【文章內(nèi)容簡介】 色在表中的索引值，這個表在 BMP 圖像中稱為調(diào)色板。有一種圖，它的顏色數(shù)高達(dá) 256256256 種，也就是說包含上述提到的 R， G， B 顏色表示方法中所有的顏色，這種圖叫做真彩色圖 (True Color)。 BMP 是一種與硬件設(shè)備無關(guān)的圖像文件格式，使用非常廣。它采 用位映射JPEG 標(biāo)準(zhǔn)研究及算法實(shí)現(xiàn) 6 存儲格式，除了圖像深度可選以外，不采用其他任何壓縮，因此， BMP 文件所占用的空間很大。 JPEG 是 Joint Photographic Experts Group(聯(lián)合圖像專家組 )的縮寫，是一種有損壓縮格式，能夠?qū)D像壓縮在很小的儲存空間，圖像中重復(fù)或不重要的資料會被丟失，因此容易造成圖像數(shù)據(jù)的損傷。 JPEG 壓縮技術(shù)十分先進(jìn)，它用有損壓縮方式去除冗余的圖像數(shù)據(jù)，在獲得極高的壓縮率的同時能展現(xiàn)十分豐富生動的圖像。而且 JPEG是一種很靈活的格式，具有調(diào)節(jié)圖像質(zhì)量的功能，允許用不同的壓縮比例對文件進(jìn)行壓 縮，支持多種壓縮級別，壓縮比率通常在 10： 1 到 40： 1 之間。比如可以把 1． 37Mb的 BMP 位圖文件壓縮至 20． 3KB。當(dāng)然也可以在圖像質(zhì)量和文件尺寸之間找到平衡點(diǎn)。 JPEG 格式壓縮的主要是高頻信息，對色彩的信息保留較好，適合應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，可減少圖像的傳輸時間，可以支持 24bit 真彩色，也普遍應(yīng)用于需要連續(xù)色調(diào)的圖像。 圖像壓縮的基礎(chǔ) 圖像壓縮的出發(fā)點(diǎn)就是圖像信息存在著很大的冗余度，數(shù)據(jù)之間存在著相關(guān)性，如相鄰像素之間色彩的相關(guān)性等。常見的冗余信息主要有以下幾種形式： （ 1) 空間冗余：空間冗余是指圖像中相鄰像素、相 鄰行之間存在較強(qiáng)的空間域的相關(guān)性 (幀內(nèi)相關(guān)性 )。通常在一幅圖像中總有大小不等的均勻著色區(qū)域，除邊界點(diǎn)以外，相鄰像素點(diǎn)間的灰度差異不大，而且變化有規(guī)律可循。 （ 2) 時間冗余：時間冗余是指視頻序列中相鄰幀圖像之間存在較強(qiáng)時間域的相關(guān)特性。因?yàn)橐曨l圖像每秒 25 幀，相鄰圖像時間間隔很小，加之圖像背景多為靜止的，所以相鄰圖像之間差別極小。 （ 3) 結(jié)構(gòu)冗余：在有些圖像的部分區(qū)域內(nèi)存在著非常強(qiáng)的紋理結(jié)構(gòu)，或是圖像的各個部分之間存在某種關(guān)系，如自相似性等，稱為結(jié)構(gòu)冗余。 （ 4) 知識冗余：在某些圖像中包含的信息與某些先驗(yàn)知識有關(guān)，如特定的背景 環(huán)境、所壓縮圖像的結(jié)構(gòu)等信息是事先已知的，故稱之為知識冗余。 （ 5) 信息熵冗余 (編碼冗余 )：通常，圖像各像素點(diǎn)灰度值并不是等概率分布的，即各灰度值數(shù)據(jù)的信息熵是不同的。由信息論有關(guān)原理可知，為表示圖像數(shù)據(jù)的一個像素點(diǎn)，只要按其信息熵的大小分配相應(yīng)的比特數(shù)即可。但是對于實(shí)際圖像數(shù)據(jù)的每個像素，很難得到它的信息熵，所以在數(shù)字化一幅圖像時，對每個像素都用相同的比特數(shù)表示，這樣必然導(dǎo)致冗余存在。 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)研究及算法實(shí)現(xiàn) 7 （ 6) 視覺冗余：人類的視覺系統(tǒng)對圖像的處理是非均勻和非線性的，人眼對一般像中的許多信息并不敏感，特別是人類的視覺系統(tǒng)并不是對圖像中的 任何變化都能感知，這些人眼不敏感的和不能感知的信息就是視覺冗余信息。