图像压缩标准研究的发展与前景
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第1卷 第4期 2003 年 12 月
信息与电子工程
INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING
文章编号：1672-2892(2003)04-0326-06
Vol．1，No．4 Dec．，2003
图像压缩标准研究的发展与前景
尹显东 1,2，李在铭 2 ，姚 军 1，唐 丹 1，邓 君 1
基于模型的编码技术、软模板匹配与字典搜索等技术。在新制定的 JPEG-2000 标准中，二值图像编码已成为 JPEG-2000 标准的一个部分，不再编制新的标准。
2.2 静止图像编码标准
联合图像专家组( Joint Photographic Experts Group)，为单帧彩色图像压缩编码制定静止图像压缩标准 JPEG[7]，图像尺寸可在 1~65535 行/帧、1~65535 像素/行的范围内。它在较低的计算复杂度下，能提供较高的 压缩比与保真度。它采用四种编解码模式：串行(Sequential) DCT(Discrete Cosine Transform)方式、逐渐浮现式 (progressive )DCT 方式、无失真(Lossless)方式和分层(Hierarchical)方式[6,7]。该系统的核心属于变换编码。编码 过程分为图像分割、二维 DCT 变换、量化、熵编码等几个阶段。由于 JPEG 优良的品质，网站上百分之八十 的影像都采用 JPEG 标准。随多媒体应用领域的急增，传统 JPEG 压缩技术已无法满足人们对多媒体影像资料 的要求，更高压缩率以及更多新功能的新一代静态影像压缩技术 JPEG-2000 就诞生了。
1993 年完成 JBIG-1 后，专家组开始编制 JBIG-2 标准，JBIG-2 标准是一种同时支持二值图像的无失真和 有失真编码的国际标准[4]。它要求无失真压缩率比现有标准有所提高；提供效率更高的有失真压缩标准；支持
质量渐进和内容渐进编码。它综合了如下一系列技术手段：头信息与相应的控制机制、清除与提炼编码技术、
2.3 视频编码标准
未压缩的视频信号具有十分巨大的数据量，如 PAL( phase alternating line)标准的数据量为 132.7Mbps， HDTV(High Define Television)信号将达 662.9~745.7Mbps。目前，视频编码标准主要有 ITU-T 的 H.26X 标准和 ISO 的 MPEG-X 系列。 2.3.1 H.26L 标准
1995 年国际电信联盟提出针对低比特视频应用，适应极低码率(即小于 64kbps)传输信道的音频/视频编码 国际标准，即 H.263 标准[14]，主要用于 p×8kbps 速率信道、面向可视电话业务。它是目前以像素块为基元的 DCT/MC 混合编码技术[13]所能达到最佳效果的一种方案，并获得巨大成功。在 1998 年与 2000 年，ITU-T 及 时总结国际上低速率视频编码研究中的最新成果，对 H.263 标准做了补充和修订。H.263 采用第一代技术，在 低速率视频传输质量、抗误码能力等方面有明显提高，在视频业务的传输中得到广泛应用。
1988 年形成草案，1990 年通过 ITU-T 的 H.261 建议[10]，是图像编码技术走向实用化的重要一步。它是图 像编码 40 年研究成果的结晶。它是为窄带综合业务数字网(N-ISDN)上开展多路(p×64 Kb/s）双向传输声音和 图像业务(可视电话、会议)而制定的，其中 p=1~30，又称为 p×64 标准[11]。它建议采用中间格式 CIF(Common Intermediate Format)和 QCIF(Quarter CIF)解决不同制式通信间的矛盾。20 世纪 90 年代初相继提出的 MPEG(Moving Pictures Experts Group)-1、MPEG-2、H.263 等标准都是在 H.261 的基础上发展和改进的。这些 国际标准普遍采用的混合编码技术[11,12,13]是当今最实用的高效编码方法，已成为图像编码的主流。
