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二、JPEG壓縮
負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的“聯(lián)合圖片專家組”（JointPhotographicExpertGroup,簡(jiǎn)稱JPEG），于1989年1月形成了基于自適應(yīng)DCT的JPEG技術(shù)規(guī)范的第一個(gè)草案，其后多次修改，至1991年形成ISO10918國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案，并在一年后成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱JPEG標(biāo)準(zhǔn)。
1．JPEG壓縮原理及特點(diǎn)
JPEG算法中首先對(duì)圖像進(jìn)行分塊處理，一般分成互不重疊的大小的塊，再對(duì)每一塊進(jìn)行二維離散余弦變換（DCT）。變換后的系數(shù)基本不相關(guān)，且系數(shù)矩陣的能量集中在低頻區(qū)，根據(jù)量化表進(jìn)行量化，量化的結(jié)果保留了低頻部分的系數(shù)，去掉了高頻部分的系數(shù)。量化后的系數(shù)按zigzag掃描重新組織，然后進(jìn)行哈夫曼編碼。JPEG的特點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)：（1）形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；（2）具有中端和高端比特率上的良好圖像質(zhì)量。
缺點(diǎn)：（1）由于對(duì)圖像進(jìn)行分塊，在高壓縮比時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的方塊效應(yīng)；（2）系數(shù)進(jìn)行量化，是有損壓縮；（3）壓縮比不高，小于50[2]。
JPEG壓縮圖像出現(xiàn)方塊效應(yīng)的原因是：一般情況下圖像信號(hào)是高度非平穩(wěn)的，很難用Gauss過(guò)程來(lái)刻畫(huà)，并且圖像中的一些突變結(jié)構(gòu)例如邊緣信息遠(yuǎn)比圖像平穩(wěn)性重要，用余弦基作圖像信號(hào)的非線性逼近其結(jié)果不是最優(yōu)的[3]。
2．JPEG壓縮的研究狀況及其前景[2]
針對(duì)JPEG在高壓縮比情況下，產(chǎn)生方塊效應(yīng)，解壓圖像較差，近年來(lái)提出了不少改進(jìn)方法，最有效的是下面的兩種方法：
（1）DCT零樹(shù)編碼
DCT零樹(shù)編碼把DCT塊中的系數(shù)組成log2N個(gè)子帶，然后用零樹(shù)編碼方案進(jìn)行編碼。在相同壓縮比的情況下，其PSNR的值比EZW高。但在高壓縮比的情況下，方塊效應(yīng)仍是DCT零樹(shù)編碼的致命弱點(diǎn)。
（2）層式DCT零樹(shù)編碼
此算法對(duì)圖像作的DCT變換，將低頻塊集中起來(lái)，做反DCT變換；對(duì)新得到的圖像做相同變換，如此下去，直到滿足要求為止。然后對(duì)層式DCT變換及零樹(shù)排列過(guò)的系數(shù)進(jìn)行零樹(shù)編碼。
JPEG壓縮的一個(gè)最大問(wèn)題就是在高壓縮比時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的方塊效應(yīng)，因此在今后的研究中，應(yīng)重點(diǎn)解決DCT變換產(chǎn)生的方塊效應(yīng)，同時(shí)考慮與人眼視覺(jué)特性相結(jié)合進(jìn)行壓縮。
三、JEPG2000壓縮
JPEG2000是由ISO/IECJTCISC29標(biāo)準(zhǔn)化小組負(fù)責(zé)制定的全新靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)最大改進(jìn)是它采用小波變換代替了余弦變換。2000年3月的東京會(huì)議，確定了彩色靜態(tài)圖像的新一代編碼方式—JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的編碼算法。
1．JPEG2000壓縮原理及特點(diǎn)
JPEG2000編解碼系統(tǒng)的編碼器和解碼器的框圖如圖1所示[4]。
編碼過(guò)程主要分為以下幾個(gè)過(guò)程：預(yù)處理、核心處理和位流組織。預(yù)處理部分包括對(duì)圖像分片、直流電平（DC）位移和分量變換。核心處理部分由離散小波變換、量化和熵編碼組成。位流組織部分則包括區(qū)域劃分、碼塊、層和包的組織。
