数据压缩技术简介

数据压缩技术简介

田园

（重庆科技学院电气与信息工程学院计科12级4班63号）

摘要：现今的信息化时代数据压缩给我们带来了很多的方便，它让庞大的数字信号，音

频信号的数据解决了数据量过大难以存储，传输，以及有效快速获取信息的困难。我们有必要好好了解数据压缩技术。在这儿主要介绍数据压缩的基本概念，基本原理，常用的数据压缩技术及分类，数据压缩标准以及数据压缩的应用。

关键词：数据压缩，概念，原理，技术，应用。

引言：现今的信息化时代随着科技的发展，越来越多的计算机技术面临着数据量越来越

大，给数据的存储、传输以及有效、快速获取信息带来了严重的障碍。例如：多媒体计算机技术、计算机网络技术以及现代多媒体通信技术等正在向着信息化、高速化、智能化迅速发展的技术。随着各个领域的应用与发展, 各个系统的数据量越来越大, 给数据的存储、传输以及有效、快速获取信息带来了严重的障碍。而数据压缩技术正是是解决这一问题的关键技术。

1、数据压缩的概念

所谓数据压缩就是用最少的数码来表示信号, 其作用是以：能较快地传输各种信号( 如传真、图像、语音等) , 用现有的通信干线并行开通更多的多媒体业务( 如各种增值业务) , 压缩数据的存储容量( 如CD- ROM、VCD、DVD 等) , 降低发信机功率。这对移动通信系统尤为重要。由此看来, 通讯时间、传输带宽、存储空间等, 甚至发射能量, 都可能与数据压缩的效果相关。

2、数据压缩的基本原理

数据压缩技术的理论基础是信息论根据信息论的原理, 可以找到最佳数据压缩编码方法。数据压缩的理论极限是信息嫡, 如果要求在编码过程中不丢失信息量, 则要求保存信息嫡。这种信息保存编码又叫做嫡保存编码, 或者叫嫡编码。嫡编码是无失真数据压缩, 用这种编码结果经解码后可无失真地恢复出原图像。当考虑到人眼对失真不易觉察的生理特征时, 有些图像编码不严格要求摘保存, 可允许部分损失以换取高的数据压缩比, 这种编码是有失真的数据压缩。

数据之所以可以被压缩, 是因为数据自身具有冗余性, 同时对于人的感觉来说, 数据也

存在着冗余性。数据本身的冗余性主要表现在如下4 个方面：1，空间冗余。虽然图像数据是无规律的, 但是从表述信息的位或像素来说都是。、1 的有限组合, 必然存在一些像素是相同或一小块图形是相同的, 这些相关的点成像结果在数字化图像中就表现为空间冗余。2 ，时间冗余。帧与帧之间的图像有许多相似的地方, 有的前核与后帧的物体只是相对移动了一段距离, 它们在时间上是相关的, 这些相关的点成像结果在数字化图像中就表现为时间冗余。3，知识冗余。许多图像的理解与某些背景知识有相当密切的相关性。例如人脸的图像有固定的结构, 这些规律性的结构可由先验知识和背景知识得到, 此类冗余为知识冗余。4，视觉冗余。人眼的时间分辨率为每秒25 ~ 30 幅, 空间分辨率即最小可区分的两个像素之间的中心距离为0 . 28 m m , 人眼对亮度敏感强而对灰度敏感差, 利用这一局限性, 有时图像数据去掉一部分后根本不影响视觉上的图像质量, 因此在允许的保真度条件下, 可对图像进行有损压缩来节约存储空间。对听觉也有类似的现象。

3、数据压缩的分类

多媒体技术中常用的数据压缩算法可分为两大类: 无损压缩和有损压缩。

无损压缩格式，是指利用数据的统计冗余进行压缩，可完全恢复原始数据而不引起任何失真，但压缩率是受到数据统计冗余度的理论限制，一般为2:1到5:1.这类方法广泛用于文本数据，程序和特殊应用场合的图像数据（如指纹图像，医学图像等）的压缩。