JPEG2000
二值图像 数字标准 二值图像 数字标准
半色调 数字标准
半色调 数字标准 连续色调静 态图像压缩 编码
-1993 1993-
1986.31992.10
新一代静态 图像压缩编 码
1996.22000.12
1min/A4
数字传真机
调制前先压缩、1－或 2-D 游程编码
图像／视频编辑
Huffman 编码、算术编码
Internet、移动通信、 JPEG 的 所 有 技 术 、 小 波 变 换 、
打印、扫描、数码产 EBCOT、ROI 编码、空间可扩展编
品、遥感、传真、医 码、质量可扩展编码、面向对象编
学图像、数字图书 码、位图形状编码、容错编码、TCQ、
馆、电子商务
327
采用压缩技术，其中只使用 2-D 编码，采用 CCITT-T.5 建议[2]。CCITT（International Telephone and Telegraph Consultative Committee）在制定标准期间曾选择 1 组共 8 幅具有一定代表性的“试验＂图用来评判各种压缩方 法。G3 对它们的压缩率约为 15:1。G4 的压缩率一般比 G3 要高 1 倍[3-5]。
前于 2000 年出台。JPEG-2000 扩大了应用范围，如对低比特率编码的应用、大型图像编码、图像安全、不同 分辨率的渐进传输等方面的应用。JPEG 2000 与传统 JPEG 最大的不同，在于它放弃了 JPEG 所采用的以 DCT 为主的区块编码方式，而改以小波变换(Wavelet transform) 为主的多分辨率编码方式。JPEG-2000 具有一些新
表 1 静止图像编码国际标准
标准 G1
标题 二值图像 模拟标准
起止日期 压缩效果
6min/A4
应用场合 模拟传真机
采用主要编码技术 双边带调制传输、不压缩频带
G2
二值图像 模拟标准
3min/A4
模拟传真机 调幅－调相残余边带传输、压缩频带
G3 G4 JBIG-1 JBIG-2 JPEG
2 图像编码标准简述
20 世纪 80 年代以后，为推广数据压缩技术的应用，ISO（International Standards Organization）、 IEC(International Electrician Committee)和 ITU(International Telecommunication Union)陆续完成各种数据压缩与 通信的标准和建议。本文将其简单总结在表 1、表 2 中，它们的制定既凝结了图像、视频编码在过去几十年研 究成果的结晶，又不断吸收新的研究成果和提出新的研究内容，对图像和多媒体通信事业的高速发展起到巨大 推动作用。下面简要谈谈目前流行国际图像编码标准的提出过程及特点。
（1.中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621900； 2.电子科技大学 通信学院，四川 成都 610054）
摘 要：简要介绍图像数据压缩编码国际标准的制定过程以及所采用的核心技术，对今后国
际标准的发展的主方向和前景进行了初步探讨。
关键词：信息处理技术；图像编码；综述；标准
等特殊需要。实现图像信息的远程传输以及其他应用，就必须为图像与视频的压缩技术制定统一的国际标准； 否则为保证信息能在接收端正确地解码，信源编码时就必须有更大的冗余以实现不同编码器之间的兼容性[1-6]。
原始图像
图像域变换
量化器
编码器
百度文库
压缩的图像数据
量化表
量化表
图 1 图像编码器框图
图 1 表示了常用图像编码器构成的基本原理框图。它主要包括图像域变换、量化处理、编码三个阶段，目 前所有的编码方案均具有这个过程，只是采用的变换方法和编码方法不同而已。解码正好是这个过程的逆过程。 详细内容请参阅文献[4-6]。