JPEG2000格式的圖像壓縮比，可在現(xiàn)在的JPEG基礎(chǔ)上再提高10%~30%，而且壓縮后的圖像顯得更加細(xì)膩平滑。對(duì)于目前的JPEG標(biāo)準(zhǔn)，在同一個(gè)壓縮碼流中不能同時(shí)提供有損和無(wú)損壓縮，而在JPEG2000系統(tǒng)中，通過(guò)選擇參數(shù)，能夠?qū)D像進(jìn)行有損和無(wú)損壓縮?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的JPEG圖像下載時(shí)是按“塊”傳輸?shù)?，而JPEG2000格式的圖像支持漸進(jìn)傳輸，這使用戶不必接收整個(gè)圖像的壓縮碼流。由于JPEG2000采用小波技術(shù)，可隨機(jī)獲取某些感興趣的圖像區(qū)域（ROI）的壓縮碼流，對(duì)壓縮的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、濾波等操作[4]。
圖1JPEG2000壓縮編碼與解壓縮的總體流程
2．JPEG2000壓縮的前景
JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)適用于各種圖像的壓縮編碼。其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)↖nternet、傳真、打印、遙感、移動(dòng)通信、醫(yī)療、數(shù)字圖書(shū)館和電子商務(wù)等[5]。JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)將成為21世紀(jì)的主流靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。
四、小波變換圖像壓縮
1．小波變換圖像壓縮原理
小波變換用于圖像編碼的基本思想就是把圖像根據(jù)Mallat塔式快速小波變換算法進(jìn)行多分辨率分解。其具體過(guò)程為：首先對(duì)圖像進(jìn)行多級(jí)小波分解，然后對(duì)每層的小波系數(shù)進(jìn)行量化，再對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行編碼。小波圖像壓縮是當(dāng)前圖像壓縮的熱點(diǎn)之一，已經(jīng)形成了基于小波變換的國(guó)際壓縮標(biāo)準(zhǔn)，如MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)，及如上所述的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)[2]。
2．小波變換圖像壓縮的發(fā)展現(xiàn)狀及前景
目前3個(gè)最高等級(jí)的小波圖像編碼分別是嵌入式小波零樹(shù)圖像編碼（EZW），分層樹(shù)中分配樣本圖像編碼（SPIHT）和可擴(kuò)展圖像壓縮編碼（EBCOT）。
（1）EZW編碼器[6]
1993年，Shapiro引入了小波“零樹(shù)”的概念，通過(guò)定義POS、NEG、IZ和ZTR四種符號(hào)進(jìn)行空間小波樹(shù)遞歸編碼，有效地剔除了對(duì)高頻系數(shù)的編碼，極大地提高了小波系數(shù)的編碼效率。此算法采用漸進(jìn)式量化和嵌入式編碼模式，算法復(fù)雜度低。EZW算法打破了信息處理領(lǐng)域長(zhǎng)期篤信的準(zhǔn)則：高效的壓縮編碼器必須通過(guò)高復(fù)雜度的算法才能獲得，因此EZW編碼器在數(shù)據(jù)壓縮史上具有里程碑意義。
（2）SPIHT編碼器[7]
由Said和Pearlman提出的分層小波樹(shù)集合分割算法（SPIHT）則利用空間樹(shù)分層分割方法，有效地減小了比特面上編碼符號(hào)集的規(guī)模。同EZW相比，SPIHT算法構(gòu)造了兩種不同類型的空間零樹(shù)，更好地利用了小波系數(shù)的幅值衰減規(guī)律。同EZW編碼器一樣，SPIHT編碼器的算法復(fù)雜度低，產(chǎn)生的也是嵌入式比特流，但編碼器的性能較EZW有很大的提高。
（3）EBCOT編碼器[8]
優(yōu)化截?cái)帱c(diǎn)的嵌入塊編碼方法（EBCOT）首先將小波分解的每個(gè)子帶分成一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的碼塊，然后使用優(yōu)化的分層截?cái)嗨惴▽?duì)這些碼塊進(jìn)行編碼，產(chǎn)生壓縮碼流，結(jié)果圖像的壓縮碼流不僅具有SNR可擴(kuò)展而且具有分辨率可擴(kuò)展，還可以支持圖像的隨機(jī)存儲(chǔ)。比較而言，EBCOT算法的復(fù)雜度較EZW和SPIHT有所提高，其壓縮性能比SPIHT略有提高。
小波圖像壓縮被認(rèn)為是當(dāng)前最有發(fā)展前途的圖像壓縮算法之一。小波圖像壓縮的研究集中在對(duì)小波系數(shù)的編碼問(wèn)題上。在以后的工作中，應(yīng)充分考慮人眼視覺(jué)特性，進(jìn)一步提高壓縮比，改善圖像質(zhì)量。并且考慮將小波變換與其他壓縮方法相結(jié)合。例如與分形圖像壓縮相結(jié)合是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)[2]。
