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【摘要】现代通信系统中，当图像从信息源由发送设备通过信道传输传送到接受设备时，图像压缩技术在图像占用空间，传输速率等方面发挥着不可替代的作用。本文主要针对图像存在的冗余、静态图像压缩以及动态图像压缩等方面做了探析。
【关键词】图像冗余；压缩标准；静态图像压缩；动态图像压缩
1.图像为什么能被压缩
图像之所以能被压缩是因为图像存在大量冗余，当图像被压缩后，非图像专家并不能看出与原图像的差别。图像冗余主要包括空间冗余、时间冗余、视觉冗余等冗余。下文简单介绍下这三种冗余。
1.1空间冗余
空间冗余是图像数据中经常存在的一种冗余。在同一幅图像中，规则物体和规则背景(所谓规则是指表面颜色分布是有序的而不是杂乱无章的)的表面物理特性具有相关性，这些相关性的光成像结构在数字化图像中就表现为数据冗余。
1.2时间冗余
时间冗余是序列图像(电视图像、动画)和语音数据中所经常包含的冗余。图像序列中的两幅相邻的图像，后一幅图像与前一幅图像之间有较大的相关性，这反映为时间冗余。同理，在语言中，由于人在说话时发音的音频是一连续的渐变过程，而不是一个完全的在时间上独立的过程，因而存在时间冗余。
1.3视觉冗余
人类视觉系统对于图像场的任何变化，并不是都能感知的。例如，对于图像的编码和解码处理时，由于压缩或量比截断引入了噪声而使图像发生了一些变化，如果这些变化不能为视觉所感知，则仍认为图像足够好。事实上人类视觉系统一般的分辨能力约为26灰度等级，而一般图像量化采用28灰度等级，这类冗余我们称为视觉冗余。通常情况下，人类视觉系统对亮度变化敏感，而对色度的变化相对不敏感；在高亮度区，人眼对亮度变化敏感度下降对物体边缘敏感，内部区域相对不敏感；对整体结构敏感，而对内部细节相对不敏感。
2.静态图像压缩
2.1静态图像压缩的标准
静态图像中的像素与像素之间，行与行之间存在着较强的相关性，这就使压缩成为可能，从而产生了静态图像压缩标准，随着技术的发展，标准从JPEG发展到JPEG2000。
JPEG ( 联合图像专家组) 是由国际标准组织和国际电话电报咨询委员会为静态图像建立的第一个国际数字图像压缩标准，JPEG是目前静态图像压缩格式中压缩比最高的。该标准采用离散余弦变换编码和熵编码 两种基本的压缩算法。DCT算法是一种有损压缩算法，具有算法简单、适中的计算复杂性、易于硬件实现等优点。使用有损压缩算法时，在压缩比为25：1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此广泛的应用于图像压缩领域。JPEG编码按工作模式可分为：①基于DCT变换的顺序型操作模式②基于DCT渐进型操作模式③基DPCM的无损编码(顺序型) 操作模式④基于多分辨率编码的(渐进型) 操作模式。基于DCT变换的顺序型操作模式是JPEG标准的核心，它是JPEG标准的基本系统，操作简单的图像编码高效，应用场合广泛。JPEG2000处理的对象不是整幅图像，而是经由DWT(小波) 变换把图像分成若干图像片，分别对每个图像片进行独立的编码，解码。JPEG2000与传统JPEG最大的不同在于它放弃JPEG所采用的以DCT变换为主的分块编码方式，而改为以小波变换为主的多分辨率编码方式，可以大范围地去除图像的相关性。小波变换是现代谱分析工具，其主要目的是要将影像的频率成分抽取出来，其作用是对图像进行分辨率分解。
2.2静态图像压缩的基本思想
静态图像压缩先将一幅原始图像转换为自己的色彩系统，按照人眼特点对其中各个色彩分量作不同的取样。经离散余弦变换转换从空间域变为频域，接着将变换后的数据量化以丢弃无用信息，然后用预编码、游程编码和熵编码对量化后的系数进行编码得到压缩数据后将色彩分量信息、量化表，编码表和各个色彩分量压缩数据等混合成一个整体数据流，即形成JPEG文件码的时候JPEG解码器先从数据流中获取解码所必需的信息(色彩分量信息，量化表和编码表等)，然后将各分量分别解码，过程和编码的时候刚好相反。
3.动态图像压缩
3.1动态图像压缩的标准
