（计算机系统结构专业论文）高保真的图像压缩算法的研究.pdf

v 浙江犬学坝。学他论文 3 2 0 3 3 5 摘要 、( 数字图像的压缩是解决图像数据量大、存储与传输困难的基本措施。在 、一 工业测量、卫星遥感等许多领域里都需要存储与传输高保真的图像。针对这一 应用背景本文提出了一种新的算法。该算法采用了- - , e e 向量变换，这种向量 变换满足针对向量量化的信号处理过程的最优属性。该算法还采用了多套多 层结构的码书和动态位分配的向量量化技术。 ， ，f 在本算法中，为了提高图像的压缩比率和信噪比，降低压缩算法对图像 本身特征的依赖性( 即全局性好) ，采用了动态位分配技术。动态位分配量化 是以多层“金字塔”形码书结构为基础的。在该结构中越上层的码书其编码字 长越短。算法执行时，根据待量化向量的复杂程度和量化误差阀值动态地选择 码二砖。 为了进一步提高压缩性能，本算法在信号处理( 变换) 过程中，首先对 原始图像先重新抽样构成m x m 个子图像：然后再对每个子图像进行二维dc t 变换；最后将m x m 个子图像的相应dct 系数组成m x m 维向量。于是达 到了既减少了向量间的相关性，又维持了向量内部的相关性的目的，从而为高 效的量化创造了有力的基础。 实验表明，本文提出的压缩算法具有较高的、较稳定的压缩比率，较强 的鲁棒性和较高的信噪比。另外该算法具有与传统的囱量变拯一 量丝方案相 似的时间和空间复杂度。因此，本文提出的算法的压缩性能应比传统的压缩方 法更优，具有广泛的应用前景。、 厂 关键字：向量量化，图像v 压缩 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a li m a g ec o m p r e s s i o n i sab a s i cm e t h o dt os o l v et h e d i f f i c u l t y o f s t o r i n g a n d t r a n s p o r t i n g t h el a r g ea m o u n to ft h ei m a g ed a t a i nm a n y f i e l d s ，s u c ha s i n d u s t r ym e a s u r i n g a n ds a t e l l i t er e m o t e s e n s i n g ，i t i s n e c e s s a r y t os t o r ea n d t r a n s p o r th i g hf i d e l i t yi m a g e s t h i sp a p e ra d v a n c e s an e wa l g o r i t h m i nt h i s a l g o r i t h m ，a n v e c t o rt r a n s f o r m ，w h i c hm e e t st h e o p t i m a l a t t r i b u t e so fs i g n a l p r o c e s s i n gf o rv e c t o rq u a n t i z a t i o n ，i sa d o p t e d i na d d i t i o n ，s e v e r a ls e t s o fm u l t i - l a y e r e dc o d e b o o k sa n d t h eq u a n t i z a t i o nt e c h n i q u ew i t hd y n a m i cb i ta l l o c a t i o na r e a d o p t e d i nt h i sa l g o r i t h m ，t h et e c h n i q u eo fd y n a m i cb i ta l l o c a t i o ni s a d o p t e dt o i m p r o v eb o t ht h ec o m p r e s s i o nr a t e a n ds i g n a lt on o i s er a t i o ，a n dt od e c r e a s et h e d e p e n d e n c e o nt h ec o m p l e x i t i e so ft h ei m a g e st h e m s e l v e s t h i sv qs c h e m ei sb u i l t o nam u l t i - l a y e r e dp y r a m i dc o d e b o o ks t r u c t u r ei nw h i c ht h eu p p e rc o d e b o o kh a s s h o r t e rc o d e w o r d l e n g t h w h e nb e i n ge x e c u t e d ，t h ea l g o r i t h m c h o o s e st h e c o d e b o o kd