（控制理论与控制工程专业论文）基于整型提升小波变换的医学图像压缩算法的研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术的发展，远程医疗信息系统得到了越来越广泛的应用。在远程医疗技 术中，医学图像的存储和传输技术是目前远程医疗应用中较为薄弱和亟待解决的问题。 解决这个问题的关键之一在于：如何实现医学图像的有效压缩。 本文研究了基于提升方案的整型小波变换应用于医学图像压缩，并取得了较好的压 缩效果。本文的工作主要包括以下几个方面： 1 、采用“提升”方案实现了整型小波变换。整型提升小波变换具有：计算快 速、能实现任意图像尺寸的变换、能在当前位置完成小波变换、节省内存等特点，而且 该提升算法能对图像进行无损或有损压缩，因而更适应于远程医疗信息系统和医学图像 压缩系统。本文选取hg a 】l ( 5 3 ) 小波基用于实现真正意义的无损压缩，选取c d f ( 9 7 ) 小波基用于实现有损压缩。 2 、 实现灰度图像和彩色图像的压缩。对于彩色图像，实现从r g b 色彩空间到 y c b c f 色彩空间的转换，进一步提高压缩比。 3 、采用r o i ( 感兴趣区) 医学图像编码技术。解决了医学图像压缩比和高质量之 间的矛盾，即提高整幅图像的压缩比，又保证r o i 图像的高质量，从而满足了医学图 像存储和医生诊断的要求。 4 、 采用基于小波梯度信息的图像增强技术，提高了图像对比度。 5 、 实现b m p 位图文件格式到j p e g 、p c x 、l z w 、d g 文件格式的转换。 本文实现了一种在压缩性能、诊断性能、传输性能上适应于远程医疗系统的压缩 算法。通过实验比较和分析，此算法在不影响医学图像诊断性能的前提下，提高了压缩 比，较好地解决了医学图像的存储、传输问题。 本文在理论研究的基础上，用v i 吼j a lc + + 6 o 实现了具有良好人机交互界面的医 学图像压缩系统( m i c s ) ，该系统除了能实现本文的医学图像压缩算法外，还具有任意 选择感兴趣区域、分解彩色图像各分量等功能，具有一定的实用价值。 关键词：医学图像压缩，整型提升小波变换，感兴趣区域，色彩空间，位平面编码 堕鐾点塑楚查兰堡主鲎垡丝窒 r e s e a r c ho nm e d i c a li m a g ec 0 m p r e s s i o na l g o r i t h mb a s e do nt h e i n t e g e rl i 董= i 瞳n 鬈w a v e l e tt r a n s | ：d 鼬 a 黼t r a 娃 w i 搬撞搀d w 1 。搿删o f 蛙撑b 蠡瞳￥a 呔m 绝c h n o l o 器，t e 蛔n e 卤豳e 融您m 痢傩s y g 妞璐 g e tm o r ca l l dm o e x t e 璐i v ea p p h c a l i o n 。m 。d i c a l 协1 a g e 蛾酬s s i i ma n ds 幻l 驾et 砌q u e a r er e l a t i v d yj n 锄箍c i e n t ，、) 1 ! h i c ha i e 也eu i g e 札tp r o b l e m st ob er e l v o di n 吐砖印p l i c a t i o no f 妇毛e c b q 珏e 灏懿舒i e 辩。髓e 秘i sh 嘲静捌凌踟惑琏薅麟犁麟i 鞭o f 氇e m c d j c a li m a g e 。 霸瓣洳 e 窖e rw 越翻或自嗽黼l - o m lb a 。do n 也el 避i i 毽s c h 鼬ef b r 娃砧l 戳矮c a l 证臻g e c o n l p 删s i o ni s 蠡s c i l s e 髓i n 溅sp a p 骶l i s 砧鲥吐珊h 盐n e rc o m l 黼s s i o ne f 融l 檐。豫 c o n t c 舳t 8a r ea sf o l l o w s ： l 、曩持毯蠡攮g s e 酶鞋。主s 翻蹿燃差。把a 基z e 蛙狞巍锵w a 、癌痰趣睢s 螽搬融露狩运 e g 嚣 l i f i i n gw a v e l e t 仃a n 8 f b l mh 嬲b e t i 所e 踟c t si i i 确p r 0 诎唱p r o c e s s i n gs p o 。d ，i tc 飘a c h i e v e w a v e l 瓯恤纽nf 0 ra 而i 扛强w8 i z e 如1 a 喾ca n da c c o 厦n p l i s ha lc 谢撒l tp o s i 畦o n ，如m 蛾激撼陀， c 鼢s a v em 锄o r y 辨a c e 。t h el i 擐n g 鲥也mc 硒d c a lw i t l l 嘲el o s e 舔删艏s s i o na n dl o 嚣 c o m l 蛩s s j o no f 岫a 辨，s o “i 8a d 印t e dt o 埘锄e d i c i n e 幽碱o ns y s 衄n s 龃dm e d i c a li i i l a g e 翻p 档s s l 强姆g e 瓣。