（教育技术学专业论文）基于小波变换和层式dct的数字图像压缩编码的研究与实现.pdf

天津师范大学硕士学位论文 摘要 社会在飞速发展，教育教学手段在不断更新多媒体的应用，对于促进教育教学 的发展起到了极大的作用据分析，人通过眼睛接收的外界信息占接收信息总量的 6 0 以上，于是图像这种多媒体教学中十分重要的媒体信息在教育教学中发挥的作用 就不可忽视了另一方面，网络已经涉及到生活的方方面面，远程教育、网络教育就 是其在教学中的很好应用但是与文字信息不同，图像信息需要大量的存储空间和较 宽的传输信道，如何有效地对图像数据进行压缩这已成为一个研究热点问题 图像压缩编码是指用尽可能少的数据表示信源发出的图像信号，以减少容纳给定 消息集合的信号空间。变换编码是一种重要的图像压缩编码方法，通常是将空间域相 关的像素通过正交变换映射到另一个频域上，从而降低系数间的相关性离散余弦交 换( d i s c r e t ec o s i l l 0t r a n s f o r m ，d c t ) 是在实际编码工作中常用的一种编码方法，目前 国际上已经制订了以d c t 为核心算法的静止图像压缩标准j p e g 和运动图像压缩标 准m p e g 等一系列标准；小波交换是一个新兴的数学分支，提出了多分辨力分析的 概念，并成功应用于图像处理中，新一代静止图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 和运动图像压 缩标准m p e g - 4 就是以小波变换为核心的算法 小波变换和d c r 是国际图像压缩标准中所采纳的变换编码方法，研究和优化基 于这两种变换的图像压缩编码，对于图像压缩编码理论的发展和标准的广泛应用都具 有很高的价值本文在学习小波变换编码与层式d c t ( 1 a y e r e dd i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m ) 编码的基础上，首次提出并进行了小波变换与层式d c r 的比较研究；对 各种小波基的压缩效果进行了比较，用得到的较优的小波基与层式d c t 进行比较； 课题通过比较研究得出了科学合理的结论实验研究表明：除a n t o n i n i 基( 7 9 滤波 器) 可以取得较好的图像压缩效果外，o d e g a r d 基也可以取得较好的压缩效果，其计 算复杂度与a n t o n i n i 基相同。而在查阅文献过程中未见到利用o d e g a r d 基对图像进行 小波分解；提出了层式d c t 的改进算法，改进算法较原始的层式d c r 算法在图像压 缩质量上有较大的改善，对标准的5 1 2 x 5 1 2l e n a 图像而言，压缩比较高时，信噪峰 值比( p s n r ) 可提高2 r i b 多；对分别经小波变换编码和层式d c t 编码后的图像数 据进行零树编码( t h ee m b e d d e dz e r o t r e ea l g o r i t h m ) ，经这种编码形成的具多分辨力 特性的嵌入式码流尤其适用于网络传输 关键词：图像压缩小波变换层式d e 零树编码 多分辨力 天津师范大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m a n to fs o c i e t y , e d u c a t i o nm e t h o dh a sb e e na d v a n c i n gc o n t i n u s o u s l y t h ca p p f i c a f i o no fm u l t i m e d i ai ne d u c a t i o nh a sa c c e l e r a t e di t sd e v e l o p m e n t i ti sr e p o r t e d t h a tm o r ct h a n6 0p e r c e n to fm e s s a g ew e ：r e c e i v e df r o mo u t s i d ei st h r o u g he y e s , s ot h e i n l p 饥t 锄c eo fm u l t i m e d hi n f o r m a t i o ns h o u l db em p l m i z e da n dv a l u e d o nt h eo t h o r h a n d , i u t e m e th a sb e e nw i d e l yu s e di no t l gd a i l yl i f e , a n di t ss u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni n e d u c a t i o ni st h el o n g - d i s t a n c ee d u c a t i o na n dw e be d u c t i o n h o w e v e r , d i f f e r e n th o mo t h c g f o r m s , d i g i t a li m a g