静态图像压缩技术主要是对空间技术进行压缩，而对动态图像来说，除对空间信息进行压缩外，还要对时间信息等压缩。目前动态图像压缩的标准主要有MPEG。MPEG这个活动图象专家组始建于1988年，专门负责为光碟建立视频和音频标准，其成员均为视频、音频及系统领域的技术专家。由于ISO/IEC1172压缩编码标准是由此小组提出并制定,MPEG由此扬名世界。对于今天我们所泛指的MPEG-X版本，是一组由ITU和ISO制定发布的视频、音频、数据的压缩标准。MPEG的缔造者们原先打算开发四个版本：MPEG-1—MPEG-4，以适用于不同带宽和数字影像质量的要求。后由于MPEG-3被放弃，所以现存只有三个版本的MPEG：MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4。总体来说，MPEG在三方面优于其它压缩/解压缩方案。首先，由于在一开始它就是作为一个国际化的标准来研究制定，所以，MPEG具有很好的兼容性。其次，MPEG能够比其它算法提供更好的压缩比，最高可达200：1。更重要的是，MPEG在提供高压缩比的同时，对数据的损失很小。
3.2动态图像压缩的基本思想
动态图像压缩技术主要包括运动估计算法、自适应量化以及速率控制等。其中，运动估计算法?是影响编码性能的重要素。设计一个好的运动估计器，需要在编码器的计算能力、成本和编码输出的视频画面质量之间进行权衡。运动矢量搜索基本方法是全搜索算法。它可以以获得全局最优的运动矢量，而且算法简 单，易于实现。缺点是运算量大，不利于实时编码。特别是对于高清晰度电视的编码。为此，人们探索出了许多快速搜索算法，如三步法、全搜索法、交叉搜索法、钻石法等。搜索算法的核心是寻找匹配点，一般的匹配快速搜索算法首先以零矢量为中心，按一定的搜索方式是计算几个预测点的失真．选择其中失真最小的一点作为下一步计算的中心点，然后重复第一步的操作，寻找下一个最小失真点，如此迭代几步之后。所得到的最小失真点就是匹配点。
4.小结
图像压缩技术在多媒体技术及通信领域中占有重要的作用。研究图像压缩技术成为一种必需。其技术的进步表现在压缩标准的革新上，从JPEG到JPEG2000是静态图像压缩历史上的又一次革新，它将会推动新一代的电子产品发展，亦能提高图像的传输与显示的质量。另外，在传输过程中，面对复杂的环境以及高频率的挑战，动静态图像压缩技术还需进一步发展，以便提供更高质量的图像压缩。■
【参考文献】
［１］曾文曲.分形、小波与图像压缩［M］.北京:人民邮电出版社.2002.
［２］袁伟.JPEG2000静态图像压缩标准［J］.枣庄学院学报.2006.10.
［３］王长杰.浅析静态图像的压缩标准［J］.中国现代教育装备.2007,(5).
［４］蔡德钧,周颖.一种运动估计的快速搜索方法［J］.信号处理.1998.12.
【关键词】图像冗余；压缩标准；静态图像压缩；动态图像压缩
1.图像为什么能被压缩
图像之所以能被压缩是因为图像存在大量冗余，当图像被压缩后，非图像专家并不能看出与原图像的差别。图像冗余主要包括空间冗余、时间冗余、视觉冗余等冗余。下文简单介绍下这三种冗余。
1.1空间冗余
空间冗余是图像数据中经常存在的一种冗余。在同一幅图像中，规则物体和规则背景(所谓规则是指表面颜色分布是有序的而不是杂乱无章的)的表面物理特性具有相关性，这些相关性的光成像结构在数字化图像中就表现为数据冗余。
1.2时间冗余
时间冗余是序列图像(电视图像、动画)和语音数据中所经常包含的冗余。图像序列中的两幅相邻的图像，后一幅图像与前一幅图像之间有较大的相关性，这反映为时间冗余。同理，在语言中，由于人在说话时发音的音频是一连续的渐变过程，而不是一个完全的在时间上独立的过程，因而存在时间冗余。
1.3视觉冗余
人类视觉系统对于图像场的任何变化，并不是都能感知的。例如，对于图像的编码和解码处理时，由于压缩或量比截断引入了噪声而使图像发生了一些变化，如果这些变化不能为视觉所感知，则仍认为图像足够好。事实上人类视觉系统一般的分辨能力约为26灰度等级，而一般图像量化采用28灰度等级，这类冗余我们称为视觉冗余。通常情况下，人类视觉系统对亮度变化敏感，而对色度的变化相对不敏感；在高亮度区，人眼对亮度变化敏感度下降对物体边缘敏感，内部区域相对不敏感；对整体结构敏感，而对内部细节相对不敏感。
2.静态图像压缩
2.1静态图像压缩的标准
静态图像中的像素与像素之间，行与行之间存在着较强的相关性，这就使压缩成为可能，从而产生了静态图像压缩标准，随着技术的发展，标准从JPEG发展到JPEG2000。