y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x i t yo ft h ei n p u tv e c t o ra n dt h e t h r e s h o l do f t h e q u a n t i z a t i o n e r r o r i no r d e rt of u r t h e rt h ec o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e ，i nt h es i g n a lp r o c e s s i n g ( t r a n s f o r m i n g ) s t a g e ，a t f i r s tt h e o r i g i n a li m a g e i s s u b s a m p l e d i n t om x m s u b i m a g e s ，t h e n 2 - dd c ti s a p p l i e d t oe a c h s u b i m a g e ，a n df i n a l l y t h e c o r r e s p o n d i n gd c t c o e f f i c i e n t so ft h em x m s u b i m a g e sa r eg r o u p e d i n t oav e c t o r o fd i m e n s i o nm x m w i t ht h i sm e t h o d ，t h et w oo b j e c t i v e st or e d u c ei n t e r v e c t o r c o r r e l a t i o na n dp r e s e r v ei n t r a - v e c t o rc o r r e l a t i o na r e f o l l o w e d ，e s p e c i a l l y t h e s e c o n do n e s oav e r yg o o db a s i si sp r o v i d e df o rt h ev q s t a g et oa c h i e v eb e t t e r p e r f o r m a n c e i ti ss h o w ni nt h ee x p e r i m e n t st h a tt h ea l g o r i t h m p r e s e n t e di nt h i sp a p e r h a s h i g h e ra n d m o r es t a b l ec o m p r e s s i o n r a t i o ，s t r o n g e rr o b u s t n e s sa n dh i g h e rs i g n a lt o n o i s er a t i ot h a nu s u a l b e s i d e s ，t h i s a l g o r i t h mh a st h e s i m i l a rt i m ea n ds p a c e c o m p l e x i t yt o t h et r a d i t i o n a lv e c t o r - t r a n s f o r m a t i o r l - )s c h e m e a sa r e s u l t ，t h i st e c h n i q u ef i t sf o rn o to n l yt h eu s u a ld i g i t a li m a g ec o m p r e s s i o nb u ta l s o t h ec o m p r e s s i o no f t h ei m a g ef r o ms a t e l l i t er e m o t e s e n s i n g k e y w o r d s ：v e c t o r q u a n t i z a t i o n ，i m a g e ，c o m p r e s s i o n i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着微电子、计算机和传感器等技术的高速发展，图像、声音等媒体信息的记录、存储、传 输正朝着数字化方向前进。通常，图像、声音等媒体信号经过数字化处理之后形成的数据量非常庞 大。例如，一幅2 4x3 6m i l l ( 即3 5m m ) 的彩色胶片，若以1 2 p m 的间距进行扫描，则形成三幅 彩色数字图像。每幅彩色数字图像由3 0 0 0 x2 0 0 0 像素( p i x e l ) 组成；如果每个像素用8 比特 ( b i t ) 表示，那么三幅数字图像共需要用： 3 0 0 0 x2 0 0 0 x8x3 比特= 1 4 4x1 0 6 比特。 如此庞大的数据量不仅存储开销很大，而且在传输时使得通讯设备的负荷很重，甚至承受不 了。然而，采用压缩技术，可以把这些数据压缩几倍、几十倍，甚至几百倍。