en c e 凼l 锄萨m 锄1 0 9 yf o rs t o r i n ga n dw i d ec h a n n e lf o rt r a n s p o r t a t i o n t h e g c f o g e , h o wt oc o m p r e s st h ed i g i t a ti m a g ee f f e c t i v e l yh a sb o c o m cah o tp r o b l e m i m a g ec o m p r e s s i o nm e a n su s i n gl e s sd a t at od e n o t et h ei m a g es i g u d t r a n s f o r m c o d i n gi so n eo fm o s tj 丑叩优啪lc o d i n gm e t h o d si ni m a g ec o d i n g , t h r o u g hw a n s f o n nt h e s i g n a li ns p a c ef i e l dt os j 掣山i nt r m m f o r mf i e l dt od e s t r o yt h er e l a t i v i t ya m o n gs i g n , s d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m 卿i s ei m a g ec o d i n gm e t h o dp e o p l en m o 砒f i e q u e n t l y , a n di th a sb e e na d o p t e d 鹤t h ec o 他a l g o r i t h mo fs t a n d a r d sj p e oa n dm p e gw a v e l e t t r a n s f o r mi sa 嗍b r a n c ho fm a t h e m a t i c i th a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di ni m a g e c o m p r e s s i o nc o d i n db e c a u s e o fi t sm u l t i - r e s o l u 硒na n a l y s i sa b i l i t y , a n dh a sb e e na d o p t e d b yn e ws t a n d a r d sj p e g 2 0 0 0a n dm p e g - 4 w a v e l e tt r a n s f o r ma n dd c t 戤烈1 0 p l c db yi n t e r n a t i o n a lc o p r e s s i o ns t a n d a r d s i ti s i m p o r t a n ta n de n v a l u b l et os t u d yi m a g ec o m p r e s s i o na l g o r i t h m sw i t h b o t ho ft h e t r a n s f o r m s t h et h e s i sm a k e sac o m p a r i s o ns t u d yb e t w e e nw a v e l e tt r a n s f o r ma n dl a y e r e d d c lw h i c hi st h ef i r s ti nt h i sf i e l d c o m p a r ed i f f e r e n tw a v e l e tb a s e se f f e c ti ni m a g e c o m p r e s s i o n , a n dt h e e f f e c to ft h eb e s tw a v e l e tb a s ew i t hl a y e r e dd c ti nt a m e c o m p r e s s i o n 田圮t h e s i sd r a w sar e a s o n a b l ea n do b j e c t i v ec o n c l u s i o nt h r o u g h t h e c o m p a r i s o ns t u d y 1 1 蛇e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eo d e g e r db a s e 啪a 出i f v ea sg o o d e f f e c e ta s7 9f i l t e r , b u to d e g a r db a s ei ss e l d o mm e n t i o n e di nt h er e l a t i v em a t e r i a l ；p u t f o r w a r d 锄i m p r o v e dl a y e r e dd c ta l g o