浅谈图像压缩编码方式
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[摘要] 随着多媒体技术的迅速发展，数字图像压缩编码技术也受到了越来越多的关注，其在现代多媒体通信中的核心地位日渐突出。本文主要阐述两种图像编码方式:JPEG方式和MPEG方式。
[关键词] 图像压缩 编码 JPEG MPEG
由于数字图像信息包含二维或三维空间上的扩展信息或时间变化的信息，所以其数据量是非常庞大的。而在现实中能利用的信道和存储媒体中，受其通信和存储的容量或速度制约，是无法自由地传送和存储庞大的数字图像。因此，需要在保持原图像中包含的本质信息的基础上，对通信和存储时必需的数据进行压缩。图像压缩的目的就是把原来较大的图像用尽量少的字节表示和传输，并且要求复原图像有较好的质量。利用图像压缩，可以减轻图像存储和传输的负担，使图像在网络上实现快速传输和实时处理。本文对当前多媒体中应用最为广泛的图像压缩编码方式：JPEG、MPEG进行阐述。
一、JPEG――静态图像压缩编码方式
对灰度或彩色静止图像的压缩编码方式就是JPEG标准。JPEG系统可分为基本系统和扩充系统两种：基本系统由基于DCT(离散余弦变换)和Huffman编码组成，所有符合JPEG标准的设备必须符合基本系统；扩充系统提供不同的选择，除基本系统之外，还提供其他编码方式，如，渐进型编码、算术码、无失真编码、分层编码等。
基于DCT(离散余弦变换)的有损压缩算法，一般情况下能把数据量压缩到1/10～1/20的程度而重建的图像质量达到人眼难以观察出来的要求，因此这种算法得到了广泛的应用。基于DCT的JPEG方式的基本结构如图1所示。
其基本原理是在Y（亮度信号），Gr（色差信号），Cb（各种图像）时，利用人眼视觉特性，把Gr、Cb变成Y的1/2×1/2的分辨率后进行编码。 编码时首先将输入图像分割成8×8相素的矩形块，并以块为单位计算DCT。对DCT变换后的数据，分别进行符合直流、交流成分性质的量化，量化时的步幅，与各系数对应地以量化表的形式给出。然后用预编码、游程编码和熵编码对量化后的系数进行编码，对直流分量JPEG并不进行直接编码，它采用差分编码方法；对交流分量JPEG用Z形曲折扫描将二维DCT系数组成“0行程/非0值”，再进行Huffman编码。编码后得到压缩数据，最后将色彩分量信息、量化表、编码表和各个色彩分量的压缩数据等混合成一个整体数据流，即形成JPEG文件。解码的过程是编码的逆过程。解码时，JPEG解码器先从数据流中获取解码所必须的信息（色彩分量信息、量化表和编码表等），然后将各个色彩分量分别解码，最后显示解码后的图像数据。
JPEG是一种可逆的压缩方式，从算法过程来看，它的优点是：图像质量和压缩比可调节，可以根据需要折中。压缩时选择的压缩比越高，所需要的存储空间越少，还原后得到的图像质量越差；反之，如果压缩比选的越低，所需要的存储空间越大，还原后的图像质量越高。还有，JPEG图像文件比较小，而图像文件越小越节省磁盘空间，从网上下载时也就越节省时间。在再现照片、自然景观等方面表现出色。其缺点是对处理文字、简单卡通图片、线描绘图等方面表现不佳。另外它仅能处理静态图片，不能处理活动影象，是一种有损压缩，压缩后的图像无法还原。尽管JPEG也有无损压缩的几何算法，但压缩比越大，丢失的信息就越多。因此，JPEG仅适合压缩供人欣赏而不是供数据分析的图像。
JPEG 专家组于2000年推出了JPEG 2000编码标准。JPEG 2000与传统JPEG最大的不同是它放弃了JPEG所采用的以DCT为核心的编码方式，而采用以小波变换为主的编码方式。其压缩率高于JPEG大约30%左右；可同时支持有损和无损压缩；能实现渐进传输。这些都是JPEG无法做到的。因此，基于小波算法的JPEG 2000将成为新一代的静态图像压缩编码标准。
二、MPEG－运动图像压缩编码方式
MPEG是运动图像压缩编码方式。 MPEG方式的运动图像编码是基于“可动补偿帧间预测（MC）+DCT”的基本结构。其编码端的基本结构如图2所示。
其编码原理:彩色运动图像输入图像可分为亮度信号Y与色差信号Cr，Cb。通常把色差信号的分辨率设为亮度信号分辨率的1/2×1/2。把亮度信号与色差信号分别分割为矩形块，并以块为单位进行编码处理。首先，把帧存储器中事先存储前一帧中已经过编码的图像（解码图像），并与输入块之间进行运动向量的检测。其次，评价预测误差信号的值，检查有没有应该传送的预测误差信号，并对块单位进行有效/无效的判断。对无效的块，只传送为识别其为无效块而分配的代码，而省略预测误差信号的传送。对有效块，为进行因可动补偿而在预测误差信号中残留的空间上的冗余度的削减，进一步对块单位施行DCT。然后对DCT的变换系数进行量化，此后，经过对量化值进行可变长编码处理，其结果作为编码数据传送到解码端。同时，为了得到局部解码图像，对量化处理的结果施行逆量化和逆DCT来再现预测误差信号，并与当前块的预测信号相加。这个结果与解码端中的解码图像一起，为了在下一个帧的编码处理中使用而存储在帧存储器中。
MPEG 标准主要包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4:
MPEG-1用于加速CD-ROM中图像的传输。它的设计思想是在1Mbit/秒到1.5Mbit/秒的低带宽条件下，提供尽可能高的图像质量（包括音频）。视频压缩以混合编码为基础。
MPEG-2用于宽带传输的图像，它允许数字图像的数据量达到100Mbit/秒。图像质量达到电视广播甚至高精度电视（HDTV）的标准。和MPEG-1相比，MPEG-2支持更广的分辨率和比特率（3~30Mbit/秒）范围，将成为数字图像盘（DVD）和数字广播电视的压缩方式。
MPEG-4是目前最新的图像压缩方式标准之一，也是一种高效率的编码标准，其最低码率可达5~64kbps。在开发低码率编码的同时，更注重具体视频对象的交互性和可操作性，并对多媒体应用领域的各种编码进行兼容。MPEG-4利用自然和人工合成内容的合并来编码，解决了人脸及其动画的编码问题。但是，MPEG-4编解码器没有自动分割任意视频运动的功能，不能提供基于对象的操作功能还没有实现真正意义上的基于内容的压缩编码。
目前，尚未完善的MPEG-7致力于描述各种类型的音视频信息，利用元数据来描述音视频对象的同时也就完成了编码。
三、结束语
图像压缩技术研究发展了几十年，取得了很大的成绩，不断涌现出许多功能更加齐全的压缩方法，比如小波图像压缩和分形图像压缩等。总之，图像压缩是一个很有发展前途的研究领域，这一领域的突破对于通信和多媒体事业的发展将具有深远的影响。期待着更多更好更有效的压缩编码方法出现。
参考文献:
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[2]王长杰:浅析静态图像压缩标准[J].中国现代教育装备,2007.5.29～30
[3]严冰张虹:静态图像编码方法[J].中小企业科技，2007.06.128～130
[4]田勇丁学君:数字图像压缩技术的研究与进展[J].装备制造技术，2007.04.72～74