图像的无损压缩编码方法及JPEG标准模式

收稿日期:2002-02-29

图像的无损压缩编码方法及JPEG 标准模式

M ethod of I mage L ossless Com pressi ng Cod i ng and JPEG Standard M ode

刘　玮

王红星

　　

L iu W ei W ang Hongx ing

(海军航空工程学院电子工程系　烟台　264001)

(E lectronic D epart m ent of N avy A viati on Engineering Co llege , Yantai , 264001, Ch ina )

摘　要　概述了经典图像编码方法和无损数据压缩编码方法, 分析了其基本思想和性能, 介绍了图像压缩编码的国际标准。并指出图像压缩编码正处于蓬勃发展之中。

关键词　无损压缩编码　JPEG 　模式　游程编码

1　引　言

编码, 但是L Z W 与RL C 不同。L Z W 在对数据文件进

行编码的同时, 图像无损压缩编码是信源编码的一个分支, 是信号与信息处理领域中的重要内容。目前发展迅速的多媒体技术, 在很大程度上依赖于图像压缩技术。例如一幅512×512、各分量为8b 数据量为768kB , 一张114M B 近两幅这样的图像。。所以只有压缩图像数据, 、传输和处理。图像压缩是通信、点课题。它在工业、医学、军事、教育等诸多方面有着重要应用。

图像压缩经历了几十年的研究探索, 目前已有多种方法, 国际标准化组织制定了一系列的国际标准, 例如静止图像编码标准JPEG , 运动图像编码标准

会议电视图像编码标M PEG (1, 2, 4) 和可视电话

准H 1261等。另外, 还有一些先进的图像编码方法处于不断发展之中, 如分形法、模型法和神经网络法等。基于小波变换的图像编码也是一种新发展起来的编码方法。由于小波分析具有时—频分析、多分辨分析等优点, 易与人类视觉特性相结合, 可获得较好的压缩效果, 所以小波变换的方法受到人们的高度重视。无损数据压缩编码方法大致可分为两大类:基于统计概率的方法和基于字典的技术。统计编码方法中最有代

表性的是利用概率分布特性的著名的霍夫曼(H uff 2m an ) 编码方法; 另一种也是利用概率分布特性的编码

, 图像编码分3个阶段(如图1所示) :第1是信号处理阶段, 它是把图像信号进行变换、处理, 使数据处于容易压缩、量化的状态; 第2是量化阶段, 量化是用少量值表示多量值的过程, 这里产生压缩, 同时也产生失真; 第3是无失真编码, 即产生输出数据流。对图像采用不同的处理、量化和熵编码方法, 就产生了不同的图像编码方法。

图像数据→信号处理→无失真编码→压缩输出

图1　图像编码的三个阶段

经典的编码方法是基于信息论的理论框架, 对图像进行线性处理, 产生信息保持或限失真的压缩图像。主要有3大类:预测法、变换法和统计法。

(1) 预测法的基本思想　根据数据的统计特性得到预测值, 然后传输图像像素与其预测值的差值信号, 使传输的数码率降低, 达到压缩的目的。预测法简单经济, 编码效率高, 常用的方法有:PC M , D PC M , AD 2PC M 等。预测法的主要问题是预测器的设计, 一般都采用以最小均方误差(MM SE ) 为准则的最佳预测设计。

(2) 变换法的基本思想　首先把图像分块, 例如8×8, 16×16的像素块, 然后再逐块进行正交变换, 去

方法

算术编码。基于字典技术的数据压缩技术有

两种:一种是游程编码(R unn ing L ength Coding ) , 简称为RL C ; 另一种称之为L Z W 编码, 它也是基于字典的技术压缩数据的, RL C 与L Z W 算法都是对字节串

掉样本间的相关性。再对变换系数进行量化、编码。变换法具有压缩比高、抗噪性能好等特点。常用的有余

弦变换(DCT ) 、W AL SH 变换、Fou rier 变换等。

(3) 统计法是信息保持型压缩方法　它利用数据出现的分布特性消除其冗余度, 如H uffm an 编码、算术编码等, 压缩后的图像不会产生失真, 即是一种熵保持型编码方法。经过40多年的努力, 人们形成了一种较完善、实用的编码方案, 这就是一系列国际编码标准JPEG 、这种方M PEG 等所采用的基本编码框架。法的框图如图2所示

。

更好的压缩性能, 因此矢量量化受到了广泛研究。矢量量化的关键是码书的设计, 现有L R G 法、神经网络法、模拟退火法等。矢量量化法处于不断的发展之中。3　无损数据压缩编码方法311　霍夫曼编码

霍夫曼编码是霍夫曼1952年提出的一种编码方法。霍夫曼编码的基本思想完全按照字符出现概率的大小, 概率大的字符分配短码, 概率小的字符则分配长码, 来构造最短的平均码长的异前头码, 这种方法构造出来的码一定是最优的。

霍夫曼编码中的几个问题:

