基于综合评判的图像压缩软件在图像处理与分析教学中的应用

李新利 宋哲 黄从智 杨国田 刘禾

摘  要 在图像处理与分析教学过程中，针对图像压缩算法和效果进行研究，提出基于主观评判和客观评判的评价参数，构建能直观表示压缩效果的压缩综合指数。基于GUI图形界面，设计开发图像压缩算法软件，实现无损压缩和有损压缩的经典算法，包括RLE编码、Huffman编码、算术编码、DCT压缩算法和小波变换压缩算法，直观展示不同压缩算法的压缩效果，并分析不同压缩算法的区别。

关键词 图像处理与分析;图像压缩;压缩综合指数;GUI图形界面;图像处理

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）04-0046-03

Application of Image Compression Software based on Compre-hensive Evaluation in Teaching of Image Processing and Analy-sis//LI Xinli， SONG Zhe， HUANG Congzhi， YANG Guotian， LIU HeAbstract In the process of Image Processing and Analysis teaching， the algorithm and effect of image compression is studied， and the evaluation index is proposed which based on subjective evaluation and objective evaluation， and a compression index is used to expressvisually the compression effect. Based on GUI graphical interface， the image compression algorithm software is designed and developedto realize lossless compression and lossy compression. The classical algorithms include RLE coding， Huffman coding， arithmetic coding， DCT compression algorithm and wavelet transform compression algorithm. The compression effects of different algorithms are visually displayed and the differences between different compressionalgorithms are analyzed.

Key words image processing and analysis; image compression; com-pression comprehensive index; GUI graphical interface; image pro-cessing

1 引言

圖像处理与分析课程是模式识别与智能系统学科核心专业课，图像处理、图像分析和图像识别是人工智能的基础，也是认知科学与计算机科学中的研究热点。目前人工智能势头正盛，有关的人才需求呈明显上升趋势。图像处理与分析课程涉及多领域的交叉，包括计算机图形学、计算机视觉和模式识别等，具有较深的理论性和较强的实践性。因此，培养具有理论与实践并重的高素质人才成为教学的重要任务，要求所培养的研究生具有实践和创新的能力。图像压缩在图像传输和存储过程中至关重要，其研究受到人们越来越多的关注。

图像压缩是图像处理中的一个重要组成部分。随着计算机网络、通信技术的发展，图像已成为重要的信息载体，而图像数据远比文本更占空间，如何才能高质、快速地传输并存储图像？图像压缩算法成为重要技术。本文基于不同的图像压缩算法，设计图像压缩算法软件，并提出基于主观和客观的综合评判方法，构建评判压缩效果的压缩综合指数，让学生直观感受不同图像压缩算法的特点与效果，同时启发学生的科研创新思维。

2 图像压缩算法

图像压缩原理  图像压缩的本质是去除多余数据，尽量仅使用能够表征一幅图像必需的相关参数。能够压缩图像的根本原因是在图像的相关数据之中有一定量的可消除的冗余信息。表示图像的相关冗余数据较多地存在于[1-2]：图像中两个相邻像素之间存在相关性，从而造成空间上的冗余;图像的序列中不同帧之间有着相关性，从而造成时间冗余;彩色层之间或频谱带之间的相关性产生的频谱冗余。而数据压缩的目的，就是消去这些冗余数据，从而尽可能地只保留能够表示图像的必要数据。

根据压缩过程有无损失，分为有损编码和无损编码[3]。无损编码是指对图像数据进行了无损压缩，解码后重新构造的图像和原始图像之间完全相同。有损编码是指对图像数据进行了有损压缩，解码后重新构造的图像和原始图像之间存在一定的误差。

无损压缩  无损编码的经典算法主要包括行程编码、Huffman编码、LZW编码和熵编码。行程编码也称RLE算法，基本原理是把图像数据看成一个线性序列，用一个字节表示该数据块重复的次数，然后在这个数据重复次数的后面放置对应的数据字节本身。Huffman编码是利用加长的编码表对图像数据中的每一个进行编码，其中加长的编码表是通过对图像元素出现的频率进行统计的方法得到的。出现频率高的字母使用较短的编码;反之，出现频率低的则使用较长的编码。LZW编码算法原理是构建一个字符串表，视为字典，以字典的规则，用较短的代码表示较长的字符串，从而实现压缩的效果。算术编码算法是一种熵编码，先将所有数据进行概率统计，并记录它们相对于统计前的位置信息，然后根据概率将[0，1]的区间进行分割[4]。

有损压缩  有损编码包括离散余弦变换DCT（Discrete Cosine Transform）编码和小波变换WT（ Wavelet Trans-form）。DCT编码基本思路是将图像分解为8×8的子块或16×16的子块[5]，对每一个子块进行DCT变换，然后对变换结果进行量化、编码。小波变换算法原理是通过小波矩阵对图像数据进行多级小波分解，然后对每层小波系数进行量化、编码。

3 图像压缩算法的综合评判指标

压缩比  图像压缩算法的好坏，对评价指标至关重要。压缩比和失真性是常用来衡量图像压缩的重要指标。其中压缩比是图像压缩前后的信息量之比，信息量可包括数据量和信息熵。失真性對有损编码而言，是指图像经过有损压缩，然后其解码的图像与原图像之间的误差。本文以压缩前后数据量之比为例进行研究，相较于信息熵而言，数据量之比展示结果更具有直观性，更加贴合用户体验。

