圖像壓縮編碼技術(shù)及無損壓縮的策略研究

甘赟 冉濤

摘要：數(shù)字圖像在當(dāng)今社會人類溝通交流中起著重要的作用，它被廣泛地應(yīng)用于各大領(lǐng)域中。而數(shù)字圖像中經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)，因此需要利用圖像壓縮編碼技術(shù)消除重復(fù)以減少圖像表達(dá)和傳送的位數(shù)（比特）。在壓縮編碼技術(shù)中，有一種在圖像編碼、傳送以及解碼過程中沒有絲毫損失的壓縮方式，稱為無損壓縮技術(shù)。該文首先對圖像壓縮技術(shù)的概念、系統(tǒng)組成以及分類做了簡要說明，然后針對常見的無損壓縮技術(shù)展開論述，最后提出無損壓縮技術(shù)的改進(jìn)方向及措施，為無損壓縮技術(shù)的發(fā)展提供了一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：圖像壓縮編碼;數(shù)據(jù)重復(fù);無損壓縮;技術(shù)

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）22-0212-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

現(xiàn)如今，隨著通信網(wǎng)絡(luò)在人們生產(chǎn)生活中的地位日益提升，數(shù)字圖像信息對人們的影響也越來越高。未經(jīng)壓縮的原圖像具有很大的信息量，在存儲和傳送時會占用較寬的信息通道，傳輸成本也較高，這給我們的日常工作和生活帶來一些不便，因此，我們需要相應(yīng)的圖像壓縮技術(shù)在確保圖片質(zhì)量的基礎(chǔ)上處理原圖像，以減少圖片的存儲大小及提高其傳送速率。在這樣的背景下，對圖像壓縮技術(shù)的研究與改進(jìn)成了當(dāng)代相關(guān)領(lǐng)域非常迫切且十分重要的課題。

同時，隨著社會生產(chǎn)力水平和人類生活水平的提高，人們對于圖像的要求不僅僅停留在信息的傳遞作用上，有些領(lǐng)域用到的圖像要求在壓縮的基礎(chǔ)上沒有絲毫的損失，而無損技術(shù)壓縮的圖像正好符合這一特點(diǎn)。隨著相關(guān)技術(shù)人員多年來圖像處理經(jīng)驗(yàn)的累積，目前已有多種圖像無損壓縮技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各類圖像處理中，相信隨著時間的推移，無損壓縮技術(shù)將會有更大的發(fā)展空間。

1 簡述圖像壓縮編碼技術(shù)

1.1概念及系統(tǒng)組成

（1）圖像壓縮編碼，亦稱圖像編碼。常見的數(shù)字圖像中會存在數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的重復(fù)。有以下三種重復(fù)的情況：一是編碼冗余，是指用同樣長度比特表示灰度而產(chǎn)生的編碼冗余，這是因?yàn)樵诰幋a過程中沒有使每個像素都發(fā)揮其概率特性。二是像素間冗余（空間和時間冗余），是指各個像素之間的相關(guān)性或空間連貫性，且相關(guān)性越強(qiáng)產(chǎn)生的冗余越多。三是心理視覺冗余，指圖像中被人們視覺系統(tǒng)中所忽略的一些不敏感或與用途無關(guān)的信息。針對以上圖像數(shù)據(jù)的重復(fù)，圖像壓縮編碼就是在保證圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上去除這些重復(fù)，對圖像進(jìn)行壓縮，最后用盡可能少的比特來表達(dá)和傳輸圖片。

（2）圖像的壓縮處理有兩個步驟：首先是編碼，即將原始圖片通過編碼，減少圖片的存儲數(shù)據(jù)所需要的字節(jié)數(shù)量，再將壓縮過的圖片存儲并傳輸。其次是解碼，也就是將壓縮過的圖片進(jìn)行解碼復(fù)原，但此時人類視覺上幾乎看不出圖片有任何差異。通過編碼后的圖片是經(jīng)過信息通道傳送到解碼器進(jìn)行圖像解碼。