r i t h mw h i c hm a k e sg r e a ti m p r o v e m e n ti n c o m p r e s s i o ne f f e c t , t h ep s n rc a ni m p r o v em o 豫t h a n2 d bf o rt h e5 1 2 x 5 1 2s t a n d a r d i m a g e “l a n a i nh i g hc o m p 燃s i o nr a t i o ；d o i n gz e r o t r e ec o d i n gf o r t h es i g n a la f t e rw a v e l e t i i a b s f o r mc o d i n go r l a y e r e dd ( 玎m n g ，a f t e rt h e s ec o d i n gp r o c e s s , am u l t i - r e s o l u t i o na n d e m b e d d e ds t r e a mi sa c h i e v e d , w h i c hi ss u i t a b l ef o ri n t e m e tt r a n s p o r t a t i o n k e yw o r d s ：h 1 1 a g ec o m p r e s s i o n w a v e l e tt r a n s f o r m l a y e r e dd i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我 所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获锝鑫叠塑堇盘堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 学位论文版权使用授权书 本人完全了解天津师范大学有关保留、使用学位论文的规定，印：学校有权将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 编以供查阅和借阅同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 天津师范大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 多媒体信息在教育教学中起若非常重要作用。据分析，在人类的感官所接收的外 部信息中，声音和图像占据了主要部分。其中，通过耳朵接收的听觉信息约占信息总 量的2 0 左右，而通过眼睛接收的视觉信息则高达6 0 以上m 。通过这些数据，图像 信息在教育教学中的重要性已可见一斑。 与文字信息不同，图像信息需要大的存储空间和宽的传输信道，尤其是在需要实 现大规模图像数据库或传输高分辨力实时图像序列的场合，即使以现在的技术，仍然 难以满足原始数字图像存储和传输的需要。对图像数据的压缩就成为了技术进步的迫 切需求，正是由于这种需求，使得图像压缩( 编码) 算法和技术成为了近3 0 年来非 常活跃的一个研究领域。 本文对小波变换编码和层式d c t 编码进行了比较研究，得出了客观、科学的结 论；并提出了层式d c t 的改进算法，取得了较好的压缩效果。 1 1 课题背景 图像压缩的基本理论起源于加世纪柏年代末s h a n n o n 的信息理论。s h a n n o n 编 码定理告诉我们，在不产生任何失真的前提下，通过合理的编码，对于每一个信源符 号分配不等长的码字，平均码长可以任意接近信源的熵。在这个理论框架下，出现了 几种无失真信源编码方法，如h u f f m a n 编码、算术编码、词典编码等但是由于无失 真信源编码的压缩比的限制，使其难以满足大多数图像存储和传输的需要。根据应用 的需要，人们对有失真压缩进行了广泛的研究。有失真压缩的目的是去除图像数据中 的冗余信息和对视觉不重要的细节分量，以尽可能少的码字来表示所处理的图像。给 定一幅数字图像，它的原始表示一般是空间像素阵列，这是它的空间域表示。在空间 域表示中，相邻像素问存在着很大的相关性，冗余信息分布在较大范围的空问像素之 中，直接处理比较困难。最常用的处理方法是通过一种变换，将图像从空间域映射到 变换域，在变换域中可以进行简洁和有效的处理。 具有最理想的去相关和最强的能量紧致特性的交换是k l ( k a r h u n c ni o e v c ) 变 抉，k l 变换使得变换系数之间是统计不相关的但k l 变换的基是不固定的，应用 不现实。d l c r 是性能最接近k l 变换的，而且d c t 有固定的基和明确的物理含义， 使之能够广泛应用于图像压缩，成为变换编码的主要工具闭。 正是在这个背景下，2 0 世纪踟年代中期开始制定的静止图像压缩编码的国际标 天津师范大学暖士学位论文 第一章绪论 准脚采用了d c t 编码为其核心算法，并被广泛地接受和应用。但d c t 编码也有 其难以克服的缺点。在实际应用中，为了便于实现和后处理，图像被划分成8 8 或 1 6 1 6 的小块，对每个块进行独立的变换和后处理这种块问的独立处理带来了压 缩效率上的限制和方块效应问题，尤其是当压缩比较高时，方块效应成为限制d c t 编码质量的主要因素。 