图像压缩编码技术的发展历程及前景
２００９年第５期第８卷（总第４４期）
安徽电子信息职业技术学院学报
ＪＯＵＰ。ＮＡＬＯＦＡＮＨＵＩＶＯＣＡｌｌ０ＮＡＬＣＯＬＬＥＧＥＯｆＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ＆ＮＦＯＲＭＡｌｌＯＮ住ＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｎｏ．５２００９ＧｅｎｅｒａＪＮｏ．４４Ｖ０１．８
【文章编号】１６７１—８０２Ｘ（２００９）０５—００３９—０３
图像压缩编码技术的发展历程及前景
陈静
（安徽电子信息职业技术学院，安徽蚌埠２３３０６０）
［摘要】现代图像和多媒体通信业务的发展需要大量地存储、记录和传输各类静止和活动图像。图像和视频信号的数字化是解决这一问题的豳经之路。数字化后因数据量太大。必须对数字图像和视频进行压缩。
【关键词】压缩编码技术；音视频编码标准；ＭＰＥＧ【中图分类号】ＴＮ９１９．８１【文献标识码】Ａ
ｌ图像压缩编码技术的发展历程及其特点
在我们的生活中无论是普通人还是一些工作在科研领域的科技工作者，都会对数据信患进行传输与存储有所接触。比如数字电视、遥感照片、由雷达、飞机等提供的军事侦察图像、可视电话、会议电视和传真照片，在教育、商业、管理等领域的图文资料、ＣＴ机、ｘ射线机等设备的医用图像、天气云图等等，无论是利用哪种传输媒介进行
传输的信息，都会都会遇到需要对大量图像数据进行传输与存储的问题。而对大量图像数据进行传输要保证其
的技术条件之外，其中一个重要的障碍是缺少通用的图
像编码标准。当需要对所传输或存储的图像信息进行高
倍压缩时，往往必须采用多项图像压缩技术组成一个复杂的图像编码系统。但由于没有一个共同的标准作基础，不同的系数问数据结构不能兼容，除非各系统所采用的
每一编码技术的各个细节完全相同，否则系统间的互接将十分困难。为此，ＩＴＵ（国际电信联盟）和ＩＳＯ／ＩＥＣ（Ｉ虱际标准化组织）等几大标准化组织自２０世纪后期以来在全世界范围内积极推动联合各国在相关领域的专家进行共同研究，先后制定了一系列静止和活动图像编码的国际标准。并致力于面向未来应用的多媒体编码标准的研究，进入９０年代以后。ＩＴＵ－Ｔ和ＩＳＯ制定了一系列图像编码国际标准。如：
・１９９０年为会议电视和可视电话制定的Ｈ．２６１标
准。
传输的质量、速度等，对其进行存储也要考虑其大小容量等。所以，要解决大量图像数据的传输与存储，在当前传输媒介中，存在传输带宽的限制，故在一些限制条件下传
输尽可能多的活动图像，如何能对图像数据进行最大限
度的压缩，并且保证压缩后的重建图像能够被用户所接受等问题，就成为研究图像压缩编码技术的问题之源。
图像压缩编码技术的研究工作自１９４８年提出电视
・１９９１年为静止图像编码制定的ＪＰＥＧ标准。・１９９１年为电视数字图像存储而制定的ＭＰＥＧ一１标
准。
信号数字化开始，至今已有５０多年的历史。其发展历程筒述如下：５０和６０年代，限于客观条件，仅对帧内预测法和亚取样内插复原法进行研究；１９６６年Ｊ．Ｂ．ＯＮｅａｌ对比分析了ＤＰＣＭ与ＰＣＭ并提出了了线性预测编码的实际试
验；１９６９年举行图像编码会议（ＰｉｃｔｕｒｅＣｏｄｉｎｇＳｙｍｐｏｓｉｕｍ）；７０年代开始进行预测编码的研究；８０年代开始对运动补
・１９９３年为活动图像及其伴音压缩而制定的通用编
码国际标准ＭＰＥＧ－－２。
・１９９４美国“大联盟”公布数字ＨＤＴＶ系统的说明书
草案。美国“先进电视系统委员会”拟定“数字电视标准”。
偿（ＭＣ）所用的运动估值（ＭＥ）算法进行研究；１９６８年Ｈ．Ｃ．
Ａｎｄｒｅｗｓ等人提出变换编码，采用二维离散傅里叶变换。
・１９９６年ｒＩ．Ｕ坷为甚低码率视频编码而制定的Ｈ．
２６３标准。
・１９９８年ＩＴＵ＿Ｔ拟定Ｈ．２６３Ｖｅ瑙ｉｏｎ２草案，即Ｈ．２６３＋标准。
・１９９８年拟定ＭＰＥＧ－－４草案，首次在编码中引入了视频对象ｆｖｉｓｕａｌＯｂｊｅｃｔ）和基于内容编码的概念。
此后相继出现了其他的变换编码方法如二维ＤＣＴ等，模
型编码的研究开始于８０年代初。