五、分形圖像壓縮
1988年，Barnsley通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明分形圖像壓縮可以得到比經(jīng)典圖像編碼技術(shù)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的壓縮比。1990年，Barnsley的學(xué)生A.E.Jacquin提出局部迭代函數(shù)系統(tǒng)理論后，使分形用于圖像壓縮在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)實(shí)現(xiàn)成為可能。
1．分形圖像壓縮的原理
分形壓縮主要利用自相似的特點(diǎn)，通過(guò)迭代函數(shù)系統(tǒng)（IteratedFunctionSystem,IFS）實(shí)現(xiàn)。其理論基礎(chǔ)是迭代函數(shù)系統(tǒng)定理和拼貼定理。
分形圖像壓縮把原始圖像分割成若干個(gè)子圖像，然后每一個(gè)子圖像對(duì)應(yīng)一個(gè)迭代函數(shù)，子圖像以迭代函數(shù)存儲(chǔ)，迭代函數(shù)越簡(jiǎn)單，壓縮比也就越大。同樣解碼時(shí)只要調(diào)出每一個(gè)子圖像對(duì)應(yīng)的迭代函數(shù)反復(fù)迭代，就可以恢復(fù)出原來(lái)的子圖像，從而得到原始圖像[9]。
2．幾種主要分形圖像編碼技術(shù)[9]
隨著分形圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的算法被提出，基于分形的不同特征，可以分成以下幾種主要的分形圖像編碼方法。
（1）尺碼編碼方法
尺碼編碼方法是基于分形幾何中利用小尺度度量不規(guī)則曲線長(zhǎng)度的方法，類似于傳統(tǒng)的亞取樣和內(nèi)插方法，其主要不同之處在于尺度編碼方法中引入了分形的思想，尺度隨著圖像各個(gè)組成部分復(fù)雜性的不同而改變。
（2）迭代函數(shù)系統(tǒng)方法
迭代函數(shù)系統(tǒng)方法是目前研究最多、應(yīng)用最廣泛的一種分形壓縮技術(shù)，它是一種人機(jī)交互的拼貼技術(shù)，它基于自然界圖像中普遍存在的整體和局部自相關(guān)的特點(diǎn)，尋找這種自相關(guān)映射關(guān)系的表達(dá)式，即仿射變換，并通過(guò)存儲(chǔ)比原圖像數(shù)據(jù)量小的仿射系數(shù)，來(lái)達(dá)到壓縮的目的。如果尋得的仿射變換簡(jiǎn)單而有效，那么迭代函數(shù)系統(tǒng)就可以達(dá)到極高的壓縮比。
（3）A-E-Jacquin的分形方案
A-E-Jacquin的分形方案是一種全自動(dòng)的基于塊的分形圖像壓縮方案，它也是一個(gè)尋找映射關(guān)系的過(guò)程，但尋找的對(duì)象域是將圖像分割成塊之后的局部與局部的關(guān)系。在此方案中還有一部分冗余度可以去除，而且其解碼圖像中存在著明顯的方塊效應(yīng)。
3．分形圖像壓縮的前景[2]
雖然分形圖像壓縮在圖像壓縮領(lǐng)域還不占主導(dǎo)地位，但是分形圖像壓縮既考慮局部與局部，又考慮局部與整體的相關(guān)性，適合于自相似或自仿射的圖像壓縮，而自然界中存在大量的自相似或自仿射的幾何形狀，因此它的適用范圍很廣。
六、其它壓縮算法
除了以上幾種常用的圖像壓縮方法以外，還有：NNT（數(shù)論變換）壓縮、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓縮方法、Hibert掃描圖像壓縮方法、自適應(yīng)多相子帶壓縮方法等，在此不作贅述。下面簡(jiǎn)單介紹近年來(lái)任意形狀紋理編碼的幾種算法[10]~[13]。
（1）形狀自適應(yīng)DCT（SA-DCT）算法
SA-DCT把一個(gè)任意形狀可視對(duì)象分成的圖像塊，對(duì)每塊進(jìn)行DCT變換，它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)類似于形狀自適應(yīng)GilgeDCT[10][11]變換的有效變換，但它比GilgeDCT變換的復(fù)雜度要低?？墒?，SA-DCT也有缺點(diǎn)，它把像素推到與矩形邊框的一個(gè)側(cè)邊相平齊，因此一些空域相關(guān)性可能丟失，這樣再進(jìn)行列DCT變換，就有較大的失真了[11][14][15]。
（2）Egger方法
Egger等人[16][17]提出了一個(gè)應(yīng)用于任意形狀對(duì)象的小波變換方案。在此方案中，首先將可視對(duì)象的行像素推到與邊界框的右邊界相平齊的位置，然后對(duì)每行的有用像素進(jìn)行小波變換，接下來(lái)再進(jìn)行另一方向的小波變換。此方案，充分利用了小波變換的局域特性。然而這一方案也有它的問(wèn)題，例如可能引起重要的高頻部分同邊界部分合并，不能保證分布系數(shù)彼此之間有正確的相同相位，以及可能引起第二個(gè)方向小波分解的不連續(xù)等。
