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硕十论文小波零树编码在躅像压缩及其去u 桑中的应用究 摘要 图像压缩编码技术是多媒体通信技术中的关键技术，近年来各种压缩标准应运而 生( 例如j p e g 2 0 0 0 和m p e g 。4 ) ，这两个标准都推荐使用小波变换技术来编码。本 文主要研究了小波零树编码在图像压缩及其去噪中的应用，提出了一些改进算法；最 后对各种基于小波零树思想的压缩编码方法进行比较和总结。 本文首先阐述了各种图像压缩方法和视频图像压缩标准，用于图像压缩的小波变 换基本理论：其次介绍了基于小波零树编码思想的两种成功的图像编码算法嵌入式零 树编码算法e z w 和多层次零树编码算法s p i h t 。本文提出了两种改进算法，算法一： d p c m 、零树和游程相结合的改进算法：算法二：d p c m 、零树和矢量量化相结合的 改进算法：仿真结果表明这两种改进算法无论从客观信噪比还是从主观质量都取得了 很好的效果从而证明改进方案是有实际意义的；然后是含噪图像的小波零树编码去 噪研究，软门限去噪以后采用第一种改进算法对图像进一步压缩，解压后的仿真结果 显示噪声得到了很好的去除：最后是对基于零树编码思想的各种编码方法进行总结、 分析和比较。 关键词：i 到像压缩，小波变换，嵌入式编码，零树编码，去噪 坝l 论文小波零树编码在图像压缩及其去噪中的应用研究 a b s t r a c t i m a g ec o m p r e s s i o nc o d i n gp l a y s a v e r yi m p o r t a n t r o l e i nt h em u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y v a r i o u sc o m p r e s s i o n s t a n d a r d s ，s u c h a sj p e g 2 0 0 0a n d m p e g 4 ，h a v ea p p e a r e d w a v e l e tt r a n s f o r mt e c h n o l o g yi su s e db o t hi nj p e g 2 0 0 0a n d m p e g - 4 i nt h i sp a p e r ，f i r s t l y , im a i n l yd i s c u s st h ep r o b l e ma b o u tw a v e l e tz e r o t r e ei ni m a g e c o d i n ga n d t w oi m p r o v e da l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d s e c o n d l y ，w ec o m p r e s si m a g ec o m b i n e d w i t h d e l e t i n g n o i s e b y w a v e l e tz e r o t r e e a l g o r i t h m l a s t l y , s e v e r a lc o m p e s s i n gm e t h o d s b a s e do nw a v e l e tz e r o t r e ei d e aa r ec o m p a r e da n ds u m m a r i z e d f i r s t l y , a l l k i n d so fi m a g ec o m p r e s s i n gm e t h o d sa n di m a g ec o d i n gs t a n d a r d sa r e r e v i e w e d f u r t h e r m o r eii n t r o d u c et h ee l e m e n t a r yw a v e l e tt h e o r y s e c o n d l y ，t w oc l a s s i c a l w a v e l e ti m a g ec o d i n ga l g o r i t h mb a s e dw a v e l e tz e r o t r e ei d e aa r ei n t r o d u c e da n dt w o i m p r o v e da l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d t h ef i r s ta l g o r i t h mi st h a tw ec o m b i n er u n l e n g t hc o d i n g a n dz e r o t r e ec o d i n gi nw h i c hl lb a n dc o e f f i c i e n t sa r ec o d e dl o n e l yw i t hd p c m t h e s e c o n da l g