2 0 世纪年代后期，小波变换的发展提供了一种新的有效的多分辨力信号处理 工具，也为各种可分级图像压缩编码的实现奠定了基础小波变换的理论和算法明确 地提出了一些有启发意义的思想，一个关键的思想就是多分辨力分析，这个思想很好 地利用在小波图像编码的研究中在新一代静止图像压缩标准f p e g 2 0 0 0 中，采用小 波图像编码作为核心算法 世纪9 0 年代以后。出现了许多新的传输媒体。其中，以i n t e m e t 最有影响力 i n t e m e t 上的图像浏览和传输有许多新要求，例如嵌入式码流和多分辨力码流，这就 要求在图像压缩编码实现中，能灵活地提供关于质量、分辨力等的分级结构。小波变 换图像编码正可以满足这些要求，另一方面，d c t 编码经过3 0 多年的发展，已经相 当成熟，层式d c t 的提出使得d 玎具有了类似小波变换的多分辨力分解形式，同样 适用于i n t e r n e t 。小波变换和d c t 相比哪个压缩效果更佳，x i o n g , 等曾对此进行过专 门的比较研究，他们对当时最好结果的小波变换编码器和d c t 编码器进行了比较， 得出的结论是：在当时图像压缩编码器的水平下，对静止图像，小波变换编码能够获 得比d 玎编码高约l d b 的峰值信噪比：对视频图像。小波变换尚未取得比d c t 更 好的结果研。但这一结果对当前的层式d c t 是否仍然适用还值得商榷。对小波变换和 层式d c t 这两种具有多分辨力特性的变换方法进行比较研究具有重要意义 1 2 图像压缩编码及其国际标准的发展简史 图像编码的发展至今已走过了半个多世纪的历程。在2 0 世纪4 0 年代末脉冲编码 调制技术( p u l s ec o d em o d u l a t i o n , p c i v d 出现后不久，人们开始了对电视信号的数字 化研究。经典的图像编码方法基于s h a n n o n 信息论，其中最基本的熵编码、预测编码 和变换编码理论就产生、发展于加世纪的五六十年代，并且影响至今。在目前已知 的图像压缩编码的国际标准中，仍被普遍使用。之后，人们在探索一些新的高效的编 码方法方面不断取得进展。例如，算术编码已经被许多标准所采用，它的一个最大的 特点就是可以在编码过程中调整信号的概率模型，是一类高效、普适的无失真编码； 其它一些编码方法，不考虑其出现的时间顺序，包括矢量量化、方块截断编码、比特 面编码、亚抽样与内插、子带编码和小波变换编码等。此外，由于人们对视觉特性的 认识更加深入，出现了许多结合人的视觉系统特性和多种编码算法的综合算法，编码 天津师范大学硬士学位论文 第一章绪论 效率被不断改善。2 0 世纪年代以来，k t m t 等人提出了所谓第二代编码的概念。他 们认为传统的编码方法是基于信号波形的方法，衡量编码算法的效果主要以重建信号 与原始信号的波形一致性程度为评价准则：而新一代编码方法则是基于对象模型的描 述方法，因而有可能获得比经典的算法高得多的压缩效率。有代表性的方法包括分形 编码、模型基编码、轮廓编码等在一定的实验条件下。这些编码方法可以取得非常 出色的编码性能，但如果考虑实用化，它们还受到许多限制，其中最主要的一点就是 处理的复杂度，而且在对一般的自然图像进行处理时，所获得的编码增益也没有理论 上所预料的好。与此相反，一类仍属“经典”的编码方法一小波变换编码一自 年代以来日益受到人们的重视，特别是j m s h a p i r o 提出嵌入式零树小波变换编码 ( t h ee m b e d d e dz v - - - r o t r w a v e l e ta l 窖砸妇玛e z w ) 算法，它向人们展示了它对之前的 各种算法优异的压缩性能，更提供了天然的多尺度、多分辨力的图像描述方法在此 之后，a s a i d 等人提出了改进的所谓分等级树的集分割( s e t p a r t i t i o n i n g i n h i e r a r c h i c a l t r e e s ，s p i t h ) 算法，在运算复杂度显著降低的同时，获得了与e z w 算法相当或更 好的压缩效率由此确立了小波变换在新的图像编码标准中的重要地位 。 自2 0 世纪年代以来，无论是从技术的发展还是从社会的需求来看，图像编码 技术已经逐步进入了较大范围的应用阶段，但是由于没有统一的压缩算法和码流格 式，在进行图像信息的交流中遇到了很多困难。为了解决这一问题，国际标准化组织 i s o 和国际电报电话咨询委员会c c r l w ( 现国际电联的电信委员会1 t u - t ) 的图像专 家组于1 9 8 6 年前后开始进行标准的制定，其主要目的包括：( 1 ) 提供高效的压缩编 码算法；( 2 ) 提供统一的压缩数据流格式。经过对多个方案进行的大量严格的实验测 试，从算法的压缩性能到实现的复杂度等综合因素的考虑比较之后，最终形成了两个 著名的里程碎式韵国际标准，这就是人们熟知的用于连续色调静止图像编码的p e g 标准和码率为p 6 4 k b i t s 的数字视频压缩编码标准h 2 6 1 建议。这两个标准中都选 择了经典的编码方法，但通过标准测试图像确定了最佳的编码参数。