（计算机应用技术专业论文）基于dsp的图像压缩系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第i 页 摘要 随着图像压缩技术的发展，使用一般的压缩系统处理后的图像信号带宽 大大压缩，可以在般的通信系统中传输，例如现在的会议电视、可视电话 等。但这些压缩系统设备复杂，价格昂贵，仍需较宽的频带。在很多实际使 用时并不一定需要活动图像传输，能在秒一级内传输一幅静止图像就可以了， 例如无人值守的仓库、机房、变电所等。在这些情况下需要轻巧灵活、使用 方便、成本低、图像清晰的图像压缩系统，并且可以利用网络传输图像。尤 其是随着网络技术的不断发展以及不断普及，采用基于网络的图像压缩系统 就成为一种实际的需求。本论文就是基于这种需求设计并实现了一种基于 d s p 的静态图像压缩系统。 本文主要研究了对视频图像进行采集、压缩、传输的软、硬件实现方法。 设计并实现了一个以t i 的t m s 3 2 0 c 5 4 0 9d s p 为核心的视频图像压缩系统。 该系统是一个独立的视频图像压缩和传输设备，它能直接对电视信号进行数 字化和压缩编码，并通过咀太网控制器将压缩的图像数据发送到网络中。 论文详细的介绍了该系统的软件实现并简单的介绍了该系统各部分的 硬件实现，着重对视频图像采集、d s p 应用系统电路设计、j p e g 编码算法 的d s p 实现等问题进行了比较系统的研究。j p e g 算法能否满足实时应用关 键在于8 8 的二维d c t 的计算速度，因此论文中介绍了一种快速d c t 算法 m 1 。o e f f l e r 算法，并给出了l o e f f l e r 算法在d s p 上的优化实现方案。在此 基础上提出并实现了一种基于d s p 的d c t 快速算法。通过与l o e f f l e r 算法 d s p 优化实现方案相比较，基于d s p 的d c t 快速算法大约节省了1 4 的时间。 关键词：d s p ；图像压缩：j p e g ：d c t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第ii 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi m a g ec o m p r e s s i n g ，t h eb a n d w i d t ho fi m a g es i g n a l p r o c e s s e di sl a r g e l yr e d u c e d t h es i g n a lp r o c e s s e dc a nb et r a n s p o r t e di nr e g u l a r c o m m u n i c a t i o n s s u c ha sv i d e o m e e t i n g v i d e ot e l e p h o n e e t c h o w e v e rt h e e q u i p m e n t so f t h i s i m a g e - c o m p r e s s e ds y s t e ma r ec o m p l e x ，e x p e n s i v e ，a n ds t i l l n e e dm o r ec h a n n e l sa n di ti s e n o u g ht ot r a n s p o r t a 1 1i m m o b i l ei m a g ei no n e s e c o n di nm o s tp r a c t i c a lc o n d i t i o n ，s u c ha saw a r e h o u s e ，t r a n s f o r m e rs t a t i o na n d s oo n i nt h e s eo c c a s i o n s ，i tn e e d sav i d e oc o n d e n s a t i o ns y s t e mp o r t e da n dc a n a t t a i n c l a r i t yi m a g e sa n dt r a n s f e r i tw i t hn e t w o r ki nt h i sc i r c u m s t a n c e i th a s b e c o m ea ne f f e c t i v en e c e s s a r yt or i s et h ev i d e oc o n d e n s a t i o ns y s t e mb a s e do n n e t w o r k ，e s p e c i a l l yw i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp r e v a l e n c eo f n e t w o r k t e c h n o l o g y t h et h e s i si sb a s e do nt h i sn e e dt od e v i s ea n dc a r r yo u ta ni m m o b i l ev i d e o c o n d e n s a t i o ns y s t e mb