（3）形狀自適應(yīng)離散小波變換（SA-DWT）
Li等人提出了一種新穎的任意形狀對(duì)象編碼，SA-DWT編碼[18]~[22]。這項(xiàng)技術(shù)包括SA-DWT和零樹(shù)熵編碼的擴(kuò)展（ZTE），以及嵌入式小波編碼（EZW）。SA-DWT的特點(diǎn)是：經(jīng)過(guò)SA-DWT之后的系數(shù)個(gè)數(shù)，同原任意形狀可視對(duì)象的像素個(gè)數(shù)相同；小波變換的空域相關(guān)性、區(qū)域?qū)傩砸约白訋еg的自相似性，在SA-DWT中都能很好表現(xiàn)出來(lái)；對(duì)于矩形區(qū)域，SA-DWT與傳統(tǒng)的小波變換一樣。SA-DWT編碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)被新的多媒體編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4的對(duì)于任意形狀靜態(tài)紋理的編碼所采用。
在今后的工作中，可以充分地利用人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像邊緣部分較敏感的特性，嘗試將圖像中感興趣的對(duì)象分割出來(lái)，對(duì)其邊緣部分、內(nèi)部紋理部分和對(duì)象之外的背景部分按不同的壓縮比進(jìn)行壓縮，這樣可以使壓縮圖像達(dá)到更大的壓縮比，更加便于傳輸。
七、總結(jié)
圖像壓縮技術(shù)研究了幾十年，取得了很大的成績(jī)，但還有許多不足，值得我們進(jìn)一步研究。小波圖像壓縮和分形圖像壓縮是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但二者也有各自的缺點(diǎn)，在今后工作中，應(yīng)與人眼視覺(jué)特性相結(jié)合。總之，圖像壓縮是一個(gè)非常有發(fā)展前途的研究領(lǐng)域，這一領(lǐng)域的突破對(duì)于我們的信息生活和通信事業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。
摘要：數(shù)字圖像壓縮技術(shù)對(duì)于數(shù)字圖像信息在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)處理具有重要的意義。本文介紹了當(dāng)前幾種最為重要的圖像壓縮算法：JPEG、JPEG2000、分形圖像壓縮和小波變換圖像壓縮，總結(jié)了它們的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景。然后簡(jiǎn)介了任意形狀可視對(duì)象編碼算法的研究現(xiàn)狀，并指出此算法是一種產(chǎn)生高壓縮比的圖像壓縮算法。
關(guān)鍵詞：JPEG；JPEG2000；分形圖像壓縮；小波變換；任意形狀可視對(duì)象編碼
高的要求，也給現(xiàn)有的有限帶寬以嚴(yán)峻的考驗(yàn)，特別是具有龐大數(shù)據(jù)量的數(shù)字圖像通信，更難以傳輸和存儲(chǔ)，極大地制約了圖像通信的發(fā)展，因此圖像壓縮技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。圖像壓縮的目的就是把原來(lái)較大的圖像用盡量少的字節(jié)表示和傳輸，并且要求復(fù)原圖像有較好的質(zhì)量。利用圖像壓縮，可以減輕圖像存儲(chǔ)和傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，使圖像在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)處理。
圖像壓縮編碼技術(shù)可以追溯到1948年提出的電視信號(hào)數(shù)字化，到今天已經(jīng)有50多年的歷史了[1]。在此期間出現(xiàn)了很多種圖像壓縮編碼方法，特別是到了80年代后期以后，由于小波變換理論，分形理論，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，視覺(jué)仿真理論的建立，圖像壓縮技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，其中分形圖像壓縮和小波圖像壓縮是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文對(duì)當(dāng)前最為廣泛使用的圖像壓縮算法進(jìn)行綜述，討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)以及發(fā)展前景。