因此，處理圖像時我們就可以去掉或減弱這些視覺冗余信息，從而達(dá)到壓縮的目的。圖像壓縮編碼的可能性就在于圖像信息的基本特性、圖像信息理論 (信源 )和人眼視覺特性 (信宿 )。圖像壓縮的目的就是要除去這些冗余信息，在有些場合，一定限度的失真是允許的，因此可以對圖像信源作一定程度有時甚至是很大程度的壓縮。 JPEG 圖像的編碼算法工作模式及壓縮分類 JPEG 編碼算法工作模式 JPEG 是假想為適用范圍非常廣泛，通用性很強(qiáng)的技術(shù)，所以把算法的功能分為四種運(yùn)行 方式 (modes ofoperation)，用戶只要從中選擇需要的功能即可。這四種運(yùn)行方式分別是： （ 1) 基于 DCT 順序工作模式：由 8x8 像素組成的像素塊，從左到右進(jìn)行編碼處理并按照從上到下順序進(jìn)行掃描。編碼處理是由二元 DCT 系數(shù)的量化和量化系數(shù)的熵編碼組成的。 （ 2) 基于 DCT 的擴(kuò)展工作模式：處理的順序及編碼處理的基本構(gòu)成是與基本DCT 順序相同的，但存在多次處理掃描。掃描的順序與前面相似，負(fù)責(zé)塊內(nèi)的重要信息 (即在第一次掃描中得到粗略的圖像 )。 （ 3) 無失真編碼工作模式：不使用 DCT 變換，對接近像素間的差別進(jìn)行熵編碼，從而不 產(chǎn)生失真。 （ 4) 分層編碼工作模式：按照空間分辨率的高低層次，多種分辨率對圖像進(jìn)行編碼。按照不同的要求，可以獲得不同的分辨率和質(zhì)量的圖像，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)速度和終端設(shè)備分辨率的要求。并且，如果這些按照具體實(shí)現(xiàn)編碼算法的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類的話，可分成 DCT 方式和 Spatial 方式： ① DCT 方式：存在于基線 (basdine)系統(tǒng) (必備功能 )和擴(kuò)展系統(tǒng) (選擇功能 )中?；€系統(tǒng)是所有 JPEG 編碼器和解碼器中必備的最基本的功能，擴(kuò)展系統(tǒng)中因?yàn)橐獙?yīng)更廣泛的應(yīng)用范圍，所以是可選功能。 DCT 方式是基于編碼和解碼，并且是失真的非可逆的過 程。 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)研究及算法實(shí)現(xiàn) 8 ② Spatial 方式：對于基線系統(tǒng)和擴(kuò)展系統(tǒng)被稱為獨(dú)立 (independent)功能，編碼中使用 DPCM(Differential PCM)和熵編碼，與 DCT 方式不具有算法的連續(xù)性。該功能是基于編碼和解碼的無失真、可逆的過程。 作為靜態(tài)圖像壓縮的標(biāo)準(zhǔn)算法， JPEG 算法必須滿足以下要求：算法獨(dú)立于圖像的分辨率；具有低于 1 bit/像素的編碼率，并且能夠在五秒鐘內(nèi)建立圖像，以滿足實(shí)時要求；在壓縮比大約是 2 的情況下能夠無失真地恢復(fù)原圖像；支持順序編解碼和漸進(jìn)編解碼，以及對各種圖像成分及數(shù)據(jù)精度的自適應(yīng)能力；最 后，要求編解碼設(shè)備簡單、易實(shí)現(xiàn)。 JPEG 編碼壓縮分類 從信號系統(tǒng)的角度理解，數(shù)據(jù)的壓縮就是對原來信號進(jìn)行某種變換。借助這種變換，信號的表達(dá)更經(jīng)濟(jì)，存儲傳輸更方便。從信息論角度理解，信號本身的具體表達(dá)形式不過是其內(nèi)在攜帶信息的外在表象，一定的信息可以用各種形式加以體現(xiàn)，每種表達(dá)形式的表達(dá)效率并不相同，存在信息冗余。數(shù)據(jù)壓縮的目的就是尋找在一定約束條件下最為高效的信息表達(dá)方式。