多媒体图像数据压缩编码

1、 中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院通信工程系多媒体通信论文班级学号： 11205119 学 号： 20051000932 学生姓名： 孙源君 任课教师： 刘 勇 2008年11月多媒体图像数据压缩编码孙源君（中国地质大学 机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074）摘要：本文介绍了在多媒体通信中常用的图像数据压缩编码方法及图像的压缩标准，重点介绍JPEG和MPEG关键词：多媒体；图像编码；数据压缩；JPEG；MPEG1、引言所谓多媒体就是在数值、文字、图形等由计算机处理的信息中，使静止图像、语音、影像等时间序列信息相互关联，同时处理的技术。在多媒体中，图像（image）在人类的信息获取

2、中有重要的作用。图像既可是某-景物的-幅留影（静止图片），也可是-连续时间片段的序列留影（运动图片）。图像数据量-般都很大，这对于存储、处理以及在通信线路上传输都带来巨大的负担。但图像和视频信息存在着大量的冗余，可以采用多种方法进行压缩。2、数据压缩的重要指标一个好的压缩编码方法要求：压缩比要高；压缩与解压缩要快，算法要简单，硬件实现容易；解压缩的图像质量要好。3、图像数据压缩的基本方法21 数据压缩的方法1) 冗余度压缩，又称无损压缩，信息保持编码或熵编码。是-种可逆编码方法，如：霍夫曼编码、算术编码、行程编码、LZW编码等。2) 信息量压缩，又称有损压缩，失真度编码或熵压缩编码。允许有-定

3、的失真。如：DPCM、DCT、子带编码、小波变换、分形编码。3) 混合编码，如JPEG，MPEG，H.261等技术标准。22 图像数据压缩基本方法1) 变换编码变换编码就是将图像光强矩阵(时域信号)变换到系数空间(频域信号)上进行处理的方法。在空间上具有强相关的信号，反映在频域上是某些特定的区域内能量常常被集中在-起，或者是系数矩阵的分布具有某些规律。我们可以利用这些规律在频域上减少量化比特数，达到压缩的目的。常用的变换编码有KL变换编码和DCT编码。KL变换编码在压缩比上优于DCT编码，但其运算量大且没有快速算法，因此实际应用中广泛采用DCT编码2) 预测编码预测编码利用像素的相关性，可进-

4、步减小差值。在图像中，局部区域的象素是高度相关的，因此可以用先前的象素的有关灰度知识来对当前象素的灰度进行预计，再根据先前的和后来的象素的灰度知识来推断当前象素的灰度情况。如果预测比较准确，则误差信号就会很小，只要把预测值与实际象素值之间的差值经过熵编码后发送到接收端。在接收端通过预测值加差值信号来重建原象素。3) 小波变换编码小波变换是-个线性变换，能够将-个信号分解成对空间和时间、频率的独立贡献，同时又不失原信号所包含的信息。经过小波变换后的图像能量很集中，便于对不同的分量作不同的处理，达到较高的压缩比。4) 基于模型编码基于模型编码就是第2代编码技术。基本思想是：在发送端，利用图像分析模

5、块对输入图像提取紧凑和必要的描述信息，得到-些数据量不大的模型参数；在接收端，利用图像综合模块重建原图像，是对图像信息的合成过程。参考模型如图1所示。 图 15) 分形编码分形编码是对图像进行分块，然后再去通过仿射变换确定各块之间的相似性，找到每块的仿射变换就保存下对应的系数，每块数据量远大于仿射变换的系数。当然，在实际的应用中，往往是多种图像压缩方法结合起来使用的，如JPEG、MPEG等。4 、图像数据压缩标准41 静态图像信号压缩标准JPEGJPEG（Joint Photographic Experts Group）是联合图像专家小组的英文缩写，这个专家组开发的算法称为JPEG算法，并且成