a s e do i ld s e i nt h i st h e s i s ，as p e c i a le f f o r tw a sm a d et or e s e a r c ht h e s ep r o b l e m ss u c ha s g a t h e r i n gt h ev i d e oi m a g e ，d e s i g n i n gt h ed s pa p p l i c a t i o ns y s t e m ，r e a l i z i n gt h e j p e g a l g o r i t h m s w i t hd s pa n ds oo n ak i n do fp o r t a b l e s y s t e mi m a g e c o m p r e s s i n gc a r dw a sd e s i g n e dw i t ht m s 3 2 0 c 5 4 0 9d s p t h es y s t e m i sa n i n d e p e n d e n ti n s t r u m e n t ，w h i c hc a n d o w h i t e b l a c k v i d e o i m a g ed i g i t i z a t i o n ， c o m p r e s s i n g ，c o d i n ga n dt r a n s m i t t i n gt h ec o m p r e s s e di m a g ed a t at oh o s tt h r o u g h t h ee t h e r n e tc o n t r o l l e r t h i st h e s i sd e t a i l e di n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e mi ns o f t w a r ea n d h a r d w a r eo ft h i s s y s t e m i tt a k e sm o r ec a r ei nt h es y s t e m i cr e s e a r c ho fv i d e o i m a g ec o l l e c t i o n ，c i r c u i td e s i g ni nd s pp r a c t i c es y s t e m ，r e a l i z a t i o no fj p e g e n c o d i n gb yd s p a n ds oo n t h es p e e do fd c t i st h ek e yt od e c i d ew h e t h e rt h e j p e gc a nb eu s ei nr e a l t i m e a p p l i c a t i o n s s o t h i st h e s i si n t r o d u c e saf a s t a r i t h m e t i c ，l o e f i l e ra r i t h m e t i ca n di t sr e a l i z a t i o no nd s p af a s ta r i t h m e t i ci n d c t b a s e do i ld s pi sp u tf o r w a r da n d i m p l e m e n t e d c o m p a r e dw i t ht h el o e f n e r a r i t h m e t i cb a s e do nd s p , i ts a v e d2 5 p e r c e n tt i m ea p p r o x i m a t e l y k e yw o r d s ：d s p ；i m a g e c o m p r e s s i n g ；j p e g ：d c t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 研究背景及其意义 第1 章绪论 视觉是人类从大自然获取信息最主要的手段。据统计，在人类获取的信 息中，视觉信息约占6 0 ，听觉信息约占2 0 ，其他如味觉信息、触觉信息 等约占2 0 ，由此可见视觉信息对人类的重要性，而图像正是人类获取视觉 信息的主要途径。所谓“图”，就是物体透射或者反射光的分布：“像”是人 的视觉系统接收图的信息而在大脑中形成的印象或者认识。前者是客观存在 的，而后者是人的感受，图像应该是两者的结合。”。 从2 0 世纪6 0 年代起，随着电子技术和计算机技术的不断提高和普及， 应用数字方法进行图像处理( 数字图像处理) 进入了高速发展时期。所谓数 字图像处理就是利用数字计算机或其他数字硬件，对从图像信息转换而得到 的电信号进行某些数字运算，以提高图像的实用性。图像的数字化处理表示 使得图像信号可以高质量地传输，并便于图像的检索、分析、处理和存储。 但是，数字图像的表示需要大量的数据空间，因而必需进行数据压缩。