收稿日期：2003-08-11； 修回日期：2003-11-05 基金项目：总装备部十五预先研究项目（30020490523） 作者简介：尹显东（1971-），男，博士研究生，主要从事多媒体通信、图像识别与跟踪、计算机仿真等研究工作。
第 4 期 尹显东等：图像压缩标准研究的发展与前景
虽然 JPEG-2000 提出已有一段时间，但至今还没有开发出真正实用的商业化应用软件[9]。目前，JPEG-2000 除还不能实现“感兴趣区域”这个功能外，在压缩率、渐进显示等方面都达到了其宣称的目标。而且相信随着相 关处理软件的完善，实现“感兴趣区域”这个功能也是很快的事情，到那个时候，全面取代现在的 JPEG 格式 将为期不远。详细资料请参阅文献[9]。
3s/A4
8 倍 G4 高于 JBIG-1 压缩比 20-30
压缩比 2-50
数字传真机
G3 简化，只采用 2-D 编码
数字传真机 数字传真机
自适应跟踪、算术编码、渐进传输 与重建 基于模型的编码、字典搜索、软模 板匹配等技术
Internet、数码相机、 DCT、知觉量化、 Zigzag 扫描、
2.1 二值图像编码标准
二值图像标准编码[3-5]最初用于传真技术，随着编码标准的出台，传真机已成为普及的办公设备。最早制 定了两个模拟标准(Group 1、Group 2)与两个数字标准(Group 3、Group 4)，并得到广泛应用[4,5]。G1 采用双边 带调制传输，不压缩频带， 占一个话路，采用 CCITT-T.2 建议；G2 采用调幅-调相残余边带传输，压缩频带， 占一个话路，采用 CCITT-T.3 建议；G3 采用非自适应、调制前先压缩，1-D 游程编码技术，采用 CCITT-T.4 建议；对每组 N 行（N＝2 或 N=4）扫描线中的后 N-l 行也可以用 2-D 方式编码；G4 是 G3 的 1 种简化版本，
328
信息与电子工程
第1卷
的优点：为 JPEG 升级版，其压缩率比 JPEG 高约 30% 左右；同时支持有损和无损压缩，而 JPEG 只能支 持有损压缩；能实现渐进传输，这是 JPEG-2000 的一个极其重要的特征；支持所谓的“感兴趣区域”特性，可任 意指定影像上感兴趣区域的压缩质量，还可选择指定的部份先解压缩，以突出重点。
JPEG-2000，正式名称为“ISO 15444”[7,8]，采用几种先进的图像压缩技术，能提供一个更加灵活、开放 的协议架构，使得各种新的编码算法能方便地添加到该标准中。编制方案虽然在 1997 年 3 月就开始筹划，但 在算法选取问题上耽误了不少时间，由于数字照相机厂商们施加压力，规定基本编码系统的最终协议草案才提
中图分类号：TN919.81
文献标识码：A
1 引言
近年来，低速率视频传输的应用前景日益为人们所认识，如通过普通公用电话网(PSTN: Public Switched Telephone Network)传输可视电话、互联网上的多媒体邮件、视频检索以及无线移动网上的各类视频业务等。 图像作为信息含量最丰富的载体，在现代通信技术中所承担的作用远远超过其它媒体。为有效传输和存储图像， 必须对图像数据进行有效压缩。图像压缩不仅可减少存储量和带宽限制，还可满足对压缩数据进行编辑、处理
零树扫描
1993 年制定 JBIG（Joint bi-level image expert group）标准，又称 JBIG-1 标准[4,6]，正式名称为 ISO/IEC 11544。 由于 G3 和 G4 基于非自适应技术，对半色调灰度（halftone）图编码时常产生扩展（而不是压缩）的效果，JBIG-1 的目标之一就是要采用 1 种自适应技术解决这个问题。JBIG-1 将先验区域扩大为 9 个相邻像素，对像素的上 下文编码时采用算术编码，以便自适应地跟踪上下文统计特性的变化情况。JBIG-1 标准对于半色调图像压缩 比达到 8:1。由于采用自适应技术，JBIG 的编码效率比 G3 和 G4 要高。对于打印字符的扫描图像，压缩比可 提高 1.l～1.5 倍。对于计算机生成的打印字符图像，压缩比可提高约 5 倍。对于用抖动或半色调表示的“灰度” 图像，压缩比可提高 2～30 倍[4-6]。
