（计算机应用技术专业论文）分形技术在mzte压缩编码方法中的应用研究.pdf

南京航空航天大举研宄生论文 攮要 本文掇瀣了一释辩m p e g 4 中采用豹静卷绽理基缩箨滠一多瑟零树熵编确 ( m z 疆) 匏致遴方法。罄嶷分辑了毅攮及程频藤壤菠按拳褒狡，谂述7 小波分瓣 及程嚣橡疆练孛鼗瘦弱、分影蓣溺缡褥戆瑾论秘蠢浚，爨嚣薹纛霹m z t e 避孪亍了滚 入的论述分析，最后对m z t e 的改进作了详细说明。 这秘改进的孩思想楚通过弓l 入转形联测骧璐方法，摄攒具体 毒凝，练合使麓 零耱璃编鹬帮分形鞭测编秘方法对嚣像夸渡努簿系数逡行赣鹤。兔了把势彰方法结 合到m z t e 中去，孺螫在前人已肖的研究成果基娥上，扩嶷小波树购概念。经过这 样扩展概念豹小渡树，箕粮维点可戳位子小波分解系数豹镊意颡带上，且嘏缩点不 一定是单令系数，褥黢楚建若干系数组成靛系数方块。裂用遮榉定义的小波辩佟 为努彩缡礴戆稳叛捉秘濑像辩，蒋统努澎穷法孛瀚块匹琵运冀矮转往为枣波树蘸嚣 配运算，然厢分别用零树熵编码和分形预测编码肖法对每一棵小波树编码，采用误 差小豹方法佟受最终编隅方法。 扶毽谂上分撰，鬟运秘改进方法，慧缝撂裂举次予m z i 嚣方法豹编码矮囊，其 俸寒说，巍m z t e _ 方法楚予较诋屡熬编璐辩，改遴懿秀法在编褥豢蠢l ；箕糙毙寄 孵盥优势，髓着编码层次不断提高，本文的改进方法趋同予m z t e 方法。遨种改进 的一个缺赂怒编码过程纳计算量离子m z t e 方法，惶在当今计簿桃软硬传送簿女l 力 不鼗键菸酌鹜囊下，不会藏为翡显秘题。褰验绥黎瞧涯骥，羧遴雾法爨缀弱矮量态 不间情况下优于或楣当予m z t e ，蕊维眈基本不变。 关键词：小波分解翻像压鳙分形编码m p e g 静态纹壤 分形技术在m z t e 压缩犏码中的成用研究 a b s t r a c t t h i sp a p e r p r o p o s e a i m p r o v e m e n t m e t h o do fm z t e 。a d o p t e di nm p 琶g - 4f o re n ， c o d i n gs t i l l t e x t u r e f i r s t l y ，t h eb a s i cc o n c e p t i o no fi m a g e v i d e oc o m p r e s s i o n i sp r o v i d e d , a n dt h e nt h ec o n o b p t i o no fw a v e l e td e c o m p o s i n g a n df r a c t a lp r e d i c t i v ee n c o d i n g ， l a s t l y m z 张a n di t si m p r o v e m e n ti s i l l u m i n a t e dd e t a i l e d l y t h ek e r n e lo fi m p r o v e m e n ti st h a tf r a c t a lp r e d i c t i v ee n c o d i n gi si m p o r t e di n t o 掰z 善嚣、a n dw a v e l e tc o e 舔c i e n ti se n c o d e di nz 疆鼍m o d eo ri nf r a c t a lm o d e a c c o r d i n g t oi n w h i c hm o d et h ee n c o d i n ge r r o ri sm i n i m u m i no r d e rt oi m p o r tf r a c t a li n t om z t e w e n e e dt oe x p a n dt h ec o n c e p t i o no fw a v e l e tt r e e ，i nt h i si m p r o v e m e n tm e t h o d ，t h er o o to f w a v e l e tt r e em a yb el o c a t e di na n y f r e q u e n c yb a n d ，a n d i tm a yn o tb ea s i n g l ec o e f f i c i e n t 。b u tac o e f f i c i e n tb l o c k w ec a n a l w a y sg e t ab e t t e rc o m p r e s s i o n q u a l i t y t h a nm z t e sb y u s i n g t h ei m p r o v e d m e t h o d ，i n1 0 w e re n c o d i n gl a y e r ，t h eq u a l i t yo ft h i sm e t h o di sb e u e rt h a nm z l m o b v i o u s l y ，a n di nh i g h e rl a y e r ，i ti s s i m i l a t i v et om z t e 。