王茹g 矗瑾( 5 8 ) w 鑫v 嚣 畦i s 姗醴拇撑矮z e 妞b s 羹e 疆e o l 辩髂羹髓 c o n 甲l 嘲l y 锄dc d f ( 9 ，7 ) w 捧v d 既i sa d o p t c dt or 曲h 粕m el o s sc o n l p r e s s i o n 。 2 、t 量l i s 嬲p 霄c a l l 掩a l i z em e 秘翟yi m a g e 勰dc o l o ri m a g ec o f n 岬i o n 。a s 丘岱越 c o l o f l 撇g ea f ec o l 砸，懿sp a p e rc 赫棚拓r e 乜瓢s 毓n 翻强r g b0 0 1 0 r 警懿e 协y c b q c 0 1 0 rs p 嘲c ei i l 油t oi 1 1 1 p m v et l l ec o m p r e s s i o n 枷o a 3 、r 酝露o no f 强 涨螃m 。蘸斑妇a g ee 茨羲萎gl e c h b 醪i s 列。辨酿幻s o l 、砖妇 砌l e f nb 曲 ，。e nc c l p r e s s i 黼r a t i o 甜破i m a g 每q u a i i t yo fm o d i c a li n l a g c ，t h i si s - i tc a n i m p r o v ew h 0 1 e 弧a g ec o 娜s i 0 1 1r a t i oa 1 1 da s 甜黼吐l e 址蜘q l l a l i 妙o fr o i 。h c n c et b i s 蠢鲥嫩mc 雒笳毯e v e s 氆ef o q u 珏e m 锄瞧o f m e d i e 蠢主n l a g e 奶稳转e 姐d 矗k t o f s 蠡曩毋 s 主s e 4 、 w a v e l e t 鲫i 即ti n f 0 肌撕0 nt e c h n 0 1 0 8 yi sa d 叩c 。dt or c a l i 醋妇a g e 钿i l a n c 锄e n l 8 n d 抽攀l 笱e n 妇蛙o f 抽豫g e e 5 、1 商s p a p c r c 趿w 蝴i z e 嘞s 南h n f b r n l b m p t o j p e g 、p c x 、脚、m g 。 内蒙古辩技大学碗士学位论文 t 拭sp 印仃r e a l i z c sar m 州c o m p 地s s i o na l 剃t l l mw i l i c hi s a d a p t e dt ot l l et e j 敷n 。d i c i i l e 衲自m 豫蛀o ns y s c 耋n 血c o 舶p f e s s i o p e 蟥b 黝3 n 、d b g n o 幽cp 嚣f o 】 1 n a n c e 袁l l d 扭嗷辩畦s s i o 娃 p e f 翻m 卸c e 。u l 妇协ep r e c o n d i t i o no fn o ti n f l u 蛐c et t l e d i 神。娟c 黼r 如册a n c e ，t h i s a l 鲥l | 腿c a l li 啦脚懈c o n 聊粥s i o n 魁融嫩ds 咖et h es 幻r a 驴鞠d 椭n s 戚s s i 醮卿b l 秭n e 蠡猢拼y b y u s 岖铡p 鲥m e m n l p 鲥s o 娃s a n d a n a l ) l s e s 。 b a s 。do n 幢e 也巧f e e a r c h ，v i s u a lc _ 6 o i sa d o p t 。d t o 糟a l i 瓣a m e d i c 氇l i i n 獬 c o 埘舯s s i o ns y s l 锄i l ll 量1 i sp a p 盯，w k c hh 鹪妇v o r 曲1 eh u m 锄c o m 枷l t 盯洳t e 糟硎o n i n t 刊k e 。t h es o n w a h 踞m a l l ya 鹋i g 嘶t 矗u 枷o n s 姒c h 勰s 。l e c 虹l l gr e 舀o no f 虹t e r e s t 羽痢喇移a 耐d e c 。m 】p o s 抽gc o l o ri f i l a 萨m p o n 髓担。( ma l ia c c o u h c s ，i th 龋咖i n 唧6 ca ：u y 、埘u 0 。 脚w o r d s ：m c d i c a lh 1 1 a g ec 洲p r e s s i o n ，m t e g c rl i 蛐gw a v e l 舭m s f o r m ，r o i ， c o l o rs p a e e ，b p e 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并 表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：徐晓禳导师签名：。