信息与电子工程
INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING
文章编号：1672-2892(2003)04-0326-06
Vol．1，No．4 Dec．，2003
图像压缩标准研究的发展与前景
尹显东 1,2，李在铭 2 ，姚 军 1，唐 丹 1，邓 君 1
基于模型的编码技术、软模板匹配与字典搜索等技术。在新制定的 JPEG-2000 标准中，二值图像编码已成为 JPEG-2000 标准的一个部分，不再编制新的标准。
2.2 静止图像编码标准
联合图像专家组( Joint Photographic Experts Group)，为单帧彩色图像压缩编码制定静止图像压缩标准 JPEG[7]，图像尺寸可在 1~65535 行/帧、1~65535 像素/行的范围内。它在较低的计算复杂度下，能提供较高的 压缩比与保真度。它采用四种编解码模式：串行(Sequential) DCT(Discrete Cosine Transform)方式、逐渐浮现式 (progressive )DCT 方式、无失真(Lossless)方式和分层(Hierarchical)方式[6,7]。该系统的核心属于变换编码。编码 过程分为图像分割、二维 DCT 变换、量化、熵编码等几个阶段。由于 JPEG 优良的品质，网站上百分之八十 的影像都采用 JPEG 标准。随多媒体应用领域的急增，传统 JPEG 压缩技术已无法满足人们对多媒体影像资料 的要求，更高压缩率以及更多新功能的新一代静态影像压缩技术 JPEG-2000 就诞生了。
1993 年完成 JBIG-1 后，专家组开始编制 JBIG-2 标准，JBIG-2 标准是一种同时支持二值图像的无失真和 有失真编码的国际标准[4]。它要求无失真压缩率比现有标准有所提高；提供效率更高的有失真压缩标准；支持
质量渐进和内容渐进编码。它综合了如下一系列技术手段：头信息与相应的控制机制、清除与提炼编码技术、
2.3 视频编码标准
未压缩的视频信号具有十分巨大的数据量，如 PAL( phase alternating line)标准的数据量为 132.7Mbps， HDTV(High Define Television)信号将达 662.9~745.7Mbps。目前，视频编码标准主要有 ITU-T 的 H.26X 标准和 ISO 的 MPEG-X 系列。 2.3.1 H.26L 标准
1995 年国际电信联盟提出针对低比特视频应用，适应极低码率(即小于 64kbps)传输信道的音频/视频编码 国际标准，即 H.263 标准[14]，主要用于 p×8kbps 速率信道、面向可视电话业务。它是目前以像素块为基元的 DCT/MC 混合编码技术[13]所能达到最佳效果的一种方案，并获得巨大成功。在 1998 年与 2000 年，ITU-T 及 时总结国际上低速率视频编码研究中的最新成果，对 H.263 标准做了补充和修订。H.263 采用第一代技术，在 低速率视频传输质量、抗误码能力等方面有明显提高，在视频业务的传输中得到广泛应用。
1988 年形成草案，1990 年通过 ITU-T 的 H.261 建议[10]，是图像编码技术走向实用化的重要一步。它是图 像编码 40 年研究成果的结晶。它是为窄带综合业务数字网(N-ISDN)上开展多路(p×64 Kb/s）双向传输声音和 图像业务(可视电话、会议)而制定的，其中 p=1~30，又称为 p×64 标准[11]。它建议采用中间格式 CIF(Common Intermediate Format)和 QCIF(Quarter CIF)解决不同制式通信间的矛盾。20 世纪 90 年代初相继提出的 MPEG(Moving Pictures Experts Group)-1、MPEG-2、H.263 等标准都是在 H.261 的基础上发展和改进的。这些 国际标准普遍采用的混合编码技术[11,12,13]是当今最实用的高效编码方法，已成为图像编码的主流。
