数字图像压缩技术的研究及发展分析.docx

手机通信编程课程论文 题 目 数字图像压缩技术的研究及发展分析 学生姓名 王李超 学 号 20102334038 院 系 滨江学院 电子工程 专 业 通信工程 2012年06 月数字图像压缩技术的研究及发展分析学号：20102334038 姓名 王李超 专业 通信工程摘要:数字图像压缩技术对于数字图像信息在网络上实现快速传输和实时处理具有重要的意义。本文介绍了当前几种最为重要的图像压缩算法:JPEG、JPEG2000、分形图像压缩和小波变换图像压缩,总结了它们的优缺点及发展前景。然后简介了任意形状可视对象编码算法的研究现状,并指出此算法是一种产生高压缩比的图像压缩算法。关键词:数字图像;图像压缩;压缩技术;任意形状可视对象编码1.数字图像压缩1.1.1、JPEG压缩负责开发静止图像压缩标准的“联合图片专家组”(Joint Photographic Expert Group,简称JPEG),于1989年1月形成了基于自适应DCT的JPEG技术规范的第一个草案,其后多次修改,至1991年形成ISO10918国际标准草案,并在一年后成为国际标准,简称JPEG标准。1.1.JPEG压缩原理及特点JPEG算法中首先对图像进行分块处理,一般分成互不重叠的 大小的块,再对每一块进行二维离散余弦变换(DCT)。变换后的系数基本不相关,且系数矩阵的能量集中在低频区,根据量化表进行量化,量化的结果保留了低频部分的系数,去掉了高频部分的系数。量化后的系数按zigzag扫描重新组织,然后进行哈夫曼编码。JPEG的特点如下:优点:(1)形成了国际标准;(2)具有中端和高端比特率上的良好图像质量。缺点:(1)由于对图像进行分块,在高压缩比时产生严重的方块效应;(2)系数进行量化,是有损压缩;(3)压缩比不高,小于50。 JPEG压缩图像出现方块效应的原因是:一般情况下图像信号是高度非平稳的,很难用Gauss过程来刻画,并且图像中的一些突变结构例如边缘信息远比图像平稳性重要,用余弦基作图像信号的非线性逼近其结果不是最优的。 1.1.2、JEPG2000压缩JPEG2000是由ISO/IEC JTCISC29标准化小组负责制定的全新静止图像压缩标准。一个最大改进是它采用小波变换代替了余弦变换。2000年3月的东京会议,确定了彩色静态图像的新一代编码方式JPEG2000图像压缩标准的编码算法。1.JPEG2000压缩原理及特点编码过程主要分为以下几个过程:预处理、核心处理和位流组织。预处理部分包括对图像分片、直流电平(DC)位移和分量变换。核心处理部分由离散小波变换、量化和熵编码组成。位流组织部分则包括区域划分、码块、层和包的组织。JPEG2000格式的图像压缩比,可在现在的JPEG基础上再提高10%30%,而且压缩后的图像显得更加细腻平滑。对于目前的JPEG标准,在同一个压缩码流中不能同时提供有损和无损压缩,而在JPEG2000系统中,通过选择参数,能够对图像进行有损和无损压缩。现在网络上的JPEG图像下载时是按“块”传输的,而JPEG2000格式的图像支持渐进传输,这使用户不必接收整个图像的压缩码流。由于JPEG2000采用小波技术,可随机获取某些感兴趣的图像区域(ROI)的压缩码流,对压缩的图像数据进行传输、滤波等操作。 图1 JPEG2000压缩编码与解压缩的总体流程2.JPEG2000压缩的前景JPEG2000标准适用于各种图像的压缩编码。其应用领域将包括Internet、传真、打印、遥感、移动通信、医疗、数字图书馆和电子商务等。JPEG2000图像压缩标准将成为21世纪的主流静态图像压缩标准。1.3.1.小波变换图像压缩原理小波变换用于图像编码的基本思想就是把图像根据Mallat塔式快速小波变换算法进行多分辨率分解。其具体过程为:首先对图像进行多级小波分解,然后对每层的小波系数进行量化,再对量化后的系数进行编码。小波图像压缩是当前图像压缩的热点之一,已经形成了基于小波变换的国际压缩标准,如MPEG-4标准,及如上所述的JPEG2000标准 。 目前3个最高等级的小波图像编码分别是嵌入式小波零树图像编码(EZW),分层树中分配样本图像编码(SPIHT)和可扩展图像压缩编码(EBCOT)。(1)EZW编码器1993年,Shapiro引入了小波“零树”的概念,通过定义POS、NEG、IZ和ZTR四种符号进行空间小波树递归编码,有效地剔除了对高频系数的编码,极大地提高了小波系数的编码效率。