陳少鋒

摘要：數(shù)字圖像信息要實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)處理，必須要用到數(shù)字圖像壓縮技術(shù)。數(shù)字壓縮技術(shù)是數(shù)字圖像處理技術(shù)的重要組成部分，要用到的技術(shù)包括圖像采集、數(shù)字化、圖像分析等，因此數(shù)字圖像壓縮技術(shù)離不開對數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究與創(chuàng)新。本文圍繞數(shù)字壓縮技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展展開論述，對數(shù)字處理技術(shù)的領(lǐng)域也有所涉及。

關(guān)鍵詞：圖像壓縮技術(shù)；技術(shù)類型；發(fā)展之路

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）21-0190-02

隨著全球信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)化、信息化的生活已經(jīng)成為人們的日常。在信息化時(shí)代，高速、快捷、方便是人們對所有信息進(jìn)行處理的要求，包括圖像處理。在現(xiàn)有的信息技術(shù)所能提供的條件下，針對龐大的數(shù)據(jù)處理工作，不斷提升處理速度并非易事，要在技術(shù)上攻克各種難關(guān)，尤其是數(shù)字圖像更是挑戰(zhàn)技術(shù)人員水平的重大課題。在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，壓縮技術(shù)更是備受關(guān)注，這一技術(shù)的難度在于要求將圖像壓縮、而且保持較好的畫質(zhì)，達(dá)到減輕存儲和傳輸工作量的目的。

1 圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

圖像壓縮技術(shù)的起源，可以追朔到數(shù)字化電視信號的發(fā)明和應(yīng)用。在數(shù)十年的發(fā)展歷程中，曾經(jīng)涌現(xiàn)出眾多帶有革命性和顛覆性意義的圖像壓縮技術(shù)和方法，包括小波變換理論等技術(shù)創(chuàng)新從未停止過。至今已經(jīng)達(dá)到前所未有的高度，其中一些技術(shù)依然在當(dāng)今數(shù)字圖像技術(shù)處理技術(shù)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

1） 第一個(gè)壓縮編碼階段是在數(shù)據(jù)壓縮理論產(chǎn)生之后，大約在18世紀(jì)末期，出現(xiàn)了十進(jìn)制數(shù)研究；以及在19世紀(jì)末，莫爾斯代碼產(chǎn)生。隨著信息論的產(chǎn)生，模式識別、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)等逐漸進(jìn)入人們的事業(yè)，使得無損壓縮編碼算法開始進(jìn)入了嶄新的階段。1969年美國矩形圖像編碼會(huì)議，使得變幻壓縮編碼和量化壓縮編碼成了研究熱點(diǎn)。

2） 第一代圖像壓縮編碼存在圖像畫質(zhì)不理想的問題，為了解決這一問題，第二代圖像壓縮數(shù)碼的概念在20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)。多個(gè)處理圖像的方案被提出，在不同程度上實(shí)現(xiàn)了圖形信號的漸進(jìn)式傳輸，視覺特性被引入分辨率信號的頻帶研究之中，分形圖像編碼壓縮方案、小波變換等圖像壓縮編碼算法陸續(xù)被提出，一些先進(jìn)的圖像壓縮編碼算法呈現(xiàn)雛形。

（1）圖像增強(qiáng)技術(shù)是將圖像中的有用信息留下，無用信息處理的方法。這項(xiàng)技術(shù)可以達(dá)到改善圖像畫質(zhì)，增強(qiáng)圖像處理的目的。而且圖像增強(qiáng)方法還不止一項(xiàng)，將圖像的模糊、失真、噪聲的影響降低到最小，避免光照、溫度等對圖像產(chǎn)生的退化作用。減少退化源的影響，恢復(fù)圖像空間，補(bǔ)償圖像磨合和消除噪聲?；謴?fù)空間濾波、偽逆空間等。

（2）實(shí)現(xiàn)圖像分割是在20世紀(jì)70年代產(chǎn)生的，在醫(yī)學(xué)、軍工領(lǐng)域被廣泛使用。使用闞值法、區(qū)域生長法等將圖像灰度、紋理等進(jìn)行分割，使分割后的區(qū)域內(nèi)部特征大于區(qū)域間的相似性。

（3）將圖像的邊緣進(jìn)行不連續(xù)分割，使用邊緣檢測算子來對邊緣進(jìn)行檢測和提取。計(jì)算簡單、速度快，但是這種方法對圖像的噪聲干擾比較敏感。

（4）將圖像中有用的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行調(diào)取，利用模式識別技術(shù)等來抽取圖像特征，進(jìn)行符號化的描述和分析[1]。