显然，研究如何去除 冗余数据，高效表示图像、声音等媒体数据，即进行“数据压缩”，具有重大的实用价值。因而， 数字图像、声音压缩技术已成为目前国内外的研究热点之一。介绍这方面技术的文章、书籍不断涌 现。如： ( 1 ) g o n z a l e zr c a n dw i n t zp ，“d i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g ，”2 ”e d i t i o n ，a d d is o n - w e s i e y ， r e a d i n g ，m a ( 1 9 87 ) ( 2 ) j a i na k 。“f u n d a m e n t a lso fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，”p r e n t i c e h a l l ，e n g l e w o o dc l i f f s ， n j ( 19 8 9 ) ( 3 ) s a y o o dk ，“i n tr o d u c t i o nt od a t ac o m p r e ss i o n ”s a nf r a n c is c o ，c a ，m o r g a nk a u f m a n n ，1 9 9 6 ( 4 ) l i mj s ，“t w o d i m e n s l e n a l s i g n a l a n d i m a g ep r o c e ss i n g ，”p r e n t i c e h a i l ，e n g l e w o o d c 1 i f f s ，h j ( 1 9 9 0 ) ( 5 ) n e t r a v a i i n a n dh a s k e l lb g ，“d i g i t a lp i c t u r e s ：r e p r e s e n t a t i o na n dc o m p r e s s i o n ，” p l e n u mp r o ss n e wy o r k ( 1 9 8 8 ) ( 6 ) s a l e m o nd a v i d ，“d a t ac o m p r ess i o n ，”s p r i n g o t v e r l a gn e wy o r k ，i n c ，19 9 7 ( 7 ) “d r a f tr e v i s i o no fr e c o m m e n d s t i o nh 2 6 1 ，”d o c u m e n t5 7 2 ，c c i t ts gx v ，w o r k i n gp a r t yx v ! ， s p e c i a lo oc o d i n gf o rv is u a lt e l e p h o n y ( 8 ) r a b b a n im a n dj o n e sp w ，“d i g “a l i m a g ec o m p r e s s i o nt e c h n i q u e s ，”s p i e ，b e l l i n g h a m ， w a s h i n g t o n 1 9 9 1 ( 9 ) h e l dg a n dm a r s h a l it r ，“d a t aa n di m a g ec o m p r e s s i o n ：t o o lsa n dt e c h n i q u e s ”，4 “ e d ，n e wy o r k ，j o h nw i l e y ，19 9 6 ( 1 0 ) n e ls o nm j a n d g a i l i yj 一i “t h ed a t ac o m p r e s s i o nb o o k ”，2 “酣，n e wy o r k ，m & tb o o k s 19 9 6 1 1 ) 高文，“多媒体数据压缩技术”电子工业出版社，1 9 9 4 ( 1 2 ) 吴乐南，“数据压缩的原理与应用”，北京电子工业出版社，1 9 9 5 ( 1 3 ) 黄贤武，赵鹤鸣，“多媒体计算机基础与数据压缩”，北京理工大学出版社，l 9 9 5 其中有不少介绍了当前技术进展的好文章，如： ( 1 ) k u o tm ，i k o n o m o p o u l o sa ，a n dk o c h e rm 。“s e c o n d g e n e r a t i o ni m a g e c o d i n gt e c h n i q u e s ，” p r o c i e e e 73 ( 4 ) ，5 4 9 - 5 7 4 ( 19 8 5 ) ( 2 ) p r a tt w r ，e d “i m a g et r a n s m i ss i o n t e c h n i q u e s 。