此算法采用渐进式量化和嵌入式编码模式,算法复杂度低。EZW算法打破了信息处理领域长期笃信的准则:高效的压缩编码器必须通过高复杂度的算法才能获得,因此EZW编码器在数据压缩史上具有里程碑意义。(2)EBCOT编码器 优化截断点的嵌入块编码方法(EBCOT)首先将小波分解的每个子带分成一个个相对独立的码块,然后使用优化的分层截断算法对这些码块进行编码,产生压缩码流,结果图像的压缩码流不仅具有SNR可扩展而且具有分辨率可扩展,还可以支持图像的随机存储。比较而言,EBCOT算法的复杂度较EZW和SPIHT有所提高,其压缩性能比SPIHT略有提高。小波图像压缩被认为是当前最有发展前途的图像压缩算法之一。小波图像压缩的研究集中在对小波系数的编码问题上。在以后的工作中,应充分考虑人眼视觉特性,进一步提高压缩比,改善图像质量。并且考虑将小波变换与其他压缩方法相结合。例如与分形图像压缩相结合是当前的一个研究热点。(3)SPIHT编码器 由Said和Pearlman提出的分层小波树集合分割算法(SPIHT)则利用空间树分层分割方法,有效地减小了比特面上编码符号集的规模。同EZW相比,SPIHT算法构造了两种不同类型的空间零树,更好地利用了小波系数的幅值衰减规律。同EZW编码器一样,SPIHT编码器的算法复杂度低,产生的也是嵌入式比特流,但编码器的性能较EZW有很大的提高。1.4、分形图像压缩1988年,Barnsley通过实验证明分形图像压缩可以得到比经典图像编码技术高几个数量级的压缩比。1990年,Barnsley的学生A.E.Jacquin提出局部迭代函数系统理论后,使分形用于图像压缩在计算机上自动实现成为可能。1.4.1. 分形图像压缩的原理分形压缩主要利用自相似的特点,通过迭代函数系统(Iterated Function System, IFS)实现。其理论基础是迭代函数系统定理和拼贴定理。分形图像压缩把原始图像分割成若干个子图像,然后每一个子图像对应一个迭代函数,子图像以迭代函数存储,迭代函数越简单,压缩比也就越大。同样解码时只要调出每一个子图像对应的迭代函数反复迭代,就可以恢复出原来的子图像,从而得到原始图像。1.4.2.几种主要分形图像编码技术 随着分形图像压缩技术的发展,越来越多的算法被提出,基于分形的不同特征,可以分成以下几种主要的分形图像编码方法。(1)尺码编码方法尺码编码方法是基于分形几何中利用小尺度度量不规则曲线长度的方法,类似于传统的亚取样和内插方法,其主要不同之处在于尺度编码方法中引入了分形的思想,尺度 随着图像各个组成部分复杂性的不同而改变。(2)迭代函数系统方法迭代函数系统方法是目前研究最多、应用最广泛的一种分形压缩技术,它是一种人机交互的拼贴技术,它基于自然界图像中普遍存在的整体和局部自相关的特点,寻找这种自相关映射关系的表达式,即仿射变换,并通过存储比原图像数据量小的仿射系数,来达到压缩的目的。如果寻得的仿射变换简单而有效,那么迭代函数系统就可以达到极高的压缩比。(3)A-E-Jacquin的分形方案A-E-Jacquin的分形方案是一种全自动的基于块的分形图像压缩方案,它也是一个寻找映射关系的过程,但寻找的对象域是将图像分割成块之后的局部与局部的关系。在此方案中还有一部分冗余度可以去除,而且其解码图像中存在着明显的方块效应。1.5、其它压缩算法除了以上几种常用的图像压缩方法以外,还有:NNT(数论变换)压缩、基于神经网络的压缩方法、Hibert扫描图像压缩方法、自适应多相子带压缩方法等,在此不作赘述。下面简单介绍近年来任意形状纹理编码的几种算法10 13。(1)形状自适应DCT(SA-DCT)算法SA-DCT把一个任意形状可视对象分成 的图像块,对每块进行DCT变换,它实现了一个类似于形状自适应Gilge DCT1011变换的有效变换,但它比Gilge DCT变换的复杂度要低。可是,SA-DCT也有缺点,它把像素推到与矩形边框的一个侧边相平齐,因此一些空域相关性可能丢失,这样再进行列DCT变换,就有较大的失真了111415。(2)形状自适应离散小波变换(SA-DWT)Li等人提出了一种新颖的任意形状对象编码,SA-DWT编码1822。这项技术包括SA-DWT和零树熵编码的扩展(ZTE),以及嵌入式小波编码(EZW)。SA-DWT的特点是:经过SA-DWT之后的系数个数,同原任意形状可视对象的像素个数相同;小波变换的空域相关性、区域属性以及子带之间的自相似性,在SA-DWT中都能很好表现出来;对于矩形区域,SA-DWT与传统的小波变换一样。