序号: 安徽工程大学 结课论文 课程名称 数字图像处理 班 级 学 号 姓 名 上课时间 指导教师 成 绩 软件 163 3160704306 孙人杰 2018-2019 学年第一学期 卢 桂 馥 计算机与信息学院 

图像无损压缩和编码技术的研究 摘要：基于图像压缩与编码技术的研究，图像压缩的目的就是把原来较大的图像用尽量少的字节表示和 传输，并让复原的图像有着较好的质量。用图像压缩与编码技术能够减轻图像存储和传输的负担，使得图 像在网络上实现快速传输和实时处理，本篇先从图像压缩和编码原理进行分析，针对图像压缩编码的分类 的分析进一步阐述了编码的发方法和图像压缩技术。 关键词：PCM 编码器；图像压缩编码；JPEG 压缩；霍夫曼编码；图像压缩；无损压缩； Research on Image Lossless Compression and Coding Technology Abstract:Based on the research of image compression and coding technology, the purpose of image compression is to express and transmit the original large image with as few bytes as possible, and to make the restored image have better quality. Using image compression and coding technology can reduce the burden of image storage and transmission, and make the image realize fast transmission and real-time processing on the network. This paper first analyses the principle of image compression and coding, and further elaborates the coding method and image compression technology according to the classification of image compression and coding. Key words: PCM Encoder; Image Compression Coding; JPEG Compression; Hoffman coding; Image Compression; Lossless Compression; 

1、 引言 图像无损压缩编码是信源编码的一个分支 , 是信 号与信息处理领域中的重要内容。目前 发展迅速的多 媒体技术 , 在很大程度上依赖于图像压缩技术。例如 一幅 512× 512、 各 分量为 8 b 的中分辨率彩色图像 , 数据量为 768 kB, 一张 1. 4 MB 容量的软盘只能存放 近两幅这样的图像。如果是运动图像则数据量更大。所 以只有压缩图像数据 , 才能实现图 像的存储、 传输和 处理。 图像压缩是通信、 多媒体计算机领域研究的重 点课题。它在 工业、 医学、 军事、 教育等诸多方面有 着重要应用。 图像压缩经历了几十年的研究探 索 , 目前已有多 种方法 ,国际标准化组织制定了一系列的国际标准 ,例 如 静止图像编 码标准 JPEG, 运动图像编码标准 MPEG ( 1 , 2 , 4) 和可视电话 /会议电视图像编码标 准 H. 261 等。另外 , 还有一些先进的图像编码方法处 于不断发展之中 , 如分形法、 模型 法和神经网络法等。 基于小波变换的图像编码也是一种新发展起来的编码 方法。 由于小 波分析具有时—频分析、多分辨分析等 优点 , 易与人类视觉特性相结合 , 可获得较好的 压缩 效果 , 所以小波变换的方法受到人们的高度重视。无 损数据压缩编码方法大致可分 为两大类: 基于统计概 率的方法和基于字典的技术。统计编码方法中最有代 表性的是利用 概率分布特性的著名的霍夫曼 ( Huffman)编码方法;另一种也是利用概率分布特性的编码 方法 算术编码。基于字典技术的数据压缩技术有 两种: 一种是游程编码 ( Running Length Coding) , 简 称为 RLC;另一种称之为 LZW 编码 ,它也是基于字典 的技术压缩数据的 , RLC 与 LZW 算法都是对字节串编码 , 但是 LZW 与 RLC 不同。LZW 在对数据文件进 行编码 的同时 , 生成了特定字符序列的表以及它们对 应的代码。 