a d v a n c e s i ne 1e c t r i ca n de l e c tt o n p h y s i c s ，s a p p l e m e n t1 2 ，a c a d e m i c ，p r e s s ，o r l a n d o ，f l ( 19 7 9 ) ( 3 ) s t o r e rj a ，( e d ) d c c 9 6 ：d a t ac o m p r e ss i o nc o n f e r e n c e l o sk l a m i t o s ，c a ，i e e ec o m p u t e r s o c i e t yp r e ss ，19 9 6 ( 4 ) h s i n gt r a n dt z o uk 一h ，e d s ，“s p e c ia l iss u e o nv is u a lc o m m u n i c a t i o n sa n d i m a g e 浙江大学硕士学位论文 pr o c essi o g ”o p t e n g 2 8 ( 7 ) ( 19 8 9 ) ( 5 ) l e g a l ld ，“d i g i t a l v i d e o ：s t a t usa n dt r e n d s ，”s p i ev i d e oc o m m u n i c a t i o na n di m a g e p r o c ess i n g ，c h i c a g e ，s e p t 19 9 4 ( 6 ) c h a l l a p a l ik ，l e b e g u ex ，p a i kw h e t c ，“t h eg r a n da 1 1 i a n c es y s t e mf o ru sh d t v ，” p r o c e e d i n go f t h ei e e e ，v o l 83 ，n o 2 ，f e b r u a r y19 9 5 ( 7 ) g e r s h oa 1 l e n “a d v a n c e si ns p e e c ha n da u d i oc o m p r e ss i o n ，”p r o c e e d i n go ft h ei e e e ，v o l 8 2 n o 6 ，j u n e 19 9 4 ( 8 ) h u n t e rr a n dr o b i n s o na h “i n t e r n a t i o n a ld i g i t a lf a c s i m i l ec o d i n gs t a n d a r d ，”p r o c ， o ft h ei e e e ，6 8 ( 7 ) ，8 5 4 8 6 7 ( 1 9 8 0 ) ( 9 ) ”d r a f tr e v i s i o no fr e c o m m e n d a t i o nh 2 6 1 ，”d o c u m e n t5 7 2 ，c c l l v rs gx v ，w o r k i n gp a r t y x v l ，s p e c i a lg r o u po nc o d i n gf o rv i s u a lt e l e p h o n y 1 1 数宇图像和图像压缩 i i i 数字图像形式 数字图像可以来自于真实世界的3 d 景色：也可能是由3 一d 景色产生的2 d 图像( 例如照片 ) 。这些图像源的信号本身都是模拟量；即，它们在空间和幅度上都是连续的。为产生数字图像， 就要采用传感器对信号源在离散位置进行抽样。这些抽样的样本就称为图像的像素p i x e l ( 即，p i c t u r e e l e m e n t ) 。样本的值通常与所处位置发射的能量密度线性相关；而它们的数值是落在一个有限的范 围内。请注意，由于采样所用的传感器也许只对人类视觉范围外的波长敏感，所以有时光线的强弱 与采集到的发射的能嚣密度并不完全一致。 对图像的部位进行采样可以采用各种各样的方法，而大部分是采用正方形的网格。在理想情 况下，每个样本的值属于一个有限的数集。然而，由于传感器的光学物理特性，使得样本的值为有 限范围内的一个实数。：单位面积内采集的样本个数就称为采样率。采样率也应服从于n i q u i s t 理论 ，即采样率必须不小于信源空间最高频率成份的2 倍。如果达不到这样的抽样率，那么当信号源的 空间频率高于l 2 抽样率时就会产生低频镜象。为防止产生镜象，通常在采样之前用滤波器进行滤 波，从而压缩系统的频宽( 注意，传感器的积分特性也会起预滤波的作用) 。在图像数字化系统中 ，常常提到扫描分辨率( s c a n n i n gr e s o l u t i o n ) 这一术语。扫描分辨率：实际就是采样率的倒数。例如 ，扫描分辨率5 0um p i x e l ，那么采样率就是2 0p i x e l m m 。 为产生数字图像，需要把采样得到的连续值量化为离散数值中的一个值。众所周知，当亮度 均匀变化时，人类视觉系统h v s ( h u m a nv i s u a l ss y m e m ) 所感觉到的变化并不是均匀的。由于在 大多数应用场合，图像被人们主观地观察，所以按照人类的视觉系统h v s 的感觉效果进行量化是 必要的。