写窆谗日期：埘、易、恬 内蒙古科技大学硕士学位论文 l 引言 近年来，随着计算机网络技术和多媒体技术的快速发展，t i s 【l 】、n 忙s 【2 】【3 】、m s l 4 】f 5 】 等应用不断走进现实生活中，现代医学的迅速发展使得诊断过程产生了越来越多的医学 图像，例如c t 、m r i 、b 超、内镜图像等多种格式的医学图像。医学图像因其直观可见 而被广泛应用于疾病诊断、计算机辅助手术等各医学领域。医学图像的特点是像素深度 较大( 一般在8 1 6 b i 乜) 、信息丰富、数据量巨大。医学图像在逐渐得到广泛应用的同时 需要解决其庞大的容量存储空间及传输速率这一问题，解决这一问题的关键：一方面要 增大其存储空间的容量和扩大传输介质的带宽，另一方面要对其进行有效的压缩处理。 在当今的网络传输技术及高额存储载体下，对医学图像进行压缩处理显得尤为重要。 目前对医学图像压缩较多采用的是联合图片专家组制定的j p e g l 6 】图像压缩标准。 该标准采用以d c t 【7 】【8 l 为主的分块编码方法，可以压缩c t 、m r i 等图像，获得较高的压 缩比，节省存储空间，并能有效地提高图像的传输速率。然而j p e g 标准采用的编码方 法其局限性在于： 1 ) 比特率低时图像会出现严重的方块效应和飞蚊噪声； 2 ) 多分辨率性能差，在医学图像压缩方面没有充分利用h v s 而难以提高图像压缩 的压缩比； 3 ) 在传输时无法实现渐进传输。 小波变换理论 9 j 【1 0 】【1 1 】【1 2 是近年来发展起来的新的谱分析方法，小波变换具有时( 空) 一 频局部性，它在频率和位置上都是可变的，非常适合分析瞬态信号和非平稳信号，而且小 波变换成为构造图像多分辨率表示的有力工具。小波变换因其优越的性能已经成为新一代 静态图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 的重要环节。近年来各国的研究人员围绕着小波理论在实现 医学图像的压缩处理方面作了大量研究并取得许多成果，例如e z w l 3 】算法、s p 蹦一4 】算 法、e b c o 叫1 5 】算法、基于小波变换的分形医学图像压缩【1 6 等。 基于医学图像的特点以及诊断医生的各种临床需求，有必要研究一种较为有效的无 损图像压缩旧【1 羽和r 0 7 】【l9 l 【2 0 】口1 1 图像压缩方法。 内蒙古科技大学顼士学位论文 2 绪论 2 i 课题研究的背景及意义 本课题的研究得到国家自然科学基金项目( 6 0 3 6 1 0 0 2 ) ：“远程医疗信息系统关键技 术研究一一医学图像压缩与融合算法研究”的资助。 医学图像要求高分辨率( 典型值2 0 4 8 2 0 4 8 ，甚至更高) ，这就使得医学图像的信 息数据量很大，为此必须对其进行必要的压缩以利于存贮和传输。由于医学图像的特 殊性，医学图像不允许丢失任何可能有用的细节信息，医学图像中丢失任何细微的信息 都可能导致医生不能准确的发现病灶，因此需要用无损压缩的方法对医学图像进行压 缩。传统的d c t 和第一代小波在图像变换后产生了浮点数，当实际的医学图像采用整 数表示的时候，需要对变换后的数据进行量化取整处理，这样就引起了不同程度的失 真，不适合医学图像的无损压缩。而一般的无损图像压缩编码方法，根据图像内容的不 同一般最大压缩比只有2 ：1 到3 ：1 ，其压缩效率不高，不能满足实际的医学图像的存 储和传输需要。w s w e l d e n s 提出一种不依赖于傅立叶变换的第二代小波：提升小波 【2 2 艏 洲。提升方法可以实现小波快速算法，并可在当前的位置上进行变换。由于提升小 波能实现整数到整数的变换，无需对变换后的小波系数进行取整处理可以实现对图像 的无失真压缩。 对于医学图像，医生只对病理特征区域感兴趣，图像的保真度要求是非常苛刻的， 任何细节问题都不能忽略，否则可能导致医生的误诊。采用r o i 编码方法可以更加有 效的处理医学图像，在恢复原图像时不仅完全保留了病理特征，满足了医生的各种临床 需求，而且图像文件非常小，有利于节约存储空间、提高传输速率。r o i 编码方法可以 解决医学图像交互处理、远程医疗等与医学图像有关的问题，有着实际的研究意义和应 用价值。 2 2 论文的研究内窖 本文实现了基于整型提升小波变换的r o i 医学图像压缩算法。基于“提升”的整型 小波变换，完成了真正意义上的可逆小波变换，保证了医学图像的无损压缩。基于“编码 块”的位平面编码具有嵌入式的_ 进制比特玛流，可以实现图像的渐进传输。基于r o i 的编码方法，即对一幅医学图像可以任意选择r o i ，采用无损压缩以求获得商质量的重建 图像，对b g 采用有损压缩以提高压缩比，这样就较好地解决了压缩比与重建图像质量之 间的矛盾，在窄带网络环境中的低速率传输口中有着广阔的应用前景， 问的矛盾，在窄带网络环境中的低速率传输口目中有着广阔的应用前景。 建羹鑫辩技大学硬圭学擞沧文 本文采溺v i 醣癯c - h6 o 箨兔软释浆嚣发工其，瓣本文审瑟涉及瓣算法，都在嚣舞瓿 上编程加以实现，达到了预期的效聚，并为以后的逃一步开发和功能的扩展究善，奠定了 基麓。 