冗余壓縮：可逆，壓縮比較高，信息保持型數(shù)據(jù)壓縮。 有損、熵壓縮：不可逆，壓縮比較低，又分為保真度型數(shù)據(jù)壓縮和特征保持型數(shù)據(jù)壓縮。 圖像編碼也可以按照編碼所在數(shù)據(jù)域主要分為空間域編碼和變換域編碼兩大類，此外還有模型編碼、矢量量化編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼等眾多方法。下面簡(jiǎn)要介紹幾種壓縮編碼方法 [5]： (1) 預(yù)測(cè)編碼：根據(jù)離散信號(hào)之間存在著一定并聯(lián)性的特點(diǎn)，利用前面的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)對(duì)下一個(gè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后對(duì)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的差值（預(yù)測(cè)誤差）進(jìn)行編碼。對(duì)預(yù)測(cè)的要求是必須較為準(zhǔn)確。預(yù)測(cè)編碼消除的是空間冗余和時(shí)間冗余。屬于這類編碼的主要有 DPCM、 ADPCM 等。 (2) 變換編碼：先對(duì)信號(hào)進(jìn)行某種函數(shù)變換，從一種信號(hào)（空間）變換到另一種信號(hào)（空間），然后再對(duì)變換后的信號(hào)進(jìn)行采樣編碼。變換編碼可以消除空間冗余和時(shí)間冗余。屬于變換編碼的有 KL 變換、 DFT 變換、 DCT 變換、 WHT 變換等。 (3) 統(tǒng)計(jì)編碼：主要用于 對(duì)相互獨(dú)立、無相關(guān)性的消息序列構(gòu)成的無記憶信源進(jìn)行壓縮。它根據(jù)消息出現(xiàn)概率的分布特性而進(jìn)行的壓縮編碼，宗旨是在消息和碼字之間找到明確的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便在恢復(fù)時(shí)再現(xiàn)出來。統(tǒng)計(jì)編碼消除的是信息熵冗余。屬于這類編碼的有 Huffman 編碼、 ShannonFano 編碼、算術(shù)編碼等。 (4) 模型編碼：利用模型的方法，對(duì)需傳輸?shù)膱D像進(jìn)行參數(shù)估測(cè)。它消除的是結(jié)構(gòu)冗余和知識(shí)冗余。屬于這類編碼方法的如分形編碼等。 (5) 其他編碼：如行程編碼，計(jì)算信源符號(hào)出現(xiàn)的行程長(zhǎng)度，然后將行程長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換成代碼； LempelZel 和 Welsh 編碼，查找冗余字符串和將此字符串用較短的符號(hào)標(biāo)記替代的技術(shù)，從而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的，其壓縮率很高。 圖 給出了按數(shù)據(jù)域劃分歸類的主要壓縮方法 [6]。 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 圖 圖像壓縮方法的分類 圖像壓縮 處理技術(shù)基本理論 圖像壓縮 的 基本原理 圖像數(shù)據(jù)壓縮的目的是在滿足一定圖像質(zhì)量的條件下，用盡可能少的比特?cái)?shù)來表示原始圖像，以提高圖像傳輸?shù)男屎蜏p少圖像存儲(chǔ)的容量，在信息論中稱為信源編碼。大類，前 者在解碼時(shí)可以精確地恢復(fù)原圖像，沒有任何損失；后者在解碼時(shí)只能近似原圖像壓縮是通過刪除圖像數(shù)據(jù)中冗余的或者不必要的部分來減小圖像數(shù)據(jù)量的技術(shù)，壓縮過程就是編碼過程，解壓縮過程就是解碼過程。壓縮技術(shù)分為無損壓縮和有損壓縮兩圖像，不能無失真地恢復(fù)原圖像。 假設(shè)有一個(gè)無記憶的信源 ， 它產(chǎn)生的消息為 {ai}， 1≤i≤N， 其出現(xiàn)的概率是已知的 ，記為 P(ai)。則其信息量定義為 ： () 圖像壓縮方法 空域編碼 KL 編碼編碼 PCM、 DPCM 編碼 矢量量化編碼 Delta 編碼 子帶編碼 塊截?cái)嗑幋a 行程編碼 自適應(yīng)變換域編碼 基于模型編碼 其他編碼 變換域編碼 幀間編碼 小波變換編碼 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼 等值線編碼 其他變換域編碼 分形編碼 2( ) log ( )iiI a P a?? 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 由此可見 一個(gè)消息出現(xiàn)的可能性越小，其信息量就越多，其出現(xiàn)對(duì)信息的貢獻(xiàn)量越大，反之亦然 [7]。 信源的平均信息量稱為 “熵 ”（ entropy），可以表示為： () 對(duì)上式取以 2 為底的對(duì)數(shù)時(shí)，單位為比特（ bits）： () 根據(jù)香農(nóng)（ Shannon）無噪聲編碼定理，對(duì)于熵為 H 的信號(hào)源，對(duì)其進(jìn)行無失真編碼所可能達(dá)到的最低比特?cái)?shù)為，這里為一任意小的正數(shù)，因此可能達(dá)到的最大壓縮比為： () 其中 B 是原始圖像的平均比特率 [7]。 在圖像壓縮中，壓縮比是一個(gè)重要的衡量指標(biāo)。可以定義壓縮比為： () 圖像壓縮的基本模型 圖像編碼包括兩個(gè)階段，前一個(gè)階段就是利用預(yù)測(cè)模型或正交模型對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行變換；后一個(gè)階段是利用已變換信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，對(duì)其分配適當(dāng)?shù)拇a來進(jìn)行編碼傳輸。 編碼器與解碼器的結(jié)構(gòu)分別如圖 ，圖 所示 。 圖 編 碼器結(jié)構(gòu) 圖 解碼器結(jié)構(gòu) 在發(fā)送端，輸入的原始圖像首先經(jīng)過 DCT 變換后，其低頻分量都集中在左上角，高頻分量分布在右下角（ DCT 變換實(shí)際上是空間域的低通濾波器）。由于該低頻分量包含了圖像的主要信息，而高頻分量與之相比就不那么重要了，所以可以忽略高頻分量，原始圖 像數(shù)據(jù) DCT 變換 量化器 Huffman 編碼編碼 壓縮圖 像數(shù)據(jù) 壓縮圖 像數(shù)據(jù) Huffman 譯碼 量化器 （逆） 逆 DCT 變換 重建圖 像數(shù)據(jù) ? ? ? ? ? ? ? ?11 l o gNNi i i iiiH P a I P a P a P a??? ? ???????? ? 21 lo g ( )N iiiH P a P a??? ?m ax BBC HH???? 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 從而達(dá)到壓縮的目的。將高頻分量去掉就要用到量化，這是產(chǎn)生信息損失的根源。 “ 量化 ” 的主要任務(wù)是用有限個(gè)離散電平來近似表達(dá)已抽取出的信息。在此采用均勻量化，通過改變程序中的量化因子 Q 的值以得到不同壓縮比的圖像。 Huffman 編碼時(shí)，首先對(duì)經(jīng) DCT 變換及量化后的圖像收據(jù)掃描一遍，計(jì)算出各種像素出現(xiàn)的概率；然后按概率的大小指定不同長(zhǎng)度的唯一碼字，由此得到一張 Huffman 表。編碼后的圖像記錄的是每個(gè)像素的碼字，而碼字與量化后像素值的