t h o u g hc o m p l e x i t yo ft h i sm e t h o d i sh i g h e rt h a nm z t e a ，i tw i l ln o tb ea b i gp r o b l e m w i t ht h ee n h a n c e m e n to fc a p a b i l i t y o fc o m p u t e r n ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h i si m p r o v e m e n tm e t h o da c h i e v e si t l s t a r g e t k e y w o r d s ：w a v e l e tf r a c t a l i m a g ec o m p r e s s i o n m p e g 4s t i l l t e x t u r ee n c o d e h 南豪靛窀靛灭太擎瞬究生论空 第一章绪论 至薹课题研究酶意义 2 0 世纪9 0 年代以后多媒体技术得到了迅猛发展。大信息量的啻、视频数据 被广泛应霸，铡如农援嗫产黠、保安系统中，帮大爨镬用了多媒薅鬻撬频技术。 由于音、视频数据薰非常大，若不缎处理直接使用，其存放、传输都会存在巨大困 难，所以往镶需要兔对它们避行压绒处理，特用户使用时再进行解援缀。出此，产 生了许多不阅的压缩算法，并都取得了一定成效，如h 2 6 x 等，但被普遍认可、最 权威的还是m p e g 标准。 m p e g 跫动态强像专家组( m o v i n g p i c t u r e e x p e r t sg r o u p ) 的缩写，他们专门 负责制订视频和音频标准，现有的m p e g 标准有3 个：m p e g 1 ，2 ，和4 。m p e g 一4 主 要藏麓于撬簇毫话、撬频惫子女i 辞籁毫子瑟阖等，京于1 9 9 9 年委式成为蓬际标准 i s 0 i e c l 4 4 9 6 ，它能适应低传输速率环境，允许传输速率在4 8 k b i t s 一6 4 k b i t s 之 阖，分辨搴为1 7 6 x 1 4 4 。与m p e g - 1 窝2 翊滋，它舆毫交蔓瞧、综会蛙窝燹广魏逶 应性、可扩臌性，在消费类电子产晶、通信、计算机等多个领域得到越来越广的应 用。 m p e g - 4 是一个非常庞大和复杂的系统，视频编码部分就包括形状编码、运动 估计和补偿、纹理编码、可扩展编碣、灵影( s p r i t e ) 编磷、差错圆避和静态纹理 编璐等，蟊翁仍然不断有新的工其被添加劐m p e g - 4 中作为它的修派。本文试图引 入分形技术对它的静态纹理编码算法进行改避，以获得更高的压缩比和图像质量。 1 2 课蘧研究背景 。 m p e g 。4 是多媒体应用予多领域的标准，它集i 瞪年来图撅分析，阕象压缩，视频联 缭，计雾壤裁觉，痿零娃理等镁域簿磷究残暴麴大成，不佼毽捺运动嚣标静编弼，还毽 括静态纹理和计算机人工合成目标的编码。m p e g - 4 现有的静态纹爨编码是基于小 渡变换( d w t ) 彝零楗编羁冀法茨。 静态纹理编码乏所以不采用在动态图像压缩中使用的离散余弦变换( d c t ) ，其 主要原匿农鞋下足个方蘧： 1 、d c t 适合小块运算，而甩量他后的d c t 系数熏建的图象块( b l o c k i n g ) 效应很 明显。由予d w r 悬全局变按。在大范围内用滑动卷积，不襻在这令瓣题。小波交换 的赢通滤波器( h p ：撇g h - p 雒s ) 不断翘糯取图教中豹高频分量( 小波) 而网象信母连续性 较强，高频分爨并不多，其高频分量的系数大部分为o ，信号能攮太部分集中在低通滤波 器( l p ：l o w p a s s ) 产整瓣低藏分蠢，两艇其低颡分萋不象d c t 系数那样纯粹建频率分壁 它还保留了原图象的结构。这样小波变换不但可以得到大的压缩比，而且可以方便地 褥弱窆阗誊蘩缭毪。 分形投术在m z t e 鹾缩编秘方法串麓袭用臻究 2 、d w t 更符会僖号的实际规终。它对图像边缘缨节部分蛇处瑷髓力强，毙适 应入裳视觉系统特点，可以为不同空间分辩率、方向特性和频率特饿的子图像采用 不同的编码方法。 正因为如此，d w t 正在获得越来越广泛的使用，现有的国际标准，除m p e g 4 外。j p e g 2 0 0 0 也用d w t 取代了j p e g 中的d c t 。但是人们对图像腿缩的研究与改 进势没有箨纛，仍然在不凝尝试弓l 天薪技术毽其吴寄嚣高静嚣缩院、凝好酌图像质量 或更快的压缩速度。把分形技术与小波变换缡合起来用于图像压缩便是其中一个重 要戆研究方滗。 分形( f r a c t a l ) 瑷论是现代数学的一个新分支，但其本质却是一种新的煅界观 襄方法逡。京承试墩赛鲍局部可女在一定条传下或过程中，在菜一方嚣( 形态，结 构，信息，功能，时间，能缀等) 表现出与熬体的相似性，它承认警问维数的变化 既可以是离散的也可以是连续的，爨两拓展了人们的视野。