[科普中国]-图像数据压缩

背景

随着计算机技术和网络通信技术的飞速发展，实时可视化通信、多媒体通信、网络电视、视频监控等业务越来越受到大家的关注。这样，图像压缩技术就成为目前急需解决的问题。1

图像通常来源于真实世界，格式种类繁多。一般情况下，图像格式可以分为两类：1

(1)位图文件：包括GIF格式，BMP格式，PCX格式，PNG格式，JPEG格式等；

(2)矢量图文件：包括WMF，EPS文件格式等。位图文件是以像素点为单位描述图像，而矢量图文件顾名思义以矢量为单位描述图像。

图像处理，是指将一幅图像变为另外一幅经过修改的图像，是一个图像到图像的过程。一般图像处理技术分为两类：模拟方式与数字方式。如今普遍采用数字图像处理，包括以下内容：图像复原、图像压缩、图像重建、模式识别等。图像压缩的首要目的就是压缩数据量，提高有效性。1

图像压缩是图像存储、处理和传输的基础，它是用尽可能少的数据来进行图像的存储和传输。图像数据是可以被压缩的，支持这一理论的依据，允许图像编码有一定的失真；图像数据的冗余性。大多数情况下，并不要求经压缩后的图像和原图完全相同，而允许有少量失真，只要这些失真不被人眼察觉就可以接受。这给压缩比的提高提供了有利的条件，可允许的失真愈多，可实现的压缩效率就愈高。因为图像数据具有可压缩性，有大量的所谓统计性质的多余度，从而产生生理视觉上的多余度，去掉这部分图像数据并不影响视觉上的图像质量，甚至去掉一些图像细节对于实际图像的质量也无致命的影响。正因为如此，可以在允许保真度的条件下压缩待存储的图像数据，大大节约存储空间，而且在图像传输时也大大减少信道容量。光盘技术和数据压缩技术的发展为各种形态的大量数据传输提供了技术保证，CPU性能的不断提高也为数据压缩提供了有利条件。1

研究现状图像压缩技术分为静态压缩和动态压缩。JPEG是第一个数字图像压缩的国际标准，JPEG(Joint PhotographicExperts Group，联合图像专家小组)包含两种基本压缩方法：1

(1)有损压缩，它是以自适应离散余弦变换DCT为基础的压缩方法。所谓有损压缩，就是压缩后图像的某些信息会丢失。

(2)无损压缩。由于其压缩比有一定的极限，所以目前已不是研究热点，它是以差分脉冲编码调制DPCM为基础的压缩方法。图像编码的一般过程见图1。

一般过程数据压缩的过程口1如图l所示，数据压缩一般有编码和解码两个过程，信源数据经过源编码器的压缩编码，被减少到存储设备与传输介质所能支持的水平。通道编码器是把压缩位流翻译成一种既适合于存储又适合于传输的信号。由通道解码器和源解码器构成的解码子系统执行通道编码和源编码的逆过程，以重新构造图像。2

方法针对多媒体数据冗余类型的不同，相应地有不同的压缩方法。根据解码后数据与原始数据是否完全一致进行分类，压缩方法可被分为无损压缩和有损压缩。在此基础上根据编码原理进行分类，大致有：预测编码、变换编码、统计编码以及其他一些编码。其中统计编码是无损编码，其他编码方法基本是有损编码。2

无损压缩和有损压缩1) 无损压缩：也叫无失真压缩，是指解压还原后的数据同原始的数据完全一样。这种压缩的特点是压缩比较小。2

2) 有损压缩：也叫有失真压缩，这种压缩使得压缩后部分信息丢失，即还原的数据与原始数据存在误差。它的特点是压缩比大，而且压缩比是可调节的，可从几倍到几百倍。2

常用图像数据编码方法1. 预测编码

预测编码是根据离散信号之间存在着一定的相关性，利用前面的一个或多个信号对下一信号进行预测，然后对实际值和预测值的差进行编码。预测编码分为帧内预测和帧间预测两种类型。2

1) 帧内预测：帧内预测编码反映了同一帧图像内，相邻像素之间的空间相关性较强，因而任何一个像素的亮度值，均可由它相邻的已被编码的像素的编码值来进行预测。帧内预测编码包括差分脉冲编码调制和自适应差分脉冲编码调制。

2 ）帧间预测：在 MPEG 压缩标准中采用了帧间预测编码，这是由于运动图像各帧之间有很强的时间相关性。例如在电视图像传送中，相邻帧的时间间隔只有1/30 s，大多数像素的亮度信号在帧间的变化是不大的，利用帧间预测编码技术就可减少帧序列内图像信号的冗余。

2. 变换编码（ Transform Coding )

变换编码先对信号进行某种函数变换，从信号的一种表示空间变换到信号的另一种表示空间，，然后在变换后的域上，对变换后的信号进行编码，变换编码过程如图 2 所示。2

3. 统计编码

统计编码主要针对无记忆信源，根据信息码字出现概率的分布特征而进行压缩编码，寻找概率与码字长度间的最优匹配，其又可分为定长码和变长码。2

4. 其他编码2

1） 矢量量化编码；

2） 子带编码；

3） 分形编码。

发展趋势从国际数据压缩技术的发展尤其是MPEG的发展可以看出，基于内容的图像压缩编码方法是未来编码的发展趋势。它不仅能满足进一步获得更大的图像数据压缩比的要求，而且能够实现人机对话的功能。另外，任意形状物体的模型建立的关键问题还没有解决，这严重影响其应用的广泛性。因此，视频编码将朝着多模式和跨模式的方向发展。3

通过元数据进行编码也是今后编码的发展方向。元数据是指详细的描述音/视频信息的基本元素，利用元数据来描述音视频对象的同时也就完成了编码，因为此时编码的对象是图像的一种描述而不再是图像本身。从另一个角度来说，进一步提高压缩比，提高码流的附属功能（码流内容的可访问性、抗误码能力、可伸缩性等）也将是未来的编码的两个发展方向。3

R个数的一组看作K维矢量，然后以这些矢量为单元进行量化编码，该方法对声音和图像数据特别有效。