數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

侯 睿 王 昆

摘要圖像壓縮技術(shù)對(duì)于數(shù)字圖像信息實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)處理具有重要的意義。本文簡(jiǎn)要論述了圖像和視頻壓縮技術(shù)的研究狀況,就目前國(guó)際上正在研究的壓縮標(biāo)準(zhǔn)和方法作了介紹,并對(duì)圖像和視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和前景進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞數(shù)字圖像圖像壓縮壓縮標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類(lèi)號(hào):TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1圖像壓縮技術(shù)概述

信息技術(shù)的迅猛發(fā)展產(chǎn)生了大量的圖片,包括氣象圖片、廣播電視、遙感圖片等各種各樣的圖像信息。要充分利用這些圖片,就要對(duì)它們進(jìn)行大量的存儲(chǔ)和傳輸,并且要在保證質(zhì)量的前提下以較小的空間存儲(chǔ)圖像和較少的比特率傳輸圖像,因此,就產(chǎn)生了各種圖像壓縮編碼技術(shù)。

圖像數(shù)據(jù)之所以可以進(jìn)行壓縮,主要是因?yàn)橐话阍紙D像數(shù)據(jù)是高度相關(guān)的,都含有大量的冗余信息。圖像壓縮編碼的目的就是消除各種冗余,并在給定的畸變下用盡量少的比特?cái)?shù)來(lái)表征和重建圖像,使它符合預(yù)定應(yīng)用場(chǎng)合的要求。

2 圖像壓縮技術(shù)的分類(lèi)

數(shù)據(jù)壓縮的效果好與不好,關(guān)鍵要看三個(gè)指標(biāo):一是壓縮比要大,二是壓縮算法簡(jiǎn)單、速度快,三是恢復(fù)效果好。

圖像壓縮編碼的方法目前有很多種,按照信息保真度來(lái)分類(lèi),可以分為兩大類(lèi):一類(lèi)是冗余度壓縮法。如著名的哈夫曼編碼、香農(nóng)編碼、游程編碼等,其特征是壓縮比較低(一般不超過(guò)8:1),但不丟失任何數(shù)據(jù),可以嚴(yán)格恢復(fù)原圖像,實(shí)現(xiàn)編/解碼的互逆,故又稱(chēng)可逆編碼或無(wú)損壓縮。另一類(lèi)是熵壓縮法。如預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、統(tǒng)計(jì)編碼等,由于在壓縮過(guò)程中要丟失一些人眼所不敏感的圖像信息,且所丟失的信息不可恢復(fù),即圖像還原后與壓縮前不完全一致,故又稱(chēng)有損壓縮。按照具體編碼技術(shù)分類(lèi),可以分為:預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、統(tǒng)計(jì)編碼、輪廓編碼、模型編碼等。

3 圖像壓縮技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

20世紀(jì)80年代后,ISO、IEC和ITU陸續(xù)制定了各種數(shù)據(jù)壓縮與通信的標(biāo)準(zhǔn)與建議。

3.1 H.261協(xié)議

H.261是ITU-T于1990年12月通過(guò)的有關(guān)圖像和視頻壓縮和編碼的第一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議,采用了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)和離散余弦變換相結(jié)合的混合編碼方案,獲得很好的圖像壓縮效果,其主要對(duì)象是m?4kbit/s 兩類(lèi)碼率?，F(xiàn)在H.261廣泛使用在ISDN的p?4 kbit/s(1≤p≤30)信道上進(jìn)行可視電話(huà)、會(huì)議電視等聲像服務(wù)。

3.2 H.263協(xié)議

H.263協(xié)議是ITU-T在1995年推出的面向低碼率多媒體通信協(xié)議。它提高了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木?常用于超低速率的圖像傳輸。之后,ITU-T又對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)充,以提高編碼效率,增強(qiáng)編碼功能。補(bǔ)充修訂的版本有1998年的H.263+,2000年的H.263++,2003年的H.263L。

3.3 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)

