試分析圖形圖像壓縮的常見方法技巧

王芳

摘要：壓縮是圖形圖像在傳輸、儲(chǔ)存等方面所必須經(jīng)歷的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)閳D形圖像若是不經(jīng)過壓縮處理，其所需占用的內(nèi)存空間是比較大，這不僅會(huì)造成傳輸效率較低，也會(huì)給儲(chǔ)存造成麻煩。在此基礎(chǔ)上，就出現(xiàn)了一些壓縮圖形圖像的方法，這些方法在使用的過程需要注意一些關(guān)鍵要點(diǎn)。由此，本文首先針對(duì)壓縮圖形圖像的基本原理進(jìn)行了分析，然后對(duì)壓縮圖形圖像的方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述，最后著重從經(jīng)典壓縮方法、小波變換壓縮、復(fù)合壓縮等幾種方法著手展開分析其中技巧，希望可以對(duì)相關(guān)人員提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：圖形圖像；壓縮；原理；方法；技巧

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）12-0199-02

圖形圖像是一種信息載體，其能夠承載較大量的信息，而且主要是通過數(shù)字化的方式進(jìn)行表達(dá)、傳輸和儲(chǔ)存。在數(shù)字化之后，圖形圖像具有帶寬寬、信息量大等特點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)不同的信息功能。因此，需要對(duì)圖形圖像進(jìn)行壓縮，在保持其信息內(nèi)容的基礎(chǔ)上，盡量減少占用，提高圖形圖像的使用效率。

1 壓縮圖形圖像的基本原理

從圖形圖像所承載的數(shù)據(jù)來看，其存在一定的冗余，這就給壓縮提供了可能。從信息論創(chuàng)始人Shannon所表達(dá)的觀點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，可以將冗余度和信息的組合看做是數(shù)據(jù)信息，削除其中的冗余度，不僅可以保證信息的完整性，還可以使數(shù)據(jù)更為精簡(jiǎn)。這里所指的冗余度，是因?yàn)閳D形圖像各個(gè)像素之間存在一定的相關(guān)性，通過編碼手段將其刪除，就可以減少冗余度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。

圖形圖像的冗余一般包括了六個(gè)方面：一是時(shí)間冗余，即兩個(gè)連續(xù)幀之間存在的冗余；二是空間冗余，即是像素點(diǎn)之間的相關(guān)性；三是結(jié)構(gòu)冗余，即圖形圖像中存在的紋理結(jié)構(gòu)；四是知識(shí)冗余，這主要是指一些固定結(jié)構(gòu)，比如人體頭像；五是視覺冗余，這是指肉眼難見的圖像失真；六是信息熵冗余，即指單位熵小于其信息量。

基于圖形圖像所存在的六個(gè)方面的冗余，壓縮處理也可以從這六個(gè)方面對(duì)應(yīng)展開。在具體的壓縮原理上，主要基于兩個(gè)基本的原理，即人的視覺心理特征和圖形圖像的相關(guān)性。在視覺心理特征這個(gè)方面，因?yàn)槿梭w視覺系統(tǒng)對(duì)圖形圖像的感知存在一定的界限范圍，超出界限范圍之外的圖形信息人體視覺是感受不到的。所以，在進(jìn)行圖形圖像的壓縮處理時(shí)，就可以將超出人體視覺界限范圍之外的部分進(jìn)行壓縮。而圖形圖像的相關(guān)性，主要就是上文所致的冗余度，在壓縮時(shí)盡量消除圖形圖像中的冗余度即可。

2 壓縮圖形圖像的方法概述

對(duì)圖形圖像進(jìn)行壓縮，其典型的系統(tǒng)主要是由變換部分、量化部分和編碼部分組成的。變換部分就是對(duì)原始輸入圖形圖像和變換之后的圖形圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了展現(xiàn)，其也可以被稱為去除相關(guān)，對(duì)圖形圖像中的冗余度進(jìn)行壓縮處理。量化部分就是把經(jīng)過變換處理之后得到的圖形圖像進(jìn)行輸入處理，由此得到有限數(shù)目的一些符號(hào)。這一部分會(huì)造成信息損失，是有損壓縮和無損壓縮的關(guān)鍵區(qū)別，無損壓縮不存在這一環(huán)節(jié)。編碼部分就是對(duì)圖形圖像中經(jīng)過變換的系數(shù)進(jìn)行二進(jìn)制編碼，可以使用變動(dòng)長(zhǎng)度編碼，也可以使用固定長(zhǎng)度編碼。

