静止图像压缩编码简介

静止图像压缩编码简介

随着信息技术的发展，静止图像压缩编码技术在信息领域的应用越来越广泛。如果某种图像编码算法既能够保证质量，又能够存储时占用空间小、传输时占用带宽小，那么该编码算法则越优秀。JPEG压缩算法就是这样一种既可以避免失真，又能够实现令人满意的压缩比例的算法。

标签：图像编码静止图像压缩JPEG標准

多媒体和互联网的发展，图像的存储和传输问题变得越来越突出，要求存储、传输对网络资源的开销尽量低，同时又不能降低存储和传输过程中图像的质量。因此需要对图像采用合适的方法进行压缩和编码，方便图像存储及传输。

常用的图像文件格式中JPEG以占用空间小，图像质量高等特点而广为用户采用。

上世纪80年代ISO和CCITT 两大标准组织共同推出JPEG压缩算法，它定义了连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压缩算法，是国际上彩色、灰度、静止图像的第一个国际标准。离散余弦（DCT）则是最小均方误差条件下得出的最佳正交变换，作为多项图像编码国际标准的核心算法而得到广泛应用。其中最著名的算法即为JPEG图像压缩算法。DCT算法变换核是余弦函数，计算速度较快，质量劣化程度低，满足图像压缩和其他处理的要求。

按照灰度层次，图像可分为两类：第一类为有灰度层次图像；第二类成为二值图像，即仅黑白层次图像。电视图像、照片传真、静止图像属于有灰度图像。而文件传真、二值静止图像则属于二值图像范畴。

经过几十年人们对图像压缩技术的不断研究，并且随着软硬件技术的不断发展，人们已经能够实现大量的图像压缩算法。早期的图像编码主要基于信息论的理论基础，压缩效果不理想。最近几年随着相关领域科学的发展，人们的研究重点已经转向视觉生理学和景物分析新的方向上，实现了图像编码技术由第一代向第三代的跨越，实现了非常高的压缩比，极限情况下能达到千分之一。

以最小的代价实现特定质量的图像的传输是图像编码的核心，又称为图像压缩，广泛应用于图像的存储、传输和交换。在相关过程中对图像信号中存在的冗余都进行压缩编码，能够最大程度实现图像编码的本质。

预测编码、熵编码和变换编码是最常用的编码算法。如果编码后无信息丢弃，称为无失真编码；若编码后信息有丢弃，则称为有失真编码。这是另外一种编码分类的标准。

预测编码法和变换编码法是图像统计压缩编码算法的两大类。预测编码法包括增量调制法（法）及差分预测编码法（DPCM法）等。差分预测编码法（DPCM

法）是图像通信中常用的算法，还有其他等等混合应用的各种方法，此处不做介绍。

静止的、不变的、称为静止图像，一般从设备屏幕上看长时间保持不变。被摄事务一般是静止或者某一特定时刻保持静止的。按照应用场景的不同，传输文件、模型、图片等静止图像时常用静止图像传输；现场实时监控则常用凝固图像传输。

要求如下：

①清晰度：图像清晰度更高，从而满足人眼对观察图像细节的要求，而不是利用通常电影的原理。

②显示方式：逐渐浮现。即先传模糊的整体图像，再逐渐传输显示细节，从而使观看者不用等待太久时间，适应窄带传输的场景。

③抗干扰：在较长传输过程中，编码方法要有较强的抗干扰噪声能力，防止图像呈现在终端上时质量低下。

以下为对静态图像编码技术的介绍：

①预测编码：由相邻像素间相关性出发，通过前面像素值预测当前像素值，并经过实际数据的运算得到预测误差，而该误差通常接近实际值。因此对预测误差直接进行单符号的熵编码或对预测误差进行量化再进行熵编码是更高效率的计算方法，最主要的算法则是简称为DPCM的差分脉冲编码。

②变换编码：是目前几乎所有的图像、视频和视频等的压缩标准的核心编码算法。而新近发展的更多图像压缩技术中，该编码也是核心的基础算法，在实际中得到广泛应用。

JPEG是“Join Photographic Expert Group”的首字母简写，可将每24比特的单彩色像素图像压缩至2比特，而保持较高的图像质量。其定义的编码系统主要有以下三种：a DCT有损编码基本系统，大部分压缩应用场景下均采用该系统。b 可扩展编码系统：用于高压缩、高精度、渐进重建应用。c无损系统：应用于无失真场合。

JPEG标准一般用于自然景象、连续色调数字图像编、解码。

简单归纳为：两种工作方式（顺序方式、渐进方式）、三种级别（基本系统、扩展系统、无失真系统）。

顺序方式：将图像的行和列分割成四方小块，从左到右、由上而下逐行逐列对所有的小块进行编码运算。并且解码时也按编码顺序逐块解码。这两个过程均一次完成。

渐进方式：整个图像需要经过多次编码运算才能完成，初次编码时质量低于最终要求的质量。逐次编码，质量逐次提升。解码时首先解码出较低质量全幅图像，增加附加信息后再次解码，重复若干次，最终得到满足质量要求。解码过程可随时终止。

基本系统：以离散余弦变换为核心，以顺序工作为方式，用于一般精度。按照要求，每个压缩编码器均实现了基本算法功能。

扩展系统：在若干方面增强并减少一些限制条件后就成为“扩展系统”。

无失真系统：以DPCM技术为基础，压缩比较低，但是能实现压缩时不失真。

JPEG标准是多年来图像压缩编码的研究成果。虽然DCT是它的核心，但它同时也采用了DPCM、自适应量化、游程编码、可变长熵编码等多种技术，所以应该说是一种混合算法。

参考文献：

[1]Castleman，Kenneth R.Digital image processing.北京：清

华大学出版社，2003.

[2]Kenneth.R.Castleman.Digital Image Procession，北京：清华大学出版社，1998.

[3]孙兆林.MATLAB6.x图像处理[M].北京：清华大学出版社，2002.

[4]朱秀昌，刘峰，胡栋.数字图像处理与图像通信[M].北京：北京邮电大学出社，2002.

[5]薛永林，刘珂，李凤亭.并行处理JPEG算法的优化[J].电子学报，2002，30（2）：160-162.

[6]林福宗.图像文件格式（上）——Windows编程.清华大学出版社，1996年.

[7]李振辉，李仁各編著.探索图像文件的奧秘.清华大学出版社，1996年.

[8]黎洪松，成宝译.JPEG静止资料压缩标准.学苑出版社，1996年.

[9]董长虹，赖志国，余啸海.Matlab图像处理与应用，2004.