1.2圖像壓縮分類

現(xiàn)今圖像編碼的技術(shù)手段多種多樣，根據(jù)不同的分類依據(jù)可以將圖像壓縮編碼技術(shù)分為不同的類型。例如：根據(jù)圖像數(shù)據(jù)編碼的效率以及圖像復(fù)原質(zhì)量可以分為經(jīng)典圖像編碼技術(shù)和現(xiàn)代圖像編碼技術(shù);根據(jù)壓縮后的圖像相比原始圖像的恢復(fù)度可以將其分為可逆編碼（無損壓縮）及不可逆編碼（有損壓縮）。無損壓縮技術(shù)是指壓縮前后圖像沒有任何損失變化，與原始圖像完全沒有偏差，壓縮后的圖像數(shù)據(jù)可以完全恢復(fù)為原始圖像數(shù)據(jù)。但是，該方法具有低壓縮率的局限性。而有損壓縮技術(shù)解碼的圖像與原圖像并不完全相同，只是視覺上造成一種無差別的假象，其過程是不可逆的。該方法的壓縮率較前者提高了許多，但是卻存在一定的圖像失真問題。由于現(xiàn)代技術(shù)對圖像的質(zhì)量等要求嚴(yán)格，無損壓縮技術(shù)又是一種可逆的、對圖像數(shù)據(jù)信息沒有任何損失的技術(shù)。盡管無損壓縮的壓縮率不高，但是在許多領(lǐng)域中迫切需要圖像的無損壓縮。例如，需要進(jìn)一步處理圖像（從圖像中提取特殊信息等），重構(gòu)壓縮或解壓縮、圖像成本高，或者不清楚圖像質(zhì)量。近年來，在醫(yī)學(xué)圖像，遙感圖像，高精度圖像分析，歷史和藝術(shù)品領(lǐng)域等許多領(lǐng)域中需要用到高效、快速的無損壓縮方法。換言之，圖像無損壓縮技術(shù)已經(jīng)引起了越來越多的關(guān)注。因此，本文主要針對無損壓縮技術(shù)進(jìn)行探討。

2 無損壓縮編碼技術(shù)

圖像的無損壓縮編碼技術(shù)可大致分為兩大類：基于字典的壓縮技術(shù)和基于統(tǒng)計(jì)的壓縮技術(shù)。

2.1 基于字典的技術(shù)

基于字典的技術(shù)中心思想是利用一個符號代替一串有意義或無意義的字符，形成固定長度（12位-16位）的信源編碼，該信源編碼中的每個碼字代替了原圖像數(shù)據(jù)中的重復(fù)，最終達(dá)到壓縮的效果。

字典編碼可以根據(jù)其編碼、解碼過程中運(yùn)用的字典是靜態(tài)不變的還是動態(tài)變化的分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩類。靜態(tài)法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單且壓縮效果良好，但是編碼前的準(zhǔn)備工作較為繁雜，例如它需要實(shí)現(xiàn)將信息源符號進(jìn)行各種排列組合，并通過分析將最有可能的組合列入字典。因此，它具有編碼效率低、可利用性交差的缺點(diǎn)。而動態(tài)法的優(yōu)缺點(diǎn)恰與靜態(tài)法相反。

另外，字典編碼中有兩種常用的編碼方法：RLE編碼（或行程編碼、游程編碼）和LZW編碼。

2.1 IRLE編碼技術(shù)

行程編碼壓縮技術(shù)運(yùn)用圖像壓縮中，是利用了圖像像素之間的空間連貫性和相關(guān)性造成的冗余進(jìn)行壓縮。其算法相對簡單，是利用已知的重復(fù)字符串、重復(fù)字符串的長度及位置這三個信息，壓縮數(shù)據(jù)現(xiàn)在設(shè)A（被壓縮的數(shù)據(jù)字符）、B（A重復(fù)的次數(shù)）、C（A中沒有的字符或字符串）其編碼流程、解碼流程，只有重復(fù)次數(shù)大于3次時，才起到壓縮效果，因此，在進(jìn)行RLE編碼之前，要先判斷A重復(fù)的次數(shù)。