两者均结合使用 8 x 8 的d c t 变换、均匀量化和h u t 抽a n 编码等处理，但i - l 2 6 1 中使用了基于人的视 觉阈值的量化矩阵，以获得更好的主观图像质量。这两个标准的制定颁布，极大地推 进了图像通信的大规模普及应用，丽这种大规模的应用又对图像编码技术提出了新 的、更高的要求，例如：更高的压缩性能、使用更加灵活、表现能力更加丰富等。此 外，随着i n t e r a c t 和无线通信的发展普及，还要考虑更加优良的抗误码性能。由此促 进了标准化工作的进一步发展。迄今为止，国际标准化组织和国际电联已经制定了适 用于不同类型图像的压缩编码标准。例如对于简单的二值图像压缩标准，由早期用于 三类传真机( 3 3 的1 - 4 建议和四类传真机g 4 的t 6 建议，发展到新的j b i g 、j b i g 2 标准等；对于数字视频的压缩标准有i - l 2 6 1 、i l 2 6 3 、i t 2 6 4 m p e g - 1 ，z ，4 等，对于连 天津师范大学硕士学位论文 第一章绪论 续色调静止图像压缩标准有j p b g 、j p e q - l s 、w e g 2 0 0 0 等，这些国际标准和建议的 制定满足了不同类型数字图像传输的应用要求 1 3 论文的主要研究工作 课题主要对小波变挨编码和层式d c t 缭玛进行了比较研究。 课题首先研究了小波变换编码，对不同小波基的压缩性能进行比较，综合考虑压 缩图像质量和计算复杂度两方面的因素来选取优秀的小波基对图像进行小波分解；提 出了层式d c t 的改进算法，新的算法取得了较好的压缩效果；由于变换编码本身并 不能带来数据压缩，要对图像进行压缩还必须结合其它编码方法，课题选用零树编码 分别对小波变换或层式d c t 后的图像进一步编码；最后，对采用两种变换编码的压 缩图像进行主客观评价 论文架构如下： 第一章对课题的选题背景进行阐述，简单介绍图像压缩编码及相关国际标准的发 展，并指出了课题所作的主要工作和创新点 第二章对图像压缩编码方法和相关标准进行阐述，介绍对有失真压缩图像评价的 准则 第三章介绍小波变换编码，包括小波变换的数学定义、计算、多分辨力分析特性、 小波基的构造与选取及其在图像压缩中的应用 第四章介绍d c t 编码，重点分析层式玎和改进的层式d l 刁，详细阐述改进 层式d o t 的编解码过程及其优势。 第五章介绍零树编码，重点介绍e 2 脚编码和s p i h t 编码 第六章是课题的结论部分，分析采用两种变换编码及零树编码对图像进行压缩的 结果；得出了课题研究的结论，并对开发工具进行简单介绍。 最后，论文的结束语部分对课题进行总结和展望。 1 4 论文的主要创新点 提出了改进的层式d c t 编码，改进算法取得了较好的压缩效果，其对静止图像 的压缩性能已经接近小波变换编码的压缩性能。 通过采用各种小波基对图像进行图像分解并进行比较研究认为，除了a n t o n i n i 基 ( 7 9 滤波器) 可以取得较好的图像压缩效果以外，0 d c g a l d 基也可以取得较好的 压缩效果，其计算复杂度与a n t o n i n i 基相同而在相关的文献中并未见到利用 o d e s 御d 基对图像进行小波分解 本文在学习小波变换编码与层式d c t 编码的基础上，首次提出并进行了小波交 换与层式d o t 的比较研究得出了客观、科学的结论 天津师范大学硕士学位论文 第二章图像压缩方法及标准 第二章图像压缩方法及标准 子带编码和分层编码是两种基本的图像压缩编码方法，课题采用的小波变换和 d c t 编码方法与这两种编码方法有着紧密的联系；变换编码、熵编码和预测编码是 传统的三大编码方法，在图像压缩编码领域占有极其重要的地位 本章主要内容包括：子带编码、分层编码、熵编码、预测编码、图像压缩标准简 介、编码图像质量的评价 2 1 子带编码和分层编码 2 1 1 子带编码 图像的子带编码( s b c , s u b b a n dc e d i n g ) 是从语音的予带编码移植过来的在发 送端图像信号首先通过若干带通滤波器，从而将原图像的频带分成几个频段：然后再 对不同的频段采用不同的后续编码方法，实现对原图像的压缩。在接收端，则将解码 后的各子带信号综合成重构图像。人类视觉系统对噪声的敏感程度在不同频段是不同 的，可以利用这种自然生理现象对不同频段采取失真度不同的压缩s b c 是对整个 图像进行的，不存在方块效应。典型的s b c 是以高通滤波器和低通滤波器将原图像 在频率域里分成两个子带，也可以将子带进一步分成两个子带，形成多层次、多频带 的子带分解过程 2 1 2 分层编码 通过交换现有编码方式中的传送次序，能够实现具有图像分层传输功能的编码。 例如，在正交变换编码或子带编码中，只要按先传送全画面低频变换系数或通带信号， 再从低频到高频依次传送下去，就实现了分层编码传输。通常p c m 是把每个像素按 照从最重要位( m o s ts i g n i f i c a n tb i t , m s b ) 到最不重要位( 1 e a s ts i g n i f i c a n tb i t , l s b ) 或从l s b 到m s b 的顺序传送的，将其改为先全画面传送m s b ，之后依次进行l s b 传送，可以实现分层编码，这样的编码称为位平面编码。 