2 圖像壓縮技術(shù)存在的若干問題

1）缺乏統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)知識；

2）提取系統(tǒng)的計(jì)算量較大；

3）小波變化圖像壓縮編碼算法等，存在工作效率較低的問題；

4）圖像精度和處理速度的矛盾問題；

5）軟件研發(fā)與其他學(xué)科相互結(jié)合和利用的問題；

6）圖像壓縮技術(shù)邊緣學(xué)科，如視覺神經(jīng)、心理學(xué)的融合與突破問題；

7）建立圖像信息庫和程序的標(biāo)準(zhǔn)化問題。

3 幾種較為重要的圖像壓縮技術(shù)介紹

3.1 JPEG壓縮技術(shù)

JPEG壓縮技術(shù)已經(jīng)為人們所熟知。其全稱為“Joint photographic expert group”，1989年誕生技術(shù)規(guī)范，1991-1992年形成標(biāo)準(zhǔn)草案和國標(biāo)。壓縮技術(shù)原理在于：先將圖像處理為塊，每塊的大小不均且不重疊，使用二維離散余弦方法進(jìn)行變換，簡稱為DCT。變幻后的系數(shù)矩陣能量進(jìn)行了量化，去除了高頻系數(shù)，保留了低頻系數(shù)，且主要矩陣能量都集中在低頻區(qū)。在低頻區(qū)完成掃描、重新組織、編碼等過程，完成了JPEG圖像壓縮的全程處理，形成了具有中、高端比特率、畫質(zhì)良好，符合國標(biāo)的JPEG圖像。

但是JPEG圖像壓縮技術(shù)也有其缺陷，首先是方塊效應(yīng)。這是由于在圖像進(jìn)入分塊處理時(shí)，由于高壓縮比將本來高度非平穩(wěn)的圖像信號的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性突變，致使邊緣信息用余弦基作為圖像信號導(dǎo)致[2]。其次是壓縮受到損害，壓縮比不高，系數(shù)發(fā)生了量化。

JPEG圖像壓縮技術(shù)發(fā)生方塊效應(yīng)，壓縮容易受到損壞的特性，是近年來技術(shù)人員一直力圖解決的。所采用的改進(jìn)方法，本文有比較集中的介紹：第一，使用DCT零樹編碼，就是將方塊中的零樹的系數(shù)先組成LOG2N個(gè)子帶，然后進(jìn)行編碼，得出較高的PSNR值，在進(jìn)行這種改進(jìn)之后，按照相同的壓縮比，獲得的PSNR值比EZW要高很多。雖然算是有效的方法，但是方塊效應(yīng)依然沒有得到根除。第二，使用集中低頻塊的方法，變換DCT，不斷對圖像進(jìn)行變化操作，直到方塊效應(yīng)基本消除，然后對DCT進(jìn)行系數(shù)零樹編碼排列處理。這種方法可以將方塊效應(yīng)清除的更加徹底，但是在人眼視覺處理?xiàng)l件下，依然還是有一些方塊參與存在。因此在今后的發(fā)展中，還應(yīng)趨向考慮與人眼視覺特相結(jié)合的壓縮技術(shù)方向努力。

3.2 JEPG2000壓縮技術(shù)

JEPG2000壓縮技術(shù)是對JPEG技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新，按照全新的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，將JPEG技術(shù)中的余弦變換技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾〔ㄗ儞Q技術(shù)。采用了彩色編碼方式，按照J(rèn)PEG圖像編碼算法進(jìn)行圖像壓縮。其原理為：說先對數(shù)字圖像進(jìn)行分片、直流電平位移等預(yù)處理，然后進(jìn)行包括小波變換、熵編碼等的核心處理，最后進(jìn)行包括區(qū)域劃分、碼塊等的流組織處理。

使用JPEG2000圖像壓縮技術(shù)的優(yōu)勢，在于將JPEG圖像壓縮技術(shù)的效率提高了百分之30，而且對圖像的有損和無損壓縮可以同時(shí)進(jìn)行，圖像壓縮后的畫質(zhì)更為細(xì)膩和平滑，這是對JPEG圖像壓縮技術(shù)的一大革新。另外，將JPEG圖像壓縮技術(shù)的按塊傳輸創(chuàng)新提升為了漸進(jìn)傳輸，方便用戶使用，不必非要接收整個(gè)圖像壓縮碼流，還能隨機(jī)獲取。并可以執(zhí)行傳輸、濾波等操作程序。JPEG2000圖像壓縮技術(shù)如今在很多領(lǐng)域正在被廣泛使用，如數(shù)字醫(yī)療、圖書館、數(shù)碼傳真、打印，移動(dòng)通信等。尤其是在電子商務(wù)中得到用戶的廣泛贊譽(yù)。