o r i t h mi st h ez e r o t r e ea l g o r i t h mw i t hv e c t o rq u a n t i z a t i o ni sc o m b i n e dw i t hl l b a n dc o e f f i c i e n t sa l o n ec o d i n gw i t hd p c m t h e s i m u l a t i n g r e s u l t ss h o w t h e yc a ng e tb e t t e r p e r f o r m a n c eb o t hi np s n ra n ds u b j e c t i v eq u a l i t y t h i r d l y ，w em a k er e s e a r c ho nh o wt o c o m p r e s si m a g e c o m b i n e dw i t h d e l e t i n g n o i s e b y z e r o t r e e a l g o r i t h mf i r s t w eu s e s o f t t h r e s h o l dm e t h o dt od e n o i s ei m a g ew i t hn o i s e ，a n dt h e nt h ef i r s t i m p r o v e dz e r o t r e e a l g o r i t h mi su s e dt oc o m p r e s si m a g e s i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h es u b j e c t i v eq u a l i t yo f t h ed e c o d e d i m a g e i s g o o d l a s t l y ，w ec o m p a r e ，a n a l y s e a n ds u m m a r i z ea l lk i n d so f c o m p r e s s i n gm e t h o d s b a s e do nw a v e l e tz e r o t r e ei d e a k e y w o r d s ：i m a g e c o d i n g ， c o m p r e s s i n g ， w a v e l e tt r a n s f o r m ，e m b e d d e d c o d i n g ， z e r o t r e e d e n o i s e 坝 。论文小波零树编码在图像压缩及其去噪中的应用_ 【i j 究 1绪论 1 1 引言 图像和声音是人类相互进行通信的最直接和最方便的形式，随着科学技术的不 断发展，人们之间的通信方式从文字、声音等单一的通信方式发展到集文字、动画、 声音以及图像的多媒体通信方式。多媒体技术的发展与其它相关技术的迅猛发展息息 相关，主要包括计算机技术、网络技术和压缩技术。首先，这几年，计算机技术的发 展极其迅速，1 9 9 6 2 0 0 1 年，全球p c 机市场平均增长率将大于1 6 ，计算机技术的 迅猛发展，大大拓宽了多媒体技术的应用平台。其次，局域网、广域网和综合业务数 字网( i s d n ) 可不同程度地实时传输多媒体信息，目前在电话网上( 2 8 8 k ) 每秒能传输 5 8 幅经过m p e g 一4 压缩处理后的图像，宽带的i s d n 网能远距离实时传输声、文、 图信息，效果非常逼真。最后，压缩技术也是多媒体技术中的关键问题，现在有很多 图像视频压缩标准：j p e g 、j p e g 2 0 0 0 、m p e g 一1 、m p e g 2 、m p e g 一4 、m p e g 7 和 m p e g 一2 1 。 随着多媒体技术的深入发展，其应用也越来越广泛，已渗透到各个学科领域和国 民经济的各个方i i i 。比如分向式多媒体系统包括分布式多媒体会议系统、多媒体视频 点播系统、多媒体监控及监测系统、远程医疗和远程教学系统以及电视购物和家庭办 公等多种应用系统；电子出版物；多媒体家电；多媒体数据库等。 图像信号的处理是多媒体通信中最为重要的部分，因为与声音和文本信号相比， 图像信号的信息量很大，为了存储或实时传输图像就必须对图像数据进行压缩。图像 压缩的基本原理首先是减少图像信号中的冗余信号，其次是根据信息论中的信源编码 原理，利用图像信号所固有的统计特性来进行压缩编码，最后是利用人眼视觉特性来 实现图像压缩。经典的图像压缩编码方法都是在传统的s h a n n o n 信息论的指导下进行 的。其中常用的编码方法有：变换编码、统计编码、预测编码等。 进入八十年代以来，越来越多的新的图像压缩编码技术涌现出来，为数字图像 压缩编码技术注入了新的活力。许多学者结合模式识别、计算机视觉、神经网络理论、 矢量量化方法、分形理论和小波理论等不断探索图像压缩编码新技术，提出了基于神 经网络的编码方法、以分形几何为数学背景的分形图像编码方法和利用小波变换进行 信号分解的小波变换图像编码方法。 