除了上述方法之外，还有一种从租分辨力到细分辨力逐次传送画面的方法。其编 码思路是：通过对原图像逐次施以滤波和减采样获得许多空间分辨力不同的画面，这 些画面构成了分辨力从粗到细的塔式数据结构。采用了这种数据结构的编码方法称为 分层编码 分层编码有位平面编码、树形结构编码和基于变换的分层编码等方式分层编码 天津师范大学硕士学位论文 第二章图像压缩方法及标准 是以不同的质量级别( 分辨力) 去访阔一个给定图像，经常在。渐进传输”和“多路 环境”中使用。在渐进传输应用中，分层编码首先让用户在数据库中访问一个低质量 ( 粗分辨力) 图像形式，用户可以初步确定此图像是否为所需要的图像。如需要，就 继续分级地发送附加信息，以精细加工所需图像。如不需要，可随时中止传送。在多 路环境中，一个图像数据可能用于支持几个输出器件，而这些器件各有不同的分辨力 采用分层编码技术能让各器件有效地访问具有适当分辨力的图像形式 图像分层编码分为固定分辨力分层编码和变分辨力分层编码。在固定分辨力分层 编码技术中，重构图像的规模与原图像相同，在任何像素位置的值均被逐级细化，这 种分层处理技术主要用于渐进传输；变分辨力分层编码是一种塔式结构。塔的底座表 示满分辨力图像即原图像。当沿塔身从底向上移动时，图像的规模与分辨力则减小 变分辨力分层编码特别适用于多路环境 2 2 其它几种常用编码方法 2 2 1 熵编码 熵编码是纯粹基于信号统计特性的编码技术，它是一种无损编码，解码后能无失 真地恢复原图像。熵编码的基本原理是赋予出现概率较大的符号一个短码字，而赋予 出现概率较小的符号一个长码字，这样使得最终的平均码长很小一个精心设计的熵 编码器，其输出的平均码长接近信源的信息熵，即码长的下限。 由一个离散、无记忆信源产生的一个符号的平均信息量为 置量 日- p 以) ，瓴) i - - n 罗p ( a k ) l 0 9 2 p ( a k ) ( z 1 ) 镯嗣 其中p k ) 表示符号吼出现的概率，如。) 一1 0 9 ：p 位。) 是符号的信息量。在 无记忆信源的情况下，符号序列中的符号是统计独立的，即某符号在某时刻出现的概 率与在此之前信源的状态无关。由于图像信号具有强相关性，由原图像信号的抽样值 作为信源符号的信源不是无记忆的，但是通过采用图像编码技术中的解相关映射处理 后得到的信号形式，其相关性解除；以它们作为信源符号，采用无记忆信源模型分析 和处理是合理的。 常用的熵编码方法有游程编码、h u 伍u a n 编码和算术编码3 种。游程编码主要用 于量化后出现大量零系数的情况，利用游程来表示连零码，降低用于表示零码的数据 量；h u f f m a n 编码是一种不等长最佳编码方法，这里的最佳是指它对相同概率分布的 信源的平均码长比其它任何一种有效编码方法都短但h u f f m a n 编码必须知道信源的 概率分布，这一般是无法知道的，通常采用对大量数据进行统计后得到的近似分布来 代替；算术编码是2 0 世纪踟年代发展起来的一种熵编码方法，它的基本原理是任何 丕兰壁翌查主要主兰丝! 坚兰三曼璺竺墨塑莲墨! 登 一个数据序列均可表示成0 和l 之间的一个阃隔，该回隔的位置与输入数据的概率分 布有关。有关实验数据表明，在未知信源概率分布的大部分情形下，算术编码要优于 h u f f m a n 编码。上述3 种熵编码方法均已被各种图像编码标准采纳，例如以游程编码 + h u f f ：m a n 编码或游程编码+ 算术编码的形式用于对变换、预测编码之后图像系数的进 一步编码 2 2 2 预测编码 在经典的图像编码技术中，预测编码是一种主要的编码方法，它的硬件实现较简 单，通常用在对图像质量要求高的场合。预测编码是基于图像数据的空间和时间冗余 性，用相邻的已知像素( 或图像块) 来预测当前像素( 或图像块) ，然后再对预测误 差进行量化和编码。这些相邻像素 或图像块) 可以是周行扫描的，也可以是前几行 或前几帧的，相应的预畏5 编码分剐称为一维、二维和三维预测，其中一维和二维预测 是帧内预测，三维预测是帧间预测，即在时问轴上用前一帧的像素( 或图像块) 对后 一帧的像素( 或图像块) 进行预测。预测编码的关键在于预测算法的选取，这与图像 信号的概率分布很有关系，实际中常根据大量的统计结果采用简化的概率分布形式来 设计最佳的预测器，有时还使用自适应预测器以较好的刻画图像信号的局部特性，提 高预测效率。- 预测编码分线性预测和非线性预测两类，编码可以在一幅图像内进行( 帧内预测 编码) ，也可以在多幅图像之间进行( 帧闯预测编码) 。线性预测编码又称为差分脉冲 编码调制( d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d em o d u l a t i o n ，d p c m ) 。帧内预测编码可采用像素预测 或像素块预测( 壬l 2 6 4 的帧内预测就是采用4 x 4 像素块预测) 形式的d p c m 采用 像素预测的优点是算法简单、易于硬件实现，缺点是对信道噪声及误码很敏感，会产 生误码扩散，使图像质量大大下降同时帧内d p c m 编码压缩比低，般会结合别 的编码方法 帧间预测编码主要利用活动图像序列相邻帧间的相关性，即通过消除图像数据的 时间冗余来达到压缩的目的，它可以获得比帧内预测编码高得多的压缩比，作为消除 图像序列帧间相关性的主要手段之一，在视频图像编码方法中占有很重要的地位。