追溯图像编码技术近半个世纪的研究历史，在２０世纪８０年代以前图像编码的应用并不普遍。除了限于当时
★［收稿Ｅｌ期］２００９—０７—２８
［作者简介］陈静（１９７９．０７一），女。安徽蚌埠人，安徽电子信息职业技术学院助理实验师。
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万方数据
囝墨固囝
陈静一图像压缩编码技术的发展历程及前景
第５期
图像压缩编码标准的特点（１）标准的通用性
传统的标准是使标准中定义的技术、功能与某些特
定应用领域紧密相关。多媒体图像压缩编码标准则往往具有扩展性，例如在ＭＰＥＣ一２标准中就采用了一种“类，
等级（ｐｒｏｆｉｌｅ／ｌｅｖｅｌ）”的参考模型，尽可能地将编码系统参
数定义与不同应用系统相对应，这使得这类标准应用范围极为广泛。
（２）标准的开放性
ＩＴＵ和ＩＳＯ／ＩＥＣ所建立的各种音视频编码标准通常
是有三部分组成：一个压缩编码系统的体系结构；一套完
整的视频压缩码流数据结构语法规则；一个通用解码器
算法描述。但标准中并未对音视频节目系统中具体实现方法做硬性规定。一方面，标准可以利用统一的码流结构
语法和通用解码器来规范系统的基本性能和应用接口模
式，使得ＩＴ设备生产商能够生产出各种标准化的消费类终端产品；另一方面，对部分具体算法细节技术的开发，使不同厂商引入更具自身特色的技术和优化手段，也有
利于整个编解码技术体系的可持续发展。
这些标准的制定极大地推动了图像编码技术的实用
化和产业化。会议电视等各类使用图像编码技术的产品纷纷推出，数字激光唱盘ⅣＣＤ）等产品以百万台的数量级走向市场，进入家庭，从而迎来了数字图像通信的黄金时
代。
２图像压缩编码技术的应用以及未来走向
图像编码一系列国际标准的提出标志着图像编码技术己经成熟，因而从学术研究到产业化的转交就成为十分诱人的最新课题，也成为推动社会发展的新的生产力的重要因素。图像编码技术的出现及发展，其意义之大已到可以促使现有信息产业的结构发生巨变的程度，从而使通信，广播，计算机产业的界限变得更加模糊了。目前。
国外的一些有线电视公司和通信、计算机公司之间的相
互合作，如：美国最大的有线电视公司和软件公司合作开发交互武电视等都充分体现了其意义之重大。
如今很多国家都在大力推广数字电视技术。因为数字电视具有图像质量高、频谱利用率高、可以实现多种业
务的动态组合和统计复用、易于加密、具有可扩展性、可分组性和互操作性、可以灵活组成交互武电视系统等优点，而这些优点是模拟电视所无法比拟的。按最近的数字有线电视公司的公告，象安徽合肥地区基本上完成了数字电视的转换，模拟电视信号己切断。按此情形，我们可
以预想，在不久的将来，数字电视必然最终取代模拟电视。其视频质量以及与用户的交互性等诸多方面，都是模
拟电视所无法相比的。但是数字电视受到数据量庞大的约束，因而要保证数字电视传输质量及数量的要求，视频
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压缩的技术解决就显得极为重要。所以，最近几年图像编
码研究主要集中在视频压缩上，以改进数字电视的性能，促使各等级的数字电视的成功实现，扩大其应用领域。这也表明图像编码技术对数字电视的发展起着至关重要的作用。图像编码国际标准中视频压缩编码和静止图像编码国际标准的数量比例中可以说明这些问题。以分辨率为基础，数字电视可分为四个等级：可视电话、会议电视、数字标准清晰度电视和高清晰度电视（ＨｌＹｒＶ）。除此之外，图像编码技术在其它方面同样有很多应用，如：
・电视计算机（ｔｅｌｅｃｏｍｐｕｔｅｒ）。它是介予电视与计算机之间的应用。它将个人计算机和电视融为一体，构成一个
多媒体工作站。
・多媒体出版物，包括电子图书，电子报刊等。・各种图像信息系统，如指纹库，遥感图像数据库等。
图像压缩技术已经为开创新的应用领域提供了良好的技术基础。如ＭＰＥＧ－４专家组为ＭＰＥＧ４制定的功能目标指出，ＭＰＥＧ＿４的目标不仅是改进的可视电话。而且
应该满足广播、通信、计算机领域相互渗透的要求，以交互性、高压缩比以及多种存储与通信信道相连为特色，从而构成现有的国际标准不支持的，全新的视听应用标准。
目前，根据压缩技术的发展可将图像编码划分为以