2、经典图像编码一般方法 经典图像编码方法一般来说 , 图像编码分 3 个阶 段 (如图 1 所示 ): 第 1 是信号处理阶 段 , 它是把图像 信号进行变换、 处理 , 使数据处于容易压缩、 量化的 状态; 第 2 是 量化阶段 , 量化是用少量值表示多量值 的过程 , 这里产生压缩 , 同时也产生失真; 第 3 是无 失真编码 , 即产生输出数据流。 对图像采用不同的处 理、 量化和熵编码方法 , 就产生了不同的图像编码方 法。 图像数据→ 信号处理 → 无失真编码 →压缩输出 图像编码的三个阶段 经典的编码方法是基于信息论的理论框架 , 对图 像进行线性处理 ,产生信息保持或限失 真的压缩图像。 主要有 3 大类: 预测法、 变换法和统计法。 ( 1) 预测法的基本思想 根 据数据的统计特性得 到预测值 ,然后传输图像像素与其预测值的差值信号 , 使传输的数 码率降低 , 达到压缩的目的。预测法简单 经济 ,编码效率高 ,常用的方法有: PCM, DPCM, ADPCM 等。预测法的主要问题是预测器的设计 , 一般都 采用以最小均方误差 ( MM SE) 为 准则的最佳预测设 计。 ( 2) 变换法的基本思想 首先把图像分块 , 例如 8 ×8, 16×16 的像素块 ,然后再逐块进行正交变换 ,去 掉样本间的相关性。再对变换系数进行量化、编 码。变 换法具有压缩比高、 抗噪性能好等特点。 常用的有余弦变换 ( DCT)、 WALSH 变 换、 Fourier 变换等。 ( 3) 统计法是信息保持型压缩方法 它利用数据 出现的分布特性 消除其冗余度 , 如 Huffman 编码、 算 术编码等 , 压缩后的图像不会产生失真 , 即是一 种熵 保持型编码方法。经过 40 多年的努力 , 人们形成了一 种较完善、 实用的编码方 案 , 这就是一系列国际编码 标准 JPEG 、 MPEG 等所采用的基本编码框架。运动图像编码 有运动补偿部分 , 即利 用预测法消除帧间相关性。这里关键性的一步是提取 帧间像素的 运动位移量 , 目前较实用的方法是块匹配 法。静止图像编码 (即 “帧内模式” ) 没有运 动补偿部 分 , 只有 DCT, 量化器和变长编码部分 , 即对图像数 据进行 ( 8× 8)像素块 的 DCT,消除空间域的相关性; 然后对 DCT 变换系数设置自适应量化器 , 以充分利 用人 

们的视觉特性; 再采用 Huffman 变长编码器实现 熵编码 , 最后采用输出缓冲存储器平化 数据流 , 以保 证输出数据率为恒定值。这种方法集中了 3 大经典方 法的优点 , 具有简 单、 快速、 高效、 易于实现等特点。 目前已有众多 JPEG, M PEG 标准的硬件产品问世。 多 媒体计算机中图像编码亦采用这些标准。 另外 , 经典 的图像编码还有方块截尾法 ( BTC) 及二值图象的编 码方法等。经典方法还应包括矢量量化法。一般量化 的过程又分 为标量量化和矢量量化。 标量量化是单个 样值的量化; 而矢量量化则是以 K 个样值为一 个矢量 进行量化。从信息论可知 , 矢量量化比标量量化具有 更好的压缩性能 , 因此矢量量化受到了广泛研究。矢 量量化的关键是码书的设计 , 现有 LRG 法、神经网络 法、模拟退火法等。矢量量化法处于不断的发展之中。 3、无损数据压缩编码方法 3. 1 霍夫曼编码 霍夫曼编码是霍夫曼 1952 年提出的一种编码方 法。霍夫曼编码的基本思想完全按照字符 出现概率的 大小 , 概率大的字符分配短码 , 概率小的字符则分配 长码 , 来构造最短的 平均码长的异前头码 , 这种方法 构造出来的码一定是最优的。霍夫曼编码中的几个问题: ( 1) Huffman 编码是最佳的 , 但构造出来的码不 是唯一的 , 可是其平均码长却是相同 的 , 所以不影响 编码效率和数据压缩性能。 ( 2) 由于 Huffman 码的码长参差不齐 , 因 此 , 存 在一个输入、 输出速率匹配问题。解决办法是设置一 定容量的缓冲存储器。 ( 3) 码在存储或传输过程中 ,如果出现误码 ,可能 会引起误码的连续传播 , 1 b 的误码可能把 一大串码 字全部破坏 , 因此 , 限制了 Huffman 码的使用。这是 因为采用异前束码来分 割码序列 , 一旦在传送中出现 误码 , 某个码字的前置部分可能成为另一个码字 , 因 而 错译为另一个符号 , 而剩下的部分由于后面的码字 的一部分译成某一符号。这样下去 , 可能要经过一段 信息被错译后 , 才能再正确的分割码字。 ( 4) Huffman 码对不同信源其 编码效率也不尽相 同。只有当信源概率分布很不均匀时 , Huffman 码才 会收到显著的效 果。 ( 5) Huffman 编码应用时 , 均需要与其它编码结 合起来使用 , 才能进一步提高数 据压缩比。