帧 间预测编码一般是针对图像块的预测编码，它采用的技术有帧重复法、阙值法、帧内 插法、运动补偿法和爨适应交替帧内臌问编码法等，其中运动李卜偿预测编码现已被 各种视频图像编码标准采用，得到了很好的效果帧间预测编码的主要缺点在于对图 像序列不同的区域，预测性能不一样，特别是在快运动区，预测效率很差而且为了 降低预测算法的运算复杂度和提高预测精度，一般要对图像进行分块后再进行预测， 这势必造成分块边缘的不连续 天津师范大学硕士学位论文 第二章图像压缩方法及标准 2 3 图像压缩标准简介 2 3 1j p e g ，j p e g 2 0 0 0 标准 p e g 全名为j o i n t p h o t o g r a p h i c e x p e r t sg r o u p ，它是在国际标准组织( i s o ) 下从 事静态压缩标准制定的委员会。它制定出了第一套国际静态图像压缩标准，珞0 1 0 9 1 8 - 1 ，俗称j p e g ，它是为连续色调( 灰度或彩色) 静止图像压缩制定的通用的国 际标准，其算法要点在于d c t 编码和可交长编码( v a r i a b l et e n g t hc o d i n g ，v i c ) 压 缩技术孵 对于一个图像分量，j p e g 提供4 种工作模式： 顺序编码：单遍扫描完成一个图像分董的编码，扫描次序从左到右、从上到下 渐迸编码：遥过多遍扫描完成一个图像分量的编码，各遍扫描使图像质量更好， 当传输信道非常慢时，它提供一个由粗到精的渐进码流结构。有两种渐进工作方 式：。谱选择”和“逐次逼近”“谱选择”是在每次扫描时，选择部分交换系数 ( 按z i g - z a g 扫描次序，从低频向高频) 。逐次逼近”是先传输个最高位，下 次扫描再选择，个次高位，依次进行，直到全部有效位得以传输。两种方式可以 任意组合。 无失真编码：通过预测编码方式。提供一个无失真的编码模式。 分层编码：提供多分辨力的码流结构，它对原图像进行低通滤波和2 ：1 采样( 水 平或垂寓) ，得到( 在水平或垂直方向) 1 2 大小的图像，这个过程一直进行下去， 得到层图像饵伉，l j - 0 , 1 , 工一l 。如果在传输和显示过程中，只使用q 。， 则得到1 ，2 上4 原图像大小的解码图像；如果使用c 。，c 王- 2 则得到1 2 上- 2 原图 像大小的解码图像。一直到使用整个码组，得到原图像大小的解码图像，由此得 到一个多分辨力的码流组 基本的j p e g 编解码过程分别如图2 1 ( 4 ) ，( 6 ) 所示 “) 箍码暑 天律师范大学磺士学位论文 第二章图像压缩方法及标准 ( 6 ) 解码嚣 圈互lj p e g 基本工作模式，编码器和解码器框图 j p e g 中的核心算法是d c r 编码，其压缩性能基本反映了加世纪年代末图像 压缩的核心技术水平但从j p e g 制定后的近l o 年，许多更有效的图像压缩技术已 得到发展，如小波变换方法、分形方法、区域划分方法等。其中，发展最成熟、性能 及通用性最好的静止图像压缩方法是小波变换方法，正因如此，制定了第二代静止图 像压缩标准，标准文本于2 0 0 0 年公布，这就是j p e g 2 0 0 0 ，它是以小波变换编码为核 心技术的 j p e g 2 0 0 0 的特点是：( 1 ) 高压缩比：压缩性能比j p e g 提高了3 0 - 5 0 ，而且压 缩后的图像显得更加细腻平滑：( 2 ) 无损压缩：预测法作为对图像进行无损编码的成 熟方法被集成到j p e g 2 0 0 0 中，此外，j p e g 2 0 0 0 的误差稳定性能也比较好，能更好 地保证图像的质量；( 3 ) 渐进传输：现在网络上的j p e g 图像下载时是按“块”传输 的，因此只能一行一行地显示，而采用j p e g 2 0 0 0 的图像支持渐进传输，即先传输图 像轮廓数据，然后再逐步传输其它数据来不断提高图像质量，这样有助于快速浏览和 选择大量图片，从而提高了上网效率；( 4 ) 除了压缩性能以外，j p e g 2 0 0 0 还提高了 通过因特网传输图像的性能，即所谓的“s c a l a b 脚”，该技术是指只需准备一个高质 量的图像文件，就可以根据用户的线路速度以及利用方式，以不同的分辨力及压缩比 发送图像 2 3 2h 。2 6 1 肿2 朋。2 6 4 标准 h 2 6 1 的主要应用目标是璐d n ( i n t e r g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 网上的视频 会议系统，公布于1 9 9 0 年，是第一个采用现代编码算法的通用视频标准，此后在国 际上制定的m p e g - 1 、m p e g - 2 、h 2 6 3 等数字视频编码标准都是以它为基础和核心 的。i i 2 6 1 也称为p 6 4 k 视频编码器，是指它的应用主要针对6 4 k 的整数倍信道， p 取值在1 3 1 之间。