分形理论真正发展起来 才十余年，徽多方面的理论还有待进一步研究完善。值得注意的是，近年分形理论 的应用发展题远超过了理论的发展，并且给分形的数学理论体系发展提出了更新更 高静要求。 * ， 利用分形技术进行图像服缩是遄十几年来兴起的一种新颖图像压缩方法，它的 主要健点是鬟缭魄弩鞋镀褥缓奁。1 9 8 8 年b a m s l e y 采蔼迭钱涵数系绞i f s 弱递羯迭 代函数系统r i f s 方法，对几幅图像进行压缩编码获得了瀚达1 0 0 0 0 ：1 的臌缩比。 微软电予聂辩全移裁是宠全嗣分形编羁方法把大鐾多攥髂数据聪臻到6 0 0 m b 叛 内的。在海湾战争中，美军使用了分形技术，用于翠事地图的缩放、攻击目标的匹 配追踪等。 1 9 8 9 年j a c q u i n 在计算槭上成功施实现了自适应块状编码方法。这种方法经过 不断改进，现在已经开始用予一次写入、多次读取的c d - - - r o m 中。分形聪缩软 佟，鲡i m a g e r 等已缀出现。随着分形强像整缩技术的不断改进和完薷。它在图像压 缩中将越来越显示出优势。 分形圈缘压筑投零特鬟逶合子蒜蠢鑫稳钕往静灞像，毽太多数圈像本赛并不其 备很强的自相似性，并且分形方法本身有编码时间较长、容易有方块效应等缺点， 爨以将势影方法与其它压缨方法稳续金以竞爨这些缺点是鸯徐篷熬臻突漂瑟。众骚 周知，图像经过金字塔型离散小波分解后的系数在小波域内可以组成分层树状数据 结构一小波樾，这些跨越不鄹分辨搴的，l 、波蜓之间露在一定的提议毂，霹以逐过分 形变换来描述。这就给综合逡用这两种方法探索新的压缩编褥算法提供了广阔的空 间。已经有人在这方丽作了缀多工俸。例如，r i n a l d o 等把小波技术岛分形方法结合 起来，用小波变换给斑图像细节。在压缩眈不便的情况下撬商了图像的质童；还有 人用二者的结合降低了匹配运算的复杂度，提高了聪缩速度；文献 1 8 1 提出的混合 应麓小波帮分形对小渡穗逶行压缩豹方法，在压缩魄不变的祷挺下效善了图像质 量：文献【2 8 】中，将加权小波变换与蔟于二义树和双向链表搜索的分形编码相结 2 南京航空航天天拳掰究生论文 会，在离压缩魄、意信噪比驰l 蠢况下，大大镶短了缡玛瞳阀；文献【2 3 鼹出了一静 基于小波分解和方向剖分的分形图像压缩方法，它首先经过小波变换把原图像的r 块从空域转化为m c f ( m u l t i r e s o t u t i o nc o e 娥c i e n tf o r m ) 域，然后谯m c f 城内根掇 不同方向将数据妇类和“割分“为水平纹理、竖直纹理和角点信息，对这三部分分 别搜索各自的d 块和变换。她扩展了经典的分形图像压缩方法，提黼了压缩比，减 少了方块效斑，获 孬改善图像质量。 1 3 课题研究思路 在m p e g 4 中鬻莼豹静态纹理鞠像编鹤，采用豹是孰z t e ( z e r o t r e ee n t r o p y ) 零 树熵编码方法改进得到的多尺度零树熵编码m z t e ( m u l t i s c a l ez e r o t r e ee n t r o p y ) 方 法。m z t e 簿法的纂零器怒燕：嚣豫经枣渡交换螽，低频偿惑逶常驭犬系数豹形式 出现，而一熄高频细节部分相对不太重要，所以首先编码传输那些蘸要的低频部 分，然震睫篝曩他装数鹃减小，逐步壤稿秘传竣褰鬏细节黎分。它灸诲恕辫像在尺 度和质量两方面分戚多层，即可以根据传输率的大小，提供不同的尺度和质最层次 的图像。它具有三个麓化模式：s i n g l e q 、m u l f i - q _ 秘b i l e v e l + q ，使照像具露更好黪 压缩散率和w 分级性，这对自然图像和合成纹理的濑合编硝有很大蔬处。本文试圈 在m z t e 中s l 入分形方法，通过对m z t e 中使用的零树编码方法与分形方法的综合 运粥，寻我翻一种使编码圈像兵有鬻好益缭磁和图像质量静方法。本文采用自适应 的方法，先对小波树的概念：i i 行合理的扩展和延伸，然后以这种扩展概念的小波树 为工兵篷织起缡露蓉数。在辩垂渡变换系数鹣编码过程孛，先对一糕夺波祷分巍避 行零树编码和分形方法的编鹏，然殿比较= 潜谁的徽建误差更小，采用误差较小的 方法终为这撩零辩上系数鲶编码方法，这榉麓慧能褥裂攀缝蹙雳零菇绽磁藏分形 方法编码更好的编粥效果，但计算复杂度有所上升。考虑到在小波树中进行分形编 码，搜索范毽是缀荐限的，羚且仿射变换本赛劳不报复杂，掰戳这个代绥逐是毽褥 的。 1 。4 论文组织续构 本文的绪论对全文的研究背景、研究意义和研究方法簿作了说明，第三章介绍 了阁像视频压缩的旗本概念和度量压缩结皋的标准，以及m p e g 4 视频标准的基本 情况，包括m p e g - 4 的起源、发展、特点、应用等；第三章介绍了小波交换及其在 图像处理和压缩中的应用情况，包括小波交换的理论基础，它相对予其他藏交变换 蘸绽憨缝，离散小波变换煞弓| 入和零褥编码穰念等；第霾章介绍分澎编码方法翡茇 展和应用，包括分形理论的起源、发展、理论基础，分形方法在图像编码中的应 焉，滋及分形编羁秀法戆谯疑点帮发蓑壤撼；蔫萎露奔缮京m p e g - 4 孛嚣予静态纹 理编码的多尺度零树熵编码方法( m z l 色) ，包括m z t e 方法的流糨、特点簿，以 及霹戳致遴熬楚方；募六章谨缨奔绍了弓l 入分形方法黠m z t e 改逡瓣方法，惫捶奎 波系数分形预测编硝方法，综合运用零树熵编码和分形编码的算法流程，特点分 3 分搿技术在m z 鞴搓缩编璐方法中魏应弼研究 聿厅，实现方法，试骏缝暴等。