小波分析是传统傅立叶分析发展历史上里程碑式的进展，近年来成为众多科学 硕i j 论史小波零树编码在图像压缩及其去噪中的腑用研气 家共同关心的热点。小波分析优于傅立叶分析的地方是，它在时域和频域具有良好的 局部化性质，被称为数学显微镜。小波分析已经广泛运用于图像纹理分析、图像编码、 计算机视觉、模式识别、语音合成、地震信号处理、量子场理论等科技领域。小波变 换在图像编码领域的应用十分引人注目，1 9 8 9 年m a l l a t 将小波变换用于图像处理， 提出了多分辨率的概念，开创了小波变换在图像编码中的应用。近年来小波方法在图 像压缩中的应用己经取代传统的j p e g 标准成为图像压缩新标准，因为小波变换采用 全局变换，可以避免j p e g 中的d c t 变换带来的“方块效应”，尤其在低比特率时， 效果更明显。但是，小波变换没有提供一种简单的方式来组织变换域的系数。为了得 到较高的压缩比，有效地组织变换域系数，使零码尽可能地集中在一起是非常重要的。 因此研究图像小波分解系数有效的组织和编码方法是小波变换图像编码的关键技术 之。 由于小波变换在图像压缩领域的作用越来越大，国际标准化组织( i s o ) 领导之下 制定静态影像压缩标准的委员会j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 已经着力 制定采纳小波变换的图像压缩新标准j p e g 2 0 0 0 。同时，第一套国际静态影像压 缩标准i s o1 0 9 1 8 - 1 ( j p e g ) 就是该委员会制定的。由于j p e g 优良的品质，使它在 短短几年内获得了极大的成功，被广泛应用于互联网和数码相机领域，网站上7 0 的影像都采用了j p e g 压缩标准。然而，随着多媒体应用领域的激增，传统的j p e g 压缩技术已经无法满足人们对多媒体影像资料的要求，于是，一种功能更强大、效率 更卓越的静止图像压缩标准被提到制定同程上，这就是j p e g 2 0 0 0 。j p e g 2 0 0 0 是为 2 1 世纪准备的压缩标准，它采用改进的压缩技术来提供更高的解像度，其伸缩能力 可以为一个文件提供从无损到有损的多种画质和解像选择。j p e g 2 0 0 0 被认为是互联 网和无线接入应用的理想影像编码解决方案。“高压缩、低比特速率”是j p e g 2 0 0 0 的 目标。j p e g 2 0 0 0 拥有5 种层次的编码形式：彩色静态画面采用的j p e g 编码、2 值图 像采用的j b i g 、低压缩率图像采用j p e g l s 等，成为应对各种图像的通用编码方式。 在编码算法上，j p e g 2 0 0 0 采用离散小波变换( d w t ) 和b i t p l a i n 算术编码( m q c o d e r ) 。 此外，j p e g 2 0 0 0 还能根据用户的线路速度以及利用方式( 是在个人电脑上观看还是在 p d a 上观看) ，以不同的分辨率及压缩率发送图像。j p e g 2 0 0 0 的制定始于1 9 9 7 年3 月，但因为无法很快确定算法，因此耽误了不少时间，直到2 0 0 0 年3 月，规定基本 编码系统的最终协议草案才出台。目前j p e g 2 0 0 0 已由i s o 和i e c ( 国际电工协会) j t c ls c 2 9 标准化小组正式命名为“i s o1 5 4 4 4 ”。j p e g 2 0 0 0 的基本部分( p a r t l ) 已 经作为i s o 标准公布于世，j p e g 2 0 0 0 的p a r t 2 和m o t i o nj p e g 2 0 0 0 的标准化进程也 相当顺利。有关专利许可方面的问题也有了相当的进展。美国神马成像公司已经在 p i c t o o l s 系列开发工具包中集成了j p e g 2 0 0 0 图像压缩技术，使各种版本的p i c t o o l s 硕十论文小波零树编码在图像压缩及其去噪中的应用研究 c + + 编程工具都可以安装支持j p e g 2 0 0 0 压缩技术的插件。随着j p e g 2 0 0 0 标准的出 台，参与开发的企业除了软件供应商外，还有很多制造图像设备的硬件供应商，整个 i t 业界都看好j p e g 2 0 0 0 。据悉，清华大学微电子研究所正在与美国w i s 技术公司合 作开发在f p g a 中使用的运算器，该运算器将用于j p e g 2 0 0 0 设备核心的画质无损 有损过滤器。国内的一些相机制造商也在积极开发j p e g 2 0 0 0 数码相机。上海海鸥相 机公司现在已经达到年产6 0 万部普通百万像素解像j p e g 标准数码相机的能力，该 公司正在和一些世界顶级的j p e g 2 0 0 0 技术芯片供应商争取合作关系。凤凰光学仪器 公司与北京大学遥感所合作，建立了一个数码相机压缩控制芯片及c m o s 成像器的 开发项目。 j p e g 2 0 0 0 同样适合于移动通信图像业务。图像和消息业务是广大用户对未来移 动通信应用最大的需求，因此图像流程和格式要有所改变，这对图像技术提出了新要 求，而j p e g 2 0 0 0 提供了新的图像编码系统。