在许多场合，通过对图像作非线性量化( 如：指数或立方根函数量化) ，使得量化后的效 果接近于人类的视觉系统h v s 的感觉效果。对图像量化的级数取决于应用的需要。铡如，对于黑 白文本图像，由于文本图像中的任何一个像素不是白、就是黑，所以只要二个量化级就行了( 即， l b i u p i x e l ) 。对于自然景物图像或连续色调的图片，通常采用2 5 6 个量化级( 即，8b i 帅i x e l ) 。 然而，当图像信号源的动态范围比较大、传感器的输出精度比较高时，则可以采用1 0b i u p i x e l 或1 2 b i t p i x e l 进行量化。实际上，为了克服传感器的非线性引起的对模拟量直接量化后的误差，比较合 理的图像数字化方法是首先采用1 2 1 4 位对线性空间的像素值进行量化；然后对量化的数据作非 线性校正；最后，用查表法把这些数据再量化为8 位的二进制数。 2 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 数字图像及处理技术的应用 数字图像处理一般指的是通过数字计算机处理二维图像。更广义地讲，它可包括对任 f a 7 - 维 数据的数字处理。这门学科的产生和迅速发展主要受三个方面因素的影响。一是计算机的发展， 二是数学的发展特别是离散数学理论的创立和完善，三是广泛的军事、工业和医学等各方面的应 用。本世纪二十年代，图像处理首次应用于改善伦敦和纽约之间的海底电缆发送的图片质量。直 到本世纪五十年代数字计算机发展到一定水平后，数字图像处理才真正引起人们的兴趣。1 9 6 4 年 美国喷气推进实验室0 p l ) 用计算机对“徘徊者七号”太空船发回的大批月球照片进行处理，收 到明显的效果。六十年代末，数字图像处理已经形成了比较完整的体系，形成一门新兴的学科。 六十年代到七十年代，由于离散数学的创立和完善，使数字图像处理技术得到迅猛的发展，理论 和方法进一步完善，应用范围更加广泛。 这一时期，图像处理主要和模式识别和图像理解的研究相联系，如文字识别、医学图像处理、 遥感图像的处理等。七十年代后期至今，各个应用领域对数字图像处理提出越来越高的要求，促 进这门学科向更高级的方向发展，特别是在景物理解和机器视觉方面图像由二维处理变成三维 解释。近几年来随着计算机和各个领域研究的迅速发展，科学计算机可视化、多媒体技术等的研 究和应用，数字图像处理从一个专门领域的学科变成了一种新型的科学研究和人机界面的工具。 概括起来，数字图像和处理主要应用于下面领域： 1 宇宙探测：由于太空技术的发展，需要用数字图像处理技术处理大量的星体照片。 2 遥感：分航空遥感和卫星遥感，这些图像需要用数字技术加工处理并提取有用的信息，可 用于地形地质、矿藏探测、森林、水利、海洋、农业等资源调查，自然灾害预测预报，环境污染 监测气象卫星云图处理，以及用于军事目的的地面目标识别。主要进行图像的分割、几何校正 等。 3 生物医学领域中的应用。首先应用于细胞分类、染色体分类和放射图像等。七十年代数字 图像处理在医学上的应用有了重大突破，1 9 7 2 年x 射线断层扫描( c t ) 得到实用：1 9 7 7 年白血球 自动分类仪问世：1 9 8 0 年实现了c t 的立体重建。 4 工业生产中的应用。在七十年代起有了迅速的发展，主要有产品质量检测，生产过程的自 动控制，c a d c a m 等。在产品质量检测方面，如损伤、焊缝质量或表面缺陷的探测。又如金属 材料的成分和结构分析，纺织品质量的检查，光测弹性力学中应力条纹的分析等。在电子工业中 可以用来检验印刷线路板的质量、监测零件部件的装配等。在工业自动控制中，主要使用机器视 觉系统对生产过程进行监视和控制，如港口的监测调度、交通管理、流水生产线的自动控制等。 在计算机辅助设计和辅助制造方面，已获得越来越广泛的应用，并和基于图形学的模具、机城零 件、服装、印染花型c a d 结合。目前二维图纸自动输入和理解。根据3 d 实物建立c a d 模型等 越来越引起重视。 5 军事、公安等方面的应用。军事目标的侦察、制导和警戒系统、自动武器的控制；公安部 门的现场照片；指纹、手迹、印章、人像等的进一步处理和辨识，另外还有大量的历史文字和图 片档案的修复和管理；以及其他方面图像信息的显示、记录、处理和文字自动识别等。 6 机器人视觉：目前还处于研究之中的开放课题，视觉作为智能机器人的重要感觉器官，进 行三维景物理解识别。主要应用于军事侦察、危险环境下的自主机器人，装配线工件识别、定位、 太空机器人的自动操作，和用于邮政、家庭服务的智能机器人。图像预处理是高级视觉不可分割 的一部分。 7 视频和多媒体系统。如目前电视制作系统广泛使用的图像处理、变换、合成，多媒体系统 中静止图像和动态图像的采集、压缩、处理、存储和传输等。 8 科学可视化。图像处理和图形学紧密结合，形成了科学研究各个领域新型的研究工具。 9 新闻图像的传输：传输系统由压缩解压终端、通信终端、卫星信道以及相应的数据传输和 浙江大学硕上学位论文 通信服务软件组成。记者可将采访到的电视新闻录像素材经压缩终端实时压缩为符合m p e g 一2 标 准传输流格式的文件，而后由系统的传输软件通过v s a t 卫星信道传送到接收方，接收方收到的 视频文件可由解压终端实时解压回放或转录在高质量的录像带上。