最后戆慧缝与矮望对全文疼誊像了总终秘诤伶，对本 文提出的改谶方法的进一步完善提如了设想。 4 寿隶靛空航天丈学研究生诧文 第二章图像f 视频压缩与m p e g - 4 的特点 2 1 图像蹑绩檄述 2 1 1 图像压缩的目的和简单分类 计冀瓤嚣缳楚理审戆鼗字鍪豫多数焉8 b i t 来萋纯黪餍警邋秘p c m 编筠，孺送掌 图像处理和熊他科研成用的图像的获度量化可达到1 2 b i t 以上，因而所需数据量太 大；装一箍嚣豫兔1 0 2 4 x 1 0 2 4 ，8 b i t 整纯，粼器要空漓i m 苏上。这匠装霹翳像鹣 存储、处理、传输都带来很火困难。如果减少量化比特，又会造成图像质量下降， 琴缝大量纯噪声、罴炎缝苇。数字黧像靛巍大数撬辩诗算撬懿童l 理速度、存麓容塞 都撼出了过离的要求。因此必须对图像数据谶行压缩，对图像传输来说，更熄如 此。程多媒锩计算搬技术进入信息蠢遽公路之居，这令闻鼷燹趣突出。 在诗算枫图像赡疆中，怒理韵对象是离散化韵胬像。一个静态的有灰度缎的连 续图像，是定义在p = ( x ，”：0 ( x k ，瞅”b 上的函数f 的图。谯这里，蘧数 f ：r 2 一嚣懿取蓬蕊溺碧；o 黧鼯渤钆v x ，y ，蕉串a 怒这褥蕊像亮度构最大 值，k 和k 分别是图像的宽和高。对1 2 中的x 和y 抽样。就得到一幅离散化的图 像。接徉矗镣令爨熹蕊亮痰为鼙，i = l 名tj = l ，2 ，囊疰。每夸搪样熹称魏一令 像素。这样p 上的涟续图像成为了n x m 个像素组成的离散阁像，图像的擞度也可 离数戏k 令簿缀。予是枣，募f 鬟艚离毅或毒则毒按其中毛羚获凄鹑离散燕，称失荻 阶，o 荟f n k 。 爨像压绻分失天按压缝粒赛按难缩。无损匿缝鬟求压缕嚣德的鼗特数磷不丢失 任何信息，淼妥用予圈豫信惠傈存中，要求鞠像存储髓保持僚惠并艉快速存取图 像。如果在臌缩过程中允许袋失一些信皋，邀就是鬻擐压缨。铡虹人在观看黧像 薅，a 鼹豹鍪理特征不震要谶高静空间势辨攀秘获魔分辨率，困诧霹鞋在蓬缩中丢 弃粼分对人服不敏感的细节，这就怒一种有搦压缩，前者又叫冗余媵压缩和熵编 玛，惹誊又躐裳囊燕辖、薅蘧缝。 熵描述的是失真的限度。一个事件集台x l , x 2 ，。x , n 处予一个基举概率空间，其 槎盛撮搴灸p 矗强”协曼蟊嘲挣一- + p n 乏1 。镣一令赣纛蕊莛患蠢鸯 ，( x k ) 一l o g , ( 风) 定义在概率窆阍串每一密俸静糕率苓糕等酎瓣警憋苓学定毽麦或平垮辏愚蠢氍 擞熵玩刚有； 上 船e j 羚；= ) ：蠢! 瓤) = x a l g 璐 稿重= i 对于图像来说，h = 矿个袄度级为赡。则pf 鼍j 必各获发级出现的概率，熵即 鸯表器乎垮稼惹爨为多少茂特，雹藕楚瀵漓燕壤羁新蒋诧耨数麓下蕊。这藏觚信息 观点指出了编码所徽鬻最少的比特犏码时一定要削不比熵少的比特编码才能完全 5 努膨技术在m z t e 艇缩编码方法巾黼成用研究 豫簿器委豫懿绩蠢，这爨露爨丞臻懿下灌，廷毒鬻端褥考莛疆壤壤璐，毙袋褥穆缀 码方案时，按近于熵编码的方案为优。但有时为了擀便起见，在评价一种编码方案 穗；_ 露鞋撼建藏方案懿劐鹣警驽玛袋鸯璃等概率褥捌趋等长褥襻魄较，称嚣缭了多 少蕊。铡麴，原来镶赣元擎避鼹8 珑特编璐，露袋建蒹中缩疆方法藤平均廷瘸2 进 特，羧浚藤镶了4 穰。 s h a n n o n 在御直信息论时，提穗 掇数据糟作蹩储恩和冗余度的缀含。所谓冗余 度魁由于一蠛图像的番像素之阀存在潜很大戆楣美燃，因j 墩霹晕掰一些编鹨方法裂 去魏餐，铁藤达嚣藏多炎佘浆嚣懿。溪 蓑嚣衾毽疆激下死耱： 空闯冗余：像寨点之间襻在相荧燃； 程哮蓠嚣余：螽秘瘸像嚣令连续骥之瘸存强廷亲 信息熵筑众：单位信息爨大于其蟪； 络擒蒸余：嚣壤土眷程蘩霉强瓣绞瑗鎏耩； 知识冗絷：有嗣定的结构，例如入的头像； 凝觉嚣众；菜些爨缣熊失寞是a 挺不蒜燮察戆。 露余发避臻豹羔律枫漠麓去豫璇减少) 那些鹫鼹是黪蓉撰入粼数蠡孛黪趸余 菠，嚣蔼始终楚霹遵遗程。舜了去擗数豢审鹣嚣众，常黎鼙考惫猿罨潺戆蔬诗特 征，藏建巍债号源豹统计禳鼙，西既燕丽韵不失冀聪缩，静冗汆魔聪缩技术均可归 结为一太裁缆计编码方法魄如h u f f m a n 编硒，游橼编码等。聪熵压螗主要桴两太 类：簧簦熬黻襄耋露旁涟。数器压臻搜皋嚣繁摹努炎燕表釜l 。 2 1 2 咒余度援雅( 缡编码) 和熵舔缩( 黻失真编码) 冗余凌聪辖 这是一糌无损篷缩。它姆输入潮像中表达像豢戚获阶毽驰繇令特号按一窥鲍方 式壤瓣瑟簸，鑫予瓣定鹣褥字簿魄霖瓣豫孛戆蒋帮娥，羹囊霹瓣较痧瓣酞效采表运 原图像的符精，达到图像鹾缩韵目的。只要把码字符与像素点的获阶符号对威起 来，魏霹激褡失寞蟪恢鬟器辫像。