多媒体消息业务( m m s ) 是第一个在消 息中处理多媒体的业务，将成为移动通信系统最重要的业务之一。m m s 于2 0 0 2 年全 面展开该业务已经由3 g p p ( t h i r d g e n e r a t i o n p a r t e r s h i p p r o j e c t ) 完成标准化工作，并 得到了业界广泛支持。由于众多不同的客户机要访问图像，新格式必须是灵活的，使 它可以适合不同客户机的能力，j p e g 2 0 0 0 可以能满足这样的要求，它是第一个可以 处理不同类型图像和图像应用的标准，将是未来无线图像应用领域强有力的竞争者。 目前，各大世界通信公司纷纷推出了支持多媒体消息业务并且带数码相机的新款彩信 手机，有诺基亚的7 6 5 0 、爱立信的t 6 8 i e 、松下的g d 8 8 、n e c 公司的n e c n 8 等。 1 2 本论文工作背景及工作简介 图像压缩是多媒体通信中的关键技术。在日益完善和成熟的静态图像压缩标准 j p e g 2 0 0 0 和活动图像压缩标准m p e g 4 中都推荐使用小波方法来进行变换编码。而 小波零树编码( 例如嵌入式零树编码方法e z w 和多层次零树编码方法s p i h t ) 是研 究最多和使用最广的编码方法，基于小波零树思想的图像压缩编码成为研究的热点。 本论文主要是对小波零树编码的改进方法进行研究并且对含噪图像的小波零树编码 进行研究，最后对各种基于小波零树思想的压缩编码方法进行比较和总结。 第一部分介绍了各种常用图像压缩编码方法、数字图像压缩新技术以及各类静 态、动态图像编码国际标准( 包括j p e g 、j p e g 2 0 0 0 、m p e g 一4 等) ，并且介绍了可 视电话技术。 第二部分介绍了小波变换图像压缩理论基础。该部分较为详细地介绍了小波变 换的起源、发展，重点从多分辨率分析的角度介绍了j 下交小波变换、小波分解的m a l l a t 坝l 论文 小被零树编码在图像压缩段其去噪中的应用研究 算法以及小波包算法，并且给出了一些利用小波变换和小波包变换进行图像压缩的仿 真结果。 第三部分提出了两种改进的小波零树编码算法。该部分首先介绍了小波零树编码 思想，介绍了基于小波零树编码思想的e z w 和s p i h t 算法。改进算法之一是把 d p c m 、零树编码和游程编码相结合形成新的方法；改进算法之二是在零树矢量量化 编码方法的基础上与d p c m 相结合的编码方法。最后给出了具体的实验仿真结果， 实验证明两种改进算法取得了较好的效果。 第四部分是含嗓图像的小波零树编码去嗓研究。含噪图像进行小波变换后为了 去除噪声干扰，必须采用一种非线性的方法来去噪，例如软门限去噪都是很好的选择。 去嗓以后采用第三部分中的第一种改进算法进一步对图像进行压缩。最后给出了计算 机模拟结果。 第五部分对基于零树编码思想的各种编码方法进行总结、分析和比较。对几种 具有代表性的新方法进行详细的性能分析，比较全面地阐述了把零树编码思想和其它 编码思想相结合的编码方法，详细分析了它们与e z w 、s p i h t 相比在客观信噪比和 主观质量上的性能提高情况。 硕f 论文小波零树编码稿图像压缩及其去噪中的应用研究 2 图像和视频压缩方法 在本章中首先介绍了常规图像压缩编码方法，包括统计编码、变换编码等，同时 还有研究比较热的新方法( 如模型编码、矢量量化编码等) ；然后简要介绍了各种图 像和视频压缩标准( 包括j p e g 、j p e g 2 0 0 0 和m p e g 4 ) ；最后简要叙述了可视电话 技术。 2 1 图像压缩编码 2 1 1 统计编码 统计编码是一种无损压缩编码方法，它包括h u f f m a n 编码，算术编码，游程编码 和s h a n f a n o 编码。 h u f f m a n 编码它完全根据字符出现的概率来构造平均长度最短的异字头码字，对 概率出现大的符号用短码字表示，概率出现小的符号用长码字表示。 算术编码对整条信息( 无论信息有多么长) ，其输出仅仅是一个数，而是一个介 于0 和l 之间的二进制小数。与霍夫曼码不同，算术编码是一种非分组编码方法， 它没有延用数据编码技术中用一个特定的代码代替一个输入符号的一般作法，而是把 要压缩的整段数据影射到一段实数半开区间【0 ，1 内的某段，构造出小于1 且大于 或等于0 的数值，这个数值是输入数据流的唯一可译代码。算术码的编码过程实际上 就是依据字符的发生概率对码区间的分割过程。算术编码的最大优点就是具有自适应 功能，随着输入符号概率的变化自动修改码区间。因此使用算术编码不必预先定义信 源的概率模型，尤其适用于不可能进行概率统计的场合。 游程编码最早用于二值图像的压缩编码。对不同的白长和黑长，按出现的概率分 配不同长度的码字。在小波变换编码中，变换系数经过量化后通常会出现很多零系数， 可以用游程编码来传递两个非零系数之间零系数的个数。 2 1 2 预测编码 预测编码是数据压缩理论的一个重要分支。它有线性和非线性预测两类，线性预 彤 士论史 小波零树编码在图像压缩及其去噪中的应用 i j 究 测包括d p c m 和a d p c m 。