我国第一套视频新闻采集传送 系统( v n g t s 9 7 ) 已由新华社技术局音像中心与清华大学电子工程系台作共同开发成功。 】0 电视会议：电视会议( v t c ) 是通过音频、视频、文本和计算机进行通信。这种通信方式具 有实时陛和交互性。尤为重要的是可使双方或多方依靠信息进行”面对面”的通信，使传统的通信方 式产生新的飞跃。据美国个人技术研究( p t r ) 公司预测，在今后5 年内，将会有更多的人使用电视 会议系统。该公司预计，到1 9 9 9 年，电视会议系统市场将由现在的1 0 亿美元增加到5 0 亿美元。 视像会议软件的全球销售量每年将增加2 倍以上，到2 0 0 0 年将从1 9 9 5 年的7 万件增加到4 5 0 万 件。电视会议系统一些国际标准已制订出来。国际电联( i t u ) 为在i s d n 线路上应用压缩与解压缩( 编 码和译码) 技术而制定了h 3 2 0 。 1 1 影像档案管理：由扫描仪完成图像的前端输入，进入计算机后进行压缩存档，幽像后端输 出由打印机完成。再配上相应的管理软件，既形成影像档案管理系统。现中国农业银行总行及国 家计划委员会已采用这种管理系统。 1 2 图像监控：图像监控系统集无线电技术、数字图像压缩技术和调制解调技术于一体具有 保密性强、实时显示跟踪等特点。该系统在安全、金融、化工、航空、兵器等领域具有通用性， 有着十分广阔的市场前景。国内由西安高新技术产业开发区西安全达微波通讯公司研制成功的j d 9 5 a 多功能车载图像监控，已经转入规范化生产。 1 3 点播电视( v o d ) ：v o d 不同于电视，电视要求观众与之同步，而观众与v o d 的关系则 是主动的。v o d 的出现是科技发展的必然产物，今后人们与它的关系，就象现代人与电的关系一 样，人们可通过v o d 娱乐、购物、学习、做生意。电视实现了人们足不出户，可知天下事的梦想， 而v o d 更将展现这样一幅绝妙的图画：人们足不出户，可做天下事。v o d 系统主要由信息制作和 控制中心、传输网络、用户端三大块组成。信息制作和控制中心的主要设计是计算机、视频压缩 机和信息库；传输网络是传输v o d 的通道，传输介质一般是h f c ，即电缆、光纤混合网；用户端 最为简单。仅由电视机和顶端盒组成。v o d 系统的基本原理是将视频信息进行编码，编码后的信 息存储在视频服务器的磁盘阵列或磁带库中。如果用户利用顶端盒的遥控器选择所需功能，则相 应的信息包通过网络传到顶端盒，利用其解压模块进行还原，用户就可以在电视屏幕上看到所需 视频节目。 1 4 数字摄影；数码相机与传统相机不同，当拍摄相片时，影像以数字形式记录并处理，以利 于计算机使用。不过目前的数码相机在图像品质、内存容量、电池容量、数据传输速度等方面还 不能令用户满意。并且，还得购买可选的软件和硬件，才能使用。这些缺点极大地限制了数码相 机的推广与使用。 1 1 3 数字图像处理的主要研究内容 不管是何种目的都需要计算机和图像专用设备组成的系统进行对图像数据的输入、进行加工 和输山，因此数字图像处理研究的内容主要有： 】图像获取、表示和表现( i m a g ea c q u i s i t i o n ，r e p r e s e n t a t i o na n dp r e s e n t a t i o n ) 主要是把模拟图像信号转化成计算机所能接受的数字形式以及把数字图像显示和表现出来。 另外，所使用的光学成象系统会带来一些几何畸变和模糊，如物体和成象系统之问的相对运动会 引起图像模糊。图像获取过程所带来的图像退化( d e g r a d a t i o n ) 是否关系重大取决于特定的应用。在 许多情况f 不需要任何处理，但是如果需要的话就要使用图像增强和图像复原。这两种阁_ = 图像 质量改善的方法是有区别的选用何种方法取决于有关退化具体形式的信息有多少。如果对产生 退化的准则原因知之甚少或一无论所知，则选用图像增强技术；否则如果有关退化的原冈知之甚 4 浙江大学硕士学位论义 详，则可选辩! | 专fj 的图像复原方法。 2 幽像增强( i m a g ee n h a n c e m e n t ) ：主观校正 幽像增强是对图像质量的在一般意义上的改善。如果无法知道有关图像退化的有用和定量的 信息，则使用图像增强技术可较为主观地改善图像的质量。所以图像增强技术是用于改善图像质 最所采j ； ；j 的一种较为通用的方法。例如一些技术用于减少图像可能存在的模糊。所谓通用( 非专用) 是指不管何种原因产生的模糊这种技术都可减少之。例如在物理本质上，运动模糊和聚焦不好产 生的模糊是不同的，但相同的增强技术可能会改善任何一种模糊图像的质量。正因为增强技术并 非针对某种退化所采取的方法，因此很难预测哪种特定的技术对给定的应用图像是最好的。选择 合适方法的唯一途径是通过实验和分析误差。 增强技术也经常用于改善图像中某种特征的可探测性，从而使人( 或计算机) 能够更容易地识 别。例如减少图像模糊会使观察某种感兴趣的特征变得容易些。有时可能需要彻底改变图像的视 觉效果，以便突出重要特征的可观察性。在这种情况下，可以把增强理解为增强感兴趣特征的可 识别性而非改善视感质量。