有损压缩是指利用了人类对图像或声波中的某些频率成分不敏感的特性，允许压缩过程中损失一定的信息；虽然不能完全恢复原始数据，但是所损失的部分对理解原始图像的影响缩小，却换来了大得多的压缩比。有损压缩广泛应用于语音，图像和视频数据的压缩。

4、数据压缩的标准

数据压缩的标准分为静止图像压缩标准JPEG、运动图像压缩标准MPEG、视频通信编码标准H.261 。

JPEG是Joint Photographic Experts Group(静态图像专家组)的简称，是静态图像压缩方法，是Internet上使用最为广泛的图像格式。这是一种有多种压缩程度的有损压缩方法，其文件名后缀包括.jpg、.jpeg等。该图像格式于1994年成为ISO 10918-1标准。该标准采用了多种压缩方法，主要包括DCT、向量量化法和Huffman编码法等

视频图像压缩的一个重要标准是MPEG（运动图像专家组）于1990年形成的一个标准草案（简称MPEG标准），它兼顾了JPEG标准和CCITT专家组的H.261标准，其中MPEG-1标准是针对传输速率为1Mbit/s到1.5Mbit/s的普通电视质量的视频信号的压缩；MPEG-2标准的目标则是对每秒30帧的720*572分辩率的视频信号进行压缩；在扩展模式下，MPEG-2可以对分辩率达1440*1152高清晰度电视（HDTV）的信号进行压缩。MPEG标准分成MPEG视频、MPEG音频和视频音频同步三个部分。

数字视频音频的主要压缩标准是MPEG(Moving Picture Experts Group，动态图像专家组)。该组织发布了一系列有关数字视频音频的标准。MPEG-1是MPEG组织制定的第一个视频和音频有损压缩标准。MPEG-1音频分三层，其中第三层协议被称为MPEG-1 Layer 3，简称MP3。目前MP3已经成为流行的音频压缩技术。为了提高压缩性能，MPEG标准使用了多种压缩算法和技术，例如视频压缩编码技术主要利用了具有运动补偿的帧间压缩编码技术以

减小时间冗余度，利用DCT技术以减小图像的空间冗余度，利用熵编码在信息表示方面减小了统计冗余度。

5、数据压缩技术的应用

数据压缩技术, 广泛应用于工业、农业、国防、军事、科技、建筑、机械电子、航空航天、影视新闻、天文、气象、卫星、遥感、物探、海洋、环保等各个领域,成为人类生活中不可缺少的重要组成部分。如多媒体网络存储、传输系统、多媒体通信、移动通信等等。但数据压缩技术在各方面应用时, 采用哪种压缩方法, 要根据信号类型和应用目的不同等具体需要而定。一般较为常用的是LZW 压缩技术, 因为LZW算法不但速度快, 而且对各种类型的计算文件都有较好的压缩效果, 如WinZip 等压缩软件工具均以LZW 算法为理论基础。

总结

随着人类进入信息时代，人类将更多的依靠电脑，从Internet中获取信息。而大部分信息都具有数据的海量性。采用数据压缩技术, 对数据( 尤其是多媒体数据) 进行压缩, 是实现实时、快速、有效地处理、传输和存储数据的首要问题和根本方法, 压缩的出发点是利用各种算法将数据冗余压缩到最小, 以保证尽可能少的有用信息, 并且尽可能地减少失真, 提高使用效率和质量; 为了使压缩后的数据能够互换, 必须规定通用的标准格式, 因此国际上相关的组织和机构, 制定了相应的国际上通用的数据压缩标准。目前, 虽然数据压缩技术已很成熟, 并得到了广泛的应用, 但是人们仍在继续研究, 如在较前沿的小波分析方法、分形方法及神经网络的基础上进行更深入的探索, 以追求更高的压缩效率和更好的压缩质量及压缩比。

参考文献：

[1] 王国权、朱振玉、卜小平数据压缩的应用与研究2002-11-5

[2] 栾阳关于数据压缩技术的研究

[3] 闫阳，张正柄浅谈数据压缩技术