预测编码可以在一幅图像或者多幅图像之间进行，算法 简单，易于硬件实现，主要用于无失真压缩。 2 1 3 变换编码 图像经过变换编码后可以压缩的物理本质在于：经过多维坐标系中的适当旋转和 变换，能够把散落在原始坐标上的数据在新的适当的坐标系中少量坐标轴上，因而有 可能用较少数据流表示图像，实现数据压缩。数学上看变换编码有多种，如k l 变 换，d c t 变换，离散f o u r i e r 变换，s i n e 变换，s l a n t 变换，h a a r 变换等。小波变换 也属于变换编码。它把图像分解成逼近图像和细节图像之和，他们分别代表图像的不 同结构，然后采用快速算法( m a l l a t ) 进行分解和重构。 2 1 4 矢量量化编码 矢量量化是图像压缩的研究焦点之一。由于从信息论的角度矢量量化总可以获得 优于标量量化的率失真性能，因此矢量量化成为主要的量化技术。它充分地利用了矢 量中的线性相关，非线性相关，概率密度函数的形状和矢量量化的维数。可以证明， 随着矢量量化维数的增加可以逼近率失真函数确定的下限。 输 2 1 5 模型编码 图21 1 矢量量化编码器和解码器框图 图像 模型编码技术是当前研究的热点之一，是低比特率图像压缩编码中颇具发展前景 的方法。利用模型的方法，对需要传输的图像进行参数估测。典型的技术有马尔可夫 场和分形图像编码。8 0 年代后期，b a m s l e y 利用分形几何学的思想提出了适合图像压 缩的分形模型一函数迭代系统( i f s ) 。利用分形模型，一幅复杂的图像可以只占很少 硕i 。论文 小波零树编码在图像压缩及其去噪中的应用研究 字节的i f s 代码，可以实现很高的压缩比( 1 0 0 0 0 ：1 ) 。 2 1 。6 其它编码 进入8 0 年代以来，神经网络技术热潮再度兴起，广泛应用于模式识别、图像 压缩、计算机视觉等方面。神经网络是企图模拟人脑处理问题的过程建立起来的一种 信号处理模型，由于人的视觉系统具有极为复杂的高级神经活动功能，从而产生了人 工神经网络这以复杂的非线性动力学系统来模拟人的视觉系统的某些功能，实现图像 的压缩编码。例如反向传播神经网络用于图像压缩；自组织特征神经网络用于图像矢 量量化。 2 2 图像和视频压缩标准 2 2 1j p e g j p e g 是“联合图片专家组”的简称，主要涉及连续色调( 灰度和彩色) 静止图 像的压缩编码。并提供了四种工作模式，包括顺序型模式，即按照从左到右，从上到 下的顺序对图像进行编码，称为基本系统：分层模式，按分辨率由低到高进行编码； 渐进模式；无失真模式。对于彩色图像，j p e g 将其分解为一个亮度分量和两个色度 分量，然后按照对灰度图像的编码方法对每个分量分别进行编码。j p e g 是以8 8 的图像块为基本单位进行编码的，所以在编码器中必须对图像首先进行分割，而在解 码器中也要将8 8 的方块拼接为完整的图像。目前互联网上8 0 的图像都是采用 j p e g 标准，但是随着多媒体应用领域的激增，传统的图像压缩技术已经不能满足需 要，而且j p e g 格式的图像文件格式仍然太大，属于有损压缩，当被压缩的图像出现 大片近似颜色时，会出现马赛克现象。 2 2 2j p e g 2 0 0 0 随着多媒体技术和网络的发展，人们对数字图像在质量，大小和应用上都提出了 更高的要求，希望能够用有限的空间和带宽资源存储和传输大幅图像，并且可获得不 同分辨率或质量的重构图像。这就要求图像压缩技术不仅有良好的压缩效率，而且还 可以灵活地处理码流。目前的j p e g 静止图像压缩标准，在中高速率上压缩效果较好， 坝l 论义小波零树编码在图像压缩及其去噪中的应用酬究 然而在低比特率的情况下，重构图像存在严重的方块效应，不能适应网络传输的需要。 为了弥补目前标准的不足，1 9 9 7 年，国际标准组织i s o i t u t 开始制定j p e g 2 0 0 0 。 j p e g 2 0 0 0 是国际标准组织i s o i t u t 为适应2 1 世纪图像压缩应用而指定的新的静止 图像压缩标准。它与j p e g 最大的区别在于它用离散小波变换( d w t ) 代替了离散余 弦变换，采用最新的嵌入式图像编码技术。总共可以分为六大部分，到目前为止，完 成了p a r t1 部分的指定工作，其它部分还在制定中。 j p e g 2 0 0 0 的目标是在一个统一的集成系统中，允许使用不同的图像模型( 如客 户服务器、实时传输、图像库驱动、有限缓冲和带宽资源等) ，对不同特征不同类型 的静止图像进行压缩，在低比特率的情况下，获得比目前标准更好的率失真性能和主 观图像质量。j p e g 2 0 0 0 图像编码系统基于d a v i dt a u b m a n 提出的嵌入式码块编码算 法，把图像和它的各个成分分解成矩形图像片，对每个图像片实施小波变换，对分解 后的小波系数进行量化并组成矩形的编码块，对每个码块进行独立的嵌入式编码，将 得到所有码块的嵌入式位流，按照率失真原则分层组织，形成不同质量的层。对每一 层，按照一定的码流格式打包，输出压缩码流。 j p e g 2 0 0 0 的特点有： ( 1 ) 良好的低比特率压缩性能。这是j p e g 2 0 0 0 的最主要的特征。 ( 2 ) 连续色调和二值图像压缩。