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 1 医学图像压缩编码的意义 随着多媒体技术和h 咖1 e t 技术的发展，各种多媒体数据( 特别是图像和动态视频) 的传输成为限制这些技术应用的瓶颈。例如：存储一幅5 1 2 5 1 2 分辨率的2 4 位真彩色 图像，需要0 7 5 m b 的空间。医学图像在现代诊断过程中起着决定性作用，而医学图像 的数字化是其前题，但往往这类图像数量很大，每个图像所占的存储空间也很大，如一 个极其普通的1 2 位x 线照片( 2 0 4 8 2 5 6 0 ) 的文件大小为1 饥但，一个普通的1 6 位乳腺 x 线照片( 4 5 0 0 4 5 0 0 ) ，文件可达4 0 m b 。显然，这无疑给存储器的存储容量、通信 干线的信道传输率以及计算机的速度都增加了极大的压力，单纯用扩大存储器容量、增 加通信干线的传输率是不现实的，数据压缩技术是个行之有效的方法。通过压缩手段把 信息数据量以压缩形式存储和传输，既节约了存储空间，又提高了通信干线的传输效 率。故为了减少存储成本，并提高远程医疗中医学图像在网络中的传输速度，医学图像 的压缩是相当重要的，也是必不可少的。 医学图像压缩不仅是必要的而且也是可行的，因为静止图像、视频图像等信源数据 有相关性，也就是说有大量的冗余信息。数据压缩就是将庞大数据中的冗余信息去掉， 即去除数据之间的相关性，保留相互独立的信息分量。图像压缩就是充分利用图像中存 在的信息熵冗余、结构冗余、知识冗余、视觉冗余等各种冗余，使用尽量少的比特数表 示和重建原始图像。 a ) 空间冗余：在一幅静止图像内部，某些区域在色彩和亮度上有很强的相关性，这 就是图像的空间冗余。 b ) 时问冗余：在需连续传送的几帧图像之间，相邻帧图像大量区域是互相一致的， 即使有变化也是渐变的，突变的部分很少，这就是图像间的时间冗余。 c ) 信息熵冗余( 编码冗余) ：由信息论的有关原理可知，为表示图像数据的一个像 素点，只要按其相应的信息熵的大小分配相应的比特数即可。而对于实际图像数据的每 个像素，很难得到它的信息熵，因此在数字化一幅图像时，每个像素分配了相同的比特 数，这就必然产生冗余。信息熵冗余和空间、时间冗余统称统计冗余，它们都取决于图 像数据的统计特性。 d ) 结构冗余：在有些图像的部分区域内存在着非常强的纹理结构，或是图像的各个 部分之间存在某种关系，例如自相似性等，这就是图像的结构冗余。 内蒙古科技大学硬士学位论文 国絮识冗余：在毒些露豫串包含嚣羲惑与菜些悫验瓣蒸囊塞翔谖有关，襞热在一般鹣 人股图像中，头、眼、鼻和嘴的相互位鼍等倍息就是先验知识，这就是图像的知识冗 余。 努视觉冗衾：在多数绩魏下，恢复图像豹最终接受纛蹩入静眼靖。凳了达至l 较离的 压缩比，可戳剥麓入类视觉系统的特性，p 强傈证有相隧主观质量的前挺下降低对图像 客观质量的要求，减少视觉冗余，这就是图像的视觉冗余。 3 2 图像珏编编瓣码模型 图像压缩编码的理论和实验研究默1 9 鹅年提出的电褫信号数字能，至今已有 多年的历史，基本原理就是利用图像像索问存在的较强的相关性，去除图像数据中的冗 余信息，保留有效信息，从两减少描述图像的数据量。对阉像数据进 亍压缩盼过程就称 必缡璐，恢复鬻像豹过程称为鳃玛。箕基本糕图翔霞3 。l 。 竺竺竺赢，厂三磊j 习，i 享善；鬲习竺竺竺2 厂 广 r 1 再l 甚i 碉目铷 _ 兰兰兰 _ 一兰兰竺卜一! 兰竺竺兰p 徽躺e 了f 恢复图像 一簿警孵秘器l 一遂交糗器0 图3 1 中，变换器对输入原始图像数据进行变换以减少像素间冗余，该变换操作 逶鬻建委交毒逆弱，交换零鸯并不挺雾毒压壤，嚣是将蚕像数豢浚袈到爨一壤瘫，在骥浚 射的域中更适合对图像数据避行高效压缩。 量化器产生用以表示被艇缩图像的有限数量的符号，量化是一种不可逆的映射， 可班递一步压缝数据劳有剩予编码。量位一般分为均匀爨纯窝 均匀爨纯，兹者茧健步 长僳持不变，安驻筒肇，后翥觅目根据图像获度分布来改变化步长，量纯效栗更妊，失冀 更小。量化操作可以减少心理视觉冗余，但不可逆，所以不能在无损压缩中使用。 符号编码器为量化器输出的每个符号分配一个码字或= 进割比特流，编码器可采耀 等妖鹃或交长秘。交长编码又鞋| 麓编羁，其鹦字兹努配蘸翔是经掰畜簿号静二迸瀚表示 内蒙古科技太学硕士学位论文 豹平均长度最小。壤囊售惠谂中翡售潭壤强矮谚，一个独立售源s 霹赉个簿号表黧稠 应的符号概率充分描述： s = “，s 2 ，s ) ( 3 1 ) 媛固= 尹$ ) ，p 0 ：) ，尹8 ，) ) ( 3 2 ) 在图像中簿一个符号就栩当于一个灰度等级。我f f 】认为概率较小的攀件或符号的发 生，比概率较大的事件或符号的发生提供的信息更多，因此可以定义信息量i 为 嘏) - l 。繇志 ( 3 3 ) 通常采用以2 为底的对数时，信息量是以二进制或比特表示。那么信源的熵就表 示为每个符号的乎均信息量为多少比特，换钧话说熵是编码所需比特数的下限，熵编码 才熄最佳编疆。麓抒貔定义魏式( 3 。4 ) 藏零，两编码酶效攀露一般藤僚源静溥与乎辫褥 长艘之比表示，如式( 3 5 ) 所泳。 