例如， 一页a 4 大小的文档，用分辨率为3 0 0 d p i 的扫描仪进行扫描，则扫描图像大 小约为1 m b ，若不经过压缩，要在9 6 0 0 波特的电话线上传输1 5 分钟；一副 6 4 0 4 8 0 像素的彩色图像，每个像素用2 4 b i t 表示，则大约需要0 8 7 m b 的 存储空削；用1 2um 的分辨率扫描一片3 5 m m 的电影胶片，得到的数字图像大 小为3 6 5 6 像素x 2 6 6 4 线，每个像素用2 4 b i t 表示，则大约需要2 9 m b 的空间。 一张存储空间为6 0 0 m b 的c d 盘满额使用时，如果图像不经过压缩，那么它可 以存储6 0 0 页文档扫描得到的图片，或者2 l 副3 5 m m 的电影胶片的彩色扫描 图片，或者3 0 秒左右2 0 m b 的p a l 制式视频图像。”1 因此，必需对图像数据 进行压缩编码。 首先，虽然数字图像的数据量大，但图像数据是高度相关的。图像内部 相邻像素之i 脚，相邻行之间和视频序列中相邻图像之间有大量的冗余信息一 一空间相关性和时间相关性，可以使用各种方法尽量去除这些冗余信息，减 少图像的数据量。除了时间冗余和空间冗余外，在一般的图像数据中还存在 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 信息熵冗余、结构冗余、知识冗余和视觉冗余等，各种冗余就是压缩图像数 据的出发点。其次，大部分图像视频信号的最终接收者都是人眼，而人类的 视觉系统是- 4 十高度复杂的系统，它能从极为杂乱的图像中抽象出有意义的 信息，并以非常精练的形式反映给大脑。人眼对图像中的不同部分的敏感程 度是不同的，如果去除图像中对人眼不敏感或意义不大的部分，对图像的主 观质量是不会有很大影响的。 图像压缩编码就是在没有明显失真的前提下，将图像的位图信息转变成 另外一种能将数据量缩减的表达形式。图像压缩编码的目的就在于采用各种 方法去除冗余，以尽量少的数据量来表示和重建图像，从而节省图像存储空 问，减少传输信道的容量、缩短图像加工处理时间。正由于图像压缩的必要 性和可能性，图像压缩编码研究成为一个越来越活跃的领域，图像编码技术 的发展和广泛应用也促进了许多有关国际标准的制定。这方面的工作主要是 出国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ，i s o ) 和国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a l7 t e l + e c o m m u n i c a t i o ru n i o n ，i t u ) 来进行 的。 目酊的图像压缩产品现在正经历着从模拟化向数字化、网络化的革命， 并广泛应用在科学研究、工农业生产、交通运输、资源的遥感探测、医疗卫 生、空间探测、航天探测等等各个领域内的方方面面。数字信号处理器( d s p 芯片) 的迅猛发展及其性能的大幅度改善，为我们提供了一种新的图像压缩 工具，使用d s p 芯片来对图像进行压缩，即研究基于d s p 的图像压缩系统。 基于d s p 的图像压缩系统的优点表现在：第一，系统的硬件是一个处理器和 软件捆绑较为紧密、功能专一、专门设计的独立的设备，不像插卡式系统那 样易受通用计算机系统中其它软件和硬件的影响，因此性能上更加稳定，而 且便于安装、维护，易于实现系统的模块化设计，便于管理、维护并且降低 了费用；第二，由于功能单一，只要算法选择正确，系统的实时性就可以得 到保证，而且控制功能较之p c 系统更易实现且远为强大。 基于d s p 的图像压缩系统不仅符合信息产业未来的发展趋势；而且代表 了图像压缩系统未来的发展方向，蕴藏着巨大的商机和经济效益，成为目前 信息产业中颇受关注的数字化产品。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 1 2 数字信号处理器的发展 数字信号处理器( 以下简称d s p 芯片) 是一种专门用于数字信号处理的 微处理器，是继微处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) 之后出现的第三次飞速发 展的微电子技术的结晶，是高性能数字系统的核心。由于d s p 芯片可实现各 种复杂运算，因而具有高性能、高精度、高速度、高重复性和低功耗等优点。 用它完成的板卡和系统设备具有先进性、实用性、广泛性和经济性，从而掀 起了信息数字化的浪潮。d s p 芯片可以实时地对大批量数据进行数字技术处 理，从而十分广泛的应用在数字通信、图像处理和多媒体技术等不允许时间 延迟的领域，成为全球百分之七十数字电话的心脏，同时d s p 芯片在网络领 域中也有广泛的应用。目前，d s p 芯片与可编程门阵列芯片和c p u 芯片融合， 取长补短，达到了系统实时处理的功能特征和完善的功能应用：另一方面基 于d s p 内核与外围元件集成而构成的片上系统( 8 0 c ，s y s t e mo f tc h i p ) ，使 功能更完善，体积小型化，系统功耗和成本相对降低，更加适用于军用和民 用中多任务多功能的课题任务。 ， 1 9 7 8 年微系统( m i c r o s y s t e m s ) 公司的a m i 子公司宣布了世界上第一块 单片d s p 芯片$ 2 8 1 1 研制成功。1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布了商用可编程器 件2 9 2 0 ，它是d s p 芯片的一个主要旱程碑。但是这两种芯片内部都没有现代 d s p 芯片所必需的单周期芯片。