目前的j p e g 标准对于自然图像具有较好的压 缩性能，但是对于计算机图形和二值文本的压缩时，性能变差。为了改进 这一点，j p e g 2 0 0 0 能够对自然图像、复合文本、医学图像等不同类型的 图像进行压缩。 ( 3 ) 有损和无损压缩。j p e g 中在同一个压缩码流中不能同时提供无损和有损 压缩，而在j p e g 2 0 0 0 中可以同时进行。 ( 4 ) 按照像素精度或者分辨率进行累进式传输。j p e g 2 0 0 0 允许图像按照所需 的分辨率或象素精度进行重构，可按照所需的分辨率随时终止编码。 ( 5 ) 随机获得和处理码流。j p e g 2 0 0 0 采用小波技术，可随机获得某些感兴趣 区域的压缩码流。 ( 6 ) 强的抗误码特性。在无线通信信道，噪声干扰大，这就希望压缩码流具有 较强的容错特性。j p e g 2 0 0 0 系统通过设计适当的码流格式和相应的编码 措施来减小解码失败造成的损失。 ( 7 ) 固定速率、固定大小、有限的存储空间。 ( 8 ) 开放式结构。对图像安全保护、图像交换等方面作了考虑。 j p e g 2 0 0 0 编解码系统如图2 21 所示： 编解码过程： 坝l 论文 小波零树编码往图像压缩及其去噪中的应用研究 ( 1 ) 电平位移。在编码时将图像片中的直流成分去掉，解码时再恢复。目的是 为了在解码是能够从符号的数值中正确恢复重构的无符号样本值。 ( 2 ) 分量变换。如彩色图像由一个亮度和两个色度分量组成，通过分量变换来 减小分量间的相关性。 图 ( a ) 编码器 ( b ) 编码器 图2 2 1j p e g 2 0 0 0 编解码框图 ( 3 ) 小波变换。小波变换之前对比较大的图像进行瓦片分割把图像分割成 大小相等、互不重叠的矩形模块，在对每个图像片进行小波变换之前，通 过减去一个相同的数量值对所有的图像片进行水平移位，如图2 2 2 所示。 它具有对图像进行多分辨率分析和反映图像局部特征的优点。此外，对图 像进行多级小波分解，可得到不同分辨率的逼近，使得压缩码流具有空间 分辨率可分级的特性。分解时采用m a l l a t 快速塔式分解。j p e g 2 0 0 0 选用 两种滤波器：l eg a l l ( 5 ，3 ) 和d a u b e c h i e s ( 9 ，7 ) 。 ( 4 ) 量化。由于人眼视觉系统对图像的分辨率要求有一定的局限，通过适当的 量化减小变换系数的精度，可以在不影响主观质量的前提下达到数据压 缩。 ( 5 ) 熵编码。分为嵌入式码块编码和形成分层组织嵌入式块位流。 j p e g 2 0 0 0 不仅采用小波变换和最新的压缩算法，而且采用了一些关键技术，如 r o i 区域处理、随机获取码流、提高码流的容错性以及利用人类视觉系统模型。可以 坝j 二论文小波零树编码在图像压缩及其去噪中的应用研究 应用于i n t e r n e t 、移动通信、打印、扫描、数字图书馆以及电子商务等方面的图像压 缩。但是，在算法复杂程度上，j p e g 2 0 0 0 的执行时f b l 年n 所需的存储量比较大，需要 进一“步的优化和完善。 圈像片 羽圆摩片避仃离散小渡变安 止乩i 虬 + + +斗 斗 廿 +牛 水平移位 止乩址 图2 2 2 图像片、水平移位和离散小波变换 j p e g 2 0 0 0 有两个很重要的新特性：渐进传输和r o i ( r e g i o no f i n t e r e s t ，即感兴趣 区域) 。j p e g 2 0 0 0 对以往的j p e g 标准是一个巨大的飞跃。以前，彩色静态图像编码 采用j p e g ，二值图像编码采用j b i g ，低压缩率采用j p e g l s ，多种方式同在，而 j p e g 2 0 0 0 把各种方式统一起来，成为通用的编码方式。现在网络上的j p e g 图像下 载是按“块”传输的，因此只能一行一行显示，而采用j p e g 2 0 0 0 格式的图像支持渐 进传输。所消的渐进传输就是先传输轮廓图像数据，然后再传输其它的数据来不断地 提高图像质量( 也就是不断地向图像中插入象素以提高图像地分辨率) 。小波技术提 供数据的一种连续下载流，它允许用户控制所期望的图像分辨率的级数。j p e g 2 0 0 0 的误差稳定性也比较好，其码流设计可以有效地抑制比特误码。在无线通信信道中， 恰当地码流设计可以帮助纠正解码误差，能更好地保证重建图像的质量。j p e g 2 0 0 0 的另一个极其重要的特点就是r o i ，用户可以在压缩时指定感兴趣区域的特定压缩质 量，或恢复时指定感兴趣区域的特定解压缩要求。这是因为小波在时域一频域上具有 局域性，要恢复图像中的某个局部，并不需要所有编码都被精确保留，只要对应它的 一部分编码没有误差就可以了。在有些情况下，用户可以对一幅图像中感兴趣的部分 采用低压缩比以获得较好的图像图像效果，而感兴趣区域之外采用高压缩比以节省存 储空间，这样就能在保证不丢失重要信息的同时又有效地压缩了数据量，这就是基于 感兴趣区域地编码方案所采取地压缩。 j p e g 2 0 0 0 编码算法一经确立，许多著名的图形图像公司如c o r e l ，p e g a s u s 等都 迫不及待地在自己的图像开发工具中集成了j p e g 2 0 0 0 图像压缩技术。