從壓縮技術(shù)的角度理解，數(shù)據(jù)壓縮一般分為：建模、去相關(guān)、量化、編碼四個程序。由此發(fā)展出數(shù)據(jù)壓縮的兩類基本方法：無損壓縮和有損壓縮。 (1)無損壓縮 無損壓縮是將相同的或相似的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)特征歸類，使用較少的數(shù)據(jù)量描述原始數(shù)據(jù)，以達(dá)到減少數(shù)據(jù)量的目的。無損壓縮又稱信息保持編碼，或叫做熵保持編碼。圖像的無損壓縮通常分為兩步，即去相關(guān)和編碼。 在對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼時，可對那些經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)指定較少的位數(shù)表示，而那些不常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)則指定較多的位數(shù)表示。用這種方法得到的代碼，其碼的位數(shù)，也即碼長就是不固定的，故稱為變長碼，也稱哈夫曼 (Huffiman)編碼。哈夫曼編碼的基本方法是先對圖像數(shù)據(jù)掃描一遍，計(jì)算出各種像素出現(xiàn)的概率，按概率的大小指定不同長度的唯 一碼字，由此得到一張圖像的哈夫曼碼表。哈夫曼編碼 (Huffiman編碼 )是完全依據(jù)字符出現(xiàn)概率來構(gòu)造字符的平均長度最短的碼字，又稱為最佳編碼。 游程編碼 RLE(RunLength Encoding)是一種適合信息源字符少或某幾個字符重復(fù)出現(xiàn)概率很高的情況。作為無失真壓縮的一種，不需要存儲每一個像素的顏色值，而JPEG 標(biāo)準(zhǔn)研究及算法實(shí)現(xiàn) 9 僅僅存儲一個像素值以及具有相同顏色的像素數(shù)目。但是自然圖像的顏色往往是五光十色，它的行程長度非常短，若用 RLE對它進(jìn)行編碼，不僅不能把圖像數(shù)據(jù)壓縮，反而越壓越多，要用更多的代碼來表示它。 算術(shù)編碼也是 一種常見的無損壓縮編碼，由于他可以對編碼對象的概率分布進(jìn)行自適應(yīng)，其效率要高于哈夫曼編碼，現(xiàn)在正得到廣泛的應(yīng)用。 LZW編碼是一種字典壓縮算法，其壓縮效率比較高，壓縮速度較快。如果原始圖像數(shù)據(jù)值中帶有隨機(jī)變化的 “ 噪聲圖像 ” ，則很難利用 LZW算法進(jìn)行壓縮。當(dāng)前流行的 GIF、 TIFF等圖像文件格式都采用這種壓縮算法。這類方法廣泛用于文本數(shù)據(jù)、程序和特殊應(yīng)用場合的圖像數(shù)據(jù) (如指紋圖像、醫(yī)學(xué)圖像等 )的壓縮。由于壓縮比的限制，僅使用無損壓縮方法不可能解決圖像和數(shù)字視頻的存儲和傳輸問題。 (2)有損壓縮 有損壓縮是有利用 人眼的視覺特性有針對性地簡化不重要的數(shù)據(jù)，以減少總數(shù)據(jù)量。有損算法有很多種，比較常見的主要是預(yù)測編碼、變換編碼等。預(yù)測編碼法中最重要的是線性預(yù)測法，通常也成為 “ 差值脈沖編碼調(diào)制 (DPCM)” 。 DPCM編碼的基本思想是用反饋方法預(yù)測估值。變換域編碼就是將通常在時間域或空間域描述的信號通過多維坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)、變換，將原散布在各坐標(biāo)軸上的能量集中到少數(shù)的坐標(biāo)軸上，減少各信號分量的相關(guān)性。因此，可以使用較少的編碼位數(shù)來表示一組信號樣本，實(shí)現(xiàn)高效率的壓縮編碼。編碼變換是一種有損編碼。離散余弦變換 (DCT)是一種壓縮效果好 ，壓縮比易于調(diào)整，壓縮率高，易于硬件實(shí)現(xiàn)的變換。