在具體的壓縮方法上，從不同的壓縮目的出發(fā)，可以有不同的方法分類。比如，從信息保持程度這個(gè)角度切入，在壓縮方法上就可以分為三個(gè)類別，第一是犧牲部分?jǐn)?shù)據(jù)的信息損失型壓縮方法，這主要是為了獲取較高的壓縮比，像圖像傳輸、多媒體以及數(shù)字電視等，對(duì)該類壓縮方式運(yùn)用較多。但是這種壓縮會(huì)產(chǎn)生人體視覺不可分辨的信息損失，也被稱為有損壓縮。第二是信息保持型壓縮，這不會(huì)產(chǎn)生信息損失，最主要的特點(diǎn)就是信息不會(huì)失真。但是該種方法的壓縮比有限，主要在圖像存檔上使用較多。第三是抽取特征值壓縮，將其與非特征值全部去除。這種壓縮方式僅僅是保留有用的信息，對(duì)無用的信息悉數(shù)提出，屬于信息損失型壓縮。

若是從基本的方法原理上對(duì)壓縮方法進(jìn)行分類，則可以分為四種。一種是預(yù)測(cè)壓縮，即只是針對(duì)圖形圖像的冗余度和相關(guān)性進(jìn)行壓縮，只編碼新信息。二種是像素壓縮，這主要是對(duì)圖形圖像的每個(gè)像素進(jìn)行單獨(dú)處理，像行程編碼、熵編碼、脈沖編碼調(diào)制等，都屬于這類壓縮。三種是變換編碼，這主要是對(duì)圖形圖像進(jìn)行某種變換，通過較少的數(shù)對(duì)大量信息進(jìn)行表示，像離散余弦變換、小波變換以及離散傅里葉變換都屬于此類。四種就是其他方法了，如矢量化、混合編碼以及LZW算法等。

3 幾中常見圖形圖像壓縮方法技巧分析

3.1 經(jīng)典方法

在圖形圖像的壓縮處理上，出現(xiàn)過許多較為經(jīng)典的方法，這些方法在當(dāng)時(shí)都得到了廣泛的運(yùn)用與傳播，發(fā)揮出了巨大的作用。下面就針對(duì)LZW編碼、行程長(zhǎng)度編碼等幾種經(jīng)典壓縮手段進(jìn)行闡述。

對(duì)于LZW編碼而言，其基本原理就是將每個(gè)字節(jié)所對(duì)應(yīng)的值，和下一個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)的值匹配起來，組成一個(gè)字符對(duì)，并且對(duì)其設(shè)定一個(gè)代碼。如此，在該字符對(duì)再次出現(xiàn)的時(shí)候，就可以通過這一設(shè)定的代碼對(duì)其進(jìn)行表示。LZW編碼中的代碼不僅僅可以對(duì)一串同值數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)取代，還可以對(duì)不同值的數(shù)據(jù)進(jìn)行取代。在圖形圖像中，若是一些不同值的數(shù)據(jù)大概率出現(xiàn)重復(fù)，那么也可以通過一定的代碼對(duì)其進(jìn)行取代，實(shí)現(xiàn)壓縮的目的。

對(duì)于行程長(zhǎng)度編碼，其是一種最為簡(jiǎn)便的圖形圖像壓縮方法，具體做法就是通過一個(gè)獨(dú)立值和計(jì)數(shù)值，對(duì)一系列的重復(fù)值進(jìn)行取代。比如，在圖形圖像的信息數(shù)據(jù)中，若是存在這樣一個(gè)字母序列，如aaabbbcccccdddd，就可以用3a3b5c4d這樣一個(gè)編碼對(duì)其進(jìn)行取代，如此就實(shí)現(xiàn)了壓縮處理。這種方法針對(duì)長(zhǎng)重復(fù)值的壓縮處理非常有效，尤其是存在顏色相同、大面積連續(xù)陰影的圖形圖像，使用該種方法進(jìn)行壓縮效果優(yōu)良。像PCX、GEM以及TIFF等文件，都使用這種壓縮方法。

矢量量化編碼就是基于圖形圖像數(shù)據(jù)間存在的高度相關(guān)性，將其輸入到數(shù)據(jù)序列分組之中，對(duì)每一組中的m個(gè)數(shù)據(jù)，可以組成一個(gè)m維的矢量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一次性編碼，這樣就一次性實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)點(diǎn)的量化處理。而基于Shannon失真理論，矢量量化編碼對(duì)于無記憶信源，效果要優(yōu)于標(biāo)量量化編碼。