嚣( s ) = p ；) z 瓴) = 一p ( 奠) l o g ：尹( 墨) ( 3 4 ) f = l i = l ：曼盟1 0 0 ( 3 5 ) 只 因此可以设计编码方法，使图像数据的震尽可能接j 琏戏等于熵饿麒从面实现最 佼编码。 3 3 静止图像的压缩编码算法发展现状 根据压缩编码过程是否蠢失真，图像压缝方法可总体上分为有损愿缵、近无损躁缝 移必损蘧绩嘲l 群嬲三夫类。 图像编码睇9 】m 1 从理论角度来讲，又可分为“第一代”编码、“过渡”编码和“粥= 代”编码。“第一代”图像编鹇技术主要怒依据传统的傣源编码理论和数字信号处蠛进 嚣缓羁，絮 羲溪l 编码、交换绽璐、缡编璐、浚会编码等，壤在己经缮裂了广泛魏痤翅； “第二代”图像编码技术突破信源编码理论，充分利用视觉系统生理、心理特性和图像 信源的各种特性，压缩效果较传统方法有明显的改善，如罄于分形的图像编码、基于模 型躲图像编码、熬于季孛经网络的图缘编码、蕊予，j 、渡变换羽圈像绽码等。“过渡”编鹤 授本蹶理上仍属予线性处理，满于“波形”编辑，它霄j 又充分平用了入类视觉系统昭特 性， 因此可以被看作是“第代”编码投术向“第二代”编码技术过渡的桥梁。如图 豳3 2 所示。 内蒙古科技大学硕士学位论文 预测编码 变换编码 统计编码( 熵编码) 子带编码 混合编码 基于分形的编码 基于模型的编码 基于神经网络的编码 基于小波变换的编码 图3 2 图像编码方法的分类 3 3 1 无掼压缩 无损压缩一般通过只利用图像统计冗余不进行量化的方法，或将量化误差也进行编 码的方法来达到。无损压缩可以精确无误地从压缩数据中恢复出原始图像数据。根据信 息论的信源模型，无损压缩方法有一个上限，即它最多能达到原始图像的熵值，这决定 了其总的压缩效率是有限的。常见的无损压缩技术包括：行程编码、h u f 陆a i l 编码、 l z w 算法和算术编码。 3 3 1 1h u m n a 编码 h u m n a n 编码是一种常用的压缩编码方法，是h u 蜘孤于1 9 5 2 年为压缩文本文件 建立的。h i l n m a i l 编码的基本思路是对出现概率大的灰度级采用短码字，对出现概率小 的灰度级采用长码字，这样编码的结果可使最终的平均码字长度最短，从而实现数据的 压缩。h u f l 臣n 锄编码在可变字长编码方法中是最佳的，其码字平均长度很接近信息符号 的熵值。 h u 街n a l l 编码必须精确地统计出原始数据中每个值的出现频率，如果没有这个精确 统计，压缩的效果就会大打折扣，甚至根本达不到压缩的效果。产生h 硼胁锄编码需要 内蒙古科技大学硕士学位论文 对原始数据扫描两遍，第一遍扫描要精确地统计出原始数据中，每个值出现的频率，第 二遍是建立霍夫曼树并进行编码，由于需要建立二叉树并遍历二叉树生成编码，因此数 据压缩和还原速度都较慢，但简单有效，因而得到广泛的应用。 3 3 1 2 行程编码 行程编码是相对简单的一种编码，它根据字符( 或信号采样值) 在原始数据信息中 各字符重复出现次数构成行程长度，简化这种字符的重复编码，达到压缩的目的。对于 图像而言，将颜色值相同的相邻像素用行程长度和该颜色值来代替。如果一幅图像是由 很多块颜色相同的大面积区域组成，那么采用行程编码的压缩效率是惊人的。然而，该 算法也导致了一个致命弱点，如果图像中每两个相邻点的颜色都不同，用这种算法不但 不能压缩，反而数据量增加一倍。行程编码适用于二值图像，现在也用于灰度和彩色图 像变换编码中，因为变换系数经量化后，出现很多零系数，对其使用行程编码可进一步 提高压缩比。行程编码的编码效率不如h u 缶n 觚编码方法高，但它的码字相对简单。现 在单纯采用行程编码的压缩算法用得并不多，p c x 文件采用了这种压缩算法。 p c x 文件最早是p cp 吐l l b m s h 软件所采用的一种文件格式，它和b m p 位图文件一 样也是由头信息，调色板，实际的图像数据三个部分组成。 3 3 1 3l z w 算法 l z w 是一种比较复杂的压缩算法，其压缩效率也比较高。l z w 算法的基本原理： l z w 把每一个第一次出现的字符串用一个数值来编码，在还原时再将这个数值还原为 原来的字符串。例如：用数值o ) 【1 0 0 代替字符串“出c c d d 嘴”，每当出现该字符串时， 都用0 】【1 0 0 代替，这样就起到了压缩的作用。至于o x l 0 0 与字符串的对应关系则是在压 缩过程中动态生成的，而且这种对应关系隐含在压缩数据中，随着解压缩的进行，这张 编码表会从压缩数据中逐步得到恢复，后面的压缩数据再根据前面数据产生的对应关系 产生更多的对应关系，直到压缩文件结束为止。g 球文件采用了这种压缩算法。 3 1 3 1 4 算术编码 算术编码与h u f 勋肌编码相似，都是利用比较短的代码取代图像数据中出现比较频 繁的数据，利用比较长的代码取代图像数据中出现概率比较低的数据从而达到数据压缩 的目的。它同时又采用了l z w 压缩方法的思想，不仅压缩数据值，而且压缩值序列， 从而可以达到更加突出的压缩比例，尤其适合于大多数数据由相同的重复序列组成的图 像文件。算术编码的基本思想：将每个不同的序列按照出现频率映射到o 到1 之间的相 应数字【噩域内，该区域表示成可以改变精度的二进制小数，其中出现频率越低的数据利 用精度越高的小数进行表示。