例如 , 在 JPEG 中 , 先对图像像素进行 DCT 变换、 量化、 Z 行 扫描、 游程 编码后 , 再进行霍夫曼编码。 3. 2 算术编码 在 20 世纪 60 年代 , 由首先提出把这种依附 Shannon 编码概念推广到对符号序列直接编 码概念 上 , 推出了所谓算术编码概念。 1979 年 , 由 Rissanen 和 Langdon G G 一起将 其系统化。 1981 年由他们将 AC 推广应用到二值图像编码上 , 大大提高了其压缩 效率。 算术编码方法是将被编码的一则消息或符号串 (序列 ) 表示成 0 或 1 之间的一个间隔 , 即对一串符号 直接编码成 [0, 1] 区间上的一个浮点小数。 算术编 码是从区序列出发 , 采用递推形式的一种连续编码 ,采用信元序列之类概率的概念 , 把该概率映射到 [0, 1] 区间上 , 是每个序列对应该区间内一点 , 也就是一 个浮点小数; 这些点把 [0, 1]区间 分成许多小段 , 每 一段长度则等于某序列的概率。 再在段内取一个浮点 小数 , 区长度 可与该序列的概率匹配 , 从而达到高效 编码的目的。 3. 3 游程编码 游程编码是一种利用空间冗余度压缩图像的方 法 , 属于统计编码类。 设图像中末一 行或某一块象素 经采样或经某种方法变换后的系数为 ( x1 , x2, … , xM )。某一行或某 一块内像素值 xi 可分为 k 段 , 长度 为 li 的连续串 , 每个串 (片 ) 具有相同的值 , 那么 , 该 图像的某一行或某一块可由下面偶对 (gi , li ) i k 来表 示: (x1, x2,… ,xM ) (g1,l1 ) (g2 ,l2 ) ,… , (gk ,lk ) 其中 gi 为每个串 (段 ) 内的代表值; li 为串的 长度 , 即 由字符或采样值或灰度值构成的数据流中各个字符等 重复出现而形成的字符串 

的长度。如果给出了形成串 的字符、 串的长度及串的位置 , 就能很容易地恢复出 原来的 数据流。 4、 JPEG 模式 JPEG 的应用面很宽。为了适应各种不同的场合 ,JPEG 提供了几种编码方法以供选用。量化 表、码表等 未加规定 , 仅提供推荐表 , 用户可自己定义量化表和 码表。 JPEG 支持两种 图像建立模式: 顺序性和渐进 性。JPEG 压缩算法分为 两大类: 无失真压缩和有失真 压 缩。一般说来 , 压缩比越大 , 视觉上的一致性越差 , 综合这两点 , JPEG 总共有 4 种工 作模式: ( 1)顺序性编码工作模式 图像所有的 8 像素 ,其 图像子块从左到右、 从上到 下一次输入。 ( 2) 渐进性编码工作模式 所有 8 像素的图像子 块仍然按照上述顺序编 码 ,但对图象需进行多趟扫描。 ( 3) 无失真编码工作模式 被编码的图像可以保 证恢复 到与原图像数据完全一致。 ( 4) 分层编码工作模式 一幅图像被编码成一些 帧的序列。 这些帧给出参考重建分量用作后继帧的预 测。 JPEG 提供了多种工具 ,以应付各种应用场 合 , 这 样系统成本较高。为此 , JPEG 系统分成基本系统和扩展系统: 基本系统由 DCT 的顺序性工 作模式及编码组成 , 所有符合 JPEG 标准的设备必须 具备基本系统 ; 扩展 系统提供不同的选项 , 可提供如 渐进式编码、 算术编码、 无失真编码、分层编码等等。 5、结 语 当前多媒体技术已成为信息传递的主要手段。图 像压缩编码作为制约多媒体技术发展 的“瓶颈” , 成为 人们研究的焦点。 几十年来图像编码研究成果的结晶 便是一系列国际 图像编码标准 , 它们为图像压缩编码 进入实用阶段提供了可靠依据。 目前这些标准还处 于 不断发展完善之中。由于计算机技术、 大规模集成电 路技术及相关技术的迅猛发展 , 带动了信号处理领域 的飞速发展。在理论上 , 一些现代编码技术应运而生; 在实用上 , 各种图像压缩软、 硬件如雨后春笋般出现 , 这一切为人们展现出图像编码诱 人的前景。本文只粗 略地概述了图像无损压缩编码的主要方法。另外由于 篇幅所限 , 运 动图像压缩编码方法很少涉及。运动图 像压缩与静止图像压缩不同之处 , 在于运动图像压 缩 还要有帧间运动估值问题。 这是运动图像压缩研究的 主要问题。总之 , 随着信息产业 的不断发展 , 图像压 缩编码必将发挥越来越重要的作用。 6、参考文献 （1）Rafael C.Gonzalez, Richard E.Woods 著，冈萨雷斯数字图像处理（第二版）【M】 北京：电子工业出版社，2003. （2）Rafael C.Gonzalez, Richard E.Woods 著冈萨雷斯数字图像处理（第三版）【M】 北京：电子工业出版社，2017. （3）姜会亮，胡学龙，郭振民等，整数（5，3）小波变换结合 SPIHT 的无损图像压缩【J】. 计算机工程与应用，2005.