霍夫曼編碼是經(jīng)典壓縮技術(shù)中的一種可靠技術(shù)，其是基于統(tǒng)計(jì)理論的一種壓縮編碼方法?；舴蚵幋a的核心原理就是通過長(zhǎng)度不固定的編碼對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行替代，從而實(shí)現(xiàn)圖形圖像的壓縮。該種方法最早是針對(duì)文本文件進(jìn)行壓縮而出現(xiàn)的，在實(shí)踐運(yùn)用中逐步發(fā)展創(chuàng)新，逐步在圖形圖像的壓縮中進(jìn)行使用。在實(shí)際運(yùn)用中，霍夫曼編碼體現(xiàn)出了一定的特點(diǎn)，即高頻率的值，其對(duì)應(yīng)的編碼越短；低頻率的值，其對(duì)應(yīng)的編碼越長(zhǎng)。比如，針對(duì)一個(gè)信源（a，b，c，d，e，f，g），分別假設(shè)這些值出現(xiàn)的概率為（0.25，0.025，0.025，0.05，0.35，0.25，0.05）。將這些值按照出現(xiàn)頻率大小進(jìn)行排列，以最小值構(gòu)成一顆二叉樹，將較大的值置于左邊，兩葉子節(jié)點(diǎn)的頻率和作為根節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，將原本排列中的兩個(gè)最小節(jié)點(diǎn)刪除，將新得到的根節(jié)點(diǎn)插入其中，并且保證大小順序不變。這樣重復(fù)執(zhí)行，直達(dá)最后達(dá)到為1的根節(jié)點(diǎn)，這時(shí)就可以達(dá)到一個(gè)霍夫曼樹，如下圖所示。

3.2 小波變換壓縮

小波變換壓縮是一種現(xiàn)代化的圖形圖像壓縮方法，其核心原理就是將圖形圖像分解成為細(xì)節(jié)圖像和逼近圖像之和，使其代表不同的結(jié)構(gòu)，通過快速算法實(shí)現(xiàn)壓縮處理，這樣可以得到非常可觀的壓縮比。在小波變換壓縮的實(shí)際使用中，首先需要通過某一小波函數(shù)對(duì)圖形圖像進(jìn)行小波變換，然后在此基礎(chǔ)上通過四個(gè)通道所表現(xiàn)出的不同情況，對(duì)其進(jìn)行分別量化編碼。比如，對(duì)于高頻頻段，可以使用量化很少的級(jí)別；對(duì)于中間頻段，可以使用量化較少的級(jí)別；對(duì)于低頻頻段，可以使用量化較多的級(jí)別。如此，可以再分別對(duì)待復(fù)原信號(hào)的重要程度的基礎(chǔ)上有效提高壓縮比，并且確保不會(huì)產(chǎn)生較大的失真。在靜態(tài)圖像的壓縮中，小波變換壓縮方法已經(jīng)得到了業(yè)界的公認(rèn)，在JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中，也對(duì)這一方法進(jìn)行了規(guī)定。在圖形圖像的壓縮處理上，小波變換的實(shí)質(zhì)就是對(duì)原始的圖形圖像進(jìn)行了小波系數(shù)重組，利用處理后得到的小波系數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像的恢復(fù)。根據(jù)JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，利用小波變換進(jìn)行圖形圖像的壓縮處理，最為常用的就是支集長(zhǎng)度為7和9的雙正交小波。通過實(shí)踐表明，小波變換壓縮處理在容錯(cuò)性上表現(xiàn)優(yōu)良，非常適合日常的實(shí)際運(yùn)用。

