數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

陳少鋒

摘要：數(shù)字圖像信息要實現(xiàn)快速傳輸和實時處理，必須要用到數(shù)字圖像壓縮技術(shù)。數(shù)字壓縮技術(shù)是數(shù)字圖像處理技術(shù)的重要組成部分，要用到的技術(shù)包括圖像采集、數(shù)字化、圖像分析等，因此數(shù)字圖像壓縮技術(shù)離不開對數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究與創(chuàng)新。本文圍繞數(shù)字壓縮技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展展開論述，對數(shù)字處理技術(shù)的領(lǐng)域也有所涉及。

關(guān)鍵詞：圖像壓縮技術(shù)；技術(shù)類型；發(fā)展之路

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）21-0190-02

隨著全球信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷進步，網(wǎng)絡(luò)化、信息化的生活已經(jīng)成為人們的日常。在信息化時代，高速、快捷、方便是人們對所有信息進行處理的要求，包括圖像處理。在現(xiàn)有的信息技術(shù)所能提供的條件下，針對龐大的數(shù)據(jù)處理工作，不斷提升處理速度并非易事，要在技術(shù)上攻克各種難關(guān)，尤其是數(shù)字圖像更是挑戰(zhàn)技術(shù)人員水平的重大課題。在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，壓縮技術(shù)更是備受關(guān)注，這一技術(shù)的難度在于要求將圖像壓縮、而且保持較好的畫質(zhì)，達到減輕存儲和傳輸工作量的目的。

1 圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

圖像壓縮技術(shù)的起源，可以追朔到數(shù)字化電視信號的發(fā)明和應(yīng)用。在數(shù)十年的發(fā)展歷程中，曾經(jīng)涌現(xiàn)出眾多帶有革命性和顛覆性意義的圖像壓縮技術(shù)和方法，包括小波變換理論等技術(shù)創(chuàng)新從未停止過。至今已經(jīng)達到前所未有的高度，其中一些技術(shù)依然在當今數(shù)字圖像技術(shù)處理技術(shù)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

1） 第一個壓縮編碼階段是在數(shù)據(jù)壓縮理論產(chǎn)生之后，大約在18世紀末期，出現(xiàn)了十進制數(shù)研究；以及在19世紀末，莫爾斯代碼產(chǎn)生。隨著信息論的產(chǎn)生，模式識別、計算機視覺技術(shù)等逐漸進入人們的事業(yè)，使得無損壓縮編碼算法開始進入了嶄新的階段。1969年美國矩形圖像編碼會議，使得變幻壓縮編碼和量化壓縮編碼成了研究熱點。

2） 第一代圖像壓縮編碼存在圖像畫質(zhì)不理想的問題，為了解決這一問題，第二代圖像壓縮數(shù)碼的概念在20世紀80年代開始出現(xiàn)。多個處理圖像的方案被提出，在不同程度上實現(xiàn)了圖形信號的漸進式傳輸，視覺特性被引入分辨率信號的頻帶研究之中，分形圖像編碼壓縮方案、小波變換等圖像壓縮編碼算法陸續(xù)被提出，一些先進的圖像壓縮編碼算法呈現(xiàn)雛形。

（1）圖像增強技術(shù)是將圖像中的有用信息留下，無用信息處理的方法。這項技術(shù)可以達到改善圖像畫質(zhì)，增強圖像處理的目的。而且圖像增強方法還不止一項，將圖像的模糊、失真、噪聲的影響降低到最小，避免光照、溫度等對圖像產(chǎn)生的退化作用。減少退化源的影響，恢復圖像空間，補償圖像磨合和消除噪聲?；謴涂臻g濾波、偽逆空間等。

（2）實現(xiàn)圖像分割是在20世紀70年代產(chǎn)生的，在醫(yī)學、軍工領(lǐng)域被廣泛使用。使用闞值法、區(qū)域生長法等將圖像灰度、紋理等進行分割，使分割后的區(qū)域內(nèi)部特征大于區(qū)域間的相似性。