另外，RLE編碼適用于背景顏色單一的圖像壓縮，在此類圖像中壓縮比較高，但對于其它類型的圖像壓縮效果不佳。

2.1.2LZW編碼

LZW編碼基于字典的編碼方式，但與RLE有所差異，它在壓縮編碼時會生成字符串表及相應(yīng)代碼。在LZW壓縮編碼開始前，字典中僅有單個字符和對應(yīng)編碼的字符串表，而到壓縮編碼開始后，讀取字符串并與表中字符串對應(yīng)并輸出編碼，直到找不到對應(yīng)的字符串為止，最后將能在表中找到的字符串以及不能在表中找到的字符串一起列入表中給以相應(yīng)編碼。最后，字符串表將逐漸擴(kuò)大，需要壓縮的字符串在表中出現(xiàn)的次數(shù)也增多了。用這樣的方式去除掉圖像數(shù)據(jù)中的重復(fù)信息。LZW編碼的優(yōu)點(diǎn)是邏輯性較強(qiáng)、成本低、效率高，能夠達(dá)到很好的壓縮效果。

2.2 基于統(tǒng)計(jì)的方法

基于統(tǒng)計(jì)的圖像壓縮技術(shù)是使用簡短的代碼表示出現(xiàn)頻率高的字符，而用較長的代碼表示出現(xiàn)頻率較低的字符，從而壓縮圖片基于統(tǒng)計(jì)的圖像壓縮技術(shù)中壓縮效果較好的兩種技術(shù)是：Feno編碼技術(shù)和Huff'man編碼技術(shù)，其中哈夫曼編碼更適用于實(shí)際應(yīng)用。

2.2.1 費(fèi)諾編碼

費(fèi)諾編碼的步驟為：第一，將信源符號按照它們出現(xiàn)的可能性大小順序排列。第二，根據(jù)概率值將安順序排列好的信源符號分為概率之和相等的兩個大組，再分別給兩個大組各分配一個二進(jìn)制碼符號“0”和“1”。第三，將以上的兩個大組繼續(xù)分成規(guī)則相同的兩個組，同樣給兩個組分配二進(jìn)制符號“0”和“1”。第四，如此循環(huán)往復(fù)，直到剩下只有一個信源符號的組別。第五，與信源符號相對應(yīng)的碼字為Feno碼，F(xiàn)eno代碼考慮了信源符號的統(tǒng)計(jì)特性，因此，出現(xiàn)次數(shù)多的信源符號對應(yīng)的代碼較長。顯然，F(xiàn)eno代碼是一種相當(dāng)不錯的編碼方法。但是，短碼在該方法中并不能被充分利用。尤其是當(dāng)信源符號較多或者某些符號的概率值相近或一致的情況下，可能會出現(xiàn)后一組的概率總和相差很遠(yuǎn)的現(xiàn)象，造成了平均代碼加長，因此，費(fèi)諾代碼不一定是最佳代碼。而且Feno代碼是即時生成的一系列代碼。

2.2.2 哈夫曼編碼

哈夫曼編碼需要完成哈夫曼表的構(gòu)建，步驟如下：第一，統(tǒng)計(jì)信源符號的概率值，得到不同結(jié)果。第二，是將出現(xiàn)的信源符號按照概率大小順序排列。第三，將兩個最小的概率值相加得到一個新的概率值，最后將這個概率值視為新組合符號的概率，此時，信息符號的總量少了一個該過程要注意始終把概率值較大的信源符號放在表的最上面。第四，循環(huán)執(zhí)行以上第二、第三的步驟，直至結(jié)果只剩兩個概率值且兩者相加和為1為止。第五，給上述剩下的兩個信源符號分別分配二進(jìn)制符號“0”和“1”。第六，沿著前面步驟的反方向賦值。從最后兩個概率值開始，將碼字長度逐漸分配給符號。每個步驟都有兩個分支，并使用相同的規(guī)則為每個分支分配一個二進(jìn)制代碼。