但在某些应用中，这种区别并不重要。例如目前电视节目制作中在片 头或片尾处或广告中所用的图像颜色变换，台阶化、二值化和轮廓效果，就是反以往图像质量 的逼真性要求，以得到一种特殊的艺术效果增强动感和力度。 3 图像复原( i m a g er e s t o r a t i o n ) ：客观校正 当图像中各种退化原因的有关信息己知时，复原技术可用作图像校正。关键的一步是对每种 退化要具备一个合理的退化模型。例如对聚焦不良的成象系统的物理特性就比较了解，而且对用 于获取图像的特定光学系统的直接测量也是可能的。退化模型和特定的数据一起描述了图像的退 化因此复原技术是基于模型和数据的图像恢复，其目的是消除退化的所有影响，从而产生一个 等价于理想成象系统所获得的图像。当然我们不能希望复原是完全的，但是一般来说其结果要优 于用增强技术获得的结果这也正是因为复原技术的针对性强。 4 图像分害t j ( i m a g es e g m e n t a t i o n ) 图像通常包括多个物体的( 投影1 结果。例如，一幅医学图像中显示出各种器官和组织，其中 一些是正常的，另一些则可能是病变的。图像处理为达到解决实际问题的目的，几乎都必须将图 像分成区域，每个区域代表被成象的一个物体( 部分) 。例如，医生可能只对图像中某个器官感兴趣， 因而希望把它孤立出来单独分析。把图像分成区域的过程即所谓的分割。 5 图像分析 几乎所有图像处理应用的目标都是某一种图像数据的分析，在某个应用中，其目的是识别出 一个或多个物体。在工业检测中，这个目的可能是保证在成品中所有零件都不缺而且装配l e 确， 从而完成该任务的图像系统需要检查某一特定工件出现的图像区域，然后检测其存在性。如果所 有的工件都在正确的位置，则系统认为装配正确。在这个应用中，图像分析把成千上万个像素的 图像转化成个最简单的选择：p a s s o rf a i l 。 有的应用中不仅检测出物体的存在，还要度量它们。在医学图像处理中经常需要测量物体的 尺寸。例如为了检查某治疗方案对肿瘤是否有效需要定期检查肿瘤的大小。那么图像系统就 可以做这种事：定期拍照并分析肿瘤大小。对病人和医生来说，重要的不是这些照片本身，而是 随时问变化肿瘤大小的变化。图像不过是获得这个信息的一种手段。当然在一些应用中并不是能 够分得这么清楚。 6 图馋压缩编码 对图像进行编码的主要目的是为了压缩数据便于存储和传输，当前编码的一些方法对图像 分析和图像加密也有越来越多的应用。图像的数据量是非常大的。尽管现在有了容量很大的存储 器，但是对图像数据( 尤其是动态图像和高分辨率图像) 的需求量也大大增加，因此在实际应用中图 像压缩是必须的。电视图像产生的数据率超过每秒l o m 字节。有些应用的图像数据鹫更人。如果 数据不压缩，则在存储和传输中就需要占很大的容量频带，因而增加成本。图像压缩的目的就 是在保证图像质域的前提下压缩数据量。在图像传输的应h ；| 中有广播电视：通过卫星、航天e 机、 浙江大学硕士学位论文 雷达或声纳得到的遥感图像；电视会议、计算机通讯和传真等。图像存储中的应用有教育文档、 商业文档、医学图像、多媒体系统。 1 1 4 数字图像压缩的必要性 i 从存储角度来看 在过去几十年中，计算机存贮容量随应用程序的数量和大小的膨胀而迅速增加。随着存储技 术的发展，每单位面积存贮介质可存储的数据也在呈几何级上升，而每兆字节的价格从几百美元急 剧下迭到几美分。但随着多媒体、遥感、图像处理及应用等技术的发展所需存储与处理的视频图 像、声音等数据也越来越多。如果要存储大型视频与图形文件，则需要的存贮容量是惊人的。尽管 存贮设备的价格下降得非常快，但要保存所有类型的数据( 例如视频、声音文件) 仍非常困难。据计 算- , 5 时的数字视频文件要占2 2 g 字节的存贮空间，是- - , j , 时的数字文本两百万倍。如此之大 的数据量，不经过压缩而存储是在实际应用中是很难做到的。 - - , g5 1 2 5 1 2 像素、8 b w p e l 的黑自图像占2 5 6 k b i - n5 1 2 5 1 2 像素、8 b i t p e l 的彩色图像 则占3 2 5 6 = 7 6 8 k b ：一幅6 光谱带( s p e c t r a lb a n d ) 的温度遥感图像。分辨率为6 0 0 0 6 0 0 0 ，8 b i t s p e rp i x e l ，就有关2 1 6 m b 的信息量，如果用9 6 0 0 b p s 传输一幅这样的图像，则需要5 0 小时：一幅 2 2 9 1x 2 1 9 0 x 8 b r 的气象卫星红外云图占4 9 0 m b ，而一颗卫星每半小时可发回一次全波段数据( 5 个波段) 每天的数据量高达1 ，2 g b 。如甲：l a n d s a t 两个可见光波段和两个红外波段同时成 像，可以形成同一图像在不同频谱下的四幅照片。若每一标准照片有3 2 4 0 像素2 3 4 0 行8 b i t ， 则一组四幅图像共有2 9 m b 。即使每天只收到几十幅数据量也是非常巨大的。这些图像如果需要 长期保存以供研究之用，同样需要使用压缩存储技术。 2 从传输角度来看 电视会议数字化的视频图像需要很宽的传输带宽及巨大的存贮容量。