（3）將圖像的邊緣進行不連續(xù)分割，使用邊緣檢測算子來對邊緣進行檢測和提取。計算簡單、速度快，但是這種方法對圖像的噪聲干擾比較敏感。

（4）將圖像中有用的數(shù)據(jù)和信息進行調(diào)取，利用模式識別技術(shù)等來抽取圖像特征，進行符號化的描述和分析[1]。

2 圖像壓縮技術(shù)存在的若干問題

1）缺乏統(tǒng)一的評價標準和先進知識；

2）提取系統(tǒng)的計算量較大；

3）小波變化圖像壓縮編碼算法等，存在工作效率較低的問題；

4）圖像精度和處理速度的矛盾問題；

5）軟件研發(fā)與其他學科相互結(jié)合和利用的問題；

6）圖像壓縮技術(shù)邊緣學科，如視覺神經(jīng)、心理學的融合與突破問題；

7）建立圖像信息庫和程序的標準化問題。

3 幾種較為重要的圖像壓縮技術(shù)介紹

3.1 JPEG壓縮技術(shù)

JPEG壓縮技術(shù)已經(jīng)為人們所熟知。其全稱為“Joint photographic expert group”，1989年誕生技術(shù)規(guī)范，1991-1992年形成標準草案和國標。壓縮技術(shù)原理在于：先將圖像處理為塊，每塊的大小不均且不重疊，使用二維離散余弦方法進行變換，簡稱為DCT。變幻后的系數(shù)矩陣能量進行了量化，去除了高頻系數(shù)，保留了低頻系數(shù)，且主要矩陣能量都集中在低頻區(qū)。在低頻區(qū)完成掃描、重新組織、編碼等過程，完成了JPEG圖像壓縮的全程處理，形成了具有中、高端比特率、畫質(zhì)良好，符合國標的JPEG圖像。

但是JPEG圖像壓縮技術(shù)也有其缺陷，首先是方塊效應(yīng)。這是由于在圖像進入分塊處理時，由于高壓縮比將本來高度非平穩(wěn)的圖像信號的結(jié)構(gòu)進行了非線性突變，致使邊緣信息用余弦基作為圖像信號導致[2]。其次是壓縮受到損害，壓縮比不高，系數(shù)發(fā)生了量化。

JPEG圖像壓縮技術(shù)發(fā)生方塊效應(yīng)，壓縮容易受到損壞的特性，是近年來技術(shù)人員一直力圖解決的。所采用的改進方法，本文有比較集中的介紹：第一，使用DCT零樹編碼，就是將方塊中的零樹的系數(shù)先組成LOG2N個子帶，然后進行編碼，得出較高的PSNR值，在進行這種改進之后，按照相同的壓縮比，獲得的PSNR值比EZW要高很多。雖然算是有效的方法，但是方塊效應(yīng)依然沒有得到根除。第二，使用集中低頻塊的方法，變換DCT，不斷對圖像進行變化操作，直到方塊效應(yīng)基本消除，然后對DCT進行系數(shù)零樹編碼排列處理。這種方法可以將方塊效應(yīng)清除的更加徹底，但是在人眼視覺處理條件下，依然還是有一些方塊參與存在。因此在今后的發(fā)展中，還應(yīng)趨向考慮與人眼視覺特相結(jié)合的壓縮技術(shù)方向努力。

3.2 JEPG2000壓縮技術(shù)

JEPG2000壓縮技術(shù)是對JPEG技術(shù)的改進與創(chuàng)新，按照全新的靜止圖像壓縮標準，將JPEG技術(shù)中的余弦變換技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾〔ㄗ儞Q技術(shù)。采用了彩色編碼方式，按照JPEG圖像編碼算法進行圖像壓縮。其原理為：說先對數(shù)字圖像進行分片、直流電平位移等預(yù)處理，然后進行包括小波變換、熵編碼等的核心處理，最后進行包括區(qū)域劃分、碼塊等的流組織處理。

使用JPEG2000圖像壓縮技術(shù)的優(yōu)勢，在于將JPEG圖像壓縮技術(shù)的效率提高了百分之30，而且對圖像的有損和無損壓縮可以同時進行，圖像壓縮后的畫質(zhì)更為細膩和平滑，這是對JPEG圖像壓縮技術(shù)的一大革新。另外，將JPEG圖像壓縮技術(shù)的按塊傳輸創(chuàng)新提升為了漸進傳輸，方便用戶使用，不必非要接收整個圖像壓縮碼流，還能隨機獲取。并可以執(zhí)行傳輸、濾波等操作程序。JPEG2000圖像壓縮技術(shù)如今在很多領(lǐng)域正在被廣泛使用，如數(shù)字醫(yī)療、圖書館、數(shù)碼傳真、打印，移動通信等。尤其是在電子商務(wù)中得到用戶的廣泛贊譽。