3.3 小波變化圖像壓縮技術(shù)

小波變化圖像壓縮技術(shù)是根據(jù)塔式快速小波變換算法將圖像進(jìn)行分解，采用多分辨率的技術(shù)手段的工作原理：首先采用多級小波進(jìn)行圖像分解，將分解后的系數(shù)量化、編碼，形成小波圖像壓縮。小波圖像壓縮也已經(jīng)擁有了國際壓縮標(biāo)準(zhǔn)，按照MPEG-4進(jìn)行命名[3]。

小波變換圖像壓縮技術(shù)目前的發(fā)展現(xiàn)狀是采用不同算法構(gòu)建三種不同的編碼器：

第一，嵌入式小波零樹圖像編碼是空間小波樹遞編碼，這種小波零樹概念提高了小波系數(shù)的編碼概念，將高頻系數(shù)剔除出去，采用了漸進(jìn)性量化和嵌入式編碼模式，比較方便計(jì)算。小波零數(shù)圖像編碼的使用改變了以往的壓縮編碼器必須使用復(fù)雜的算法才能進(jìn)行信息處理的方式，將計(jì)算方法簡化，而且得到的結(jié)果精確可靠，因此得到了國際認(rèn)可，圖像壓縮數(shù)據(jù)處理的發(fā)展歷程上具有重要的意義。

第二，空間樹分層分割方法采用了分層小波樹集合分割算法，減小了編碼符號集在比特面上的規(guī)模，利用小波系數(shù)幅值衰減規(guī)律構(gòu)成了不同類型的空間零樹，計(jì)算方法也比較簡單，使用嵌入式比特流，提高了編碼器更多的性能。

第三，嵌入型編碼使用的優(yōu)化分層階段算法將小波分為獨(dú)立的碼塊，這些碼塊中帶有子帶部分，每個(gè)碼塊都有編碼，產(chǎn)生帶有SNR擴(kuò)展功能的編碼，支持隨機(jī)存儲圖像功能，與前面所述的兩種算法相比，相對較為復(fù)雜。但是壓縮性能也高。

三種圖像壓縮方法比較起來，小波圖像壓縮方法是目前來說比較被廣泛使用的。小波圖像壓縮方法要得到進(jìn)一步拓展，應(yīng)在與人眼視覺特性的結(jié)合上下功夫，提高圖像質(zhì)量，提高壓縮比，并注意與其他壓縮方法的優(yōu)勢相結(jié)合進(jìn)行研究。

3.4 分形圖像壓縮

分形圖像壓縮，是上世紀(jì)八十年代經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明得出的壓縮比較高的圖像壓縮技術(shù)，這是基于局部迭代函數(shù)系統(tǒng)理論而產(chǎn)生的圖像壓縮技術(shù)，得到的圖像編碼技術(shù)要比以往的圖像壓縮技術(shù)高幾個(gè)數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)壓縮圖像的功能。

分形圖像壓縮使用的是迭代函數(shù)系統(tǒng)，其工作原理是：首先使用迭代函數(shù)系統(tǒng)定理、拼貼定理，將圖像分割成若干對應(yīng)迭代函數(shù)的子圖像，迭代函數(shù)與子圖像的壓縮比成反比，迭代函數(shù)簡單的子圖像壓縮比會(huì)比較大。解碼過程是利用迭代函數(shù)對應(yīng)子圖像的原理調(diào)出自圖像的原始狀態(tài)。

分形圖像編碼技術(shù)的幾個(gè)主要分項(xiàng)包括：對曲線長度使用類似于亞取樣、內(nèi)插法等進(jìn)行小尺度度量，與分形幾何的肚量方法不同的是采用分形思想，對不規(guī)則、復(fù)雜的圖像進(jìn)行尺度的變化。利用人機(jī)交互的拼貼技術(shù)，采用迭代函數(shù)系統(tǒng)方法，對圖像的整體和局部進(jìn)行表達(dá)，通過仿射系數(shù)的存儲來進(jìn)行變換達(dá)到壓縮的目的。放射變幻可以利用迭代函數(shù)系統(tǒng)達(dá)到比較高的壓縮比。將圖像進(jìn)行全自動(dòng)的分形壓縮，在尋找映射關(guān)系的過程中處理塊與塊之間的局部關(guān)系，取出冗余度，但是存在比較明顯的方塊效應(yīng)。因此在圖像解碼處理中存在一定缺陷。