JPEG2000
二值图像 数字标准 二值图像 数字标准
半色调 数字标准
半色调 数字标准 连续色调静 态图像压缩 编码
-1993 1993-
1986.31992.10
新一代静态 图像压缩编 码
1996.22000.12
1min/A4
数字传真机
调制前先压缩、1－或 2-D 游程编码
图像／视频编辑
Huffman 编码、算术编码
Internet、移动通信、 JPEG 的 所 有 技 术 、 小 波 变 换 、
打印、扫描、数码产 EBCOT、ROI 编码、空间可扩展编
品、遥感、传真、医 码、质量可扩展编码、面向对象编
学图像、数字图书 码、位图形状编码、容错编码、TCQ、
馆、电子商务
327
采用压缩技术，其中只使用 2-D 编码，采用 CCITT-T.5 建议[2]。CCITT（International Telephone and Telegraph Consultative Committee）在制定标准期间曾选择 1 组共 8 幅具有一定代表性的“试验＂图用来评判各种压缩方 法。G3 对它们的压缩率约为 15:1。G4 的压缩率一般比 G3 要高 1 倍[3-5]。
前于 2000 年出台。JPEG-2000 扩大了应用范围，如对低比特率编码的应用、大型图像编码、图像安全、不同 分辨率的渐进传输等方面的应用。JPEG 2000 与传统 JPEG 最大的不同，在于它放弃了 JPEG 所采用的以 DCT 为主的区块编码方式，而改以小波变换(Wavelet transform) 为主的多分辨率编码方式。JPEG-2000 具有一些新
表 1 静止图像编码国际标准
标准 G1
标题 二值图像 模拟标准
起止日期 压缩效果
6min/A4
应用场合 模拟传真机
采用主要编码技术 双边带调制传输、不压缩频带
G2
二值图像 模拟标准
3min/A4
模拟传真机 调幅－调相残余边带传输、压缩频带
G3 G4 JBIG-1 JBIG-2 JPEG
2 图像编码标准简述
20 世纪 80 年代以后，为推广数据压缩技术的应用，ISO（International Standards Organization）、 IEC(International Electrician Committee)和 ITU(International Telecommunication Union)陆续完成各种数据压缩与 通信的标准和建议。本文将其简单总结在表 1、表 2 中，它们的制定既凝结了图像、视频编码在过去几十年研 究成果的结晶，又不断吸收新的研究成果和提出新的研究内容，对图像和多媒体通信事业的高速发展起到巨大 推动作用。下面简要谈谈目前流行国际图像编码标准的提出过程及特点。
（1.中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621900； 2.电子科技大学 通信学院，四川 成都 610054）
摘 要：简要介绍图像数据压缩编码国际标准的制定过程以及所采用的核心技术，对今后国
际标准的发展的主方向和前景进行了初步探讨。
关键词：信息处理技术；图像编码；综述；标准
等特殊需要。实现图像信息的远程传输以及其他应用，就必须为图像与视频的压缩技术制定统一的国际标准； 否则为保证信息能在接收端正确地解码，信源编码时就必须有更大的冗余以实现不同编码器之间的兼容性[1-6]。
原始图像
图像域变换
量化器
编码器
百度文库
压缩的图像数据
量化表
量化表
图 1 图像编码器框图
图 1 表示了常用图像编码器构成的基本原理框图。它主要包括图像域变换、量化处理、编码三个阶段，目 前所有的编码方案均具有这个过程，只是采用的变换方法和编码方法不同而已。解码正好是这个过程的逆过程。 详细内容请参阅文献[4-6]。
收稿日期：2003-08-11； 修回日期：2003-11-05 基金项目：总装备部十五预先研究项目（30020490523） 作者简介：尹显东（1971-），男，博士研究生，主要从事多媒体通信、图像识别与跟踪、计算机仿真等研究工作。