算术编码中两个基本的要素为源数据出现的频率以及其对 内蒙表辩按大学硬女学位论文 应酌编码区闻。其中，原始数蒲信息的瀣现频率决定该算法的压缩效果，同时也决定编 码过程中原始数据信息对应的区间藏围，丽编码区间刚决定算术编码最终的输出数据。 算术编码裔两稀模式：一种是慕于信源概率统计特性的阿定编礴模式，玛一种是针 对朱翔信源概率模挺的自逶应模式。自适应模式中备个符号的概率初始值都相同， 它 f j 依据出现的符号衙相应遗改变。灵要编码器和解弼器都使厢相同的初始值和相同的改 交谴的方法，那么窀们豹概率模蝥将傈持一致。上述两种形式的算术编稻均可用硬件实 现，其中自适癍模式逶糟予不进行概率统计的场合。有关实验数据表明，在来知信源概 率分布靛情况下，算术编稀一般簧优予 沁积h 撇编码。在瑚g 扩展系统中，就用葬 术编码敬代了h 醢n 勰编码。 3 3 2 考撰舔缩 有损瑟缩稠用了人类视觉系统对图像中的某些频率成分不敏感的特性，压缩过程中 通过量化损失一定的信怠可以得到眈无损压缩高的多的整缩比，但由于解码嚣无法从编 码数雍中完全秃误的恢复岛原始图像，所以，有损压缩麓不可逆豹。 3 3 3 邈无攒压缩 无损礁缩压缩效率不高，无法满足实际的要求。而般的有损压缩方法，在某些应 用领域特剐是医学领域又无法接受。所以许多学者引入了近无损压缩概念，其主要含义 如下： ( 1 ) 某些应用领域中，只对一幅图像中的部分区域感兴趣，而该区域之外的图像 部分意义不大，则可对雅兴趣区域进行无失真压缩，对其它非感兴趣区域进行有失真压 缩葚至完全丢弃，这种方法就是r o i 编码方法。 ( 2 ) 阔像最终是供人看的，如果能充分利用人眼视觉特性，例如：人眼视觉系统 对裔频予图像的不敏感性、对低频予图像的敏感性，以及对不同分辨率级子圈像有不同 的敏感往等，使压缩的阐像实质上有一定的失真，但在视觉上和原始图像一致，即利用 入目琵差错遮蔽效应，这类方法称为“视觉无损”方法。 ( 3 ) 有瞬领域中萄像的某楚特征( 如纹理、轮廓等) 意义重大，如果压缩算法能够 尽鼙保留对应用而言有稍的蔺像信息，丢弃无用的信息，这样的压缩方法称之为“信 息无损”压缩方法。 由于近无损压缩方法很好的协调了无损和有损压缩方法的矛盾，既满足实际应用蒙 求又有缀高豹压缩皖，所以受到越来越多的关注。 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 3 4 “第代”图像编码技术 3 3 。4 1 覆测缡筠 预测编码有线性预测和非线性预测两类。线性预测法通常称为差分脉冲编码调制法 国残燃) ，它嚣矮圈像裙邻像素之闯獒存较强空闻或辩阕籀关瞧酌祷点，簿个像素可以 根据若干相邻像素的假的线性组合作为该像素的预测德。像素值本身并不编码和传输， 实嚣编码帮簧徐静是颡溪l 篷和警蓠像素实舔蕊的差篷，对差毽鬻像进静熵编码较原始凿 像而裔可以提高压缩效率。解码则是通过和编码时同样的预测方法得出预测值，再加上 差餐嚣裁霹完全恢复灏鼙。d l 陵lj 邑矮篷缩方法的平筠器缭魄为1 5 3 倍，麴采将差 值量化后再编码传输，就变成了有损聪缩，可以进一步提高压缩比。d p c m 方法的优点 是霹叛获褥魄较离兹缝璐矮量，复杂淡枣易手嫒锌实躐。缺点建匿缩魄不亵，耱确豹颈 测有赖于图像特性的大量的先验知识，对误码较敏感。而且后面的像素值的解码要依赖 于蓑疆戆像素，无法安瑗强像麴逐缀式传辕。鞠照一般不单强健矮，焉楚与其窀方法结 合起来使用。如在心中使用了预测编码技术对d c t 直流系数进行编码。m 尬文 磐采翅7 这耱篷鲸算法。 3 3 4 2 变换编码 我嚣j 鬟察霭3 3 器蚕3 ，4 ，这稀辐闺所氛含酶待惠量大不稆同( 骺者显然更加丰 富) ， 旦是如果以r 方式存储时，它们占用的空间却是相同的。这就使人们想到空阊 壤麓强像表示方法虽然逶台鬟番，餐怒帮无法去除稳关信意，溺丽不铯反映强像的一些 本质特性，从而提出了变换编码的思想。 瑟3 32 7 8 k b ，3 确2 辆2 4圈3 42 7 嚣l 灞，3 7 0 2 s 6 2 4 对图像信号做正交变换，正交变换是熵保持的，变换前后不会丢失债息。正交变换 其有去相关注，使图像在交换谶中的能繁集中予少数交换系数，丽多数系数廷膏少量能 内蘩吉科技大学硕士学位论文 量。i 融过对这魑系数的量化和高效的熵编码，经过反变换后仍然能得到和原图像近似的 解码圈缘瑟数据则霹戳褥到冁显豹嚣缭。 例如：可以设置一个门限，只对商于门限的系数进行量化编码，其余的丢弃：也可 按照图像的鬏率特经瓣裹频系数分配较少豹 e 特数或丢蹇少数糍频系数。 原始船n a 蹋像 ( c ) 沃尔什变换 圈3 5 图像的正交变换 ( b ) 奢玎 ( d ) d c t 由上圈3 5 可叹着到： 原始图像经过f f t ，频域的能量集中在两条对角线附近；经过沃尔什变换，变换域 的能爨集中奁低频分薹 附近；经过离散余弦变换，变换城的能量集中在低频分赞附近。 内蒙古科授大学硕士学位论文 变换编码的主要特点： 幻在交羧竣内攒述强像要 l 空阗城内篱擎； b 1 图像的相关性明显下降，信号的能量主薅集中在少数几个变换系数上，采用量化 纛熵缀露霹鸯效建压鳞其数擐； c ) 具有较强的抗干扰能力，传输过程中的误码对图像质量的影响远小于预测编码。 