采用分形圖像壓縮進(jìn)行圖像處理在圖像壓縮技術(shù)領(lǐng)域里并沒有被廣泛使用，主要原因就是其明顯的風(fēng)快效應(yīng)沒有被妥善解決。但是分形圖像壓縮技術(shù)的優(yōu)勢在于它不僅考慮了局部與局部，而且也考慮了局部與整體的相關(guān)性，與自然中的自相似與自仿射的原理有相像，因此還是有一定的使用范圍的。

3.5 其他壓縮技術(shù)

其他壓縮技術(shù)，還包括NNT壓縮、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓縮等方法。

第一，形狀自適應(yīng)壓縮是將任意形狀的圖像進(jìn)行分塊，每塊都采用DCT變換的方法，實(shí)現(xiàn)形狀自適應(yīng)變換，在變幻過程中可能會(huì)丟失一些空域相關(guān)性。因此會(huì)存在失真的現(xiàn)象。

第二，EGGER方法是對任意形狀圖像進(jìn)行小波變換，其工作原理是將圖像的像素推到與邊界框右邊框平齊的位置，使用小波變換的特性，將高頻部分的邊界部分進(jìn)行合并，引起小波分解，形成小波系數(shù)的相同相位。

第三，形狀自適應(yīng)小波變換包括對任意形狀進(jìn)行熵編碼的擴(kuò)大和嵌入式小波編碼。經(jīng)過對任意形狀可是對象的像素進(jìn)行小波變換，使像素的空域相關(guān)性、子帶區(qū)域?qū)傩园l(fā)生自相似性，實(shí)現(xiàn)任意形狀靜態(tài)的編碼標(biāo)準(zhǔn)能夠很好地表現(xiàn)出來。

第四，上述編碼方法在未來的發(fā)展方向是與人類視覺系統(tǒng)相結(jié)合，對邊緣、紋理、背景等進(jìn)行不同比例的壓縮，得到更大的壓縮比，以便更好的儲存和傳輸[4]。

4 圖像壓縮技術(shù)的未來發(fā)展方向設(shè)想

1）計(jì)算機(jī)速度向著高速方向前進(jìn)。這是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍帶來的結(jié)果，未來可以實(shí)現(xiàn)圖像壓縮的實(shí)時(shí)化。

2）高分辨率。包括分辨率采集的提高和顯示分辨率的提高。在克服顯像管制造技術(shù)的難點(diǎn)、提高圖像圖像刷新存取速度的基礎(chǔ)上，提高分辨率將成為現(xiàn)實(shí)。

3）圖像壓縮實(shí)現(xiàn)立體化的，從二維進(jìn)入三維時(shí)代。是時(shí)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展而得到的結(jié)果，未來的圖像壓縮將不再局限于平面，而是實(shí)現(xiàn)三維立體壓縮技術(shù)。

4）利用多媒體技術(shù)來實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的壓縮，方便人類接收信息的方式向著多媒體接收的方式發(fā)展。

5）按照人類的意圖和思維方式，使計(jì)算機(jī)能夠自行判斷圖像壓縮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像壓縮技術(shù)的智能化。在圖像壓縮中計(jì)算機(jī)就能達(dá)到人腦的主觀和非邏輯思維能力。

6）在計(jì)算機(jī)中植入多功能芯片，實(shí)現(xiàn)圖像壓縮為實(shí)踐服務(wù)的功能。

7）推行新的計(jì)算方法，結(jié)合遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)科，將新的理論，如Fratal理論廣泛應(yīng)用于圖像壓縮技術(shù)中，并可以在物理、數(shù)學(xué)、音樂等學(xué)科中觸類旁通。

5 結(jié)語

在過去數(shù)十年的研究過程中，圖像壓縮技術(shù)取得了很大的成績。例如小波圖像壓縮、分形推向壓縮等先進(jìn)技術(shù)，至今依然是學(xué)術(shù)界熱議的焦點(diǎn)。但是其存在的缺點(diǎn)也必須加以重視，新的技術(shù)必將對之進(jìn)行替代。在今后的發(fā)展中，應(yīng)不斷結(jié)合本文提及的視覺神經(jīng)等其他學(xué)科的運(yùn)用，將圖像壓縮技術(shù)引領(lǐng)入更加寬泛、更加廣闊的研究領(lǐng)域，讓圖像壓縮技術(shù)在信息發(fā)達(dá)的當(dāng)今社會(huì)中，得到更長遠(yuǎn)的發(fā)展和更加有益的利用。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 郭宏亮. 一種圖像壓縮無損編碼中的小波系數(shù)優(yōu)化算法[J]. 科技通報(bào)， 2013，29（4）.