3.3 小波變化圖像壓縮技術(shù)

小波變化圖像壓縮技術(shù)是根據(jù)塔式快速小波變換算法將圖像進行分解，采用多分辨率的技術(shù)手段的工作原理：首先采用多級小波進行圖像分解，將分解后的系數(shù)量化、編碼，形成小波圖像壓縮。小波圖像壓縮也已經(jīng)擁有了國際壓縮標準，按照MPEG-4進行命名[3]。

小波變換圖像壓縮技術(shù)目前的發(fā)展現(xiàn)狀是采用不同算法構(gòu)建三種不同的編碼器：

第一，嵌入式小波零樹圖像編碼是空間小波樹遞編碼，這種小波零樹概念提高了小波系數(shù)的編碼概念，將高頻系數(shù)剔除出去，采用了漸進性量化和嵌入式編碼模式，比較方便計算。小波零數(shù)圖像編碼的使用改變了以往的壓縮編碼器必須使用復雜的算法才能進行信息處理的方式，將計算方法簡化，而且得到的結(jié)果精確可靠，因此得到了國際認可，圖像壓縮數(shù)據(jù)處理的發(fā)展歷程上具有重要的意義。

第二，空間樹分層分割方法采用了分層小波樹集合分割算法，減小了編碼符號集在比特面上的規(guī)模，利用小波系數(shù)幅值衰減規(guī)律構(gòu)成了不同類型的空間零樹，計算方法也比較簡單，使用嵌入式比特流，提高了編碼器更多的性能。

第三，嵌入型編碼使用的優(yōu)化分層階段算法將小波分為獨立的碼塊，這些碼塊中帶有子帶部分，每個碼塊都有編碼，產(chǎn)生帶有SNR擴展功能的編碼，支持隨機存儲圖像功能，與前面所述的兩種算法相比，相對較為復雜。但是壓縮性能也高。

三種圖像壓縮方法比較起來，小波圖像壓縮方法是目前來說比較被廣泛使用的。小波圖像壓縮方法要得到進一步拓展，應(yīng)在與人眼視覺特性的結(jié)合上下功夫，提高圖像質(zhì)量，提高壓縮比，并注意與其他壓縮方法的優(yōu)勢相結(jié)合進行研究。

3.4 分形圖像壓縮

分形圖像壓縮，是上世紀八十年代經(jīng)過實驗證明得出的壓縮比較高的圖像壓縮技術(shù)，這是基于局部迭代函數(shù)系統(tǒng)理論而產(chǎn)生的圖像壓縮技術(shù)，得到的圖像編碼技術(shù)要比以往的圖像壓縮技術(shù)高幾個數(shù)量級，實現(xiàn)了計算機自動壓縮圖像的功能。

分形圖像壓縮使用的是迭代函數(shù)系統(tǒng)，其工作原理是：首先使用迭代函數(shù)系統(tǒng)定理、拼貼定理，將圖像分割成若干對應(yīng)迭代函數(shù)的子圖像，迭代函數(shù)與子圖像的壓縮比成反比，迭代函數(shù)簡單的子圖像壓縮比會比較大。解碼過程是利用迭代函數(shù)對應(yīng)子圖像的原理調(diào)出自圖像的原始狀態(tài)。

分形圖像編碼技術(shù)的幾個主要分項包括：對曲線長度使用類似于亞取樣、內(nèi)插法等進行小尺度度量，與分形幾何的肚量方法不同的是采用分形思想，對不規(guī)則、復雜的圖像進行尺度的變化。利用人機交互的拼貼技術(shù)，采用迭代函數(shù)系統(tǒng)方法，對圖像的整體和局部進行表達，通過仿射系數(shù)的存儲來進行變換達到壓縮的目的。放射變幻可以利用迭代函數(shù)系統(tǒng)達到比較高的壓縮比。將圖像進行全自動的分形壓縮，在尋找映射關(guān)系的過程中處理塊與塊之間的局部關(guān)系，取出冗余度，但是存在比較明顯的方塊效應(yīng)。因此在圖像解碼處理中存在一定缺陷。

采用分形圖像壓縮進行圖像處理在圖像壓縮技術(shù)領(lǐng)域里并沒有被廣泛使用，主要原因就是其明顯的風快效應(yīng)沒有被妥善解決。但是分形圖像壓縮技術(shù)的優(yōu)勢在于它不僅考慮了局部與局部，而且也考慮了局部與整體的相關(guān)性，與自然中的自相似與自仿射的原理有相像，因此還是有一定的使用范圍的。

