图像有损压缩技术的研究

韩雪莹

【摘要】：有损压缩技术是利用了人类对图像或声波中的某些频率成分不敏感的特性，允许压缩过程中损失一定的信息；虽然不能完全回复原始数据，但是所损失的部分对理解原始图像的影响缩小，却换来了大得多的压缩比。常见的声音、图像、视频压缩基本都是有损的。在多媒体应用中，常见的压缩方法有：预测编码，变换编码，矢量量化编码，分形编码等，混合编码是近年来广泛采用的方法。

有损数据压缩方法是经过压缩、解压的数据与原始数据不同但是非常接近的压缩方法。有损数据压缩又称破坏型压缩，即将次要的信息数据压缩掉，牺牲一些质量来减少数据量，使压缩比提高。它是与无损数据压缩对应的压缩方法。根据各种格式设计的不同，有损数据压缩都会产生丢失：压缩与解压文件都会带来渐进的质量下降。

【关键词】：有损压缩；无损压缩；压缩编码技术；比较；变换编码

一、图像压缩技术概述

图像压缩就是减少表示数字图像时需要的数据量。是指以较少的比特有损或无损地表示原来的像素矩阵的技术，也称图像编码。

在我们的生活中无论是普通人还是一些工作在科研领域的科技工作者，都会对数据信息进行传输与存储有所接触。随着数字时代的到来，影像的制作、处理和存储都脱离了传统的介质（纸、胶片等），相比传统方式，数字图像有着传统方式无法比拟的优越性。但是每种技术出现的同时，都有制约其发展的一面。比如数字电视、遥感照片、由雷达、飞机等提供的军事侦察图像、可视电话、会议电视和传真照片，在教育、商业、管理等领域的图文资料、CT机、X射线机等设备的医用图像、天气云图等等，无论是利用哪种传输媒介进行传输的信息，都会遇到需要对大量图像数据进行传输与存储的问题。而对大量图像数据进行传输要保证其传输的质量、速度等，对其进行存储也要考虑其大小容量等。所以，要解决大量图像数据的传输与存储，在当前传输媒介中，存在传输带宽的限制，故在一些限制条件下传输尽可能多的活动图像，如何能对图像数据进行最大限度的压缩，并且保证压缩后的重建图像能够被用户所接受等问题，就成为研究图像压缩技术的问题之源。

图像数据之所以可以进行压缩，主要是因为一般原始图像数据是高度相关的，都含有大量的冗余信息。图像压缩编码的目的就是消除各种冗余[2]，并在给定的畸变下用尽量少的比特数来表征和重建图像，使它符合预定应用场合的要求。

二、图像压缩技术标准

① JPEG标准：JPEG全名为Joint Photographic Experts Group，是一个在国际标准组织（ISO）下从事静止图像压缩标准制定的委员会。JPEG标准从1986年正式开始制订，1988年决定采用以图像质量最好的ADCT（Adaptive Discrete Cosine Transform）方式为基础的算法作标准，于1991年3月提出10918号标准“连续色调静止图像的数字压缩编码”，即JPEG标准。它在较低的计算复杂度下，能提供较高的压缩比与保真度[3]。

JPEG采用4种编解码方式：串行DCT[4]（Discrete Cosine Transform）方式、渐进浮现式DCT方式、无失真方式和分层方式。由于JPEG优良的品质，使它在短短几年内就获得极大的成功。随着多媒体应用领域激增，传统的JPEG压缩技术已无法满足人们对多媒体影像资料的要求。因此，更高压缩率以及更多功能的新一代静止影像压缩技术JPEG2000就诞生了。

② JPEG2000：JPEG2000[5]，正式名称为“ISO 15444”，亦是由JPEG组织负责制定。自1997年3月开始筹划，2000年规定基本编码系统的最终协议草案才提出。JPEG2000与JPEG最大的不同，在于它放弃了JPEG所采用的以DCT为主的区块编码方式，而改用以DWT（Discrete Wavelet Transform）为主的多分辨率编码方式。JPEG2000的新特征有：

JPEG2000作为JPEG的升级版，具有良好的低比特率性能，特别是对细节丰富的图像以0.25bpp的比特率进行压缩时，总体上其压缩率比JPEG高约30%左右；

JPEG2000同时支持有损和无损压缩；而JPEG只支持有损压缩；

JPEG2000能实现渐进传送。它先传输图像的轮廓，然后逐步传输图像数据的细节，接收端重构图像时让图像由朦胧到清晰显示，而不像JPEG那样由上到下由左到右的显示；

JPEG2000支持所谓的“感兴趣区域”编码（Region of interest coding）。可任意指定图像上感兴趣区域的压缩质量，亦可以选择指定的部分先解压缩以突出重点。

三、图像压缩技术分类

图像压缩的优点在于，如抗干扰、处理精度高、灵活性好等，其中主要缺点是数据量太大，传输中占频带太宽。数字图像数据量的压缩按应用不同可分为以下三类：

① 信息保持型数据压缩（无损压缩）：它要求压缩图像的比特数而不丢失任何信息。主要用在图像信息保存中，要求图像存储能保持信息并能快速存取图像。例如短时随机存取主要用于处理过程中的各个环节的存储，它要求经过不同存储介质多次重复不变质、不失真。又如遥感图像，摄取地球上许多地区，因来不及处理，可暂时保存以便以后处理。

② 保真度型数据压缩：传送的图像应该能够适应通信的通道限制，若接收端是人观看的情况，由于人眼的生理特性不需要过高的空间分辨率和灰度分辨率，因此在压缩过程中允许丢失一些人感觉不到的信息，这就是一种允许微量失真的图像压缩。数字电视、图像传输和多媒体中常用这种压缩。

③ 特征保持型数据压缩（有损压缩）：许多图像处理的目的是为了计算机的识别、分析、控制，这时并不需要图像的全部细节及灰度细节。只要能保存图像中的感兴趣的特征信息，无用信息都可丢掉。例如识别军舰类型、巡航导弹地形识别等只要轮廓信息就可以了。又如在机场跑道的识别中农田、房屋信息皆可丢掉，只保留跑道的图像信息即可。这些图像信号可以进行特征保持型数据压缩。图像编码也可以根据编码所在数据域划分为空间域编码和变换域编码。

四、图像压缩技术的发展趋势

从国际数据压缩技术的发展尤其是MPEG的发展可以看出，基于内容的图像压缩编码方法是未来编码的发展趋势。它不仅能满足进一步获得更大的图像数据压缩比的要求，而且能够实现人机对话的功能。另外，任意形狀物体的模型建立的关键问题还没有解决，这严重影响其应用的广泛性。

通过元数据进行编码也是今后编码的发展方向。元数据是指详细的描述音/视频信息的基本元素，利用元数据来描述音视频对象的同时也就完成了编码，因为此时编码的对象是图像的一种描述而不再是图像本身。从另一个角度来说，进一步提高压缩比，提高码流的附属功能（码流内容的可访问性、抗误码能力、可伸缩性等）也将是未来的编码的两个发展方向。

参考文献：

[1]尹显东，李在铭，姚军.图像压缩标准研究的发展与前景[M].北京：北京邮电大学出版社，2003.1（4）：326-331

[2]薛文通，宋建设，袁礼海，沈涛.图像压缩技术的现状与发展[M].北京： 电子工业出版社，2003.65-67