压缩时间  压缩时间严格来说，是从开始进行压缩到压缩停止之间的时间间隔。对用户而言，不仅关注压缩开始到完成的时间，同时关注解压缩所用时间，如果压缩时间很短但解压缩时间很长，同样不会被用户广泛接受。因此，本文将压缩时间定义为从开始进行压缩的时间点到完整显示解压缩后图像时的时间点，将压缩和解压缩两个时间段融合在一起，考察、评价不同压缩算法。

图像压缩的综合评价指数  图像压缩和解压缩后效果如何，人的主观感受也很重要，因此，本文提出基于主观和客观的综合评价指数。主观评判标准，即解压缩之后将得到的图像与原图像进行主观比较，并设定主观感受度进行效果评价。客观评判标准以压缩比和压缩时间为主。

在用户主观评判依据中，本文设定五级主观感受度作为评定标准，分别为0、0.25、0.5、0.75和1：0表示完全没有图像或从复原图像中看不出原图像的样子;0.25表示颜色严重失真，本文是利用彩色图像进行压缩实验，将实验结果二值图像设定为0.25;而0.5表示解压缩图像为灰度图像，即保留了一部分的颜色，但缺失彩色;0.75表示解压缩图像为彩色，但存在一定的数据损坏或丢失，直观来说，就是图像跟原图像相比有可见缺损，但不影响图像辨识;1表示基本复现，人眼看不出图像缺损和颜色偏差。

在客观评判标准中，算法对应的压缩比越大，压缩时间越少，表示该算法的压缩效果越好。

基于上述主观和客观评判标准，构建压缩综合指数作为评价图像压缩的指标，如式（1）所示：

式中CR为压缩比，T为压缩时间，A为主观感受度。压缩比与主观感受度的乘积除以压缩时间，表示单位时间内对图像压缩的客观与主观综合压缩程度。该数值越大，表示压缩效果越好。

4 基于综合评价指数的图像压缩软件

GUI界面是图形用户界面，相对于命令行界面更便于人机交互[6]。本文基于GUI，编程实现图像无损压缩和有损压缩的六种经典压缩算法，同时显示压缩前和压缩后图像，以及不同压缩算法的压缩时间、压缩比和综合评价指数。

搭建GUI界面  为了方便教学，设计软件的输出数据为输出压缩前的原图像、对解压后得到的图像、压缩比、压缩时间以及压缩综合指数。在GUI界面上需要三个edit框输出数据，两个axes部件输出图像。本文是根据它们各自的Tag分别对它们编写输出语句，从而达到输出的目的。GUI可编辑界面如图1所示。

右上侧弹出菜单里含有六种压缩算法可供选择，其中包括有损压缩的两种经典算法以及无损压缩的四种经典算法。通过选择不同的算法，可以对应得到压缩时间、压缩比和图像主观复现程度等参数，更加直观和方便进行横向与纵向比较。对于学生而言，对于压缩过程的理解也会有所加深。

一些压缩算法中涉及参数设置，如LZW算法的压缩步长，一般选择为2的n次方，即每次压缩2n×2n个数据，将原图像进行分块压缩。可通过软件界面进行参数设置。

对于学生教学而言，这种界面布置更加简洁清晰，将压缩前后图像差别以及相关参数放置在一个界面中，学生可明显看出压缩前后的区别，可以更加深刻地了解有损压缩对于图像数据的损失程度，以及无损压缩压缩时间上的缺陷。

GUI界面运行  运行GUI的步骤：打开GUI的可编辑界面，点击运行按钮，即可运行GUI界面，如图2所示。通过GUI进行仿真的步骤：打开GUI界面点击运行，选择好算法，点击确认按钮，等待图像和数据的显示。可再次选择其他算法进行多组不同实验，也可多次实验同一种算法，促使学生思考每次运行结果产生微小差异的原因。

5 结语

通过图像压缩算法的研究，提出基于客观和主观的综合评价指数，对图像压缩效果进行评价;基于GUI图形界面，设计实现无损压缩和有损压缩的六种算法，包括RLE算法、Huffman编码、LZW编码、算术编码、DCT算法和小波变换。通过图像压缩软件，可以让学生直观比较不同压缩算法的运行效果和特点。所设计的综合评价指数，不仅可以让学生通过实验分析有损压缩和无损压缩的区别、不同压缩算法的压缩效果和最佳参数设置，而且可以启发学生进行更多的科研探索，结合所处理的图像类型，设计更好的编码和评价指标。

参考文献

[1]张春田，苏育挺，等.数字图像压缩编码[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]萨洛蒙.数据压缩原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3]冈萨雷斯，伍兹.数字图像处理[M].3版.北京：电子工业出版社，2011.

[4]吴晓云.算术编码算法在图像压缩中的研究[J].计算机与数字工程，2017，45（9）：1863-1865.

[5]冯飞，刘培学，李晓燕，等.离散余弦变换在图像压缩算法中的研究[J].计算机科学，2016（S2）：240-241，255.

[6]宗节保，段柳云，王莹，等.基于MATLAB GUI软件制作方法的研究与实现[J].电子设计工程，2010，18（7）：54-56.