图像压缩编码方法综述_褚衍彪
图像压缩编码方法综述
褚衍彪
１
王娅茹
１，２
（１．枣庄学院数学与信息科学系，山东枣庄277160；２．成都理工大学信息工程学院，四川成都
610059)
［摘
要］本文论述了图像压缩技术的发展和标准，介绍了几种常用经典图像压缩方法和现代压缩的算法及应用情况，有
机的结合现有的研究方法才能解决图像压缩的众多问题。
［关键字］图像压缩；分形压缩；小波变换
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—作者简介：褚衍彪，男，山东枣庄人，本科，助教，研究方向：应用数学。
1．图像压缩技术的发展历程
数字图像压缩简称图像压缩，有时又称为图像压缩编码或图像编码，从对象上看分为静止图像压缩和运动图像压缩。
图像压缩研究始于１９４８年，针对电视图像传输而提出的脉冲编码调制（ＰＣＭ）原理。２０世纪五、六十年代进行的研究限于图像的帧内编码（如预测法）、子抽样／内插复原、图像的统计特性和视觉特性等等。从２０世纪６０年代末开始，正交变换方法和其它方法被陆续提出，并对图像的帧间编码（即运动图像编码）做了初步探讨。１９６９年举行的首届“图像编码会议”表明图像压缩编码己作为一个相对独立的学科出现。１９８８年是图像压缩编码发展极为重要的一年，视频压缩标准Ｈ２６１和静止图像压缩标准ＪＰＥＧ的框架原理基本确定，分形和神经网络在图像压缩编码中取得重要进展，因此，１９８８年以前主要研究的压缩编码方法通常称为“经典方法”或“传统方法”，其后提出的具有重要发展前景的方法称为“现代方法”。目前基于小波变换技术的新的静止图像压缩标准ＪＰＥＧ２０００已经公布。常用的运动图像标准是ＭＰＥＧ－４于１９９８年１１月公布，同年１０月国际标准化组织又推出了ＭＰＥＧ－７的构想，最终于２００１年初完成并公布。
2．图像压缩编码标准
国际标准化协会（ＩＳＯ）、国际电子学委员会（ＩＥＣ）、国际电信协会（ＩＴＵ）等国际组织，于９０年代领导制定了许多重要的多媒体数据压缩标准。如静止图像压缩标准ＪＰＥＧ、ＪＰＥＧ２０００，动态图像压缩标准Ｈ．２６１、Ｈ．２６３、Ｈ．２６４、ＭＰＥＧ－１、ＭＰＥＧ－２、ＭＰＥＧ－４、ＭＰＥＧ－７等等。这些标准已在数字电视、多媒体领域得到广泛应用。
2．1ＪＰＥＧ／ＪＰＥＧ２０００
ＪＰＥＧ是国际上彩色、灰度、静止图像的第一个国际标准，也是一个适用范围广泛的通用标准。它不仅适用于静止图像的压缩，电视图像序列的帧内图像的压缩编码，也常采用ＪＰＥＧ压缩方法它可将图像数据压缩到１／１０至１／３０，并可实行实时再生。可用于多媒体ＣＤ－ＲＯＭ，彩色图像传真，图文档案管理等。ＪＰＥＧ２０００与传统ＪＰＥＧ最大的不同，在于它放弃了ＪＰＥＧ
所采用的以离散余弦变换（ＤｉｓｃｒｅｔｅＣｏｓｉｎｅＴｒａｎｓｆｏｒｍ）为主的区块编码方式，而改采以小波转换（Ｗａｖｅｌｅｔｔｒａｎｓ－ｆｏｒｍ）为主的解析编码方式。
2．2ＭＰＥＧ
ＭＰＥＧ（ＭｏｖｉｎｇＰｉｃｔｕｒｅｓＥｘｐｅｒｔＧｒｏｕｐ）是ＩＳＯ和ＩＥＣ两个国际组织的联合术委员会领导下的运动图像专家组的英文缩写。针对不同的应用目的ＭＰＥＧ专家组制定了ＭＰＥＧ系列标准。已经推出ＭＰＧＥ－１，ＭＰＧＥ－２，ＭＰＧＥ－４。ＭＰＧＥ－１用于传输１．５Ｍｂ／ｓ数据传输率的数字图像和伴音。ＭＰＧＥ－２主要针对常规数字电视和高清晰度电视（ＨＤＴＶ），传输率为１００Ｍｂ／ｓ，与ＭＰＧＥ－１兼容，适用于１．５～６０Ｍｂ／ｓ甚至更高的编码范围。ＭＰＧＥ－４标准是超低码率运动图像和语言的压缩标准，用于传输速率低于６４Ｍｂ／ｓ的实时图像传输，其适用范围是可视通信以及可视电话。
2．3Ｈ．２６４
Ｈ．２６４是国际标准化组织（ＩＳＯ）和国际电信联盟（ＩＴＵ）共同提出的继ＭＰＥＧ４之后的新一代数字视频压缩格式，它即保留了以往压缩技术的优点和精华又具有其他压缩技术无法比拟的许多优点。Ｈ．２６４和以前的标准一样，也是ＤＰＣＭ加变换编码的混合编码模式。但它采用“回归基本”的简洁设计，不用众多的选项，获得比Ｈ．２６３＋＋好得多的压缩性能；加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理；应用目标范围较宽，以满足不同速率、不同解析度以及不同传输（存储）场合的需求。