SA-DWT编码技术的实现已经被新的多媒体编码标准MPEG-4的对于任意形状静态纹理的编码所采用。在今后的工作中,可以充分地利用人类视觉系统对图像边缘部分较敏感的特性,尝试将图像中感兴趣的对象分割出来,对其边缘部分、内部纹理部分和对象之外的背景部分按不同的压缩比进行压缩,这样可以使压缩图像达到更大的压缩比,更加便于传输。(3)Egger方法Egger等人1617提出了一个应用于任意形状对象的小波变换方案。在此方案中,首先将可视对象的行像素推到与边界框的右边界相平齐的位置,然后对每行的有用像素进行小波变换,接下来再进行另一方向的小波变换。此方案,充分利用了小波变换的局域特性。然而这一方案也有它的问题,例如可能引起重要的高频部分同边界部分合并,不能保证分布系数彼此之间有正确的相同相位,以及可能引起第二个方向小波分解的不连续等。2数字图像压缩技术的应用数字图像处理技术所涉及的知识面十分广阔，具体方法种类繁多，应用也极为普遍，人们对监控图像质量的要求越来越高，提升监控图像的实用价值已经成为社会向整个监控行业提出的新要求，在这样的形式下，数字图像处理技术在监控行业有哪些具体运用？影响监控图像处理技术的两大因素是什么？现在的主流视频图像处理技术又是什么？ 2.1.1、将（运动）目标从视频图像中分离出来。运动目标检测是数字图像处理技术的一个重要组成部分，它是计算机视觉、模式识别、目标识别与跟踪、运动图像编码、安全监控等研究领域的重点与难点，在军事、国防和工业等领域有着广泛的应用前景。传统的视频（运动）探测其实是亮度探测，并没有发挥视频监控图像处理技术的特点。确定图像中是否有探测目标（人、物等），并将目标从背景图像中分离出来是图像内容分析的首要任务，进而对目标分类、统计、关联。判断图像中有无目标、目标的复合或离散等也是图像过滤的基础。 2.2.2、对目标进行行为分析，判定其运动的方向、方式，并能发现和告警异常的行为；产生目标的运动轨迹，并能进行目标的自动跟踪。实现运动目标的跟踪是很难的事，它要求系统能分析、预测目标的运动轨迹，并能实时地作出修正。同时，由于运动过程与伺服机构间传递函数的非线性，伺服系统也是很复杂的。 2.2.3、实现视频语义的解析，图像处理分析的最高层次。通过对一个图像序列作出分析，得出其包含的真实信息，可以与话音的语义解析（已有了初步的成果）结合起来，逐步实现视频语义的解析，如通过对大量的、多渠道的图像资料的分析，得出社会对某一事件的反映程度；分析和统计某类事件发生，发展的规律（概率及时间、地域分布等）。能够进行这样分析，表明机器具有了与人一样的理解图像的能力，但具有人所不能达到的效率。比如现在的博物馆利用智能分析处理技术为商情决策提供依据。3.其他应用引例Internet防火墙技术内容摘要：1.防火墙技术防火墙技术是建立在现代通信网络技术和信息安全技术基础上的应用性安全技术，越来越多地应用于专用网络与公用网络的互连环境之中，尤以Internet网络为最甚。Internet的迅猛发展，使得防火墙产品在短短的几年内异军突起，很快形成了一个产业：1995年，刚刚面市的防火墙技术产品市场量还不到1万套；到1996年底，就猛增到10万套；据国际权威商业调查机构的预测，防火墙市场将以173%的复合增长率增长，今年底将达到150万套，市场营业额将从1995年的1.6亿美元上升到今年的9.8亿美元。为了更加全面地了解Internet防火墙及其发展过程，特别是第四代防火墙的技术特色，我们非常有必要从产品和技术角度计算机审计在国内发展以及运用内容摘要：一、发展计算机审计的必要性1、拓宽审计范围，全面开展审计监督一方面，审计人员借助于审计软件，利用计算机提供的程序输入必要的条件进行样本抽取，对异常项目进行调查测试，以确定审计重点，并可以在一定范围内逐笔审计，使得审计内容更加广泛，审计人员可以不再由于时间和工作量的原因而缩小审计范围。另一方面，在计算机审计条件下可以利用计算机快速、准确的特点，积极开展事前审计、事中审计和效益审计，扩大审计范围、提高审计工作质量、减少审计风险，使全面审计成为可能。2、科学统计与抽样，提高审计工作效率会计电算化提供的电子账是肉眼不可见的，对不懂计算机的审计人员来说是风险，但对可以用计算机查账的审计人员来说是有利条件。审计人员利用计算机多媒体科技在革新能力培育中运用内容摘要：跨入21世纪，知识经济已成为主