目前从互联网 硕上论文 小波零树编码在图像压缩及其去噪中的应用研究 上至少可以看到5 种以上兼容j p e g 2 0 0 0 标准的图像处理工具。而m i c r o s o f t 、n e t s c a p e 等在浏览器领域竞争的公司也将j p e g 2 0 0 0 集成到下代的网络浏览器中。，同j p e g 相比，在相同的压缩率下，j p e g 2 0 0 0 的信噪比可以提高3 0 。 2 2 3m p e g 一4 网络应用最重要的目标之一就是进行多媒体通信。多媒体信息主要包括图像、声 音和文本三大类，其中视频、音频等信号的信息量是非常大的。而且这些信息的表达 方式、输入、输出的要求也各不相同，因此在多媒体通信中，对这些数据进行有效的 表达和适当处理是非常重要的。其中，多媒体信息的压缩技术是多媒体通信领域的关 键技术之一。m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 应运而生，它是i s o ( i n t e m a t i o n a l s t a n d a r do r g n i z a t i o n ) 与i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o n i cc o m m i t t e e ) 于1 9 8 8 年联合成立 的，致力于运动图像及其伴音编码标准化工作。它包括m p e g 系统，即m p e g 视频 及m p e g 音频。原先共有三个版本m p e g 1 、m p e g 一2 、m p e g 3 ，后又增加了 m p e g - 4 、m p e g 一7 ，不同版本表示了不同用途和质量，对多媒体通信的发展起到了 革命性的推动作用。 网络应用的最终目标是进行多媒体通信。多媒体信息主要包括三大类：声音、图 像和文本，其中声音和文本的信息量是非常大的，而且这些信息的表达方式、输入、 输出的要求也各不相同，所以在多媒体通信中对这些数据进行有效的表达和处理是非 常重要的。其中，多媒体数据压缩是多媒体通信的关键技术之一。m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e l s g r o u p ) 应运而生，它是i s o 和i e c 于1 9 8 8 年联合成立，致力于图像以 及伴音编码标准化工作，包括m p e g 视频和m p e g 音频。m p e g 1 制定于1 9 9 3 年， 是针对于1 5 m b p s 以下数据传输率的数字存储媒质运动图像及其伴音编码的国际标 准。1 9 9 5 年出台的m p e g 一2 ，它追求的是c c i r6 1 0 建议的图像质量d v b 、h d t v 和 d v d 等制定的数据传输率在3 m b p s - 1 0 m b p s 的运动图像及其伴音编码压缩标准。而 m p e g 4 于前面两种标准不同，它不仅是针对一定比特率下的压缩标准，更加注重多 媒体系统的交互性和灵活性，以及多产业领域的融合。m p e g 一4 试图达到两个目标：低 比特率下的多媒体通信和多媒体通信的综合。m p e g 4 与现有标准的最大区别在于引 进了( v o ) 对像的概念，并用于描述视频画面。v o 是有实际意义的实体，而非仅出于 编码效率分割出的某些部件，使得更多的交互操作变为可能。 m p e g 4 标准的构成： 1 ) ：多媒体传送整体框架。它主要解决交互网络中、广播环境下以及磁盘中多媒 体应用的具体操作问题，通过传输多路比特信息来建立客户端和服务端的握 顷l 论文小波零树编码在图像压缩及其去噪中的应用研究 手和传输。通过此框架，m p e g 一4 可以建立具有特殊品质服务的信道和面向 每个基本流的带宽。 2 ) ：数据平面。分为传输关系部分和媒体关系部分。为了使基本流和a v 对像在 同一场景中出现，m p e g 一4 引用了对像描述( o d ) 和流图桌面( s m t ) 的概念。 o d 传输与特殊a v 对像相关的基本流的信息流图，桌面把每一个流与c a t 相连，c a t 可实现该流的顺利传输。 3 ) ：缓冲区管理和实时识别。m p e g 一4 定义了一个系统解码模式，该解码模式描 述了一种理想的处理比特流句法语义的解码装置，它要求特殊的缓冲区和实 时模式。通过有效地管理，可以更好地利用有限的缓冲区空间。 4 ) ：音频解码。m p e g 一4 不仅支持自然声音，而且支持合成声音。m p e g 一4 将合 成声音编码和自然声音编码相结合，并支持音频的对像特征。 5 ) ：视频编码。与音频编码类似，m p e g 一4 也支持自然和合成视觉图像编码，合 成的视觉对像包括2 d 、3 d 动画和人面部表情动画等。 6 ) ：场景描述。m p e g 一4 应用了一系列的工具来组成场景中的对像，一些必要的 信息就组成了场景描述，这些描述以二进制格式表示，与a v 对像一起传输、 编码。场景描述主要用于描述各a v 对像在一具体a v 场景下如何组织与同 步等问题。 