JPEG標(biāo)準(zhǔn)是ISO和CCITT于1986年成立的聯(lián)合圖像專(zhuān)家于1992年推出的, 以作為靜止圖像壓縮算法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),中文名稱(chēng)是“連續(xù)色調(diào)靜止圖像的數(shù)字壓縮編碼”。它在較低的計(jì)算復(fù)雜度下,能提供較高的壓縮比與保真度。

JPEG標(biāo)準(zhǔn)適用于各種不同類(lèi)型,不同分標(biāo)率要求的彩色和黑白靜止圖像,由多種編碼模式和數(shù)據(jù)格式。主要應(yīng)用于彩色傳真、靜止圖像、可視通信、新聞圖片、醫(yī)學(xué)圖像和衛(wèi)星圖像的傳輸、檢索和存儲(chǔ)。

3.4 JPEG2000

JPEG2000,正式名稱(chēng)為“ISO 15444”,由JPEG組織2000年提出了基本編碼系統(tǒng)的最終協(xié)議。JPEG2000與JPEG最大的不同,在于它放棄了JPEG所采用的以DCT為主的區(qū)塊編碼方式,而改用以DWT為主的多分辨率編碼方式。JPEG2000的新特征有:

(1)JPEG2000作為JPEG的升級(jí)版,具有良好的低比特率性能,特別是對(duì)細(xì)節(jié)豐富的圖像以0.25bpp的比特率進(jìn)行壓縮時(shí),總體上其壓縮率比JPEG高約30%左右。

(2)JPEG2000同時(shí)支持有損和無(wú)損壓縮;而JPEG只支持有損壓縮。

(3)JPEG2000能實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)傳送。它先傳輸圖像的輪廓,然后逐步傳輸圖像數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié),接收端重構(gòu)圖像時(shí)讓圖像由朦朧到清晰顯示,而不像JPEG那樣由上到下由左到右的顯示。

(4)JPEG2000支持所謂的“感興趣區(qū)域”編碼?？扇我庵付▓D像上感興趣區(qū)域的壓縮質(zhì)量,亦可以選擇指定的部分先解壓縮以突出重點(diǎn)。

3.5 MPEG-1 標(biāo)準(zhǔn)

MPEG是“活動(dòng)圖像專(zhuān)家組”的簡(jiǎn)稱(chēng),MPEG-1是MPEG專(zhuān)家組的第一個(gè)成果。1993年正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-1包括三個(gè)主要部分(系統(tǒng)、視頻和音頻協(xié)議)以及測(cè)試和軟件實(shí)現(xiàn)等。它主要面向數(shù)字存儲(chǔ)媒體,應(yīng)用于多媒體計(jì)算機(jī)、教育、演示、電子出版物、娛樂(lè)、數(shù)字視聽(tīng)系統(tǒng)VCD及VOD、交互式電視ITV等領(lǐng)域。在技術(shù)上,MPEG-1比H.261在圖像類(lèi)型、預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)估值以及隨機(jī)存取、節(jié)目編輯、碼流操作、系統(tǒng)控制等方面都有重大的改進(jìn)和發(fā)展。

3.6 MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)

MPEG-2是MPEG專(zhuān)家組的又一個(gè)成果,制定于1994年。MPEG-2包括系統(tǒng)、視頻、音頻、測(cè)試等幾部分內(nèi)容。與MPEG-1向下兼容,其視頻編碼部分碼率為4Mbit/s,圖像質(zhì)量接近演播室質(zhì)量。MPEG-2在技術(shù)、功能、語(yǔ)法結(jié)構(gòu)、選擇項(xiàng)、可分級(jí)性和應(yīng)用范圍等方面比MPEG-1、H.261有重大的改進(jìn)和發(fā)展,因此成為一種從多媒體計(jì)算機(jī)到家用消費(fèi)數(shù)字音像電子產(chǎn)品、從寬帶數(shù)字通信到數(shù)字視頻廣播以及高清數(shù)字電視的通用關(guān)鍵技術(shù)。