3．图像压缩编码方法3．1经典的图像编码方法3．1．1行程长度编码
（ＲＬＥ）行程长度编码（ｒｕｎ－ｌｅｎｇｔｈｅｎｃｏｄｉｎｇ）是压缩一个文件最简单的方法之一。它的做法是把一系列的重复值（例如图像像素的灰度值）用一个单独的值再加上一个计数值来取代。比如有这样一个字母序列ａａｂｂｂｃｃｃｃｃｃｃｃｄｄｄｄｄｄ，它的行程长度编码就是２ａ３ｂ８ｃ６ｄ。这种方法实现起来很容易，而且对于具有长重复值的串的压缩编码很有效。例如对于有大面积的连续阴影或者颜色相同的图像，使用这种方法压缩效果
应用技术与研究
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很好。很多位图文件格式都用行程长度编码，例如ＴＩＦＦ，ＰＣＸ，ＧＥＭ等。
3．1．2ＬＺＷ编码
ＬＺＷ编码原理是将每一个字节的值都要与下一个字节的值配成一个字符对，并为每个字符对设定一个代码。当同样的一个字符对再度出现时，就用代号代替这一字符对，然后再以这个代号与下个字符配对。
ＬＺＷ编码原理的一个重要特征是，代码不仅仅能取代一串同值的数据，也能够代替一串不同值的数据。在图像数据中若有某些不同值的数据经常重复出现，也能找到一个代号来取代这些数据串。在此方面，ＬＺＷ压缩原理是优于ＲＬＥ的。
3．1．3霍夫曼编码
霍夫曼编码（Ｈｕｆｆｍａｎｅｎｃｏｄｉｎｇ）是通过用不固定长度的编码代替原始数据来实现的。霍夫曼编码最初是为了对文本文件进行压缩而建立的，迄今已经有很多变体。它的基本思路是出现频率越高的值，其对应的编码长度越短，反之出现频率越低的值，其对应的编码长度越长。
3．1．4预测及内插编码
一般在图像中局部区域的象素是高度相关的，因此可以用先前的象素的有关灰度知识来对当前象素的灰度进行预计，这就是预测。而所谓内插就是根据先前的和后来的象素的灰度知识来推断当前象素的灰度情况。如果预测和内插是正确的，则不必对每一个象素的灰度都进行压缩，而是把预测值与实际象素值之间的差值经过熵编码后发送到接收端。在接收端通过预测值加差值信号来重建原象素。
3．1．5矢量量化编码
矢量量化编码利用相邻图像数据间的高度相关性，将输入图像数据序列分组，每一组ｍ个数据构成一个ｍ维矢量，一起进行编码，即一次量化多个点。根据仙农率失真理论，对于无记忆信源，矢量量化编码总是优于标量量化编码。
编码前，先通过大量样本的训练或学习或自组织特征映射神经网络方法，得到一系列的标准图像模式，每一个图像模式就称为码字或码矢，这些码字或码矢合在一起称为码书，码书实际上就是数据库。输入图像块按照一定的方式形成一个输入矢量。编码时用这个输入矢量与码书中的所有码字计算距离，找到距离最近的码字，即找到最佳匹配图像块。输出其索引（地址）作为编码结果。解码过程与之相反，根据编码结果中的索引从码书中找到索引对应的码字（该码书必须与编码时使用的码书一致），构成解码结果。由此可知，矢量量化编码是有损编码。目前使用较多的矢量量化编码方案主要是随机型矢量量化，包括变换域矢量量化，有限状态矢量量化，地址矢量量化，波形增益矢量量化，分类矢量量化及预测矢量量化等。
3．2现代编码方法
3．2．1模型法编码
模型编码将图像信号看作三维世界中的目标和景物投影到二维平面的产物，而对这一产物的评价是由人类视觉系统的特性决定的。模型编码的关键是对特定的图像建立模型，并根据这个模型确定图像中景物的特征参数，如运动参数、形状参数等。解码时则根据参数和已知模型用图像合成
技术重建图像。由于编码的对象是特征参数，而不是原始图
像，因此有可能实现比较大的压缩比。模型编码引入的误差
主要是人眼视觉不太敏感的几何失真，因此重建图像非常自
然和逼真。
3．2．2分形编码法
分形法是基于物质的自相似性，在编码时将信号分解为
若干分形子图，提取其迭代函数系统代码（ＩＦＳ代码）。恢复