自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的 发展，d s p 芯片的应用也越来越广泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一 次加法) 时间已经从8 0 年代初的4 0 0 n s 降低到2 n s ，处理能力提高了几百倍。 从存储容量来看，片内r a m 从几百个单元到几十k w ，增加了一个数量级以上。 从制造工艺来看，1 9 8 0 年采用的是4 u r n 的n m o s 工艺，而现在则普遍采用亚 微米c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上，所需设计的外围电路越来越少，每m i p s 的成本、体积和功耗均有很 大程度的下降。从内部结构看，现在的d s p 芯片广泛采用多总线，多处理单 元和多级流水线结构，加上完善的接口功能，使d s p 芯片的系统功能、数据 处理能力以及与外部设备的通信功能大大增强。 随着现代通信技术、计算机技术以及超大规模集成电路工艺的不断发 展，d s p 芯片必将会有进一步的发展。以后的d s p 芯片将朝着高速、高度集 成化、低功耗低电压、专用d s p 芯片和更加完善的开发环境的方向发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 1 3 论文主要工作及内容安排 随着图像压缩技术的发展，使经过压缩处理后的图像信号带宽大大压 缩，可以在一般通信系统中传输，例如现在的会议电视、可视电话等。但这 些系统设备复杂，价格昂贵，仍需较宽的频带，在现在的有线电话网中尚难 使用。在很多实际使用时并不一定需要活动图像传输，能在秒一级内传输一 幅静止图像就可以了，例如无人值守的仓库、机房、变电所、新闻现场、事 故现场等，在这些情况下需要轻巧灵活、使用方便、成本低、图像清晰，并 且可以利用网络传输图像的图像压缩系统。尤其是网络技术的不断发展以及 不断普及，采用基于网络的图像压缩系统就成为一种实际的需求。本论文就 是基于这种需求研究了一种基于d s p 的静态图像压缩系统，这种图像压缩系 统具有嵌入式系统的特点，集图像采集、图像压缩、图像传输等功能于一身， 体积小，操作简单，而且功能易扩展，核心芯片采用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 ， 传输的网络环境是最为普及的以太网。 本文的章节安排如下： 第一章从图像压缩的必要性和可能性出发，论述了本论文的研究背景及 其意义，然后简单的介绍了数字信号处理器的发展，并对本文所做主要工作 以及每一章的内容做了简要的介绍。 第二章简单的介绍了本文所用的部分专业基础知识，包括图像压缩编码 方法分类和常用的图像压缩方法以及图像压缩编码标准，为后面几章做了铺 挚。 第三章介绍系统的输出图像标准j p e g 算法的编码基础和j p e g 算法的基 本原理，最后介绍了j p e g 算法中使用的，离散余弦变换d c t 及其二维d c t 快速算法。 第四章介绍系统的硬件设计及其实现，除了介绍系统的核心处理器 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 外，还简单的介绍了视频采集电路、扩展存储器、扩展i o 口、 d s p 与以太网控制器8 0 1 9 a s 的接口设计。 第五章详细的介绍了系统的软件设计及其实现，包括图像采集、压缩编 码和图像传输，给出了详细的设计思想和软件设计流程。 论文最后对本文所做的主要工作进行了总结。根据在实际工作中的体 会，总结了论文工作的主要收获和所做工作的不足，指出了在今后的研究工 作中要继续深入的环节，并对后面的工作做了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 第2 章图像压缩编码的基本原理 2 1 基本概念 2 1 1 亮度、色调和饱和度 视觉上的彩色可用亮度( l i g h t n e s s ) 、色调( h u e ) 和饱和度( s a t u r a t i o n ) 来描述，任何一种彩色光都是这三个特征的综合效果。 亮度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，它与被观察物体的发光 强度有关；由于其强度不同，看起来可能亮一些或暗一些。对于同一物体照射 的光越强，反射光也越强，感觉越亮；对于不同的物体在相同照射情况下，反 射越强者看起来越亮。显然，如果彩色光的强度降至使人看不清了，在亮度等 级上它应与黑色对应；同样，如果其强度变得很大，那么亮度等级应与白色对 应。此外，亮度感还与人类视觉系统的视敏功能有关，即使强度相同，颜色不 同的光进入视觉系统，也可能会产生不同的亮度。 色调是当人眼看到一种或多种波长的光所产生的彩色感觉，它反映颜色的 种类，是决定颜色的基本特征。如红色绿色等都是指色调。不透明物体的色 调是指该物体在日光照射下，所反射的各光谱成分作用于人眼的综合效果；透 明物体的色调则是透过该物体的光谱综合作用的效果。 饱和度是指颜色的纯度，即掺入自光的程度，或者说是指颜色的深浅程度。 对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明，或者说越纯。