3.7 MPEG-4 標(biāo)準(zhǔn)

MPEG-4是對(duì)數(shù)字音/視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、通信、存取和操作管理等的新標(biāo)準(zhǔn),并為各種通信環(huán)境提供一種通用的技術(shù)解決方案。MPEG-4的目標(biāo)是交互式的多媒體應(yīng)用,其特點(diǎn)有:

(1)基于內(nèi)容的交互性,基于內(nèi)容的多媒體數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn),基于內(nèi)容的碼流操作和編輯。

(2)高效的壓縮算法。

(3)自然的與合成的圖像編碼及其混合編碼。

(4)通用的可接入性,包括惡劣環(huán)境下強(qiáng)大的容錯(cuò)糾錯(cuò)能力和基于內(nèi)容的可分級(jí)性。

3.8 MPEG-7 標(biāo)準(zhǔn)

MPEG-7由MPEG專(zhuān)家組于1998年10月提出提議,2001年9月正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),又稱(chēng)為“多媒體信息內(nèi)容的描述接口”,MPEG-7目標(biāo)是建立對(duì)所有不同類(lèi)型多媒體信息內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化描述。這些描述要與信息內(nèi)容直接相關(guān)以便用來(lái)快速有效的查詢(xún)、訪(fǎng)問(wèn)各種多媒體信息。

MPEG-7的應(yīng)用范圍廣泛,既可以應(yīng)用于存儲(chǔ),也可用于流式應(yīng)用(如廣播、將模型加入Internet等)。它可以在實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)環(huán)境下應(yīng)用,如數(shù)字圖書(shū)館、多媒體編輯等。另外,MPEG-7在教育、新聞、導(dǎo)游信息、娛樂(lè)、研究業(yè)務(wù)、地理信息系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)、購(gòu)物、建筑等各方面均有較深的應(yīng)用潛力。

3.9 MPEG-21 標(biāo)準(zhǔn)

MPEG-21是基于“多媒體框架標(biāo)準(zhǔn)”的,其目的是建立一個(gè)多媒體框架,以通過(guò)預(yù)購(gòu)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備使多媒體資源在用戶(hù)之間透明方便的使用。MPEG-21的基本框架要素包括數(shù)字項(xiàng)目說(shuō)明、內(nèi)容表示、數(shù)字項(xiàng)目的識(shí)別和描述、內(nèi)容管理和使用、知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理和保護(hù)、終端和網(wǎng)絡(luò)、事件報(bào)告等。它支持的功能有:通過(guò)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ),使用并交互操作多媒體對(duì)象;實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)模型,包括對(duì)版權(quán)和交易的自動(dòng)管理;對(duì)內(nèi)容進(jìn)行隱私的尊重等。

4 圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

從國(guó)際數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的發(fā)展尤其是MPEG的發(fā)展可以看出,基于內(nèi)容的圖像壓縮編碼方法是編碼的發(fā)展趨勢(shì)。它不僅能滿(mǎn)足進(jìn)一步獲得更大的圖像數(shù)據(jù)壓縮比的要求,而且能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)的功能。小波圖像壓縮和分形圖像壓縮是當(dāng)前研究的熱點(diǎn),但二者也有各自的缺點(diǎn)?？傊?圖像壓縮是一個(gè)非常有發(fā)展前途的研究領(lǐng)域,這一領(lǐng)域的突破對(duì)于我們的信息生活和通信事業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

從圖像和視頻壓縮的發(fā)展可以看到:圖像壓縮的操作對(duì)象由像素到塊再走向?qū)ο?壓縮的分辨率逐漸提高,可擴(kuò)展性逐漸增強(qiáng);壓縮的目的由單純的減少數(shù)據(jù)量走向功能的多元化:交互性、可分級(jí)性、靈活性;壓縮的方法由單一化走向自適應(yīng)的使用多種壓縮工具。壓縮技術(shù)的發(fā)展與社會(huì)的需求息息相關(guān)。隨著數(shù)學(xué)理論、信息論和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等的發(fā)展必然會(huì)有功能更全面的更有效的圖像壓縮編碼技術(shù)的產(chǎn)生。