下六代：
压缩代次
方法技术
第—代
直接波形变换
硒ｆ
一多遗一—』余去瞠一Ｄ删ＤｃＴ
ＤｌｒｒｖＱ
第三代
结构编码图像分割第四代分析与综合基于模型的编码—舅毒ｆＬ第六代
』与重Ｌ
基于知识的编码
智能编码
语义编码
现在的编码技术处于第四代的水平，从国际数据压
缩技术的发展尤其是ＭＰＥＧ的发展可看出，基于内容的图像压缩编码方法是未来编码的发展趋势。例如，知道一
幅图像包括人脸、房屋、汽车等，就可以通过特定的技术来提取相应的内容，采用基于内容的编码技术就可以对
每个指定的对象进行编码，ＭＰＥＧ－－４在这方面尤其是人脸及其动画方面取得了很多成果。利用自然和人工合成内容的合并来编码，ＭＰＥＧ－－４解决了对人脸及其动画的编码问题，但是。还有更多更为复杂的物体需要建立模型与编码，而且任意形状物体的模型建立的关键问题还没
有解决，这严重影响着其应用的广泛性。因此，视频编码
将朝着多模式和跨模式的方向发展。通过元数据（Ｍｅｔａｄａｔａ）进行编码也是今后编码的发展方向，元数据是指详细地描述音视频信息的基本元素，ＭＰＥＧ一７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
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陈静一图像压缩编码技术的发展历程及前景
第５期
对象的同时也就完成了编码，因为这时编码的对象已经
ＭＰＥＧ一２１主要规定数字节目的网上实时交换协议。
不是图像本身而是图像的一种描述。
３结束语
多媒体信息消费方式的变化，从而要求实现在各种
图像和视频压缩的具体技术和指导思想，主要有以
不同的网络间的数据交换。在这方面，ＭＰＥＧ采取了一种
下几个方面：压缩的操作对象由象素（Ｐｉｘｅｌ）到块（Ｂｌｏｃｋ）再和ＩＴＵ－Ｔ不同的标准化道路。ＭＰＥＧ定义了多媒体数据
走向对象（Ｏｂｊｅｃｔ）；压缩分辨率逐渐提高，可扩展性逐渐增
的表示方武，力图使大多数应用能够共享其数据格式和强；压缩的目的由单纯的减少数据量走向功能的多元化：得到最大限度的互用性。ＭＰＥＧ－－４在语音和音频编码方
交互性、可分级性、灵活性；压缩方法由单一化走向自适面的工作提高了宽带应用范围和多媒体服务的完全解决
应地使用多种压缩工具；压缩结构有无逐渐形成运动结
方案。这样其相当子许多现存编码标准的功能超集，因为
构、纹理结构等。压缩技术的发展同社会的需求息息相他提供了新功能和许多ＭＰＥＧ－４特有编码工具的集成。
关，特别是数据库、无线通讯及因特网数据传输的要求，
基于ＭＰＥＧ－４的电话系统将在包丢失和传输比特率变化基于知识的编码和语义编码将是压缩编码的发展方向，
的情况下提供更好的鲁棒性。在音视频应用时。由于
随着数学理论、信息论以及计算机视觉理论等的发展必
ＭＰＥＧ独有的基于视音频对象的编码方武。也提高了其
然会有更为有效的功能更全面的压缩编码方法出现。
音频的编码质量。在无线电通讯系统中，其提供了语音编综上所述，图像压缩技术已经为开拓全新的应用领
码和误差保护的灵活的比特率分配方式。这使得其获得
域打下了坚实的基础。图像压缩技术的基本应用在更深了更好的误差鲁棒性。此外，传统的ＩＴＵ＿Ｔ专注于实时通
更广层次上的应用就成为我们研究的热点。具体说来，视
讯中，而ＭＰＥＧ－－４则同时关注存储媒体。其回放速度改变音频编码技术的进展对通信新业务的发展都有着极为明
功能在快速数据库搜索中有很大应用。同时提供包括正显的影响。在公共的多重工业通信标准之存在条件下，在受到日益关注的知识产权保护问题上的功能支持。从ＭＰＥＧ４４多媒体服务的完全解决方案允许制作者具有高另一个角度来说，目前的消费者还是过于依赖服务提供度的灵活性以便其产品能在市场相应位置保持强大的竞端。因此，包括多媒体数字音视频服务很大程度上依旧只争力。必须指出的是，作为标准，ＭＰＥＧ－－４只是定义了标
是不同内容的简单集合。从而导致消费者局限于享受地准的解码部分，或者说定义了解码端的码流格式。具体的域性的服务。由于特定环境内服务提供商的数目有限，这编解码技术的实现则还有很大的研究空间。而且ＭＰＥＧ－－