例如，当红 色加进白光之后冲淡为粉红色，其基本色调还是红色，但饱和度降低；换句话 说，淡色的饱和度比深色要低一些。饱和度还和亮度有关，因为若在饱和的彩 色光中增加白光的成分，由于增加了光能，因而变得更亮了，但是它的饱和度 却降低了。如果在某色调的彩色光中掺入别的彩色光，会引起色调的变化，掺 入白光时仅引起饱和度的变化。 通常把色调和饱和度通称为色度，即亮度表示某彩色光的明亮程度，而色 度则表示颜色的类别与深浅程度。 2 1 2 三原色( r g b ) 原理 自然界常见的各种颜色光，都可由红( r ) 绿( g ) 蓝( b ) 三种颜色光按 匿南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 不同比例相配制而成；同样绝大多数颜色光也可蛆分解成红绿蓝三种色光，这 就是色度学中最基本的原理三原色原理。有的颜色含有红色成分多一些， 其它成分少一些。针对含有红色成分的多少，可以人为地分成0 到2 5 5 共2 5 6 个等级，0 级表示不含红色成分，2 5 5 级表示含有1 0 0 的红色成分。同样，绿 色和蓝色也可以被分成2 5 6 级，这样，根据红绿蓝各种不同的组合我们就可以 表示出2 5 6 2 5 6 2 5 6 ( 约1 6 0 0 万) 种颜色。下表是常见的一些颜色的r g b 组 合值。 表2 - 1 常见颜色的r g b 组合 颜色红色成分绿色成分监色成分 黑色0 o0 白色2 5 52 5 52 5 5 红色2 5 500 绿色02 5 5o 蓝色002 5 5 青色02 5 52 5 5 紫色2 5 502 5 5 黄色2 5 52 5 50 灰色1 2 81 2 81 2 8 2 2 色彩系统 常见的色彩系统有：”。 1 r g b 色彩系统 在实际中用的最多的是r g b 系统。计算机屏幕的显示通常用的是这种系统， 它是通过颜色相加来产生其它颜色，这种做法通常称为加色合成法( a d d i t i v e c o l o rs y n t h e s i s ) 。 2 c m y 色彩系统 c m y 色彩系统也是一种常用的表示颜色的方式。在印刷工业上通常使用这 种色彩系统( 一般所称的四色印刷c m y k 则是加上黑色) ，它是通过颜色相减来 产生其它颜色的，所以我们称为减色合成法( s u b t r a c t i v ec o l o rs y n t h e s is ) 。 3y 1 0 色彩系统 y i q 色彩系统通常被北美的电视系统所采用( 属于n t s c 系统) ，这旱y 不 是指黄色，而是指颜色的透明度( l u m i n a n c e ) ，即亮度( b r i g h t n e s s ) 。其实y 就是图像的灰度值( g r a yv a l u e ) ，而i 和q 则是指色调，即描述图像色彩及饱 和度的属性。r g b 与y i q 之问的对应关系如下： 鬣黑剖闰 i 9 f 0 2 1 1 一o 5 2 3o _ 3 1 2 fl 口f 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 4 y u v 色彩系统 + y u v 色彩系统被欧洲的电视系统所采用( 属于p a l 系统) ，其中y 和上面的 y i q 色彩系统中的y 相同，都是指透明度。u 和v 虽然也是指色调，但是和i 与q 的表达方式不完全相同。r g b 与y u v 之间的对应关系如下： f y r o 2 9 9o 5 8 70 1 1 4l i r l 计l 意芋：黑黑 5y o b o r 色彩系统 y c b c r 色彩系统也是一种常见的色彩系统，j p e g 采用的色彩系统f 是该系 统。它是从y u v 色彩系统衍生出来的。其中y 还是指透明度，而c b 和c r 则是 将u 和v 做少量调整而得到的。r g b 色彩系统和y c b c r 色彩系统之间的对应关 系如下： r c 6 d 1 23 图像压缩编码方法分类 0 1 1 4 00 0 5 0 0 01 2 8 o 0 8 1 31 2 8 o1 月 g b 1 经过几十年的努力，人们对图像数据压缩进行了大量的研究，并且用软件、 硬件或软硬件相结合的方法实现了大量的压缩算法。早期的图像编码主要利用 信息论，压缩比比较低。常用的图像编码方法的分类有：”1 1 数据冗余 在数字图像压缩过程中，要识别和去除3 种数据冗余，即编码冗余、像素 间冗余和视觉信息冗余。 编码冗余度的例子是对出现概率相差很大的像素用相同长度的代码进行 编码。消除编码冗余的方法就是根据样本出现的频率，对出现频繁的样本赋以 短码，对出现不频繁的样本赋以长码。h u f f m a n 编码就是一种消除编码冗余度 的方法。 图像信号固有的统计特征性表明：其相邻像素之间、相邻行之间或相邻帧 之f 自j 都存在较强的相关性，即某像素的值可以根据它的相邻像素值推测出来， 这就表明像素之间存在冗余。利用一定的编码方法消除这些相关性，便可实现 图像信息的压缩。 图像最终是用人眼来观察的。根据视觉的生理学和心理学特征，可以允许 图像经过压缩编码后所得的复原图像有一定的图像失真，只要这种图像失真为 一般观众视觉难以觉察即可。由于人眼的分辨力有一定限制，一些图像信息对 一一一。器一。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 人眼的影响微乎其微，这就是视觉信息的冗余。 