嚣鼹豹交换编羁蠢f 玎变换编磷、k l 交换绩妫和d 冀变换缝疆。k l 变换 编码程压缩比上优于d c t 编码，但熟运算量丈且没有快速算法，因而不是一种实用的 变换方法，遴零只终理论识究，作为一令霹骧洼其魏线性交换用来魄较戆基准。农 h 璎、k l ，d c t 等变换形式中，融经证明最适合用于图像韵压缩编码且得到广泛应 翅的楚d c t 。毽巍它在去除圈像相关性，与人类视觉特性相逶应和遮葵方僵等方委其 有突出的优势。j p e g 采用的就是d c t 变换编码。d c t 的图像编解码系统如图3 6 所 示。 s x 8 粥像浃 d c t 编诵嚣 ( 匐孙g 下拣磷累绫 d c i 麟玛器 c b ) d g t 解粥系统 圈3 。6 琢翼编解码系统 辩源图像数据进行编码蔫，将爱像数据分成不重叠豹8 8 强像予浃，对每个8 8 的图像子块进行f d c t ( 快速离散余弦变换) 后，得到的6 4 个系数代表了该图像块的频 率减分，萁中低频分爨集中程左上角，高频分量分布在右下霸。系数矩阵左上角( 帮 第一行第一列元素) 叫做直流( d c ) 系数，它代表了该图像块的平均傲，其余6 3 个元 内蒙古科技大学硕士学位论文 素叫交流( a c ) 系数。在d c t 处理中得到的6 4 个系数中，低频分擞包含了图像亮度 等圭瑟信息。在蚨空瓣壤委l 叛域熬变换巾，图像孛懿缓慢交纯# l 抉速交证受易芍l 起人羧 的注意， 所以低频分擅的重骤性高于高频分擞。因而在编码时可以忽略高频分量，从 恧达委4 压缨骢基豹，这也是爨蘧戆投攘。d c 事系数爨健蓐，掏残一令耩蘸缀阵，鼹 “z ”形扫描将其变成一维数列，将有利于熵编码。由于两个相邻的8 8 图像子块的 d c 系数相差缀小，鼹1 2 圭对它嚣l 采用 c 鹾绽褥，逛羧楚说对耀邻夔墅豫子块d c 系数 的差值进行编码，可以提高压缩比。缀“z ”形排列后的a c 系数，更有可能出现连续 o 组成约字蛰事， 麸露对其逃簿行程壤璐埯蠢利于聪绫数据。麦子编褥是在灏像子块 上进行的，这会导致方块效应和飞蚊噪声，即当压缩b e 提高到一定程度后，在棚邻图像 子块的边界处，会出现可见羚不连续燃。熟嚣3 。? 赝示。 国藤始餮稼秭透雅院a b l 照3 j 裹愿缨比黠毒p e g 的块效黢 3 _ 3 4 3 统计缁码 统计编码是通过减少数据中本身存在懿统计冗余瑟达至i 基缨数据戆编璐方法。主要 利用输入符号序列出现概率的分布特性，寻找概率与码字长度之间的最优匹配，是一种 不可道的无失真编码，g e 熵编鼹。一般不单独采用统计编码，键几乎翳蠢戆编懿方法懿 最后步骤，常常又采用统计编码生成比特码流。常用的统计编码主要商：游秘编码、 h u 斑n 8 l l 编码和算术编码等。 内嫠古科技大学硬士学位论文 以上列举出的“篇一代”图像编码技术都是非常优秀的“纹理”编码方案，它们能 够在中等压缨毙的壤敷下，撬供 鬻好豹图像矮量。毽在l # 豢低戆毙黪搴壤瑷下，无法 提供令人满意的质量。“第一代”编码技术去除客观和视觉冗余信息的能力融接近极 限。究其骧因是由于这些技术熬没有利翔踅像瓣结搀特轰，因戴宅织鹫妻藏只能汉像素或 块作为编码的对象。另外，“第一代”编码技术在设计编码器时没有考虑人类视觉系统 螅特性。 3 3 5 “过渡”图像编粥技术 3 。3 ，5 1 子豢缡码 子带编码是一种多分辨率分解的嵩效图像胍缩方法，它最初用于谮街编码。其基本 愿怒怒在发送漩罨滤波器海嚣琴分离簸不淘频繁懿蓿号并箨噩样，撵据各子繁信号静 统计特性和对人眼视檄的影响，分别用相应的编码方法对各子带进行编码，根据每个子 豢豹鬟要毪分浆不矮瓣魄特数；在接l | 芟端经解璐、内捺、合成滤波褥弱还琢信号。予豢 编码有个原则，就是能量集中的原则，即能量相对越集中就能方便的对信号进杼高压缩 魄豹编码。弱小渡交换摇 跛，这耱子豢分簿遣悲至g 去稿荚豹俸鞠，著登麓量圭簧集中奁 低频带。子带滤波器的设计是其核心问题，通常采用由一个高通滤波器和一个低通滤波 器梭残戆正交罐蒙落波器癯。镶豫滤波器冁疆 鬻适合予送行多分魏率强豫编磁。子荣 图像分解如图3 8 所永。 圈3 。8 溪子荣黧缘分熬 予带编码具有以下突出特点； a ) 一令予豢内熬缡鹞噪声在解鸦嚣只疆予该予豢两，不会扩焱妥冀它子鬻。这样帮 使有的子带信号较弱，也不会被其它予带的编码噪声所掩盖。 内蒙古科技大学硕士学位论文 秘霹鞋壤撵久受褪凳特魏，将骞隈豹鼹攀在善令子荣之阕合理分酝，毒稠手提褰鬻 像的主观质量。因此，在相同的压缩比下，子带编码的图像质量略高于不划子带而赢接 交换编码的图像质量。 3 3 5 2 混会编鹦 图像编码方法很多，采用单一的编码方法，压缩e e 低，为获得裔效的压缩或受好 的质量，目前实际中通常对图像数据作混合编码，即编码方案中同时采用两种或两种以 上的编码方法，如艘g 标准巾裁采用了“变换编码+ 熵缡码”的漉会缀码。 混合编礞暴宥计算重适度，抗于挠髓力猴，弗能褥到较大的匿缩 t 等优点。它稍大 多采用离散余弦变换，行程编码，预测编码以及基于统计特性熵编码的混合。 