數(shù)字圖像壓縮原理概述

梁國(guó)茂，楊光，李川

摘 要：數(shù)據(jù)壓縮是通過(guò)改變信息的表示方式，在有限的信息空間中表示盡可能多的信息。在信息設(shè)備容量有限的前提下，數(shù)字圖像壓縮技術(shù)對(duì)于數(shù)字圖像信息在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)處理具有重要的意義。本文論述了數(shù)字圖像壓縮的必要性、可行性以及壓縮原理；介紹了幾種基本的數(shù)字圖像壓縮算法的思想和算法實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像壓縮；理論研究；算法；壓縮編碼

現(xiàn)代圖像和多媒體通信業(yè)務(wù)的發(fā)展需要大量地存儲(chǔ)、記錄和傳輸各類靜止圖像和活動(dòng)圖像，而圖像和視頻信號(hào)數(shù)字化具備許多在模擬信號(hào)條件下所不具備的優(yōu)點(diǎn)，諸如：數(shù)字傳輸質(zhì)量顯著高于模擬傳輸質(zhì)量；數(shù)據(jù)形式易于加密，提高信息安全性；數(shù)字電路易于大規(guī)模集成；數(shù)字設(shè)備可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)便等。但是，任何事物都有兩面性，數(shù)字化在提供諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也帶來(lái)了一些問(wèn)題，其中最主要的問(wèn)題是信號(hào)數(shù)字化后數(shù)據(jù)量太大，數(shù)碼率太高，占用頻帶太寬，直接傳輸對(duì)信道利用很不經(jīng)濟(jì)，存儲(chǔ)則占用巨大的存儲(chǔ)容量等。

如何妥善處理圖像和視頻信號(hào)數(shù)字化后的數(shù)據(jù)壓縮問(wèn)題，在保證圖像質(zhì)量的前提下，用最少的數(shù)碼或最低的數(shù)碼率實(shí)現(xiàn)各類數(shù)字圖像和視頻信息的存儲(chǔ)、記錄和傳輸，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、可靠的要求，也就成為多媒體信息處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 圖像數(shù)字壓縮的必要性和可能性

圖像信號(hào)可以壓縮的依據(jù)有兩個(gè)，一方面是圖像信號(hào)中存在大量冗余度可供壓縮，并且這種冗余度在解碼后還可無(wú)失真地恢復(fù)；另一方面是可以利用人的視覺(jué)特性，在不被主觀視覺(jué)察覺(jué)的容限內(nèi)，通過(guò)減少信號(hào)的精度，以一定的客觀失真換取數(shù)據(jù)壓縮。

圖像信號(hào)的冗余度存在于結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)兩方面。圖像信號(hào)結(jié)構(gòu)上的冗余度表現(xiàn)為很強(qiáng)的空間（幀內(nèi)的）和時(shí)間（幀間的）相關(guān)性；信號(hào)統(tǒng)計(jì)上的冗余度來(lái)源于被編碼信號(hào)概率密度分布的不均勻。充分利用人的視覺(jué)特點(diǎn)，挖掘潛力，是實(shí)現(xiàn)數(shù)碼率壓縮的又一重要途徑。

2 圖像壓縮信源編碼過(guò)程

圖像和視頻信源編碼的整個(gè)過(guò)程一般由以下三個(gè)步驟完成：

（1）對(duì)表示信號(hào)的形式進(jìn)行某種映射，即變換描寫信號(hào)的方式。通過(guò)這種映射解除或削弱存在于圖像信號(hào)內(nèi)部的相關(guān)性，降低其結(jié)構(gòu)上存在的亢余度；

（2）在滿足對(duì)圖像質(zhì)量一定要求的前提下，減少表示信號(hào)的精度。這通過(guò)采用符合主觀視覺(jué)特性的量化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）利用統(tǒng)計(jì)編碼消除最終被編碼的符號(hào)所含的統(tǒng)計(jì)亢余度。

3 常用數(shù)據(jù)壓縮編碼方法介紹

按照壓縮還原效果是否存在失真，數(shù)據(jù)壓縮分為無(wú)損壓縮和有損壓縮。對(duì)于某些數(shù)據(jù)（如計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件程序）里面的每個(gè)數(shù)據(jù)都不容許有任何變更，因此是無(wú)損壓縮。而對(duì)于一副彩色照片，它的某些對(duì)人眼不敏感的地方被壓縮掉，從而可以提高壓縮比，此為有損壓縮。

3.1 Huffman編碼

Huffman是一種基于統(tǒng)計(jì)的壓縮編碼方法。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼時(shí)，對(duì)于出現(xiàn)頻率較高的字符，采用較短的編碼，對(duì)于出現(xiàn)頻率較低的字符，則采用較長(zhǎng)的字符；兩個(gè)出現(xiàn)頻率最少的符號(hào)將有相同長(zhǎng)度的碼字，并且它們只有最低有效位不同。