其基础和核心是混合编码技术，即：带有运动补偿的帧间d p c m + 二维d c r + 熵编码” h 2 6 3 虽然是在i l 2 6 1 的基础上发展起来的，但是，它在低码率条件下，能够在 天津师范大学硕士学位论文第二章图像压缩方法及标准 不增加太多复杂度的情况下，提供更高的图像质量。此外，i - l 2 6 3 标准还包括了4 个 可选模式，进一步提高了压缩性能嘲 自1 9 9 6 年3 月h 2 6 3 标准第一版闯世以来，它就伴随着应用的需求而不断发展， 先后出现了i l 2 6 3 + ，h 2 6 3 + + ，以及h 2 6 4 标准 h 2 6 3 标准的第二版，也就是n 2 6 3 + 标准，于1 9 9 7 年9 月公布，它在h 2 6 3 标 准的基础上新增了1 2 种可选模式和新特性，并对第一版中的无限制运动矢量模式进 行了修正 h 2 6 3 标准的第三版，也就是i l 2 6 3 + + 标准，于2 0 0 0 年1 1 月公布，它在t l 2 6 3 + 标准的基础上，又增加了3 种可选模式。 i - l 2 6 4 标准于2 0 0 3 年5 月公布，它也是m p e g - 4 标准的第1 0 部分川。h 2 6 4 不 仅比h 2 6 3 和m p e g 4 节约了5 0 的码率，而且对网络传输具有更好的支持功能 它引入了面向口包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒 体传输。l l 2 6 4 具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的 视频传输。i - l 2 6 4 支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量 2 3 3m p e g 系列 m p e g 是活动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 的缩写，它是国际标准 化组织i e o j t c l w g l l 的一个小组 从m p e g 系列标准的演进过程来看，m p e g 系列标准的产生最初是源于入们实 现多媒体通信的要求，使得多媒体数据的有效压缩和适当处理成为该领域的关键问 题。m p e g 系列标准包括m p e g - 1 、m 盹g 2 m p e g - 4 、础p e g - 7 和m p e ( 3 - 2 1 。目 前，m p e g 系列国际标准已成为影响最大的多媒体技术标准，对数字电视、视听消费 电子产品和多媒体通信产业产生了深远的影响 1 m 翻b g 1 1 9 9 3 年正式推出的m p e g - 1 ( i s o i e c1 1 1 7 2 ) 标准是用于高至1 5 m b p s 莳数字 存储媒体的活动图像及其伴音的压缩编码标准，包括系统、视频、音频、一致性和参 考软件五个部分嗣m p e g - 1 为了满足用户的应用需求，具有随机存取、快速正向逆 向搜索、逆向重播、视听同步、容错性等功能。 2 m p e g - 2 m p e g - 2 ( i s 0 肥c1 3 8 1 8 ) 标准于1 9 9 4 年正式提出，主要用于高清晰度视频及 其音频盼编码研。m p e g - 2 解决了m p e g - 1 不能满足的日益增长的多媒体应用对分辨 力和传输率的要求，支持固定比特率传送、可变比特率传送、随机访问、分级编码、 天津师范大学硕士学位论文第二章图像压缩方法及标准 比特流编辑等功能印。m p e g - 2 能够提供广播级的视像和c d 级的音质。 m p e g - 2 主要用于数字存储媒体、高清晰度电视和数字视频广播等领域m p e g - 2 可以说是m p e g - 1 的超集，在m p e g - 1 的基础上附加了一些特征帧格式和编码选项 m p e g - 1 和m p e g * 2 提供了压缩视频音频的编码表示方式。为v c d 、d v d 、数 字电视等产业的发展打下了基础。 3 m 飓g _ 4 1 9 9 9 年1 月姗瞪g 4 ( 1 s 0 ，瑾贮1 4 4 9 6 ) 第一版正式公布，1 9 9 9 年2 月第二版公 布。m p e g - 4 标准是一种适合多种媒体应用的视听对象编码标准，它定义了一种框架 而不是具体的算法，使视频产品具备更大的灵活性和可扩展性。m p e g - 4 采用基于对 象的方式。通过对不同的视听对象( 自然的或合成的) 独立进行编码实现较高的压缩 效率，同时可实现基于内容的交互功能，满足了多媒体应用中的人机交互的需求。 m p e g - 4 标准与m p e g - 1 和m p e g 0 2 标准最根本的区别在于；m p e g - 4 是基于内 容的压缩编码方法，它突破了m p e g - 1 和m p e g - 2 以矩形，方形块处理图像的方法， 在这些方法中，将整帧图像分割成固定尺寸、固定开头的子块进行处理悯 表2 1 对各标准所采用的主要技术和应用对象做了概括 表2 1 各种编码标准的主要技术和应用目标 j p e g i s o i e c2 - 3 0 倍d c fi n t e m e t 图像服务 主观量化数字照相 z i g - z a g 扫描 图像和视频编辑 熵编码