圖像壓縮編碼的方法概述

摘 要：在圖像壓縮的領(lǐng)域，存在各種各樣的壓縮方法。不同的壓縮編碼方法在壓縮比、壓縮速度等方面各不相同。本文從壓縮方法分類、壓縮原理等方面分析了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)壓縮、正交變換等壓縮編碼方法的實現(xiàn)與效果。

關(guān)鍵詞：圖像壓縮； 編碼； 方法

圖像壓縮編碼一般可以大致分為三個步驟。輸入的原始圖像首先需要經(jīng)過映射變換，之后還需經(jīng)過量化器以及熵編碼器的處理最終成為碼流輸出。

一、圖像壓縮方法的分類

1.按照原始信息和壓縮解碼后的信息的相近程度分為以下兩類：（1）無失真編碼又稱無損編碼。它要求經(jīng)過編解碼處理后恢復(fù)出的圖像和原圖完全一樣，編碼過程不丟失任何信息。如果對已量化的信號進(jìn)行編碼，必須注意到量化所產(chǎn)生的失真是不可逆的。所以我們這里所說的無失真是對已量化的信號而言的。特點在于信息無失真，但壓縮比有限。（2）限失真編碼中會損失部分信息，但此種方法以忽略人的視覺不敏感的次要信息的方法來得到高的壓縮比。圖像的失真怎么度量，至今沒有一個很好的評判標(biāo)準(zhǔn)。在由人眼主觀判讀的情況下，唯有人眼是對圖像質(zhì)量的最有利評判者。但是人眼視覺機(jī)理到現(xiàn)在為止仍為被完全掌握，所以我們很難得到一個和主觀評價十分相符的客觀標(biāo)準(zhǔn)。目前用的最多的仍是均方誤差。這個失真度量標(biāo)準(zhǔn)并不好，之所以廣泛應(yīng)用，是因為方便。

2.按照圖像壓縮的方法原理可分為以下三類：（1）在圖像編碼過程中映射變換模塊所做的工作是對編碼圖像進(jìn)行預(yù)測，之后將預(yù)測差輸出供量化編碼，而在接受端將量化的預(yù)測差與預(yù)測值相加以恢復(fù)原圖，則這種編碼方法稱為預(yù)測編碼。預(yù)測編碼中，我們只對新的信息進(jìn)行編碼。并且是利用去除鄰近像素之間的相關(guān)性和冗余性的方法來達(dá)到壓縮的目的。（2）若壓縮編碼中的映射變換模塊用某種形式的正交變換來代替，則我們把這種方式的編碼方法稱為變換編碼。在變換編碼中常用的變換方法有很多，我們主要用到的有離散余弦變換（DCT），離散傅立葉變換（DFT）和離散小波變換（DWT）等。（3）混合編碼，LZW算法以及近些年來的一些新的壓縮編碼方法，最主要的有分形編碼算法、小波變換壓縮算法、基于模型的壓縮算法等。

3.按照壓縮對象來分，我們可將圖像壓縮方法分為靜止圖像壓縮和運動圖像壓縮。它們所采用的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)有所不同，對于靜止圖像壓縮而言，采用的是JPEG、JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)；而對運動的圖像進(jìn)行壓縮時，我們則采用的是H.261、H.263、H.264、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7等。

二、常用的圖像壓縮方法

圖像壓縮方法至研究開始至今，已經(jīng)有將近70年的發(fā)展了，隨著科技的不斷發(fā)展和人們越來越高的期望和要求，使得圖像壓縮技術(shù)也在不斷的發(fā)展著，不斷的進(jìn)步著，各種各樣的方法層出不窮，爭對不同的要求我們可以選擇不同的方法對圖像進(jìn)行壓縮，以達(dá)到更加顯著的效果。

1.行程編碼壓縮。由于一些圖像的內(nèi)部相鄰像素間會存在較大的相關(guān)性，因此我們可以通過利用“空間差分”的方法來消除圖像存在于空間上的冗余度。我們稱基于此原理的圖像壓縮方法為行程編碼壓縮。行程編碼壓縮在進(jìn)行文件壓縮時是非常簡便的。它的特點在于把一些列中存在的重復(fù)值用一個單獨的值再加上一個計數(shù)值來代替。實現(xiàn)這種方法是比較簡單的，且爭對于有重復(fù)值的字符串的壓縮是十分有效的。比如對有大面積的連續(xù)陰影或是有大面積相同色彩的圖像而言，使用行程編碼的壓縮方法是非常有效的。在TIFF、PCX、GEM等格式的圖像中也經(jīng)常使用這種壓縮方法。

