淺談圖像壓縮編碼方式

[摘要] 隨著多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字圖像壓縮編碼技術(shù)也受到了越來越多的關(guān)注，其在現(xiàn)代多媒體通信中的核心地位日漸突出。本文主要闡述兩種圖像編碼方式:JPEG方式和MPEG方式。

[關(guān)鍵詞] 圖像壓縮 編碼 JPEG MPEG

由于數(shù)字圖像信息包含二維或三維空間上的擴(kuò)展信息或時(shí)間變化的信息，所以其數(shù)據(jù)量是非常龐大的。而在現(xiàn)實(shí)中能利用的信道和存儲(chǔ)媒體中，受其通信和存儲(chǔ)的容量或速度制約，是無法自由地傳送和存儲(chǔ)龐大的數(shù)字圖像。因此，需要在保持原圖像中包含的本質(zhì)信息的基礎(chǔ)上，對通信和存儲(chǔ)時(shí)必需的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。圖像壓縮的目的就是把原來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。本文對當(dāng)前多媒體中應(yīng)用最為廣泛的圖像壓縮編碼方式：JPEG、MPEG進(jìn)行闡述。

一、JPEG——靜態(tài)圖像壓縮編碼方式

對灰度或彩色靜止圖像的壓縮編碼方式就是JPEG標(biāo)準(zhǔn)。JPEG系統(tǒng)可分為基本系統(tǒng)和擴(kuò)充系統(tǒng)兩種：基本系統(tǒng)由基于DCT(離散余弦變換)和Huffman編碼組成，所有符合JPEG標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備必須符合基本系統(tǒng)；擴(kuò)充系統(tǒng)提供不同的選擇，除基本系統(tǒng)之外，還提供其他編碼方式，如，漸進(jìn)型編碼、算術(shù)碼、無失真編碼、分層編碼等。

基于DCT(離散余弦變換)的有損壓縮算法，一般情況下能把數(shù)據(jù)量壓縮到1/10～1/20的程度而重建的圖像質(zhì)量達(dá)到人眼難以觀察出來的要求，因此這種算法得到了廣泛的應(yīng)用?；贒CT的JPEG方式的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其基本原理是在Y（亮度信號），Gr（色差信號），Cb（各種圖像）時(shí)，利用人眼視覺特性，把Gr、Cb變成Y的1/2×1/2的分辨率后進(jìn)行編碼。 編碼時(shí)首先將輸入圖像分割成8×8相素的矩形塊，并以塊為單位計(jì)算DCT。對DCT變換后的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行符合直流、交流成分性質(zhì)的量化，量化時(shí)的步幅，與各系數(shù)對應(yīng)地以量化表的形式給出。然后用預(yù)編碼、游程編碼和熵編碼對量化后的系數(shù)進(jìn)行編碼，對直流分量JPEG并不進(jìn)行直接編碼，它采用差分編碼方法；對交流分量JPEG用Z形曲折掃描將二維DCT系數(shù)組成“0行程/非0值”，再進(jìn)行Huffman編碼。編碼后得到壓縮數(shù)據(jù)，最后將色彩分量信息、量化表、編碼表和各個(gè)色彩分量的壓縮數(shù)據(jù)等混合成一個(gè)整體數(shù)據(jù)流，即形成JPEG文件。解碼的過程是編碼的逆過程。解碼時(shí)，JPEG解碼器先從數(shù)據(jù)流中獲取解碼所必須的信息（色彩分量信息、量化表和編碼表等），然后將各個(gè)色彩分量分別解碼，最后顯示解碼后的圖像數(shù)據(jù)。

JPEG是一種可逆的壓縮方式，從算法過程來看，它的優(yōu)點(diǎn)是：圖像質(zhì)量和壓縮比可調(diào)節(jié)，可以根據(jù)需要折中。壓縮時(shí)選擇的壓縮比越高，所需要的存儲(chǔ)空間越少，還原后得到的圖像質(zhì)量越差；反之，如果壓縮比選的越低，所需要的存儲(chǔ)空間越大，還原后的圖像質(zhì)量越高。還有，JPEG圖像文件比較小，而圖像文件越小越節(jié)省磁盤空間，從網(wǎng)上下載時(shí)也就越節(jié)省時(shí)間。在再現(xiàn)照片、自然景觀等方面表現(xiàn)出色。其缺點(diǎn)是對處理文字、簡單卡通圖片、線描繪圖等方面表現(xiàn)不佳。另外它僅能處理靜態(tài)圖片，不能處理活動(dòng)影象，是一種有損壓縮，壓縮后的圖像無法還原。盡管JPEG也有無損壓縮的幾何算法，但壓縮比越大，丟失的信息就越多。因此，JPEG僅適合壓縮供人欣賞而不是供數(shù)據(jù)分析的圖像。