3.2 行程編碼

行程編碼的縮寫方法廣泛用于各種圖像格式的數(shù)據(jù)壓縮處理中，是最簡(jiǎn)單的壓縮圖像方法之一。行程編碼技術(shù)是在給定的圖像數(shù)據(jù)中尋找連續(xù)重復(fù)的數(shù)值，然后用兩個(gè)字符值取代這些連續(xù)值。這種方法在處理包含大量重復(fù)信息的數(shù)據(jù)時(shí)可以獲得很好的壓縮效率。但是如果連續(xù)重復(fù)的數(shù)據(jù)很少，則難獲得較好的壓縮比。而且甚至可能會(huì)導(dǎo)致壓縮后的編碼字節(jié)數(shù)大于處理前的圖像字節(jié)數(shù)。所以行程編碼的壓縮效率與圖像數(shù)據(jù)的分布情況密切相關(guān)。

3.3 算術(shù)編碼

算術(shù)編碼與霍夫曼編碼方法相似，都是利用比較短的代碼取代圖像數(shù)據(jù)中出現(xiàn)比較頻繁的數(shù)據(jù)，而利用比較長(zhǎng)的代碼取代圖像數(shù)據(jù)中使用頻率比較低的數(shù)據(jù)從而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。其基本思想是將被編碼的數(shù)據(jù)序列表示成0 和1 之間的一個(gè)間隔（也就是一個(gè)小數(shù)范圍），該間隔的位置與輸入數(shù)據(jù)的概率分布有關(guān)。信息越長(zhǎng)，表示間隔就越小，因而表示這一間隔所需的二進(jìn)制位數(shù)就越多（由于間隔是用小數(shù)表示的）。

3.4 預(yù)測(cè)編碼

預(yù)測(cè)編碼方式是目前應(yīng)用比較廣泛的編碼技術(shù)之一。預(yù)測(cè)編碼中典型的壓縮方法有脈沖編碼調(diào)制、差分脈沖編碼調(diào)制、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制等，它們較適合于聲音、圖像數(shù)據(jù)的壓縮，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)由采樣得到，相鄰樣值之間的差相差不會(huì)很大，可以用較少位來(lái)表示。采用預(yù)測(cè)編碼時(shí)，傳輸?shù)牟皇菆D像的實(shí)際像素值（色度值或亮度值），而是實(shí)際像素和預(yù)測(cè)像素值之差，即預(yù)測(cè)誤差。

3.5 變換編碼

變換編碼是將圖像時(shí)域信號(hào)變換到系數(shù)空間（頻域）上進(jìn)行處理的方法。在時(shí)域空間上具有很強(qiáng)相關(guān)的信息，在頻域上反映出在某些特定的區(qū)域內(nèi)能量常常被集中在一起或者是系數(shù)矩陣的分布具有某些規(guī)律，從而可以利用這些規(guī)律分配頻域上的量化比特?cái)?shù)而達(dá)到壓縮的目的。

3.6 矢量量化編碼

矢量量化編碼是利用相鄰圖像數(shù)據(jù)間的高度相關(guān)性，將輸入圖像數(shù)據(jù)序列分組，每一組m個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)成m維矢量，一起進(jìn)行編碼，即一次量化多個(gè)點(diǎn)。矢量量化編碼屬于有損壓縮編碼，它的缺點(diǎn)是復(fù)雜度隨矢量維數(shù)呈指數(shù)增加，數(shù)據(jù)量和計(jì)算量都很大。

在上述常用圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼方法中，霍夫曼編碼，行程編碼，算術(shù)編碼屬于無(wú)損壓縮，而預(yù)測(cè)編碼，變換編碼，其他編碼等屬于有損壓縮。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)與數(shù)字通信技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的興起，已經(jīng)為圖像壓縮技術(shù)開(kāi)拓全新的應(yīng)用領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)前的數(shù)字圖像壓縮編碼技術(shù)充分利用了人的視覺(jué)、生理、心理和圖像信源的各種特征，而不僅僅局限于信息論的框架，而且可將多種編碼方法綜合起來(lái)運(yùn)用，能獲得較高的壓縮比，但同時(shí)也帶來(lái)了運(yùn)算復(fù)雜等問(wèn)題。因此，在選擇圖像壓縮編碼方法的時(shí)候，應(yīng)該綜合考慮各種因素，選擇最適合的壓縮編碼算法。

參考文獻(xiàn)

[1] 張春田， 蘇育挺， 張靜..數(shù)字圖像壓縮編碼[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2006.

[2] 田浩， 葛秀慧， 王頂.數(shù)字圖像處理原理與應(yīng)用[M]. 北京： 清華大學(xué)出版， 2007.

[3] Anil K.Jain.數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)[M]..北京： 清華大學(xué)出版， 2006.