是很自然的事情。但是，随着交互式的宽带网络的出现，４的技术框架对相关技术的研究也具有指导意义。
比如宽带ｗｗｗ，提供了这样的一个可能性，使个人能成ＭＰＥＧ－１。ＭＰＥＧ－２已经成了全世界广泛采用的标准而且为一个内容提供商，其服务是基于通用基础上的。这种努得到极大的应用ⅣＣＤ、ＭＰ３的红火就是例证）。随着
力的目的就是使消费者的选择全球化。很少有标准能提
ＭＰＥＧ－－４，ＭＰＥＧ－－７等系列标准的推出，可以预计到其在供类似的应用。这样就有必要标准化一个界面和协议。从ＶｏｌＰ、Ｉｎｔｅｍｅｔ应用、多媒体服务等领域中的巨大前景，因
而使得消费者能够接受大范围内的内容提供商的服务。
此如何消化和吸收这其中的技术，并在此基础上进行音
以消费者为中心的考虑可以在一个广泛的基础上拓展商频视频压缩技术和多媒体应用框架进一步的研究是有着
业机会。各种类型的内容和服务提供商都可以得到以前重大理论意义和商业价值的。
所达不到的消费者市场。而这就是在今年三月份启动的
ＭＰＥＧ２１项目所要作的。作为ＭＰＥＧ＿７的后续作业对象，
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－Ｘ‘，ＥＢ４０
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图像压缩编码技术的发展历程及前景
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
陈静
安徽电子信息职业技术学院,安徽,蚌埠,233060
安徽电子信息职业技术学院学报
JOURNAL OF ANHUI VOCATIONAL COLLEGE OF ELECTRONICS & INFORMATION TECHNOLOGY2009，8(5)0次
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1.学位论文 赵海武 数字音视频压缩技术、标准与应用研究 2005
在博士后工作期间，主要进行了以下几个方面的研究工作：数字音视频压缩标准的制定、进展以及相关的知识产权问题；数字音视频压缩编码技术研究；数字音视频压缩标准的实现与应用.
本文第一章，阐述了国际国内相关标准的历史、制定过程、应用前景以及知识产权问题等。特别重点介绍了我国自主制定的音视频编码标准AVS。AVS的最重要的创新点在于新颖的专利池管理策略。克服了目前国际标准如MPEG-4、H.264等面临的专利收费问题。
开始码技术是音视频压缩编码中的重要组成部分，它属于系统层编码。利用开始码可以实现码流的随机访问以及容错纠错等功能。在H.263、MPEG-2等所使用的开始码方法的基础上，提出了高效的开始码方法，并申请了多项专利技术。其中一项专利技术已经被AVS采纳。由于所申请专利多数没有公开，所以本文不能叙述得太详细。
转码技术在数字音视频的实际应用中显得特别有用，因为很多场合需要转码。例如从MPEG-1到MPEG-2、从MPEG-2到H.264、从MPEG-2到AVS等，再广泛一点，高清到标清、隔行到逐行等也算转码。存在的格式和标准越多，需要转码的场合就越多。本文重点研究了MPEG-2到AVS的转码中噪音的叠加问题。MPEG-2和AVS都是有损压缩标准，一个经过MPEG-2压缩的节目解码后重新用AVS压缩，必然会引入新的失真(噪音)。分析清楚两次压缩后节目噪音的叠加特性，对控制节目质量和码率是非常重要的。本文首先用代数方法给出了一个节目客观质量(PSNR)的下限，然后用概率论的方法给出了一个估计节目客观质量的经验公式。
除了理论研究外，在博士后工作期间，先后主持开发了H.264解码器和AVS编解码系统，在H.264和AVS的实现与应用方面做了一些探索。其中AVS编解码系统在PC上实现了一个完整的音视频节目制作、传输和接收系统，编码端为非实时编码，解码端实时解码。该项目在2004年上海工业博览会上获得了创新奖。
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ahdzxxzyjsxyxb200905016.aspx
下载时间：2010年5月30日