2 有无失真编码 如果对图像信息进行编码时不丢弃有效信息，经还原而得的图像与原图像 完全一样，则这种编码称为无失真编码( 也称熵保持编码或熵编码) 。如果对编 码的图像进行还原，所得的图像与原图像有差别，则这种编码称为有失真编码。 3 固定编码自适应编码 固定编码是指编码参数是固定的，对所有的图像都采用相同的参数。而在 白适应编码方法中，针对图像的某种局部或瞬时的统计特征，自动调节编码方 案中的某些参数，达到较高的信息压缩率。固定编码或自适应编码不是一种独 立的编码方法，它总是结合某种或某几种编码方法使用。例如，预测编码可分 为固定预测法和自适应预测法，同样也适用于变换编码。 4 帧内编码帧问编码 帧内编码是指压缩编码只在视频图像的一帧内进行。对于活动图像，除了 采用帧内编码外，如果还利用图像帧间的相关性，则称为帧间编码。帧问编码 往往是在帧内编码的基础上进行的，通常采用运动补偿方法。 5 混合编码 变换编码和预测编码是两类重要的编码方法，在多媒体系统的数据压缩中 有广泛的应用。而混合编码是指同时采用变换法和预测法的编码方法。 变换编码是指用正交变换来实现所需的映射变换。它不直接对空间域图像 信号编码，丽是首先将空间域图像信号映射到另一个正交矢量空间，产生一组 变换系数，然后对这些系数进行量化和编码。该编码方法既适用于静态图像也 适用于动态视频图像。 在预测编码中，利用邻近像素的相关性，用相邻像素的值来估计当前处理 的像素值，把估计值与实际值的差作为样本编码，从而达到信息压缩的目的。 预测编码和变换编码一样，都能解除像素的相关性，从而降低图像编码，预测 编码比变换编码更易于用硬件实现。 2 4 常用的图像编码方法 图像编码的目的是在允许图像有一定失真的前提下实现图像信息的数据 压缩，这可以利用空间域冗余、时间域冗余性和人类视觉系统的特性来实现。 图像编码压缩方法随着科学技术的进步和人们要求的增长而不断发展。根据编 码技术的发展将图像的编码压缩方法分为传统方法和现代方法。下面先介绍图 像压缩几种比较常见的传统方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 2 4 1 图像压缩编码的传统方法 图像编码压缩方法随着科学技术的进步和人们要求的增加而不断发展。根 据编码技术的发展将图像的编码压缩方法分为传统方法和现代方法。我们先介 绍图像压缩的传统方法“。 - 1 子抽样编码( s u b s a m p i n gc o d in g ) 在会议电视、可视电话等低码率应用中，可以使用空间和时间子抽样来降 低数据速率。在编码时，从相邻几个像素中选择一个像素，从相邻几帧图像中 选择一帧，然后加以传输。解码时，利用接收到的像素和帧内插丢失的像素和 帧，得到分辨率较低的序列图像。因为人眼对图像色度分量的敏感度低一些， 可对色度分量进行子抽样，并粗量化，以达到较高的压缩比。 2 熵编码( e n t r o p yc o d in g ) 熵编码是基于信号统计特性的无损编码技术，解码后能无失真地重建图 像。熵编码的基本原理是给出现概率大的符号一个短码字，而给出现概率小的 符号一个长码字，这样使最终的平均码长很小。常用的熵编码方法有游程编码 ( r u n l e n g t hc o d i n g ) 、h u f f m a n 编码和算术编码。 游程编码主要用于量化后出现大量等值系数的情形。将一个相同值的连续 串用( 游程，灰度) 来表示，降低了表示一个等值连续串的数据量。 h u f f m a n 编码是由霍夫曼提出的一种不等长最佳编码方法，它利用信源的 统计特性进行编码。h u f f m a n 编码必须知道信源的概率分布，而这一般是无法 做到的，通常用对大量数据进行统计后得到的近似分布代替。 算术编码是8 0 年代发展起来的一种熵编码方法。在算术编码中，一个信 息串用0 和1 之间的一个实数区间来表示，随着信息串长度的增加，表示它的 区间就不断减小，因而表示该区间所需的位数也不断增加。信息串中的每个符 号根据统计模型为自己定义的出现概率来划分区间，概率大的符号对区间的划 分小于概率小的符号，因而向编码串加入的位数也少。解码器接收到信息串后， 根据符号的概率区间就可以逐位判别信息串所对应的符号串。可以根据信源的 统计特性来设计具体的算术编码器，也可针对未知概率分布的信源设计出能够 自适应其分布的算术编码器，并且这两种编码方法均可用硬件实现。 3 预测编码( p r e d i c t i v eo o d in g ) 预测编码分为线性预测和非线性预测，可以进行帧内预测编码和帧问预测 编码。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) 的值，然后对预测误差进行量化和编码。 线性预测编码的预测系数固定，编码传输的是当前值与预测值的差值，所 以又称为差分脉冲编码调制，即d p c m ( d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d em o d u f a t i o n ) 。 帧内预测利用相邻像素的空间相关性，如7 p e g 算法中直流系数的编码就是采用 预测编码，即用前一个8 8 数据块的直流系数作为当前8 8 数据块的直流系 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l o 页 数的预测值，编码发送的是二者之差。