m p e g 一4 的应用6 u 景是非常广阔的。它的出现将会对以卜各方面产生很大的推动 作用：数字电视：动态图像；万维网；动态多媒体监控；低比特率下的移动多媒体通 信；基于面部表情的虚拟会议；基于计算机网络的可视化试验场景应用；d v d 上的 交互多媒体应用。 m p e g 一7 是“多媒体内容描述接口”( m u l t i m e d i a c o n t e n td e s c r i p t i o ni n t e r f a c e ) 。 其目标是产生一个描述多媒体内容的标准支持对多媒体信息在不同程度层面上解释 和理解，从而使其可以根据用户的需要进行传递和存取，m p e g 一7 主要用于检索，人 们可以检索和索引与m p e g 7 数据相关的信息。还有，m p e g 一2 1 标准是一个支持通 过异构网络和设备使用户透明而广泛地使用多媒体资源的标准。 2 2 4 图像的质量评价指标 迄今为止，压缩重建图像的质量评价还没有统的标准。图像恢复不同于其他可 逆问题的关键在于它不仅强调解的精确性，还强调解的基于各种视觉特征的保真性。 目前评价标准是保真度准则，它分为两类：客观保真和主观保真准则。客观准则以均 方误差、峰值信噪比为标准，具有明确的公式。 ( 1 ) 均方误差m s e 硕i 论文小波零树编码在图像压缩及其去噪中的应用研究 均方误差m s e 反映了压缩编码前后的图像p f ( m ，n ) 与原始图像c f ( m ，”) 之间的 偏差。其中m 和j v 为图像的行数和列数。 m s e 2 赤薹萎( m , n ) _ 暇职曲) 2 ( 2 ) 峰值信噪比雕r 刚r = 1 0 l o g 篆l 但是均方误差和峰值信噪比不能反映视觉特性，与主观感觉不符合。主观标准一 般用“优秀”、“好”、“一般”、“差”、“非常差”五级质量尺度。 为了进一步了解图像数据是如何影响图像质量，可以不采用上面对整幅图像进行 统计的方法，而首先对图像进行分割，对分割出来的图像用不同的指标加以描述。比 如区域方差、区域信噪比。 2 2 5 可视电话 自1 8 7 5 年6 月美国人贝尔发明磁石电话机至今，经过一个多世纪的发展，已经 成为人们日常生活当中不可取代，无法缺少的通信必需品。与人们生活之间的关系越 来越密切，不断更新着世界，也更新着人们的生活观念，特别是计算机的研制成功并 配合多媒体技术的应用，便出现了既能在语言上进行交流，又能传播动态影像的可视 电话。 可视电话有一种是基于公共电话交换网( p s t n ) 点到点的视频通信形式，它利 用现有的电话网实时传输双方图像和语音信号。能收到面对面交流的效果，在通话时 既闻其声又见其人，受到人们普遍的好评。早在1 9 6 4 年美国贝尔实验室正式提出可 视电话的相关方案，但是由于传统网络和通信技术条件的限制，一直没有取得实质性 进展。到8 0 年代后期，随着高密度集成电路芯片制造技术、传输技术、数字通信和 视频编码技术不断发展并日趋成熟，可视电话才真正浮出水面，走进人们的视野。 1 9 9 6 年国际电信联盟正式批准了普通交换网可视电话标准h 3 2 4 并规范了多媒 体交换式可视通信，并提供了一个统一的通信协议和图像、语音压缩标准。此时可视 电话才可以互联，从而促进了它的真正普及。可视电话外形上与普通电话机差不多， 并具有后者的全部功能，集普通电话、光电耦合c c d 数码摄像头、高清晰液晶显示 器和多媒体压缩处理系统于一体，接通电源就可以使用。由于采用了画面压缩技术， 使声音和图像是数字化，不仅可更多地存储数据，使可视电话更小型化。同时，它还 具有优先进行画面质量或转移的选择功能，可以录制通话时的声音和图像，最为创新 硕】二论文小波零树编码在图像压缩及其去噪中的应用研究 的地方在于它添加了一个高分辨率彩色摄像头和真彩色液晶显示器。可以进行远程监 控、视频会议、商务洽谈等许多普通电话机所不可能做到的事。还能在普通电话线上 进行语音和彩色图像的高速同步传输，已经成了电话家族中的新宠。 可视电话编解码系统框图如图2 2 3 基于p s t n 是模拟线路，带宽是6 4 k ，传输速率为2 8 8 k 3 3 6 k b ；又由于n i s d n 是数字线路，采用2 b + d 技术，传输速度为6 4 1 2 8 k b s ，具有2 0 f p s 以上的帧频； 而a d s l 的上行速率为5 1 2 6 4 0 k b ，下行速率为8 m 。基于这个网络的多媒体可视电 话，将获得更高的频数。模拟线路上同时传输数字视频信号，在技术上只能达到 1 5 f s e e 的帧频，即图像清晰度是由线路网的性质来决定。线路通频带越宽，传输速 率就越高，图像就越清晰。 图2 2 3 视频编解码系统 影响可视电话发展的因素主要有三个：集成电路、线路和协议。由于在语音和图 像传输过程当中，数据量大，实时性要求高，所以必须通过适当的压缩编码和解码， 集成电路i 好可以完成编解码，最后在其输出端和接入端进行数据转换，便能构成完 栏的传输过程；传输线路也会影响可视电话的通信质量，传统的电话线传输速率仅仅 达到3 3 6 k b s ，在其支持f 绝对不能传输清晰连贯的图像，必须采用光缆和宽带技术； 协议标准的不统，也会影响可视电话的兼容性。 下面给出各种视听