时则由该代码按规律迭代重构各子图。基于ＩＦＳ的分形法编
码压缩过程应包括以下步骤：
（１）将原图预分割成若干分形子图，使每一子图具有一
定的分形结构。目前这一步需要采用图像处理、计算机视觉
和模式识别的技术，经过反复试凑才能完成。
（２）对每一子图提取ＩＦＳ代码。即将子图置于计算机屏
幕上，采用伸缩、平移、旋转或仿射手段，对子图进行压缩，
获得一组仿射变换参量，便可得到该子图的ＩＦＳ代码。
（３）对ＩＦＳ代码采用经典的编码方法进行编码。
（４）译码形成ＩＦＳ代码。
（５）由ＩＦＳ代码，利用随机迭代法获取相应的重构子图。
（６）把各重构子图拼成恢复图像。
对于一定的整体与局部存在明显相似性或仿射性的分
形图像类，这种方法可以取得很高的压缩比。
3．2．3小波变换压缩方法
小波变换把图像分解成逼近图像和细节图像之和，它们
分别代表图像的不同结构，然后采用快速算法（Ｍａｌｌａｔ）进
行压缩，可以获得很高的压缩比。基于小波变换的图像压缩
算法首先使用某种小波基函数将图像作小波变换，再根据４
个通道的不同情况，分别量化编码，比如对低频频段（ＬＬ）采
用较多的量化级别，而对中间频段（ＬＨ，ＲＨ）采用较少量化级
别，对高频频段（ＨＨ）采用很少几个量化级别，这样根据重构
时对复原信号的重要程度分别对待的方式可以有效地提高
压缩比而又不产生明显的失真。小波变换在静态图像压缩中
的作用已经得到公认，为ＪＰＥＧ２０００标准所采纳。小波变换应
用于图像压缩时，本质上是对原始图像的小波系数进行重组
处理，然后用处理后的小波系数恢复图像，在实际的信号压
缩标准中（如ＪＰＥＧ２０００），一般采用支集长度为９和７的双正
交小波，该方法容错性比较好，因此更适合实际的应用。
4．结论
为了满足不同需求和新理论、新技术的不断发展，对图
像压缩的要求会越来越高。全新的图像压缩理论、算法和相
应的实现技术必将会不断产生，同时将研究现有的方法有机
地结合能解决很多图像处理问题
参考文献：
[1]ＫｅｎｎｅｔｈＲ．Ｃａｓｔｌｅｍａｎ．数字图像处理［Ｍ］．朱志刚，石定机
等译．北京：电子工业出版社，２００２．
[2]黄伟，龚沛曾．图像压缩中的几种编码方法[J]．计算机应用研
究，２００３，（８）．
[3]杨福生．基于小波变换的图像压缩方法［Ｊ］．（下转第62页）
应用技术与研究
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The De s i gn a nd I m pl e m e nt a t i on ofCont r ol l e rTe s t i ng Sy s t e m
f orDi r e c t -c ur r e ntEl e c t r i c M a c hi ne r y
Re n J i ngf u
(Suz hou Uni ve r s i t y ，Suz hou 215006，J i a ng s u)
【Abs t r a c t 】W i t h t he f a s tde ve l opm e ntofc om put e rt e c hnol ogy a nd e l e c t r oni c s ,t he c om put e r -a i ded t e s t i ng t e c hnol og y i s a dv a nc i ng da y by da y,whi c h a ppl i e sc om put e r st o t he t e s tofe l e c t r i c m a c hi ne r y .The r e f or e ,t he ol d ha nd-a c t ua t e d t e s tofe l e c t r i c m a c hi ne r y w i l l gr a dua l l y ber e pl a c e d by t hec om put e r -a i de d t e s t i ng t e c hnol og y.