其优点是算法简单，易于硬件实现。缺 点是对信道噪声及误差很敏感，会产生误码扩散，使图像质量大大下降。同时， 帧内d p c m 的编码压缩比很低，因此现在已很少独立使用，一般要结合别的编码 方法共同使用。 帧间预测编码主要利用相邻图像序列间的时间相关性来达到压缩的目的， 可获得比帧内预测高得多的压缩比，帧间预测在图像编码中占有很重要的位置。 帧闻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、阈值 法、帧内插法、运动补偿法和自适应交替帧内帧间编码法等，其中运动补偿预 测编码现已被各种视频图像编码标准采用，得到了很好的结果。这类图像编码 方法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预测，这势必造成分块边缘的不连续。 4 变换编码( t r a n s f o r mc o d ir i g ) 在图像和视频信号编码中，变换编码是应用最广泛的压缩方法之一，它较 预测编码更能有效地去除图像的空间相关性。它是对变换系数进行编码，而不 是对图像的原始像素值进行编码。交换编码通常是将空i 司域相关的像素点通过 f 交变换映射到另一变换域上，使得变换后的系数之间的相关性降低。理想的 情况是：( 1 ) 所有系数独立；( 2 ) 能量集中于少数几个系数：( 3 ) 这些系数集 中于一个最小的区域内。利用少数重要系数就能很好地恢复图像，而人眼几乎 觉察不出某些系数的丢失。 变换编码可以用矩阵运算表示。首先，把图像分成互相不重叠的n n 的 像素块x ( i ，j ) ，变换编码就是用一线性可分离的和归一化的n n 变换矩阵t 作用于像素阵x ( i ，j ) ，获得n n 的变换系数矩阵f ( u ，v ) ，如下式所示： i f ( u ，v ) = t x ( i ，j ) t 其中，上标t 表示矩阵的转置，这个变换应该是正交的和可逆的，从而像素矩 阵x ( i ，j ) 可以用一线性可分离的逆变换来重建，如下式表示： x ( i ，j ) = t 1 f ( u ，v ) t 可用于变换编码的变换的种类很多，有k l t 变换( 又称h o t e l l i n g 变换) 、 离散余弦变换( d c t ，d i s c r e t ec o s i l i et r a n s f o r m ) 和w a l s h h a r d a m a r d 变换 等。k l t 变换是均方误差最小的最佳变换，但没有通用的变换矩阵内核，对新 给定的每一幅图像数据都必须计算一次变换矩阵，因此没有被广泛应用。在实 际的编码工作中，人们常采用d c t 变换。在现行的变换编码方法中，对大多数 图像信源来说，d c t 变换是最接近k l t 变换的方法。 5 矢量量化( v o ，v e c t o ro u a n t iz a t i o r ) 香农率失真理论指出，即使对无记忆信源，矢量编码总是优于标量编码。 基于矢量量化的图像压缩方法是一种有损压缩，可获得较高的压缩比。它利用 相邻像素的相关性，将图像数据分组，每组k 个数据构成一个k 维矢量，然后 对逐个矢量进行量化，只传输或存储矢量的地址。其编码过程就是从码本 西南交通大学硕士研究生学位论文第! l 夏 ( c o d e b o o k ) 中搜索一个与输入矢量最接近的码字y ，的过程，编码过程较复杂， 需要一个优化的码本和快速匹配算法。传输时并不传输码字y ，本身，仅传输码 字的下标“i ”。当码本长度为n 时，传送一个像素所需的平均比特数为( 1 0 9 z 、) k ，因此可大大降低码率。解码过程很简单，实际就是查表。在实际图像编码 中，一般先用其它编码方法对原始图像编码，然后再对编码结果做矢量编码。 6 子带编码( s b c ，s u b b a n dc o d in g ) 子带编码对图像实施一组滤波，将图像分成各个频谱分量，每个分量表示 一幅子图像。低频子图像包含原图像的低频信息，高频予图像包含了原图像的 高频信息。编码时，根据人眼的视觉特性对不同频段采取不同的后续编码方法， 实现对图像的高效压缩。子带编码的运算复杂度低，而压缩比和质量与变换编 码接近，但它是对整个图像进行的，因而不存在方块效应。 2 乱2 图像压缩编码的现代方法 相关学科的迅速发展和新兴学科的不断出现，以及人们对图像信息需求的 剧增推动和促进了图像编码压缩技术的进步m ，。 1 分形编码( f r a c t a lc o d in g ) 以分形几何迭代函数系统理论为数学基础的分形图像压缩编码技术是近 年来产生的新的图像压缩编码技术，其出发点在于图像的信息冗余反映在图像 整体与其不同尺度下的局部之间的相似性上，但更普遍的情形是图像的局部之 间存在相似性。八十年代后期，m b a r s e l e y 等人引入迭代函数系统( i f s ， i t e r a t e df u n c t i o ns y s t e m ) 来刻划这种相似性，提出分形图像编码的概念并 指出其潜在的高压缩比图像编码能力。m b a r s e l e y 的学生j a c q u i n 提出基于迭 代压缩变换( i c t ，i t e r a t e dc o m p r e s s i o nt r a n s f o r m ) 的分形图像编码方法。 