基于嵌入式思想的小波图像压缩研究

1、基于嵌入式思想的小波图像压缩研究摘要：图像作为传递信息的媒体和手段是非常重要的。但是数字图像的数据量非常大，需要很多的比特数，因此需要对图像进展压缩。所谓图像压缩就是在保证一定的图像质量和满足一定要求的前提下，减少图像原始数据量的一种过程。关键字：图像压缩嵌入式小波变换Abstrat：Theiageasdeliveringediuandeansfinfratinareveryiprtant.Butthedataquantityfthenuerialiageisverybig,needingaltfratistespeiallyunt,asaresultneedtarrynthepressint

2、theiage.S-allediagepressinisatguaranteetheertainiagequantityandsatisfythepreisefertainrequestunder,apressfreduingthequantityfriginaldatafiage.Firstly,theiagepressinsneessaryandfeasibilityaredisussed,andseverallassialiagedingtehnlgiesareintrdued.Inludingdeethdanditsevaluatinriteria,ainiagedinginterna

3、tinalstandardandsn.Finally,theEbeddedZertreeaveletalgrithbasedntheavelettransfratinhadbeenanalysisedandthedisuss,anditsbasithught、neptandalgrithpriniplehadbeenelabrated.Andtheprgraingbasednatlabhasbeenpleted:verallsituatinthreshldvalueiagepressinBasednthebir3.1avelet,iaget-tiespressinsandthepriitive

4、iage3-tiesdepsitinsbasednthebir3.7avelet,theiagepressin-endinganddedingbasedntheharraveletandthehuffanding.Thrugharriesnthepressindetestexperienttthestandardtestiage,nfiredthisethdperatinssuintin,thequikspeed,thehighqualityfthere-buildiages,hihhasbtainedthesatisfyingeffet.Keyrds：IagepressinEbeddedav

5、elettransfr本文首先阐述了图像数据压缩的必要性和可行性，对传统的经典的图像编码技术进展了介绍。包括编码方法及其评价标准、主要的图像编码国际标准等。并对基于小波变换的嵌入式零树算法进展了详细的分析和讨论，阐述了嵌入式零树小波编码(EZ)的根本思想、概念及算法原理。并完成了基于harr小波基和huffan编码方法的图像压缩编解码的编程。通过对标准测试图像进展压缩编码测试实验，证实该方法运算简洁，速度快，重构图像质量高，获得了令人满意的效果。一、图像压缩编码概述1.图像压缩编码的原理图像压缩机制通常可以分为两种：有损压缩和无损压缩。在无损压缩中，我们关心的是确信重建没有丧失信息，无损压缩通

6、常被用于文本文件的压缩中。对于有损压缩，允许压缩后产生质量上的误差。有损压缩机制的优点是可以得到比无损压缩高得多的压缩比，但是它只能用于可以用近似的数据代替原始数据，而这种相近数据又是容易被压缩的情况。举例来说，一幅和原图像在视觉上没有区别的图像可以看作是原图像的近似。任何压缩机制的根本思想都是除去数据中存在的相关性。所谓相关性，就是可以根据给出的一部分数据判断其相邻的数据。数据相关性分为以下几种：(1)空间相关性：可以根据图像中某一点的像素值推断出其相邻点的像素值；(2)频率相关性：一个信号的傅立叶变换通常是光滑的，这意味着可以根据某一部分的频率来推断其相邻部分的频率；(3)时间相关性：在数

7、字视频中，在时间上相邻两帧图像的大部分像素的值变化很校有损压缩的标准过程是变换编码。根本思想是用一个和原来不同的数学基来表示数据，在这种新的表示下，数据的相关性可以显露出来或被拆开。在这种情况下，大部分的系数都接近于0，可以忽略，于是可以将余下的信息存储在一个较小的数据包中。2.图像压缩编码的方法图像压缩编码有多种分类。按图像形式分为图示像和非图示像；从光度特征分为单色图像，彩色图像和多光谱图像；从处理维数分为行内编码，帧内编码和帧间编码；根据编码原理可分为：熵编码、预测编码、变换编码和混合编码9。2.1熵编码熵编码是纯粹基于信号统计特性的编码技术，是一种无损编码。熵编码的根本原理是给出现概率

8、较大的符号赋予一个短码字，而给出现概率较小的符号赋予一个长码字，从而使得最终的平均码长最校常见的熵编码方法有行程编码(RunLengthEnding)、哈夫曼编码(huffan)和算术编码。这里重点说明哈夫曼编码。哈夫曼编码是以信源概率分布为根底的，但一般无法事先知道信源的概率分布，通常采用对大量数据进展统计后得到的近似分布来代替，这样会导致实际应用时哈夫曼编码无法到达最正确性能。通过利用根据输入数据序列自适应地匹配信源概率分布的方法，可以较好地改良哈夫曼编码的性能。哈夫曼编码的一般算法如下12：(1)首先统计信源中各符号出现的概率，按符号出现的概率从大到小排序；(2)把最小的两个概率相加合并

9、成新的概率，与剩余的概率组成新的概率集合；(3)对新的概率集合重新排序，再次把其中最小的两个概率相加，组成新的概率集合，如此重复进展，直到最后两个概率的和为1；(4)分配码字：码字分配从最后一步开场反向进展，对于每次相加的两个概率，给大的赋“0小的赋“1(也可以全部相反，假如两个概率相等，那么从中任选一个赋“0，另一个赋“1即可)，读出时由该符号开场一直走到最后的概率和“1，将道路上所遇到的“0和“1按最低位到最高位的顺序排好，就是该符号的哈夫曼编码。2.2预测编码在经典的图像编码技术中，预测编码和变换编码是主要的两类编码方法。预测编码的硬件实现比拟简单，而对于图像质量要求高的场合，采用预测编