(1) H uffm an 编码是最佳的, 但构造出来的码不是唯一的, 可是其平均码长却是相同的, 所以不影响编码效率和数据压缩性能。

(2) 由于H uffm , 因此, 存、。解决办法是设置一(, 如果出现误码, 可能, 1b 的误码可能把一大串码字全部破坏, 因此, 限制了H uffm an 码的使用。这是因为采用异前束码来分割码序列, 一旦在传送中出现误码, 某个码字的前置部分可能成为另一个码字, 因而错译为另一个符号, 而剩下的部分由于后面的码字

图2　编、解码器框图

在图2中, 运动图像编码有运动补偿部分, 即利用预测法消除帧间相关性。这里关键性的一步是提取帧间像素的运动位移量, 目前较实用的方法是块匹配

) 没有运动补偿部法。静止图像编码(即“帧内模式”

分, 只有DCT , 量化器和变长编码部分, 即对图像数

据进行(8×8) 像素块的DCT , 消除空间域的相关性; 然后对DCT 变换系数设置自适应量化器, 以充分利用人们的视觉特性; 再采用H uffm an 变长编码器实现熵编码, 最后采用输出缓冲存储器平化数据流, 以保证输出数据率为恒定值。这种方法集中了3大经典方法的优点, 具有简单、快速、高效、易于实现等特点。目前已有众多JPEG , M PEG 标准的硬件产品问世。多媒体计算机中图像编码亦采用这些标准。另外, 经典的图像编码还有方块截尾法(B TC ) 及二值图象的编码方法等。经典方法还应包括矢量量化法。一般量化的过程又分为标量量化和矢量量化。标量量化是单个样值的量化; 而矢量量化则是以K 个样值为一个矢量进行量化。从信息论可知, 矢量量化比标量量化具有的一部分译成某一符号。这样下去, 可能要经过一段信息被错译后, 才能再正确的分割码字。

(4) H uffm an 码对不同信源其编码效率也不尽相同。只有当信源概率分布很不均匀时, H uffm an 码才会收到显著的效果。

(5) H uffm an 编码应用时, 均需要与其它编码结合起来使用, 才能进一步提高数据压缩比。例如, 在JPEG 中, 先对图像像素进行DCT 变换、量化、Z 行扫描、游程编码后, 再进行霍夫曼编码。312　算术编码

在20世纪60年代, 由首先提出把这种依附Shannon 编码概念推广到对符号序列直接编码概念上, 推出了所谓算术编码概念。1979年, 由R issanen 和L angdon G G 一起将其系统化。1981年由他们将A C 推广应用到二值图像编码上, 大大提高了其压缩效率。

算术编码方法是将被编码的一则消息或符号串(序列) 表示成0或1之间的一个间隔, 即对一串符号直接编码成[0, 1]区间上的一个浮点小数。算术编码是从区序列出发, 采用递推形式的一种连续编码, 采

用信元序列之类概率的概念, 把该概率映射到[0, 1]区间上, 是每个序列对应该区间内一点, 也就是一个浮点小数; 这些点把[0, 1]区间分成许多小段, 每一段长度则等于某序列的概率。再在段内取一个浮点小数, 区长度可与该序列的概率匹配, 从而达到高效编码的目的。313　游程编码

游程编码是一种利用空间冗余度压缩图像的方法, 属于统计编码类。设图像中末一行或某一块象素经采样或经某种方法变换后的系数为(x 1, x 2, …, x M ) 。某一行或某一块内像素值x i 可分为k 段, 长度为l i 的连续串, 每个串(片) 具有相同的值, 那么, 该图像的某一行或某一块可由下面偶对(g i , l i ) i k 来表示:

(x 1, x 2, …, x M ) 　(g 1, l 1) (g 2, l 2) , …, (g k , l k )

量化表、码表等JPEG 提供了几种编码方法以供选用。

未加规定, 仅提供推荐表, 用户可自己定义量化表和

码表。JPEG 支持两种图像建立模式:顺序性和渐进性。JPEG 压缩算法分为2大类:无失真压缩和有失真压缩。一般说来, 压缩比越大, 视觉上的一致性越差, 综合这两点, JPEG 总共有4种工作模式:

(1) 顺序性编码工作模式　图像所有的8像素, 其图像子块从左到右、从上到下一次输入。

(2) 渐进性编码工作模式　所有8像素的图像子块仍然按照上述顺序编码, 但对图象需进行多趟扫描。

(3) 无失真编码工作模式　被编码的图像可以保证恢复到与原图像数据完全一致。

(4) 分层编码工作模式　一幅图像被编码成一些帧的序列。这些帧给出参考重建分量用作后继帧的预测。

JPEG 以应付各种应用场合, 这, 系统分成基本系统(如图基本系统由DCT 的顺序性工, 所有符合JPEG 标准的设备必须; 扩展系统提供不同的选项, 可提供如渐进式编码、算术编码、无失真编码(如图3所示) 、分层编码等等。