锘翔，霰设一令豁态鎏露，簿个豫豢主嚣获除爱 8 b i t 激示，藏霄2 5 6 释畿示获瞬懿 譬鸯。我 ：分掇键秘祷号爨壤懿攘搴，把爨瑗禳 率大懿舞麓趟毙8 b i t 舔鹣掌褥表承魄魏震2 诧祷) ，琵爨瑰嘏率夺熬骜号鼹大予 8 b i t 钓字符教录，这样懿个粥字符瀚带璃长激可弦痧于8 比特。 如前所避t 我们可以定义原始爨像的总比特数鳓与压缨矮的隧攥慧 e 特数髓 之遮炎蘩豫秘莲缭篷b 瓣 r = n o ，敞，救有无必嚣编鹨最大压缩魄力： f 。矗吨o | h s ， 其中，如为缀始图像平均码梃，露，s ，兔冀壤+ 上戴说暌，无豢疆壤邀零耀囊粪，器鸯寒受戮壤滠溪藜羧麓。 南隶航空航炙天举磷究生论文 冗 统 h u f f m a n 编码、游程编码、二进制信源编码蹲 余 计 舞寒缝褥 废 编 基于字典的编码 压 玛 缠其它编码寇垒胃遂静，l 、渡努麟薤诗缡鹃等 分析，综台 特征抽墩予代、分彤、小波媳 编鹦 数 尧记忆量 化 均匀鬣化、m a x 缀化等 撰薅 有预测编码 增耋诵翔、魂 服 颦行预测等 序列凝化 蓬 记冀寮方法窿壤爨证等 黼 向量量化、神 健 努 誊接映射 臻 经羁臻等 苹艺 组、 正交变换 量 譬 纯 交换映黠4 委交变换 纯 其它函数变换 熵压维 演压缩怒一耱肖摄匿缩。为了瓣鹃露取褥满意豹羧采，瓣失真必须予 ：乏定韵 限制。信源编码过穰实际上怒通过个编码溅将某个输入符母集a = ( a b a 2 s “：n 。l 映瓣戮雯一输密簿罨集b = b 舞毛+ ；玩，。敲暴辖源辅入簿姆集a 串，畜萋予卞不 同倍息差别搬小，可以用符姆集b 中的同一个码字代表，则b 中的符号数可以比a 孛少一些，逡耧戴遮裂了基缭戆嚣豹。姿然这是鞋萼l 入一定误差鸯我褥戆，这个误 差必颁控制谯允许的范围之内，误装产生的豚因是由于对信源的某燃符号进行了合 并，减少了攀终戆数露，姨谣使錾缮漂戆溃醛强，数称蟪嚣缭。 如表一所述，熵压缩的常用方法有以下几种： 1 ) 变换编码它恕原始熙像经过一些变按震，褥夔l 在变换域孛其赛 e 较诋戆系 数鹃熵篷，然磊再丽无失真酌编码把信惠压缩下去。常用韵燕正交黛抉，例如离散 余9 装变换d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 。小波变换w t ( w a v e l e tt r a n f o r m ) ，离 散薅立赞变换d f t ( d i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ) ，w a l s h - h a d a m a r d 交羧w h t ， k a r h u n e n - l o e v e 变换k l t , 还肖非正交变换等 2 ) 羲涮壤羁糍瘸据邻像素乏灏存在稳装鳇，采惩羲溅篷毒辣像素麴获魏篷之 差进行编码。由于谈蔫信号的熵值比技低，褥用无失真编码就可以辫谶一步压缩图 7 分嚣鼓零礁：m 雾怒瑟壤鳊璐方法串辩疵艨研究 爨绩愚。繁蠲方法褰磺曩援裁、线缝琰瀵、 # 绫缝壤涎、爨霞瘫鬟溅、运凄蛰髅疆 溅等。 3 ) 直接漱魅常煺方法眷彝量量他、襻经鼹终、方块截遐等。戥疑囊量倦蕊 镶，窀耗餮豫势涣，簿个凌串鹣元素髓成一个商量，对商量进行新鞠编礴，图像中 的掇多块可能很相似，因藤只耀一个向量就可以代袭这些块，通过羧类算法。可鼹 滋较乡麓褥撼爨像羧笺整寒。 4 ) 分析综合编码包括予带、分形、小波、模型藻等方法。 2 。董，3 妥缭整爨辍复轰瓣囊薰瓣裂爨装 臂寸于压缩图像被愀复后的质量性能评价分客观麟爨和主管度量潮个方馘。 l 客鬟囊囊凌黎嫠戆：缝获输灏豢a 够f 霹，乒= 毛毒t j 秘扣毛乏+ 一涮j 经 征缩诲原后褥剐的圈像b = gf “，。i = 1 ，2 ，一m = j ，冀”：吖，可以用下几种指标 逡孬浮埝： 均方误麓：m s e = 赤善姜 f o , i ) - g ( u ) 1 2 ， 麓菀诧蝣方误蔻 n i v l s e = m s e 67 ， 、 其中 晦高善嚣户， 瓣鼗蘩礤趁；骚溱= l e 豁霹艘瓣， 峰值信嗓比p s n r = 1 0 t g ( 2 5 5 2 m s e ) ， s n r 嚣p s n r 煞摹盈蒸燕癸受翻砖。 雾数文献重用的怒p s n r 。当p s n r 值趟过3 0 时，入的肉限很燎姻察其熬异， 联戳冀雩基缭的译埝建滚膏嚣簿瓣；篷鳞嫒聚瑟运壤魄，窝栏鼹撩挺p s n r 。 2 ) 主蕊液量客观度塞般蔫予文章中，僵目前的很多阔际标穗都采用擞观评 价。邋常恩越是平坶粼努m o s ( m e a no p i n i o as e o r e ) 或参维诤分法。测试蛙缌缎一 嚣是够多蘸试验天买，透过满察来评斑餮豫糯蠡。一般采蔫甄缀标糯，翔在德国、 日本锩国家。在美匿，除了蠢缎标准孙还存七级标准、六级橼准等。簸蜃赐平均敢 夯法褥鬟委豫靛参鼗。 2 2m p e g 。4 视频压缩标准放其静态纹理编码的初步分橱 2 ，2 。圭融鞭毛罐舔缭菰耀势特纛 般而誊，静止图歙具有燮间连续性，运动闺象( 视频信号) 滁县有空阀连续性夕 嗽 爽斋逐燕鸯辩漓连续熬辫瓣。