JPEG 專家組于2000年推出了JPEG 2000編碼標(biāo)準(zhǔn)。JPEG 2000與傳統(tǒng)JPEG最大的不同是它放棄了JPEG所采用的以DCT為核心的編碼方式，而采用以小波變換為主的編碼方式。其壓縮率高于JPEG大約30%左右；可同時(shí)支持有損和無損壓縮；能實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)傳輸。這些都是JPEG無法做到的。因此，基于小波算法的JPEG 2000將成為新一代的靜態(tài)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。

二、MPEG－運(yùn)動(dòng)圖像壓縮編碼方式

MPEG是運(yùn)動(dòng)圖像壓縮編碼方式。 MPEG方式的運(yùn)動(dòng)圖像編碼是基于“可動(dòng)補(bǔ)償幀間預(yù)測（MC）+DCT”的基本結(jié)構(gòu)。其編碼端的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其編碼原理:彩色運(yùn)動(dòng)圖像輸入圖像可分為亮度信號Y與色差信號Cr，Cb。通常把色差信號的分辨率設(shè)為亮度信號分辨率的1/2×1/2。把亮度信號與色差信號分別分割為矩形塊，并以塊為單位進(jìn)行編碼處理。首先，把幀存儲(chǔ)器中事先存儲(chǔ)前一幀中已經(jīng)過編碼的圖像（解碼圖像），并與輸入塊之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)向量的檢測。其次，評價(jià)預(yù)測誤差信號的值，檢查有沒有應(yīng)該傳送的預(yù)測誤差信號，并對塊單位進(jìn)行有效/無效的判斷。對無效的塊，只傳送為識別其為無效塊而分配的代碼，而省略預(yù)測誤差信號的傳送。對有效塊，為進(jìn)行因可動(dòng)補(bǔ)償而在預(yù)測誤差信號中殘留的空間上的冗余度的削減，進(jìn)一步對塊單位施行DCT。然后對DCT的變換系數(shù)進(jìn)行量化，此后，經(jīng)過對量化值進(jìn)行可變長編碼處理，其結(jié)果作為編碼數(shù)據(jù)傳送到解碼端。同時(shí)，為了得到局部解碼圖像，對量化處理的結(jié)果施行逆量化和逆DCT來再現(xiàn)預(yù)測誤差信號，并與當(dāng)前塊的預(yù)測信號相加。這個(gè)結(jié)果與解碼端中的解碼圖像一起，為了在下一個(gè)幀的編碼處理中使用而存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器中。

MPEG 標(biāo)準(zhǔn)主要包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4:

MPEG-1用于加速CD-ROM中圖像的傳輸。它的設(shè)計(jì)思想是在1Mbit/秒到1.5Mbit/秒的低帶寬條件下，提供盡可能高的圖像質(zhì)量（包括音頻）。視頻壓縮以混合編碼為基礎(chǔ)。

MPEG-2用于寬帶傳輸?shù)膱D像，它允許數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量達(dá)到100Mbit/秒。圖像質(zhì)量達(dá)到電視廣播甚至高精度電視（HDTV）的標(biāo)準(zhǔn)。和MPEG-1相比，MPEG-2支持更廣的分辨率和比特率（3~30Mbit/秒）范圍，將成為數(shù)字圖像盤（DVD）和數(shù)字廣播電視的壓縮方式。

MPEG-4是目前最新的圖像壓縮方式標(biāo)準(zhǔn)之一，也是一種高效率的編碼標(biāo)準(zhǔn)，其最低碼率可達(dá)5~64kbps。在開發(fā)低碼率編碼的同時(shí)，更注重具體視頻對象的交互性和可操作性，并對多媒體應(yīng)用領(lǐng)域的各種編碼進(jìn)行兼容。MPEG-4利用自然和人工合成內(nèi)容的合并來編碼，解決了人臉及其動(dòng)畫的編碼問題。但是，MPEG-4編解碼器沒有自動(dòng)分割任意視頻運(yùn)動(dòng)的功能，不能提供基于對象的操作功能還沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的基于內(nèi)容的壓縮編碼。

目前，尚未完善的MPEG-7致力于描述各種類型的音視頻信息，利用元數(shù)據(jù)來描述音視頻對象的同時(shí)也就完成了編碼。

三、結(jié)束語

圖像壓縮技術(shù)研究發(fā)展了幾十年，取得了很大的成績，不斷涌現(xiàn)出許多功能更加齊全的壓縮方法，比如小波圖像壓縮和分形圖像壓縮等?？傊?，圖像壓縮是一個(gè)很有發(fā)展前途的研究領(lǐng)域，這一領(lǐng)域的突破對于通信和多媒體事業(yè)的發(fā)展將具有深遠(yuǎn)的影響。期待著更多更好更有效的壓縮編碼方法出現(xiàn)。

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