3 3 。6 “第二代”豳像编码技术 “第二谯”鬻像编褥方法蹩针对传统缡褥方法串没蠢考虑久l 蕤j i 重轮藤、边缘豹褥殊 敏感性和方向感知特性而提出的。在第一代编码技术广泛应用的同时，“第二代”图像 编码方法不局限于香农信息论的框架，结合分形、模型、神经网络、小波变换等数学工 爨，充分裂羼入# 受凌觉系统爨蠢多逶遂犍、番淘舅性等垒攥、心理耱瞧彝强橡绩源豹套 种特性以期获褥低比特率、离腿缩比，其中分形图像编码、模型图像编码、神经网络图 像编码、小波变换图像编码研究的最多，也煅有前途。 3 3 。6 。1 分形圈像绩鹤 分形图像编码1 3 1 l ( f h c 协lh n a 学c c i d i n 亩蹩近几年发展起来的，胄l 予图像压缩的新 技术，它是基于分形学和迭代函数系统( s ) 理论的，一种全新的图像编码思路，与以 往的正交变换编粥有着本质的区别。它以一鳃迭代变换来揍述图像，在解码时，只要对 餐意一耱原始鬻豫遗行透戴交换，最嚣都会浚敛至l 褥玛圈像。 分形编码具有以下一些特点： a ) 分形编解码是不对称的过程，编码时需要在所有的定义域子块中搜索，因此非 鬻髓嚣雩。瑟瑟弼辩羹l 无霉蓑索，簿谣辩阀嚣遂远夸子缡羁辩耀。 b ) 分形编码是不可逆的j 过程，解码的迭代过程可i ：上逼近原图像，偿不可能完众等 于原图像。 c )由于嗣糟s 参数寒撼述强橡，使褥数据量大大降低，嚣以分形编羁兹嚣绩毖较 高。辩一般图像，当压缩眈达捌2 0 倍殴上时，仍有很好盼傈真度，对自相似性较好的 图像( 例如海岸线、云彩、大树等) ，压缩比可达上百倍，在压缩比方面优于j p e g 编 码。但是由于对躅像的子块划分，造成了压缩比较赢时出现方块效应。 内蒙古科技大学碗士学位论文 d ) 分形编码具有分辨率无关性，因为在分形编码时存储的是s 参数，它可以通过 对经舞分辨率豹图像遴卷迭钱变换悉较褥瓣秘霆豫，印惩玛戆分辨率戳与原始霾豫不 同。 分形续磷馋鸯一耱全瑟懿图像压缨方法，慰慕些爨簧明显爨糖袋搜或绞诗巍攘 鞋镶 的图像具有搬高的压缩比，在高压缩比时图像质量超过d c t 编码。当然，它在相似性 提取方面还存农缺陷，没套充分考虑入受视觉系统，莠豆存在方块效威，堡是，夔羞磷 究的不断深入，分形图像编码技术必将会日益成熟，并得到广泛应用。 3 3 。6 2 模型黧德编码 模型图像编码1 3 2 】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。模型 匿像缀玛是剩鼹诗冀糖援觉鼹诗冀撬鬻形学戆方法露黧渣，基本爨发煮是在编、解羁聪 端分别建立相同的模型。基于模型的编码器并不压缩实际的量化数据，而是采用一个表 示景物豹模型，黄送鹣痿塞是舞潺接受方妇 霉液变模受黻匹蘩输入景黪。基于模型豹解 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 瘸于鼹示豹墅像。 横型编码的关键鼹对特定的图像建立模型，并根据这个模测确定图像中景物的特征 参数，鳃运动参数、形状参数等。解鹦时爨4 摄攥参数程已鲣模激月图像合成技零霆建图 像。豳于编码的对象怒特征参数，而不是原始图像，因此有可能实现较大的压缩比。模 型编瓣弓l 入熟误差主要是夫躞援觉不太敏感戆足餐失粪，医梵重建臻缘 常鸯然窝遗 真。 模型编秘方法熬磷究中述窍在缀多翔题： a ) 模型法需要先验知识，不适合于一般的应用； b ) 对不阕匏应用藤建模型是不一撵戆； c ) 由于利用模型法压缩后恢复出来的图像大部分怒用图形学的方法产生的。看起来 不够是然，尽管毒纹瑷映射的方法，想结果仍寅特进一步改进； d ) 传统的误差评估准则不适合对模型编码的评价。 除_ 毙之乡 ，鸯珏何利用人蕤豹视觉特性也是遮秘缀鹦方法中一个没鸯缀好瑟决浆目 题。模型图像编码方法的上述缺陷使得它的应用范围受到很大f 艮制，走上实用还需要一 段时阕。 3 3 6 _ 3 神经刚络图像编码 享孛经网络鞠像编殛娜是模镑人齄簸理闫题豹方法，暹过各耱人工襻经元蹰终攘型对 图像数据进行非线性压缩。人工神经网络是一个非线性动态网络，工作过程一般分训练 内蒙古科技大学硕士学位论文 帮王俸嚣个泠段。调练淤段熬憝缝莠l 一些湄练鍪豫秘弱练箨法，调整瘸终戆衩重谈黧建 图像的误差最小。目前直接用于图像压缩编码的神经网络主要有反向误差传播型和自组 织映射型。神经网络具有非线性，自适应性，并行性和分布存储信息的处理能力等优 势，襻经嬲终与蕊秘其它编鼹的缝合，不仪班提高图像分类窝识别熊力，嚣豆还大大 掇高图像编码的快速实时处理能力。 3 3 6 4 小波变拽豳像编码 ，l 、波交换麴瑷论是近年来辫起熬薪的数学分支，它是继傅立叶变换之舞又一璧稷碑 式的发展，解决了穰多簿立l 睁变换不靛解决鲍困难闻蘧。 小波变换用于图像编码的基本思想就魑把图像进行多分辨率分解，分解成高频予图 像和低频子图像，高频子图像有水平、垂赢期对角线三个方向，而低频予图像可以进 行逡一步嚣努辩，因魏滚强缘分解藏不弱警闼、不同矮搴熬子圈像，然嚣再霹予黧像 进行系数编码。系数编码是小波变换用于聪缩的核心，压缩的实质魑对系数的量化服 缩。 这些年寒关于小波交换黧像匿续算法1 3 4 羚匀戆疆究嚣疲蘑罄+ 分溺