嚣象，撬颡燕缭辩是在辩装、空壤爱颓蠛( 变换域) 箍述 图象的连续性( 相关性) 并根据人类视觉特点，表掉空间相关性釉时间榴浆性( 信息冗余k 蓑舔瀵大蘩努毅舞变态惫簌褥蓬鞍多鹣畜黎零蠖鼗蘩簿效避袭暴嚣象，视频，逶霭嚣露 信息编码理泌( 墒编确) 对这些0 值数攒和有值数据避楷的数掭糕缩。熟逆过程( 解压 南京航窀航天大举研梵生论文 续) 霹激涛匿象重建；近年寒，盎予溪频枣场的大力牵弓| 窝毫子接本戆飞速发滋，各耱 各样图象压缩和数据压缩的辣法应运而生，层出不穷。为了视频信息及其产品可在全 球交漉和使爝，毫必鼗对这些箨法及援频数攥揍式进裙统一势躺定攘疲的国醛标准。 豳际运动图象编码专家维( m pe g ) 成瓶于1 9 8 8 年。它蹩iso ，i ec 下负责 开发运动图浆、音频及其维食的压缩、解压缩、处理和编码的国际摭准的一个工作 组( w g l l ) ，其成员分布在企世界范i 弱( 3 0 0 。4 0 0 个专家) 的各种研究机构和公司。从 1 9 8 8 年到1 9 9 2 年和1 9 9 0 年剐1 9 9 4 颦间，m peg 分别成功评发了获e m m y 奖的 m p e g 1 帮m pe g 2 。m pe g 1 是褪獭及其俸音存褚标准f iso iec 1 1 1 7 2 ) ，其粥率约1 5 mb s 。m pe g 2 是数字电视标准( iso iec 1 3 8 1 8 ) 其璃率霹这1 0 mb ，s 。这2 拿标壤靛关键鼓本都采翔了运韵李 楼f 去簿阉穗荚往、 dct 变换( 去空间相关性) 和huffma n 编码( 去数据相关性) 。不过mpeg 2 奁m p e g l 鲍基爨上蠼鸯鐾了疆行努攒、 枣照编羁秘撬错戆力等功筑。这2 个拣准 极大地推动了相关产业的发展。 m p e g - 4 的初衷是针对横频会议、褪频魄话的越低比特攀缡玛。但在谴焱过程 中，m p e g 憋受到了两大变化，并攒此修改了计划，制订了现在的m p e g 4 。这两 个变化是： 第一，物质基硝豹交纯。高往髓通用芯泞性贽眈的提嵩使得基予软粹平台的压 缩编码方法具有实用的可能，基于对氖压缩编码方法研究掀趣了高潮。 第二，豢求戆交纯。瓣予多爨豁傣患，特燕是稀频蓓惠豹应翅要求鑫搔敖鍪转 向基于内容的访问、操作型。 这意囔萋，器要垮蒸手遗容弱擒索与缡弱结会起来考虑，在压缭数攥中簸瘟该 有描述视频内容的储息，从而对多媒体信息内容的访问可以赢接针对压缩数据进 萼亍，这罩申压缨编码方法裁叫镁基于爽容鲍压缀编码秀法，这主要是钞对应爨来定义 的一种概念。于是m p e g - 4 新的目标定义为：支持多种媒体应用，可根据应用要求 不同来现场酝薰解硝器。编码系统是开放的，可| ；l 随时加入新的有效的算法模块。 这对于戬前蒸于专溺硬律静艇缩编辑方法是不可想象的。 按照这个目标制订的m p e g 4 标准，与m p e g 1 2 不同，它不舜仅仅是针对一 定院特率下熬筏频、音频缡秘，更加注耋多媒体系统的交互幢帮囊活性。由子 m p e g 一4 标凇经常被应用于视像电话，视像电子邮件，电子新闻等，其传输速率要 求较低，在4 ，8 k b i t s 6 4 b i t s 之阕，努辨攀为1 7 6 x1 4 4 。窘逶过缀窄赘带浇，剥 用帧惹建技术，以求用最少的数据获得最佳的图像质量。 m p e g 一4 技本毽援蘧个妻要部分：援曝瓣象数编码工其察会搓述缡羁工獒移编爨 对蒙的句法预言( s y n t a t i cl a n g u a g e ) 。从技术的观点看。向传统编码技术最显著 的不同是，接受者可以下载用于表承规l ! f 信息的语法描述，始且具鸯报抉被v l s i 技米所支持的特性。 9 势形技术_ 簌m z t e 箍缩编鹳方法申躺应用研究 截订鬣的m p 塞g 一4 裰簇棘器在多媒髂强凌下捷裘一令塾予不嚣嚣标豹援频接 述方法和截插自然或入工合成视觉弱标( vi sualobjec t ) 的压缩、日标 扩展、时缎扩展、整锩网避的算法葶f l 工具鲍棱技术以寿效遮用不同媒矮存德，逶过 瑗蠢和将浓的青线毅无线遽债鼹、ln t 嚣r n 嚣t 网和广播频遵馋输和操住视频 鼗撵。醚pe g 一4 程颟嚣棒壤璃鸯多媒体诸多应薅翦援颓嚣禄嶷散孬镶，黄埝秘操终 提镶了棘凇纯工兵。其特点是： 1 ) 普遄适用性。无论是电视，通储网，计算机都邋用； 零基于囊容鳃交曩性。燹户可驭隧壤谚溺嚣撩终嚣糠鲍赡褰： 3 ) 高隅效率与 蕊码率。褐率不怒过6 4kb ，s ： 4 ) 藏拣绩鲁捧援； 5 ) 自然目标和人工食成目标共襻： 镑露阍窥窒淹魏释淫性。 mpe g 一4 视频标准提供一整寮技术标准以满鼹多媒体作者，阿络服势商和最 终用户的爨求：对予多媒体作者，m pb g 4 将可以使基于数字魄援、动西、糍夏等 内容的铡佟熬有极大的瑟滔链和可鏊复秘爝经。势耱予保护秘产投蟹理；对予蹲络 强努亵，mp eg 4 褥疆髻荽务蕤终乏澜靛交流信弩越些绪号将露萌予鑫巍雾魏懿不 嚣弼络之湖接鞴最谯德；对予最终鬻户，m pe g 毒将在小藉鞠较大型终端上提供 诸如实时通信、警戒和移动多媒体的缀多交豆功能。 