2.正交變換壓縮編碼。這項技術(shù)中，由于變換環(huán)節(jié)是對原始圖像作正交變換，故稱為正交變換編碼壓縮。在實際的圖像壓縮應(yīng)用中，我們常常用到的正交變換有DFT、DCT、奇異值分解變換（SVT）、哈爾變換（HRT）、小波變換

在發(fā)端，我們可將原始圖像分成若干個大小相同的子圖像，然后再對每個子圖像分別作正交變換，最后取出存在于變換結(jié)果陣列中的一些主要陣元，對其進(jìn)行量化和編碼處理，最終可達(dá)到有效傳輸?shù)哪康?。在收端，解碼器會對收到的每一個信號都進(jìn)行解碼，其中一些沒有被傳輸?shù)年囋獙幌到y(tǒng)用零元代替，之后系統(tǒng)再依次對每個子陣列進(jìn)行相應(yīng)的反變換，最終可通過將各個反變換陣列拼接起來的方法來得到重建圖像。此方法會因為在發(fā)端變換結(jié)果中的某些陣元沒有被傳輸，并且系統(tǒng)已經(jīng)對被傳輸?shù)年囋M(jìn)行了量化，所以它是存在一定失真的。

3.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓縮技術(shù)。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)壓縮是當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的熱門研究方向。人的大腦是一個由諸多神經(jīng)元構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元的生理功能比較簡單，通過各種類型的互聯(lián)，并傳遞電化學(xué)信息，能完成各種復(fù)雜的功能?，F(xiàn)在人們對大腦的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠深入，腦科學(xué)是當(dāng)前一個非常重要的研究內(nèi)容。人們基于對生物神經(jīng)系統(tǒng)的研究，根據(jù)現(xiàn)有的知識，許多學(xué)者在不同的階段提出了許多不同功能和結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以及相關(guān)理論，這些成果稱為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）及理論。因為它的很多優(yōu)點以致于使它在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。它的主要優(yōu)點有如下幾條：（1）具備有相當(dāng)強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自組織能力；（2）并行分布式存儲和出來信息，完成任務(wù)速度快；（3）具有較強(qiáng)的容錯能力。

4.算法的改進(jìn)。雖然對圖像壓縮算法的研究一直在持續(xù)著，但每個算法都難免會存在自身的缺陷，所以我們需想辦法對其進(jìn)行改進(jìn)。在今后圖像壓縮編碼的研究中，我們可以充分利用人眼的視覺系統(tǒng)，試著將圖像中感興趣的部分對象提取出來，對圖像的內(nèi)部紋理、邊緣部分以及對象之間的背景部分應(yīng)根據(jù)需要按不同的壓縮比分別對其進(jìn)行壓縮，以此使圖像壓縮能有更大的壓縮比，這樣就會更利于傳輸，最終有效的達(dá)到圖像壓縮的目的。

圖像壓縮技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)近70年了，在圖像壓縮領(lǐng)域有著各種各樣的方法，在此已經(jīng)介紹了很多不同的方法，它們都各自有著自己的優(yōu)缺點，我們可以按要求選擇不同的方法已達(dá)到所期望的目標(biāo)。還有幾種重要的方法也需要被我們熟知，那就是基于小波變換的圖像壓縮方法和基于DCT變換的圖像壓縮方法，這兩種方法分別代表了現(xiàn)代和經(jīng)典。小波變換的應(yīng)用非常廣泛，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域、軍事電子對抗與武器智能化、醫(yī)學(xué)成像與診斷、電腦分類與識別、影響處理等一些列高端或是生活領(lǐng)域均有所涉及。小波變換的壓縮方法憑借其壓縮比高、壓縮速度快，壓縮后能保持信號與圖像的基本特征不變，而且在傳輸過程中還可以抗干擾等優(yōu)點，在圖像壓縮領(lǐng)域也已漸漸成為主流技術(shù)。除了這種現(xiàn)代的壓縮方法，還有一種經(jīng)典的壓縮方法也被人們所熟知，那就是DCT變換的圖像壓縮編碼。DCT變換是最小均方差條件下得到的次最佳正交變換，且已得到廣泛應(yīng)用，并成為許多圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)的核心。JPEG圖像格式的壓縮算法采用的就是DCT變換。這種方法之所以被人們所認(rèn)可，因為其實現(xiàn)起來簡單、方法靈活、易于操作、圖像壓縮質(zhì)量高等。

參考文獻(xiàn)：

[1]耿玉靜，趙華 《圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢》，中國科技論文在線，2011年

[2]田勇，丁學(xué)君 《數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的研究及進(jìn)展》，Equipment Manufactring Technology，2007年

作者簡介：曹勇（1993-），男，湖北孝感人，本科在讀，現(xiàn)就讀于西北民族大學(xué)自動化專業(yè)。