随着数字图像在多媒体中的广泛应用、图像分辨率的不断增加以及新的图像表示形式的诞生,图像编码无论在编码性能还是计算、存储复杂度上都面临着新的挑战。现今主流的图像和帧内编码技术都采用了基于块结构的编码,其中最先进的编码标准H.264/AVC在帧内编码时采用了块结构预测和二维变换的方法。然而,受块结构的限制,其预测的性能并不好,从而影响了块结构编码的性能。另一方面,块结构的编码为了消除块间的相关性引入了较强的块间编码依赖性,使得它不适于高并行度的编码来提高编码速度,而块结构的编码从存储复杂度上来说也不是最优的选择。针对这些问题,本文从改变编码结构的角度入手,提出了基于行结构的编码。本文首先分析了块、行/列和像素三种结构在一个高斯平稳信源上的理论编码性能。分析指出,在高码率下,行/列结构和像素结构可以达到与块结构相同的编码增益的上界。但是,在实际编码中,块结构难以准确地估计局部的统计特性,而行/列结构和像素结构由于具有更小的重建单元而具有更好的编码灵活性和局部自适应性。像素结构的缺点在于它容易受量化噪声的影响。这些分析表明,至少在高码率下,块结构的编码并不一定是最优的,而基于行结构的编码无论从局部自适应性还是受量化噪声的影响上来说都是一个不错的选择。基于这些分析,本文设计了一个混合块和行/列结构的编码方案。特别地,基于行/列结构的编码采用了三种自适应的预测方法,以适应不同的局部图像内容。实验表明,行/列结构和像素结构可以取得与最先进的块结构编码相当甚至更好的编码性能,而为了适应不同的图像特性和码率,将行/列结构和块结构结合起来后,它能取得更好的编码性能。相对于最先进的块结构编码H.264/AVC和KTA,它在自然图像上的增益分别高达2dB和1.5dB。对于混合图像,其增益高达8dB。考虑到行/列结构在编码性能上的优势,本文进一步提出了一个基于行结构的并行图像编码方法LBLC,以适应多核的并行编码。在LBLC中,输入图像是逐行顺序地进行编码的,而每一行又被分成一些等长的行单元。这些行单元的编码都是完全独立进行的,因而可以将同一行内的所有行单元分配到不同的核上来并行编码。通过这种方式,它可以取得恒定的高并行度。多核并行平台上的实验结果表明,LBLC能提供接近线性的并行度,在15个核时编码并行度高达13.9倍。理论上这种接近线性的并行度在超过100个核时仍然成立。除了高并行度外,在中高码率时LBLC能达到和H.264/AVC相当甚至更好的编码性能。对于近无损和无损编码,它能分别获得比H.264有损和无损编码高达10dB的编码增益以及14%的码率节省。由于行结构具有低的存储和延迟,本文进一步提出了一个基于行结构的Line-Cast方案,以适应具有有限的带宽、存储和计算能力等资源的卫星图像的连续采集和向地面的广播传输的应用。逐行编码和传输的方式使得它具有低延迟和低存储,而基于分布式编码的方法使得它不仅通过预测消除了像素间的各向异性的相关性,而且具有低的编码复杂度。由于采用了半模拟的传输方式,Line-Cast能够提供随信道SNR降低而渐变下降的重构质量。理论分析表明,Line-Cast的性能在信源和信道带宽一致和采用高维网格时,可以渐进逼近Shannon的理论最优值。而在卫星图像上的实验结果也指出,Line-Cast能取得和最先进的模拟传输方法Softcast相近甚至更好的性能,而相比于JPEG2000的数字传输能获得超过5dB的增益。