有損壓縮方法利用了人類視覺對圖像中的某些頻率成分不敏感的特性，允許壓縮過程中損失一定的信息；雖然不能完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，但是所損失的部分對理解原始圖像的影響較小，卻換來了較大的壓縮比。只要損失的數(shù)據(jù)不太影響人眼主觀接收的效果，就可采用。 基于 DCT 變換的壓縮方式是有損的，這類方式在高壓縮比下，重構(gòu)的圖像也能得到比較好的視覺效果?；?Spatial 變換的壓縮方式是無損的，這類壓縮方式應(yīng)用于對圖像質(zhì)量要求很高的場合。 DCT 方式如圖 21，圖 22 所示，是在進(jìn)行了二 維 DCT 變換系數(shù)量化后熵編碼的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的熵編碼部分在基線系統(tǒng)中可以使用哈夫曼編碼，在擴(kuò)展系統(tǒng)中可以使用哈夫曼編碼以外的其他算術(shù)編碼。算術(shù)編碼和哈夫曼編碼相比，壓縮比率要稍微高些，但是相應(yīng)的處理也更復(fù)雜。 DCT 系數(shù)量化中所必需的量化表及熵編碼中所必需的熵編碼表的具體值，根據(jù)要進(jìn)行編碼的圖像不同而不同。 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)研究及算法實(shí)現(xiàn) 10 基本 DCT 編碼器 壓縮圖像數(shù)據(jù) 原圖像數(shù)據(jù) 圖 21 基本 DCT 的 JPEG 編碼器構(gòu)成 基本 DCT 解碼器 壓縮圖像數(shù)據(jù) 重構(gòu)圖像數(shù)據(jù) 圖 22 基本 DCT 的 JPEG 解碼器構(gòu)成 Spatial 方式如圖 23，圖 24 所示，是由 在二維空間上計(jì)算像素之間差值的 DPCM部分和熵編碼部分構(gòu)成的。 無損失的編碼器 壓縮圖像數(shù)據(jù) 原圖像數(shù)據(jù) 圖 23 spatial 方式的 JPEG 編碼器的構(gòu)成 FDCT 量化器 熵編碼器表 熵編碼表 量化表 熵解碼表 逆量化表 熵解碼器 逆 量化器 IDCT 熵編碼器 預(yù)測器 熵編碼表 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)研究及算法實(shí)現(xiàn) 11 無損失的解碼器 壓縮圖像數(shù)據(jù) 原圖像數(shù)據(jù) 圖 24 spatial 方式的 JPEG 解碼器的構(gòu)成 在各層編碼中可以使用 DCT 方式或 Spatial 方式，表 21 是對上面講述的 JPEG編碼算法的分類總結(jié)。 表 21 JPEG 編碼算法分類 DCT方式 Spatial方式 基線系統(tǒng) 擴(kuò)展系統(tǒng) 編碼器基本構(gòu)成 DCT+量化 +熵編碼 DPCM+熵編碼 輸入圖像精度 8比特 8比特或 12比特 2～ 16比特 運(yùn)行方式 順序 順序或擴(kuò)展 順序 熵編碼 哈夫曼編碼 （ 2AC,2DC表） 哈夫曼編碼（ 4AC, 4DC表）或算術(shù)編碼 哈夫曼編碼（ 4AC, 4DC表）或算術(shù)編碼 一般情況下，基于 DCT 的基本系統(tǒng)編碼算法滿足大多數(shù)的應(yīng)用場合，本文討論DCT 方式的 JPEG 解碼算法。 圖像壓縮效果的評價 通過上面簡單分析可知，壓縮比與圖像內(nèi)容、壓縮方法、允許失真的限制等等因素有關(guān)。實(shí)際編碼圖像時，也常常采用混合編碼方法，甚至一幅圖像采用好幾種算法在多層次上反復(fù)進(jìn)行處理，其目的當(dāng)然是為了達(dá)到盡可能高的壓縮比而不影響圖像質(zhì)量。圖像質(zhì)量評價目前常用的評價方法主要有兩種，即主觀質(zhì)量評價 和客觀質(zhì)量評價。主觀評價方法就是讓觀察者對同一幅圖像按視覺效果的好壞進(jìn)行打分，并對其進(jìn)行加權(quán)平均。這種評價結(jié)果符合人的視覺感受，相對于客觀評價方法是可靠的，但它使用起來不方便，一方面不能用數(shù)學(xué)模型對其