哈夫曼編碼技術(shù)應(yīng)用于壓縮圖像數(shù)據(jù)時，其壓縮效果和壓縮效率針對不同的圖像是有差異的。當(dāng)每個信源符號出現(xiàn)的概率差別較大時，編碼效率較高。而當(dāng)各符號出現(xiàn)的概率相等時，哈夫曼編碼就相當(dāng)于等長編碼，編碼效率較低。采用哈夫曼編碼技術(shù)對原圖像實(shí)行直接編碼時，該算法能很好地恢復(fù)圖像質(zhì)量。但由于該算法對原圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮時，使用不同長度的編碼，且并沒有處理圖像各個像素間的冗余，從而使壓縮效率低，因此為了達(dá)到更高的壓縮比，與其他方法的結(jié)合使用是非常有必要的。

3 無損壓縮技術(shù)的改進(jìn)

3.1 基于字典的壓縮編碼技術(shù)改進(jìn)

（1）RIE編碼改進(jìn)。RLE是一種簡單的壓縮算法，具有快速高效的特點(diǎn)。但是該方法對于重復(fù)出現(xiàn)的字符或字符串壓縮效果不明顯，甚至有時還占用更大的存儲空間。因此，對該壓縮編碼技術(shù)的改進(jìn)，需要針對數(shù)據(jù)膨脹問題進(jìn)行分析探討，使其適用于任何圖像，提升壓縮效果。

（2）LZW編碼的改進(jìn)。該算法雖然可以對重復(fù)的字符和字符串進(jìn)行編碼、速率和效果顯著，但是算法過程較為復(fù)雜，因此，該技術(shù)的改進(jìn)應(yīng)該優(yōu)化編碼過程，使其簡易化，增加其通用性。

3.2 基于統(tǒng)計(jì)的壓縮編碼技術(shù)改進(jìn)

哈夫曼編碼技術(shù)的改進(jìn)。哈夫曼編碼技術(shù)無論是編碼過程還是解碼過程都可以用簡單的查哈夫曼表的方式實(shí)現(xiàn)，但由上面介紹的該技術(shù)的編碼步驟可知，該方法計(jì)算量龐大。因此，在采用變長編碼方式時，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇一些計(jì)算量較小的編碼方式。

4 小結(jié)

總而言之，圖像壓縮編碼技術(shù)已越來越多地用于圖像處理中，并且作為一種非常重要的技術(shù)，其無損耗壓縮技術(shù)已廣泛用于各種壓縮方案中。由于每種無損壓縮技術(shù)都有其自己的應(yīng)用范圍，而且壓縮率受到無失真要求的限制，因此，目前還沒有找到真正意義上具有高壓縮率的通用無損壓縮算法。所以，有必要在選擇壓縮技術(shù)之前分析圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)使用時的特性來選擇無損壓縮技術(shù)，而且運(yùn)用算法是提高壓縮率的有效手段。相信隨著圖像壓縮技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，具有大量信息的圖像也將具有相當(dāng)大的壓縮潛力。因此，圖像壓縮技術(shù)及無損壓縮技術(shù)更值得廣大研究者更進(jìn)一步的研究、探索。

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【通聯(lián)編輯：代影】

基金項(xiàng)目：2018年度?？诮?jīng)濟(jì)學(xué)院重點(diǎn)科研項(xiàng)目——基于圖像壓縮與編碼技術(shù)的研究（編號：hjkz18-02）;2020年度海南省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目——“互聯(lián)網(wǎng)+智慧養(yǎng)老”系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用（編號：Hnky2020-54）

作者簡介：甘贅（1983-），女，江西南昌人，專任教師，講師，碩士，研究方向：圖像處理技術(shù);冉濤（2000-），男，河北涿州人，學(xué)生，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。