10、码，例如，差分脉冲编码调制(DP)可以到达与变换编码同样程度的码率压缩。目前，在视频序列编码，进展时间轴冗余度压缩的主要手段是运动补偿帧间预测。在预测编码时，不直接传送图像样值本身，而是对实际样值与它的一个预测值间的差值进展编码、传送。假如这一差值预测误差被量化后再编码，这种预测编码方式叫DP。DP就是通过去除相邻像素间的相关性和减少对差值的量化层数来实现码率压缩的。2.3变换编码变换编码的根本思想是将在通常的欧几里德几何空间(空间域)描写的图像信号变换到另外的正交向量空间(变换域)进展描写。假如所选的正交向量空间的基向量与图像本身的特征向量很接近，那么同一信号在这种空间中描写起来就会简单得多

11、。空间域的一个NN个像素组成的像块经过正交变换后，在变换域变成了同样大小的变换系数块。变换前后的明显差异是，空间域像块中像素之间存在很强的相关性，能量分布比拟均匀；经过正交变换后，变换系数间近似是统计独立的，相关性根本解除，并且能量主要集中在直流和低频的变换系数上。这样一个解相关过程也就是冗余度压缩的过程。在经过正交变换后，再在变换域进展滤波、与视觉特点匹配的量化及统计编码就可以实现有效的数据压缩。本文重点研究的是小波变换在图像编码中的应用。2.4混合编码混合编码是指综合了熵编码、变换编码或预测编码的编码方法，如JPEG标准和PEG标准。3.图像编码方法的评价标准对于一个图像编码方法的评价，主

12、要包括以下两个方面:一是对重构图像质量的评价，二是对图像编码效率的评价。通常的图像编码都是失真编码，这就需要有一个对重构图像质量进展评价的标准，希望在传输码率尽量低的前提下能尽量保证重构的图像具有较高的图像质量，这对图像编码方法的开展具有很好的指导意义。图像质量的含义主要包含了两层意义:一是重构图像的失真度，即重构图像与原图像的偏离程度:二是图像的可读性，即人们能从图像中获得的信息。一般情况下，人眼是图像信息的接收者，但由于目前对人的视觉系统的性质的理解还很有限，还不能对图像的失真度和可读性做定量描绘，所以在图像质量评价方法上，除了主观的评价方法外，还需要客观的评价方法。主观评价方法是由评价者

13、直接对一幅图像进展观察，从感觉上去度量其失真程度，给出质量评价分数，对所有评价者给出的分数进展加权平均，所得结果即为主观评价结果，有两种尺度:绝对尺度和相对尺度。绝对尺度可以分为5个等级：很好，较好，一般，较差，很差；相对尺度也分为5个等级：最好的，高于平均程度，平均程度，低于平均程度，最差的。这种评价结果必然符合人的视觉感受，相对于客观评价方法是可靠的，但它使用起来不方便，一方面不能用数学模型对其进展描绘，不能直接用于图像编码过程中的质量评价和控制，另一方面，主观评价容易受到评价者的主观因素影响，如年龄、教育程度和性格等，所以大多数情况下还是以客观评价方法对图像质量进展评价。所谓客观评价方法

14、，就是定义一个数学公式，然后对待评价的图像进展运算，得到一个唯一的数字量作为测度结果，通常用于评价图像的失真度。图像压缩的好坏通常由以下几个量表征11：(1)0的系数个数百分比和保存能量百分比小波分解系数中置0的系数个数百分比、压缩后图像保存能量百分比是两个非常重要且直接的指标。前者直接表示了经压缩编码后节省的系数个数百分比，而后者表示了图片的质量的保存程度。(2)压缩比R(pressinRati)R=压缩前图像所含比特数/压缩后图像所含比特数图像的压缩效率通常用压缩比来衡量，压缩比越高，图像压缩越大，反之亦然。(3)编码及解码时间编解码的时间越短越好，但要实现比拟好的压缩效果，必然要采用较复

15、杂的算法，运算量的增加必然使编解码时间增加，因此这是一对矛盾，在实际应用中要综合考虑。同时，编码和解码也存在一定的矛盾，一般由于编码端环境的限制，对编码的时间要求更严格，也常采用尽量减少编码端的计算，将这些计算放到解码端进展处理。(4)重建图像质量人眼是重建图像主观评价的工具，通常至少选20人作为评判者，以保证结果的可靠性；在实际中常用一些客观参数作为评判重建图像质量的一个度量。这些参数有PSNR,SE。其中N是图像的尺寸，,分别表示原图像和重建图像在(i,j)处的灰度值。PSNR=10lg10(l2/SE)应该注意的是，SE和PSNR是从总体上反映原始图像和重构图像的差异，并不能反映部分。有

16、时候同样的信噪比，视觉效果还是会有一定的差异，这主要是由于误差的均匀程度造成的。一般来讲，误差均匀时视觉效果好，反之视觉效果不好。大多数情况下，都可以用PSNR对图像质量进展评价，但有时其结果可能与主观评价结果不相符。n二、基于嵌入式思想的小波图像压缩算法1.嵌入式零树小波编码(EZ)的根本思想一般地，在图像的低比特率编码中，用来表示非零系数位置的开销远远大于用来表示非零系数的开销，由于图像小波系数存在的空间位置相似性和树状构造特性，因此将这种特性应用于图像压缩领域，就可以大大节约图像压缩编码当中非零系数位置的存储效率，从而进步图像的压缩效率。此外，在一幅图像中，具有较高能量低频信息对视觉比拟重要，而能量较低的高频信息对于视觉来说不太重要，而图像小波系