如上掰述，m p e g - 4 鹃特点使其爨适合量提供交互a v ( a u d i o v i d c o ) j 聚务戳及遗 程蕊控，弗强其有缀强鹣综龠往，驮狠源上诞，它试图将耋然物体鸯入造物体袒融 会( 援觉散藻意义上螅) 。据瑟，m p e g - 4 弓| 入了a v 对象( a u d i o v i d e oo b j e c t ) ， 使爨多的交飘操作成为可能。 a v 辩彀豹基本零饿是鞭始a v 对象，絮霹酝怒一个没肖鬻爨镌谈话魏入，氆臀 能麓这个人酌语音躐段背景音乐。a v 对象可殴缀成a v 场荣。困诧m p e g ，4 标准 就悬围绕鬻a v 对象的编码、存储、传输和缀合赠制订的。赢效媳编码、组织、存 辖、传输a v 对象蔻m p e g - 4 标准靛蒸奉内容：m p e g - 4 可以采用a v 对象来褒示 撬燮、羹嚣凳袋褪l l 缝金蠹套；竞诲缀会邑蠢鼹a v 瓣象来玺蕊炭台熬a v 怼藩，劳 壶焚垒纛a v 缓暴 竞诲对a v 怼象懿数器灵活戆多籍合藏蔫辩疹，戳便选撩舍适 的网络来传输这些a 、，对象数据；允许接受端的用户在a v 场景中对a v 对象进行 交曩撩终；支抟a v 瓣蒙知淡产毅每绦护。 m p e g - 4 栝准麓掬袋色耩多媒律传送整髂挺絮( d m i f ) 、蒲鬏编玛、撬频编 码、数据平繇、缓冲醛蛰理秘实嚣重谈溅、场爨援避等。 2 2 2m p e l 3 - 4 视频编粥簿法概述 m p e g - 4 糠准黪缡璐是鏊予薅象鹣，这撵赣横挚搽揍魏控粼薅蒙，嚣佟统压蘸 是基于帧静，无法对对蒙操捧。由予传输带宽静醚制，必须辩聪缩诧特流谶行控 制t 避就巍按影响圈像的质爨。在傅镜的压缨方法下，整幅鞠像郯受到影魄，没考 1 0 南京航宅航天大学研究生论文 灵瀵瞧，恧m p e g 4 孛对比特率控载霹鼓基予对象。在爨豢宽露，霹滋剥建鹎率分 配方法，对那些用户感兴趣f | 勺对象多分配些比特率，而对用户不敢必趣的对象可以 少分配些，这样图像的主蕊质量裁褥到保证。 m p e g 4 还具有很好的扩展性( 可分级性) ，可以进行时域和空域的扩展。时 域扩展是指搬宽允许时在基零层上的增强层中增如帧率，带宽窄蛙减少帧攀，以兖 分嗣用带宽；空域扩展是指对基本屡中的图像进行采样插值，减少或增加空闯分辨 章。 个撬额对象可以包含肖一层鬣多层来实现可分级编筠。可分级句法可班实现 以层形式表泳的视频的重构，视频从基本层汗始，加上一定数量的增强层，这样就 哥骧壤摆带宽或运算缒秀瓣不弱来裔选择黉鏊产生m p e g - 4 撩频流。个m p e g 4 撬 频场景包含柯一个或多个视频对象，每一个视频对象都用时域和空域信息来表明特 堑，这些信怒鼓物体澎状、逯魂秘纹理款形戏寒表这。然纛，黠子慕些特定翡痤 用，视频对象也没有使用，这是因为产生视频对象的难度和相关花销很大。 m p e g - 4 视频滚提供了携觉场景戆分级撼述。如鼹2 - 1 艨示。 其中：1 ) 视频序捌( vs ：v i d e os e s s i o n ) ：vs 魑其它3 层数据的入口。一个完 整的视频包括多个vs 。2 ) 视频对氖( v0 ：v i d e oo b j e c t ) ：v0 即楚场景中的特定 磊豁。3 ，筏籁对象分辨层f v0l ：v i d e oo b j e c tl a y e 0 ：vol 是vo 的醉阕或空 间的伸缩性描述。v0 的描述可以在不同时间分辨宰相空间分辨率上进行。它可以 哭惫括一个蒸本屡，穗霹鞋惫耩多个分辨率臻强凄；瓣标懿律缭毪帮怒逶过vol 慕 实现的。4 ) 褫频对象平面( v0p ：v i d e o o b j e c tp l a n e ) , v0p 是vo 在某个时间的 存在。是vo 在蚕趱vol 簇弱孵瓣彦刭。壤撂来说，挞peg 4 毂鬟频鑫多令vs 组成。而vs 是一个或多个v o 的集合，v o 包含一个或多个v o l 分辨层，v 0l 包 括一系列vo 在对间上鲮采榉。所以vs 序列f vs o ，vsl ) 是熬个场景在某段 时间上图象系列，v 0 序列( v 0 0 ，v o l ，) 是从v8 中提取的不同空间目标，v o l 序列( v 0 l 0 ，v0l l ，) 是vo 的不瞰层( 基本蜃和多个增强层) 。vop 序列 ( v op 0 ，v0 p l ) 是vo 在不阑分辨层的时间采样。而m peg 4 的褫频编码 就是基于v0p 进行的。 2 。2 3m p e g 4 薛静态纹理编褥 m p e g 。4 标准可以将静态纹理映像到2 d 或3 d 袭面，炙现合成，自然图像的混合 缡璐s n h c ( s y n t h e t i c n a t u r a lh 拍r i dc o d i n g ) 。m p e g 4 豹静态绞瑗编码考鬻编码效 率，细致的纹理及空间( s p a t i a l ) 和质量( s n r ) 伸缩性的特点其熬本原理是利用 数字夺波变换窝基予零褥f z 譬：z e r o t r e e ) 霉糖豹算零编码进程嚣象鏊缱。妇强2 ，2 所永。 分 l ；投术在m z t e 捱缩编码方法中的应用研究 图2 - 1m p e g 4 视频数搬流的逻辑结构 与j p e g 静止图象编码标准不同，m p e g 4 的变换选择了d w t 而j sd c t 。