【Ke y wor ds 】di r e c t -c ur r e nte l e c t r i cm a c hi ne r y ；c ont r ol l e r ；t e s t i ng pr og r a m
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—（上接第59页）
ＰＷＭ的周期是相同的，占空比由各自的通道寄存器决定。
（5）串行通信ＳＣＩ模块
目前几乎所有的台式电脑都带有９芯的异步串行通信口，简称串行口或ＣＯＭ口。有的台式电脑带有两个串行口，分别称为ＣＯＭ１、ＣＯＭ２口。大部分的笔记本电脑也带有串行口。随着ＵＳＢ接口的普及，串行口的地位逐渐变低了。但是，作为设备间的一种简便的通信方式，在相当长的时间内，串行口还不会消失。因为简单且常用的串行通信只需要三根线（发送线、接收线和地线）。所以，串行通信可以作为ＭＣＵ与外界通信的简便方式之一。
在ＭＣＵ中，若用ＲＳ－２３２Ｃ总线进行串行通信，则需外接电路实现电平转换。在发送端需要用驱动电路将ＴＴＬ电平转换成ＲＳ－２３２Ｃ电平，在接收端需要用接收电路将ＲＳ－２３２Ｃ电平转换为ＴＴＬ电平。电平转换器不仅可以由晶体管分立元件构成，也可以直接使用集成电路。目前使用ＭＡＸ２３２芯片较多，简单易用，单＋５Ｖ电源供电，仅需外接几个电容即可完成从ＴＴＬ电平到ＲＳ－２３２电平的转换。
ＰＣ通过设置不同的协议同时与本系统和电机控制器进行串行通信。ＰＣ发出的数据，通过ＭＡＸ２３２进行电平转换，本系统和电机控制器同时收到，然后根据帧头决定是否对这些数据进行处理。本系统和电机控制器发出的数据由ＰＣ接
收。
5．结束语
文章重点介绍了系统硬件模块的实现，软件部分也开发完毕，但由于篇幅原因，本文重点介绍了硬件部分。采用本文介绍的方法设计的测试系统已经经过验证，进一步可以生产并在实际中使用。产品具有性能稳定可靠、反应速度快等优点。相信它一定会有良好的应用前景。
参考文献：
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[2]周毅，邵晖，赵毅．电动机性能虚拟仪器测试系统设计与实现[J ]
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[4]王宜怀．嵌入式应用技术基础教程[M ]．北京：清华大学出版社，2005．
[5]王宜怀．嵌入式应用技术基础教程[M ]．北京：清华大学出版社，2005．
Sum m a r i z a t i on ofI m a geCom pr e s s i on M e t hodol ogy
Chu Ya nbi a o 1
W a ng Ya r u 1，
2
(1．Za oz hua ng Col l e ge ，Za oz hua ng 277160，Sha ndong ；2．Che ng du Uni v e r s i t y ofTe c hnol og y ，Che ngdu 610059，Si c hua n)
【Abs
t r a c t 】Thi s pa pe r i nt r oduc e s t he de v e l opm e nt a nd t he s t a nda r d of t he i m a ge c om pr e s s i on t e c hnol og y a nd di s c us se s m a ny c l a s s i c a li m a ge c om pr e s s i on m e t hod a nd t he m ode r n c om pr e s s i on a l g or i t hm a nd t he a ppl i c a t i on ．I tc a n s ol ve l ot sofi m a g e pr oc e s s i ng pr obl e m sby uni f y i ng t he e xi s t i ng r e s e a r c h t e c hni que ．
【Ke y wor
ds 】i m a g ec om pr e s s i on ；f r a c t a lc om pr e s s i on ；wa ve l e ta na l y s i s 应用技术与研究
—62—
波变换的工程分析与应用，1999．
[4]唐红梅，王霞，郑丽君．分形图像压缩编码技术介绍[J ]
．计算机时，２００４，（４）．