分形编码的基本思想是：把原始图像分解为互不重叠的图像区块( r a n g e b i o c k ) ，对于每个区块寻找一个域块( d o m a i nb l o c k ) ，分形变换后形成它们的 最佳逼近。其中域块也是由原始图像分割出的图像块，域块的位置及分形变换 的参数构成图像的分形码在编码过程中采用拼贴定理，确保在分形变换为压缩 映射的情况下，由任意初始图像经过分形迭代产生的吸引子可以逼近原始图像。 因此分形编码的解码过程是一个分形迭代的过程。分形块编码分为变换域分形 编码和空间域分形编码，但这两种方法的解码重建图像的主观质量较差，在高 压缩比时存在严重的方块效应。后来d a v i s 提出了分形图像编码的小波理论， 把分形图像编码溶入变换编码的框架，提出了子树自量化的小波变换域分形编 码方法，取得了分形图像编码中最好的编码效果。 2 模型编码( m o d ei - b a s e dc o d jn g ) 模型编码技术是近几年发展起来的一种很有前途的低比特率编码方法。它 利用了计算机视觉和计算机图形学中的方法和理论，其基本出发点是在编、解 码两端分别建立起相同的模型。基于模型的编码器并不压缩实际的量化数据， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 而是采用一个表示景物( 一般是人，人脸等) 的模型，传送的信息是告诉接收 方如何改变模型以匹配输入景物( 如眨眼，扭头等) 。基于模型的解码器也有一 个与对应编码器相同的模型，解码器利用收到的数据调整其模型，然后生成供 显示的图像。基于模型的图像编码方法利用先验模型来抽取图像中的主要信息， 并以模型参数的形式表示他们，因此可以获得很高的压缩比。然而在模型编码 方法的研究中还存在很多问题，例如如何利用人的视觉特性等，这些问题使得 它的应用范围受到很大限制，而且走向实用还需要一段时间。 3 小波编码( w a v e i e tc o d in g ) 近年来，小波变换得到人们的普遍重视。小波变换可以对时间和频率同时 进行分解，这是傅立叶变换无法做到的。小波变换已经丌始被应用到图像数据 压缩、图像检测、图像拼接中，而且实验结果表明，在某些情况下，小波变换 要优于d c t 等其他e 交变换，小波变换成为图像压缩编码的热点之一。实际上， 比较适合于用d c t 变换进行压缩的图像是那些信号带宽很窄的图像，这类图像 进行d c t 变换后，在其系数矩阵上，非0 值将分布在非常有限的局部区域上， 这将会取得令人满意的压缩效果。当信号的带宽很宽时，非o 值分布在相当大 的区域上，这使得重建图像丢失了大量的细节，边缘信息总比原始图像模糊， 因而很难取得好的压缩效果。 小波变换弥补了d c t 变换不适合对带宽较宽的信号进行压缩的不足。小波 变换是一种频率上伸缩自由的变换。当信号带宽较宽时，可以通过放大的方法 使得描述能够满足精度的需要。小波变换是一种不受带宽约束的图像压缩方法。 特别是s g m a l f a t 提出的离散小波变换快速算法奠定了离散小波变换在图像 处理和图像编码等领域的应用基础。 2 5 图像压缩编码标准 近十年来，图像编码技术得到了迅速发展和广泛应用，并且日臻成熟，其 标志就是几个图稼编码标准的相继指定。这些编码标准融合了各种性能优良的 图像编码算法，代表了目前图像编码的发展水平。 1 j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i oe x p e r t sg r o u p ) j p e 是由国际标准化组织( i s o ) 提出，面向静止图像的编码标准。它规 定了静止画面编码中所使用的技术。它的处理方法是依次使用离散余弦变换、 量化、z 行扫描、游程编码和变长编码。j p e g 中允许四种编解码模式： ( 1 ) 基于d c t 的顺序模式( s e q u e n t i a ld c t - b a s e d ) ： ( 2 ) 基于d c t 的渐进模式( p r o g r e s s i v ed c t b a s e d ) ： ( 3 ) 无失真模式( 1 0 s s l e s s ) ： ( 4 ) 层次模式( h i e r a r c h i c a l ) 。 其中，( 1 ) 和( 2 ) 是基于d c t 的有损方法；( 3 ) 是基于线性预测的无损 方法；( 4 ) 可以是d c t 与线性预测的分层混合。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 2 h2 6 1 标准 h 2 6 1 是国际电话与电报顾问委员会( i n t e r n a t i o n a lt e l e p h o n e a n d t e l e g r a p hc o n s u l t a t i v ec o m m i t t e e ，c c i t t ) 针对可视电话、会议电视和窄带 i s d n 等要求实时编解码和低延迟应用提出的一个编码标准。该标准提供的传输 速率为p 6 4 k b i t s ，其中p 是l 到3 0 之间的整数。 h 2 6 1 要求输入图像的格式满足公共中间格式( c i f ) 或i 4 c i f ( q c i f ) 。 用亮度和色差来表示，c i f 图像的亮度信号y 是2 8 8 线帧，3 5