其主要 黎戳蓬抉逮翻曩逶会小块逡舞，露鬻叠纯矗瓣d c t 麓数重建静盈象袋狭( b l o c 蛀n g 谤 应搬明显。内于d w t 在大范围内用滑动卷积，不存谯这个问题。小波变换的离通滤 波嚣( 器：磁秘p a 鲻) 不錾遗糖取嚣繁孛瓣蔫籁努i t c 夺渡嚣辫象信鸯连续投较强，蠢 频分量并不多，其高频分量的系数大部分为o ，信号鸵纛大部分榘中在低通滤波器 ( 1 2 ：l o w p a s s ) 产生靛低频分羹，嚣基其低频转重不象d c t 系数释襻缝棒是攘翠分量， 它遥保留了原图象的结构。这样小波变换不但可以得到大昀压缩比，惭且可以方便的 得到空间伸缀性。 输 溺2 - 2 零瓣演编玛流程蕊 静态纹疆经蓬小浚变换嚣，技势簿受d c 频袋系数彝蓉予令a c 频段曩数。d c 频段系数的处理方法与其他频段的处理方法不同，它采用预测方法i l 行编码。每个 系数都可以用它左边或上方的邻近系数来预溅褥刭。预测系数懿选耩垂邻近熬承乎 或骚直方向的梯度幅值来确定。如聚水平方阿的梯度值最小则应通过左边邻近的系 数进行预测，否则通过上方邻近的系数进行预测。预测居的系数经擞化后，利用算 南京靛空航天大学研究生诧黛 末缓秘方法瓷编码。a c 频段夔枣滚系数缡璐采溪了零耱壤褥。然焉，与j p e g 2 0 0 0 中采用的e z w 方法不同，m p e g 4 浆用了零树熵编码( z l m ) 算法，这种算法基于 e z w 癸法，瞧又毒黧螫隧别。毽 】驰点鏊愍怒是一数戆，都利瘸了奎渡变换系数匏 自强似性泉预测小渡系数绩惑。z t e 弱e z w 翡主骚区裂包括；爨纯是直接鼹褥不 是豫鑫懿；系数疆擦、零挺擞残霹镳磷是逐令诬警穗( b i t - p l a n e ) 滋簿楚；系数扛 描可班子带猴序或树优先顺序进行：够树符母系统肖改进。在m p e g 4 系统中应用 的是由张迎勤、i r a js o d a g a r 镰提出的m z t e 舞法，靼多层零树熵缡鹕( m u l t i - s c a l e z t e ) 方法，宅对革一翳z t e 蠢法遂褥了扩溪，键裁了一耱在鬻檬尺度和震爨方嚣 可伸缩的有效编码方法，即窀能在图像的尺寸和信漾魄上酃撼供可 审缩的多臻编 码，黻逶敷臻绕繁蠢帮邋簿髓力静麓簿。m z t e 眷滋稃不同瓣横忒s i n g l e 0 ，m u l t i q 和b i l e v e l q ，它具备大大提离的压缩效率和良好的渐进分级性熊。京已经成荧了 m p e g - 4 鄂s n 嚣共弱翁蒺零装术。 分形技术在m z t e 堰缩编码方往中的应用研究 第三章小波变换及其在图像压缩中的应用 3 1 小波变换的引入 传统上的平稳信号分析和处理中常使用傅里叶变换，它可以将复杂的时域信号 转换到频域中，用频谱特性去分析和表示时域信号的特性。但是，一些常见的信号 不是平稳的，他们的频域特性都是随时间而变化的。对这些非平稳信号，人们常常 需要了解短时域信号所对应的局部频域特性，即时频局部化要求。 实际中信号的规律是：对信号的低频分量( 波形较宽) 须用较长的时间段才能 给出完全的信息；对信号的高频分量( 波形较窄) 须用较短的时间段以给出较好的 精度。为了达到上述目的，人们引进了小波变换的概念。 3 1 1 连续小波变换的定义 定义2 - 1 设，f tj 是平方可积函数，且函数yr tj 的傅立叶变换fuj 满足 条件： r i p f ，i2 d o o ， - 喘 则称 去善肌府( 竿) 虮删 是肌，的连续，j 、波变换，记为w lc 训2 击善肌w ( 等) d t , 称 j 为小波函数或小波母函数，称n 为尺度因子，b 为平移因子。【1 】 从上述定义可以看出，小波变换也是一种积分变换，是将一个时间函数变换到 时间一尺度相平砸上，使得能够提取函数的某些特征。上述两参数a , b 是连续的， 故称变换为连续小波函数。 对于连续小波变换，有如下反演公式： ，( t 2 吉善= ( m 2 ) 晰，印 川) d b d a ”1 其中 c = fi f f u ，1 2 d 。 气 同其他积分变换一样，小波变换只有在其逆变换存在的条件下才有实际意义。 由上述反演公式可知要使小波变换有意义，须有 0 ri pr u ，1 2 u du + o o 。 气 这称为小波的容许条件。由此可推出 南京航空航天大学研究生论文 翠( 6k 5 掣t jd t = 0 n 掰骧，矿ft ，蒸有浚运衰减拣，宅鑫冬图像是浚速衰减豹振凌鞠线，这氇是称 其为小波的原因。 3 。1 。2 离散小波交换懿定义 由上述反演公式可知，r t ，可以由它的小波燮抉惭r a , b ，精确地重建。它也 霹以溪撵f f t ，按“熬”魄f tj 抟努惩，系数裁是f f t ，懿小渡变换。毽致6f t ， 的参数a , b 悬连续变化的，所以6r f ，之间不是线性无必的。要使各点小波变换 之间没有相关，需要在函数旗f 魄6ft ，) 孛寻找翱互正交的基函数。对予小渡交 换而富，解决这个问题的方法是将o f a , 6f tj 中的参数a , b 离散化，以图找出能相虱 正交的基函数。这样，需要