JPEG ( 联合图像专家组) 是由国际标准组织和国际电话电报咨询委员会为静态图像建立的第一个国际数字图像压缩标准，JPEG是目前静态图像压缩格式中压缩比最高的。该标准采用离散余弦变换编码和熵编码 两种基本的压缩算法。DCT算法是一种有损压缩算法，具有算法简单、适中的计算复杂性、易于硬件实现等优点。使用有损压缩算法时，在压缩比为25：1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此广泛的应用于图像压缩领域。JPEG编码按工作模式可分为：①基于DCT变换的顺序型操作模式②基于DCT渐进型操作模式③基DPCM的无损编码(顺序型) 操作模式④基于多分辨率编码的(渐进型) 操作模式。基于DCT变换的顺序型操作模式是JPEG标准的核心，它是JPEG标准的基本系统，操作简单的图像编码高效，应用场合广泛。JPEG2000处理的对象不是整幅图像，而是经由DWT(小波) 变换把图像分成若干图像片，分别对每个图像片进行独立的编码，解码。JPEG2000与传统JPEG最大的不同在于它放弃JPEG所采用的以DCT变换为主的分块编码方式，而改为以小波变换为主的多分辨率编码方式，可以大范围地去除图像的相关性。小波变换是现代谱分析工具，其主要目的是要将影像的频率成分抽取出来，其作用是对图像进行分辨率分解。
2.2静态图像压缩的基本思想
静态图像压缩先将一幅原始图像转换为自己的色彩系统，按照人眼特点对其中各个色彩分量作不同的取样。经离散余弦变换转换从空间域变为频域，接着将变换后的数据量化以丢弃无用信息，然后用预编码、游程编码和熵编码对量化后的系数进行编码得到压缩数据后将色彩分量信息、量化表，编码表和各个色彩分量压缩数据等混合成一个整体数据流，即形成JPEG文件码的时候JPEG解码器先从数据流中获取解码所必需的信息(色彩分量信息，量化表和编码表等)，然后将各分量分别解码，过程和编码的时候刚好相反。
3.动态图像压缩
3.1动态图像压缩的标准
静态图像压缩技术主要是对空间技术进行压缩，而对动态图像来说，除对空间信息进行压缩外，还要对时间信息等压缩。目前动态图像压缩的标准主要有MPEG。MPEG这个活动图象专家组始建于1988年，专门负责为光碟建立视频和音频标准，其成员均为视频、音频及系统领域的技术专家。由于ISO/IEC1172压缩编码标准是由此小组提出并制定,MPEG由此扬名世界。对于今天我们所泛指的MPEG-X版本，是一组由ITU和ISO制定发布的视频、音频、数据的压缩标准。MPEG的缔造者们原先打算开发四个版本：MPEG-1—MPEG-4，以适用于不同带宽和数字影像质量的要求。后由于MPEG-3被放弃，所以现存只有三个版本的MPEG：MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4。总体来说，MPEG在三方面优于其它压缩/解压缩方案。首先，由于在一开始它就是作为一个国际化的标准来研究制定，所以，MPEG具有很好的兼容性。其次，MPEG能够比其它算法提供更好的压缩比，最高可达200：1。更重要的是，MPEG在提供高压缩比的同时，对数据的损失很小。
3.2动态图像压缩的基本思想
动态图像压缩技术主要包括运动估计算法、自适应量化以及速率控制等。其中，运动估计算法?是影响编码性能的重要素。设计一个好的运动估计器，需要在编码器的计算能力、成本和编码输出的视频画面质量之间进行权衡。运动矢量搜索基本方法是全搜索算法。它可以以获得全局最优的运动矢量，而且算法简 单，易于实现。缺点是运算量大，不利于实时编码。特别是对于高清晰度电视的编码。为此，人们探索出了许多快速搜索算法，如三步法、全搜索法、交叉搜索法、钻石法等。搜索算法的核心是寻找匹配点，一般的匹配快速搜索算法首先以零矢量为中心，按一定的搜索方式是计算几个预测点的失真．选择其中失真最小的一点作为下一步计算的中心点，然后重复第一步的操作，寻找下一个最小失真点，如此迭代几步之后。所得到的最小失真点就是匹配点。
4.小结
图像压缩技术在多媒体技术及通信领域中占有重要的作用。研究图像压缩技术成为一种必需。其技术的进步表现在压缩标准的革新上，从JPEG到JPEG2000是静态图像压缩历史上的又一次革新，它将会推动新一代的电子产品发展，亦能提高图像的传输与显示的质量。另外，在传输过程中，面对复杂的环境以及高频率的挑战，动静态图像压缩技术还需进一步发展，以便提供更高质量的图像压缩。■
【参考文献】
［１］曾文曲.分形、小波与图像压缩［M］.北京:人民邮电出版社.2002.
［２］袁伟.JPEG2000静态图像压缩标准［J］.枣庄学院学报.2006.10.
［３］王长杰.浅析静态图像的压缩标准［J］.中国现代教育装备.2007,(5).
［４］蔡德钧,周颖.一种运动估计的快速搜索方法［J］.信号处理.1998.12.