视频大致以每秒3 0 帧的 速率传输，将达到9 0 m b p s 的数据传输率，而现有的视频信号至少达到2 0 ：1 的压缩比，才能通过 现有的卫星及电缆媒介传输。压缩技术可以帮助减少传输所需带宽，不必铺设额外的电缆，在现有 线路上传输更多的信息，从而减少了由此而带来的一系列费用和问题。这些导致了一些音频及视频 应用对压缩技术的依赖。 使用图形、图像、声音、动画、活动影像等多媒体信息时，特别是有较高的质量要求时。不 仅需要占用相当大的存储空间，而且需要相当高的数据传输率。例如，当每个图素用2 4 位表示时， 帧活动影像要求约1 m b 计算机数据；如果按我国电影的放映速度每秒2 5 帧计( 荑、日等国家为3 0 帧) ，l o 秒钟的活动影像就要占约2 5 0 m b 的硬盘空间。对一个满屏幕的全活动影像要求计算机每 秒传送2 5 m b 数据这大大超过了p c 机及某些工作站可以处理的能力。典型的硬盘驱动器每秒约 可传送1 3 m b 数据，而单速c d r o m 驱动器每秒仅可传送1 5 0 k b 数据。远不能满足需要。要减 少图像所占空间、降低所需数据传输率，最简单的办法之一是减少播放窗口的大小。例如把窗口大 小改为】0 0 1 0 0 个图素后，所占空间仅为6 4 0 4 8 0 的1 3 0 。另一个办法是放慢回放速度，如每 秒5 帧、1 0 帧等。显然，这些都不是理想的解决办法。最好的解决办法还是对图像文件的大小进 行压缩。如果不对信息进行压缩，除要占用很大的存储空间外，对传输速度的要求也必然很高。如 果由于技术或其它方面原因的限制，在达不到较高传输速度的情况下传输时间必然拖得很长。此 时，传输一些“静态“信息或许还能容忍，而传输语音、动态影像等”动态”信息时，情况就可能变得 很严重，语音可能变得”语无伦次”、电影变得”杂乱无章”，从而完全失去意义。因此，为了压缩存 储空间、降低对数据传输率的要求，以便更好地处理动态多媒体信息对多媒体信息进行压缩是绝 对必要的。 未来的星载遥感系统所要求的数据传输率很可能超过现有的信道容量，例如，高分辨率成像 光谱仪( h i r i s ) 将在3 0 米分辨率的情况f 获取1 9 2 个谱段的数据，其数据传输率为2 8 0 m b s ；地 6 浙江大学硕士学位论文 球同步轨道卫星相对地球表面的速度为75 k r n s 如果扫视面积为4 3 5 k m 2 ，若地面象元尺寸为3 3 m z ，则共有4 8 m 个象元，若以8b i t 象元计，信道的传输码速率为3 4 5 m b s ；如果军事侦查卫星所 要求的图像分辨率为0 5 米，地面扫宽为7 5 公里，则下行数据率将高达1 7 0 0 m b s 。而在另一方面， 遥感数据本身却存在着相当大的冗余度，在此，数据压缩是十分必要的。 3 从应用与经济角度看 在多媒体、电视技术等领域，对图像质量的要求相对较低，经压缩的图像只要观察者没有察 觉到明显的失真即可；而在许多图像应用领域，是采用人工读图的方法来使用图像，例如一些医学 图像、卫星图像等，只要经压缩的图像没有损失专业读图人员所能辨认的各种特征，就可以认为该 种压缩技术是可行的。并且据武汉测绘科技大学宣家斌教授认为任何图像成象系统都有一定的系 统噪声，实际的图像与经成象系统所成的图像是有误差的，也可咀说是满足一定的系统信噪比，如 果经压缩的图像的信噪比小于或等于系统信噪比，则可以认为该压缩技术是没有损失任何可辨认的 信息的。所以在实际应用中，数据压缩是具有其可行性的。 数字通信技术有许多优点，是目前国际卫星通讯的发展反向及当前潮流所在，但是它也使数 据量猛增。数字电话的最低取样率应达到8 k h z ，按每一取样8 b i t 量化，通常也需要i = 8 8 = 6 4 k b s 的数码率；一路p a l 制彩色数字电视，若用3 倍副载频采样，每像素8 b i t 编码，数码率1 = 4 4 3 8 8 = 1 0 6 3 m b s 。若实时传送，需占用上述数字话路1 6 6 0 个! 若能压缩到原来的1 3 。即可同时增 开1 1 0 0 路数字电话；而一路高清晰度电视h d t v ，数码率更高达i = 1 2 8 0 7 2 0 6 0 3 8 = 1 3 2 7 m b s ，相当于1 3 路普通电视；在卫星电视广播方面，若采用卫星电视压缩技术，可在一个 传统的卫星通信转发器传送4 - 6 个数字广播电视，大大提高了通讯卫星转发器带宽的利用效率，将 使卫星电视直播应用得到进一步的发展。如果在这些领域运用数据压缩技术，将可获得很高的经济 利益。 1 1 5 图像压缩技术的发展与现状 早在1 8 4 3 年，莫尔斯( m o r s e ) 发明的电报码是最原始的变长码数据压缩实列。1 9 3 9 年美国贝尔 实验室( b e l ll a b ) 的达德利( h d u d l e y ) 包j 始了通道声码器( v o c o d e o 。成为第一个语音压缩系统。 1 9 3 8 年里夫斯( r e e v e s ) 1 1 9 4 6 r ht f l n a p lf l fl d n ( e m d e l o r a i n ) 以及1 9 5 2 年贝尔公司的卡特勒( c c c u t