第 4 期 尹显东等：图像压缩标准研究的发展与前景
虽然 JPEG-2000 提出已有一段时间，但至今还没有开发出真正实用的商业化应用软件[9]。目前，JPEG-2000 除还不能实现“感兴趣区域”这个功能外，在压缩率、渐进显示等方面都达到了其宣称的目标。而且相信随着相 关处理软件的完善，实现“感兴趣区域”这个功能也是很快的事情，到那个时候，全面取代现在的 JPEG 格式 将为期不远。详细资料请参阅文献[9]。
3s/A4
8 倍 G4 高于 JBIG-1 压缩比 20-30
压缩比 2-50
数字传真机
G3 简化，只采用 2-D 编码
数字传真机 数字传真机
自适应跟踪、算术编码、渐进传输 与重建 基于模型的编码、字典搜索、软模 板匹配等技术
Internet、数码相机、 DCT、知觉量化、 Zigzag 扫描、
2.1 二值图像编码标准
二值图像标准编码[3-5]最初用于传真技术，随着编码标准的出台，传真机已成为普及的办公设备。最早制 定了两个模拟标准(Group 1、Group 2)与两个数字标准(Group 3、Group 4)，并得到广泛应用[4,5]。G1 采用双边 带调制传输，不压缩频带， 占一个话路，采用 CCITT-T.2 建议；G2 采用调幅-调相残余边带传输，压缩频带， 占一个话路，采用 CCITT-T.3 建议；G3 采用非自适应、调制前先压缩，1-D 游程编码技术，采用 CCITT-T.4 建议；对每组 N 行（N＝2 或 N=4）扫描线中的后 N-l 行也可以用 2-D 方式编码；G4 是 G3 的 1 种简化版本，
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信息与电子工程
第1卷
的优点：为 JPEG 升级版，其压缩率比 JPEG 高约 30% 左右；同时支持有损和无损压缩，而 JPEG 只能支 持有损压缩；能实现渐进传输，这是 JPEG-2000 的一个极其重要的特征；支持所谓的“感兴趣区域”特性，可任 意指定影像上感兴趣区域的压缩质量，还可选择指定的部份先解压缩，以突出重点。
JPEG-2000，正式名称为“ISO 15444”[7,8]，采用几种先进的图像压缩技术，能提供一个更加灵活、开放 的协议架构，使得各种新的编码算法能方便地添加到该标准中。编制方案虽然在 1997 年 3 月就开始筹划，但 在算法选取问题上耽误了不少时间，由于数字照相机厂商们施加压力，规定基本编码系统的最终协议草案才提
中图分类号：TN919.81
文献标识码：A
1 引言
近年来，低速率视频传输的应用前景日益为人们所认识，如通过普通公用电话网(PSTN: Public Switched Telephone Network)传输可视电话、互联网上的多媒体邮件、视频检索以及无线移动网上的各类视频业务等。 图像作为信息含量最丰富的载体，在现代通信技术中所承担的作用远远超过其它媒体。为有效传输和存储图像， 必须对图像数据进行有效压缩。图像压缩不仅可减少存储量和带宽限制，还可满足对压缩数据进行编辑、处理
零树扫描
1993 年制定 JBIG（Joint bi-level image expert group）标准，又称 JBIG-1 标准[4,6]，正式名称为 ISO/IEC 11544。 由于 G3 和 G4 基于非自适应技术，对半色调灰度（halftone）图编码时常产生扩展（而不是压缩）的效果，JBIG-1 的目标之一就是要采用 1 种自适应技术解决这个问题。JBIG-1 将先验区域扩大为 9 个相邻像素，对像素的上 下文编码时采用算术编码，以便自适应地跟踪上下文统计特性的变化情况。JBIG-1 标准对于半色调图像压缩 比达到 8:1。由于采用自适应技术，JBIG 的编码效率比 G3 和 G4 要高。对于打印字符的扫描图像，压缩比可 提高 1.l～1.5 倍。对于计算机生成的打印字符图像，压缩比可提高约 5 倍。对于用抖动或半色调表示的“灰度” 图像，压缩比可提高 2～30 倍[4-6]。