其中g i 为每个串(段) 内的代表值; l i 为串的长度, 即由字符或采样值或灰度值构成的数据流中各个字符等重复出现而形成的字符串的长度。如果给出了形成串的字符、串的长度及串的位置, 原来的数据流。4　JPEG 模式

JPEG

,

图3　JPEG 模式的扩展系统

5　结　语

当前多媒体技术已成为信息传递的主要手段。图像压缩编码作为制约多媒体技术发展的“瓶颈”, 成为人们研究的焦点。几十年来图像编码研究成果的结晶便是一系列国际图像编码标准, 它们为图像压缩编码进入实用阶段提供了可靠依据。目前这些标准还处于不断发展完善之中。由于计算机技术、大规模集成电路技术及相关技术的迅猛发展, 带动了信号处理领域的飞速发展。在理论上, 一些现代编码技术应运而生;

在实用上, 各种图像压缩软、硬件如雨后春笋般出现, 这一切为人们展现出图像编码诱人的前景。本文只粗略地概述了图像无损压缩编码的主要方法。另外由于篇幅所限, 运动图像压缩编码方法很少涉及。运动图像压缩与静止图像压缩不同之处, 在于运动图像压缩还要有帧间运动估值问题。这是运动图像压缩研究的主要问题。总之, 随着信息产业的不断发展, 图像压缩编码必将发挥越来越重要的作用。

(下转第11页) 　　

211　振铃接收与电平转换电路

器构成的单稳态电路, 555(1) 组成的电路起定时作用, 555(2) 组成的电路起脉冲展宽作用。213　驱动执行电路

驱动执行电路的作用是:由密码正确输出的正脉冲信号启动或关闭相联的用电设备。根据用电设备启动方式的不同需要采用不同的电路, 本电路可以直接启动计算机。驱动执行电路的工作原理:三极管3D K 4驱动继电器J , 控制相联的设备启动或关闭。3　结　语

振铃接收与电平转换电路的作用是:接收振铃信号并转换成T TL 电平的方波信号, 具体电路如图2所示。电路的工作原理如下:电话外线进来的25H z 振铃信号经隔直、整流、滤波、稳压, 变成幅度约25V , 频率015H z 的方波信号, 经降压后驱动光电耦合器

电路中稳压二极P 521, 转换成T TL 电平的方波信号。

管2C W 56具有降压抗干扰作用, 光电耦合器P 521起隔离作用, 防止串扰。212　密码识别电路

密码识别电路的作用是:判断外线传来的密码是否正确, 当密码正确时, 电路输出一宽度为1s 的正脉冲信号。密码的形式可以采用拨号密码, 需电信部门支持; 也可以用振铃的次数作密码。本电路是以振铃的次数作为密码, 其方式是在拨通开始的20s 内只能有5次振铃信号, 多或少均为错误, 以此作为密码。具体电路如图2中所示, 工作原理如下:经振铃信号转换来的方波信号的上升沿启动555(1) 组成的定时电路、74L S 90组成的计数电路, 数, 在定时20s 内恰好有5次振铃信号, 输出一宽度为1s 的正脉冲信号。号始终为低电平信号1, ) 555定时

本文设计的固定电话远程控制器经实际制作和用计算机做控制对象反复试验调整后, 达到了远程启动或关闭用电设备的目的, 并交给用户使用, 长期使用工作稳定可靠, 效果良好。

1第4版1北京:高等教

, 1北京:北京邮, 1998

3　王尔乾, 等译1T TL 集成电路设计和应用手册1

北京:北京半导体器件二厂, 1988

Abstract 　In troduces a -distance con tro ller based on telephone netw o rk fo r starting up o r tu rn ing off electric equ i pm en t , details the con tro ller w o rk ing p rinci p le , circu it design and realize 1T he con tro ller ′s functi on is starting up o r tu rn ing off electric e 2qu i pm en t , pass w o rd and pass w o rd differen tiati on .

Keywords 　telephone , con tro l , to dial a num ber , pass w o rd

(上接第9页)

参　考　文　献

1　黄贤武, 王加俊, 李家华1数字图像处理与压缩编码技术1成都:电子科技大学出版社, 2000

2　A iazzi B , A lp arone L , et a l 1A R educed L ap acian Pyram id fo r lo ssless and P rogressive I m age Comm un ica

ti on 1IEEE T ran on COM , 1996, 44(1) 3　Pevo re R A , et a l 1I m age Com p ressi on T h rough W avelet T ran sfo rm Coding 1IEEE T ran s 1I m fo r 1T heo ry ,

1992, 38

Abstract 　T he class m ethod of i m age coding and lo ssless comp ressing coding w ere summ erized , its basic ideas and functi on w ere analyzed , p rovided the in ternatu ral standard of comp ressing i m age condingand it is has a flou rish developm en t 1

Keywords 　lo ssless comp ressing coding , JPEG , standard mode , runn ing length coding