3.3 分形編碼壓縮

根據(jù)物質(zhì)本身存在的自相似性特點(diǎn)，因此可以再進(jìn)行圖形圖像編碼的過程中，將相關(guān)信號(hào)分解成為多個(gè)分形子圖，對(duì)迭代函數(shù)系統(tǒng)的代碼進(jìn)行提取。在進(jìn)行圖形圖像的恢復(fù)時(shí)，依照之前所提取的代碼的迭代規(guī)律，通過迭代重構(gòu)實(shí)現(xiàn)子圖還原。通過分形編碼壓縮圖形圖像時(shí)，可以通過六個(gè)步驟進(jìn)行。第一，對(duì)原始圖像進(jìn)行分割處理，在保證每個(gè)子圖具備一定分形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將原圖劃分為多個(gè)子圖。要完成這一步驟，需要通過圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺等相關(guān)技術(shù)，并且多次反復(fù)操作才能有效完成。第二，對(duì)每個(gè)子圖進(jìn)行函數(shù)代碼的提取，這需要將子圖放置在計(jì)算機(jī)上，通過伸縮、平移、旋轉(zhuǎn)等手段進(jìn)行處理，依靠壓縮子圖獲取仿射變換參量一組，由此得到函數(shù)代碼。第三，通過經(jīng)典編碼方法對(duì)該函數(shù)代碼進(jìn)行編碼。第四，再進(jìn)行譯碼處理想，形成新的代碼。第五，利用新形成的代碼，進(jìn)行子圖重構(gòu)。第六，完成子圖重構(gòu)之后，通過拼圖處理恢復(fù)原圖。通過分形編碼壓縮的具體流程不難看出，該方法就是將原圖進(jìn)行分割，然后對(duì)各個(gè)子圖進(jìn)行代碼編譯，再通過編譯后的代碼恢復(fù)子圖，再將子圖拼回原圖。這一過程使得圖形整體和局部之間存在一定的仿射性或是相似性，具有較好的壓縮比。

3.4 離散余弦變換

離散余弦變換壓縮手段從性質(zhì)上說來和傅里葉變換是一種相關(guān)的壓縮技術(shù)手段，兩者比較類似，但是離散余弦變換只能使用實(shí)數(shù)。但是，離散余弦變換在實(shí)際的使用過程中表現(xiàn)出了強(qiáng)力的能量集中特點(diǎn)，大部分自然信號(hào)的能量都可以集中到圖形圖形經(jīng)過離散余弦變換之后的低頻部分。在信號(hào)和馬爾科夫統(tǒng)計(jì)特性相接近的時(shí)候，其相關(guān)性與K-L變換性能是比較接近的。在對(duì)圖形圖像進(jìn)行壓縮處理時(shí)，離散余弦變換會(huì)發(fā)生一定的損失，也就是有損壓縮。不論是對(duì)靜止圖像還是動(dòng)態(tài)圖像，離散余弦變換壓縮所產(chǎn)生的損失是不可避免的。

3.5 復(fù)合壓縮

不同的壓縮方法適用的場(chǎng)合條件存在一定的區(qū)別，壓縮效果也不一樣?？梢哉f，不同的壓縮方法有其各自的優(yōu)點(diǎn)，也有其各自的缺點(diǎn)。因此，綜合不同技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，擯棄不同技術(shù)的缺點(diǎn)，是圖形圖像壓縮方法所需要關(guān)注的問題。由此，也就提出了復(fù)合壓縮的相關(guān)思想。復(fù)合壓縮就是將兩種或以上的壓縮技術(shù)進(jìn)行綜合，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的融合滲透，形成一種全新的壓縮方式。比如，在小波變換的基礎(chǔ)上，可以將分形圖像壓縮引入其中?？梢詫⑿〔ㄗ儞Q和矢量量化結(jié)合起來，對(duì)圖形圖像進(jìn)行壓縮處理。也可以將基于基礎(chǔ)表的壓縮技術(shù)和基于非均勻分割的壓縮技術(shù)綜合起來?？偟恼f來，復(fù)合壓縮并不是對(duì)兩種或以上的壓縮技術(shù)進(jìn)行綜合使用，而是要針對(duì)壓縮技術(shù)不同的技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，從揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短的角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)技術(shù)聯(lián)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖形圖像的壓縮技術(shù)一直以來受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，從經(jīng)典的壓縮方法發(fā)展到現(xiàn)代的壓縮技術(shù)，之間出現(xiàn)了許多不同原理、不同效果的圖形圖像壓縮技術(shù)。不論是經(jīng)典壓縮技術(shù)中的LZW編碼壓縮，還是霍夫曼編碼壓縮，在實(shí)際運(yùn)用中存在一定的缺陷和不足之處?，F(xiàn)代出現(xiàn)了小波變換壓縮、分形編碼壓縮、離散余弦壓縮等技術(shù)，在壓縮效果上實(shí)現(xiàn)了大幅提升，但是還是存在一定的不足之處。因此，又提出了復(fù)合壓縮的思想，將多種不同的技術(shù)進(jìn)行綜合使用，最大程度提升圖形圖像的壓縮效果。所以，為了推動(dòng)圖形圖像壓縮技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，需要明確當(dāng)前的技術(shù)原理和特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，逐步提升圖形圖像壓縮技術(shù)水平。

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