3.5 其他壓縮技術(shù)

其他壓縮技術(shù)，還包括NNT壓縮、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓縮等方法。

第一，形狀自適應(yīng)壓縮是將任意形狀的圖像進行分塊，每塊都采用DCT變換的方法，實現(xiàn)形狀自適應(yīng)變換，在變幻過程中可能會丟失一些空域相關(guān)性。因此會存在失真的現(xiàn)象。

第二，EGGER方法是對任意形狀圖像進行小波變換，其工作原理是將圖像的像素推到與邊界框右邊框平齊的位置，使用小波變換的特性，將高頻部分的邊界部分進行合并，引起小波分解，形成小波系數(shù)的相同相位。

第三，形狀自適應(yīng)小波變換包括對任意形狀進行熵編碼的擴大和嵌入式小波編碼。經(jīng)過對任意形狀可是對象的像素進行小波變換，使像素的空域相關(guān)性、子帶區(qū)域?qū)傩园l(fā)生自相似性，實現(xiàn)任意形狀靜態(tài)的編碼標準能夠很好地表現(xiàn)出來。

第四，上述編碼方法在未來的發(fā)展方向是與人類視覺系統(tǒng)相結(jié)合，對邊緣、紋理、背景等進行不同比例的壓縮，得到更大的壓縮比，以便更好的儲存和傳輸[4]。

4 圖像壓縮技術(shù)的未來發(fā)展方向設(shè)想

1）計算機速度向著高速方向前進。這是計算機技術(shù)的飛躍帶來的結(jié)果，未來可以實現(xiàn)圖像壓縮的實時化。

2）高分辨率。包括分辨率采集的提高和顯示分辨率的提高。在克服顯像管制造技術(shù)的難點、提高圖像圖像刷新存取速度的基礎(chǔ)上，提高分辨率將成為現(xiàn)實。

3）圖像壓縮實現(xiàn)立體化的，從二維進入三維時代。是時利用計算機圖形學、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展而得到的結(jié)果，未來的圖像壓縮將不再局限于平面，而是實現(xiàn)三維立體壓縮技術(shù)。

4）利用多媒體技術(shù)來實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的壓縮，方便人類接收信息的方式向著多媒體接收的方式發(fā)展。

5）按照人類的意圖和思維方式，使計算機能夠自行判斷圖像壓縮技術(shù)，實現(xiàn)圖像壓縮技術(shù)的智能化。在圖像壓縮中計算機就能達到人腦的主觀和非邏輯思維能力。

6）在計算機中植入多功能芯片，實現(xiàn)圖像壓縮為實踐服務(wù)的功能。

7）推行新的計算方法，結(jié)合遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學科，將新的理論，如Fratal理論廣泛應(yīng)用于圖像壓縮技術(shù)中，并可以在物理、數(shù)學、音樂等學科中觸類旁通。

5 結(jié)語

在過去數(shù)十年的研究過程中，圖像壓縮技術(shù)取得了很大的成績。例如小波圖像壓縮、分形推向壓縮等先進技術(shù)，至今依然是學術(shù)界熱議的焦點。但是其存在的缺點也必須加以重視，新的技術(shù)必將對之進行替代。在今后的發(fā)展中，應(yīng)不斷結(jié)合本文提及的視覺神經(jīng)等其他學科的運用，將圖像壓縮技術(shù)引領(lǐng)入更加寬泛、更加廣闊的研究領(lǐng)域，讓圖像壓縮技術(shù)在信息發(fā)達的當今社會中，得到更長遠的發(fā)展和更加有益的利用。

參考文獻：

[1] 周晶. 數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的應(yīng)用與研究[J].黑龍江科學， 2015（4）.

[2] 王亞男， 張敬申， 馮杰等. 數(shù)字圖像壓縮技術(shù)綜述[J]. 科教導刊-電子版（上旬）， 2014（5）.

[3] 黃新民， 姚軍財， 何軍鋒等. 基于離散傅立葉變換的水稻作物數(shù)字圖像壓縮技術(shù)研究[J]. 農(nóng)業(yè)科學與技術(shù)： 英文版， 2012，13（3）.

[4] 郭宏亮. 一種圖像壓縮無損編碼中的小波系數(shù)優(yōu)化算法[J]. 科技通報， 2013，29（4）.