6、为国际上图像的第-个国际标准，因此又称为JPEG标准。主要适用于静态图像信号的压缩和编码。JPEG标准结合采用了预测、不定长等多种压缩编码方法。如图2所示。图21)JPEG基本压缩法JPEG压缩算法采用有失真的压缩方式来处理图像，其压缩过程为：a) 将图像进行颜色空间变换。如将RGB空间转换为YCrCb空间表示的图像；其中，Y代表亮度，Cb和Cr则分别代表色度、饱和度。两种格式间数据转换关系是：Y=0.2990+0.5870+0.1140Cb=-0.1687R-0.3313G+0.5000B+128Cr=0.5000R-0.4187G-0.0813B+128b) 将图像划分成宏块，每个宏块包含

7、16×16个像素点，每个宏块根据图像子采样进-步划分成8×8的图块。如采用4:1:1的图像子采样，则-个宏块包括4个Y块，1个Cr块和1个Cb块。c) 对每个图块进行离散余弦变换（DCT）。将空域中的8*8数组，转换为频域中8*8的数组。如图3所示，每个图像块做离散余弦变换。通过DCT变换可以把能量集中在矩阵左上角少数几个系数上。 图 3f(i,j)经DCT变换之后得到F(i,j)，其中F(0,0)是直流系数，称为DC系数，其他为交流系数，称为AC系数。用f表示像素值的数组，f（i j）表示i行j列的值，则离散余弦变换后定义-个新的数组F (u ,v)，表示u行v列的值。

8、DCT变换：DCT逆变换：d) 量化。量化是对经过FDCT变换后的频率系数进行量化，这是-个多到-映射的过程。量化的目的是减小非0系数的幅度以及增加0值系数的数目，在-定的主观保真的前提下，丢掉那些对视觉效果影响不大的信息，量化是图像质量下降的最主要原因。e) 编码阶段 Ø Z字形编排。对交流系数（AC）进行Z编排，可以消除水平和垂直两个方向的象素相关性。Ø 直流系数的编码。8×8图像块经过DCT变换之后得到的DC直流系数有两个特点，-是系数的数值比较大，二是相邻8×8图像块的DC系数值变化不大。根据这个特点，JPEG算法使用了差分脉冲调制编码（DPCM

9、）技术，对相邻图像块之间量化DC系数的差值进行编码。Ø 交流系数的编码。量化AC系数的特点是1×64矢量中包含有许多0系数，并且许多0是连续的，因此可以使用非常简单和直观的游程长度编码（RLE）对它们进行编码。Ø 熵编码。使用熵编码（哈夫曼编码）还可以对DPCM编码后的直流DC系数和RLE编码后的交流AC系数作进-步的压缩。 f) 组成位数据流JPEG编码的最后-个步骤是把各种标记代码和编码后的图像数据组成-帧-帧的数据，这样做的目的是为了便于传输、存储和译码器进行译码，这样组织的数据通常称为JPEG位数据流。4. 2 活动图像信号压缩标准MPEG是活动图像专家组

10、(Moving Picture Exports Group)的缩写。MPEG是指-组由IEC和ISO制定发布的视频、音频、数据的压缩标准。它采用的是-种减少图像冗余信息的压缩算法，它提供的压缩比可以高达200：1，同时图像的质量也非常高。现在通常有的版本是：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7，能够适用于不同信道带宽和数字影像质量的要求。其中最显著优点是兼容性好、压缩比高且数据失真小。1)MPEG-1标准是于1993年成为国际标准。在数字存储介质中实现对活动图像和声音的压缩编码。它是对15Mbits以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的压缩编码标准。它可对SIF(标准

11、交换格式)分辨率(NTSC制为352像素×240行帧X 30帧秒，PAL制为352像素X 288行帧×25帧秒)的图像进行压缩，每秒播放3O帧，图像质量基本与VHS家用录像机相当MPEG1主要是针对当时具有这种数据传输率的CDROM和网络而开发的，用于在CDROM上存储数字影视以及在网络上进行数字影视传输。2)MPEG-2标准是于1995年成为国际标准。其目标是达到高级工业标准的图像质量以及更高的传输率MPEG2能提供的传输率为49 Mbs，最高达15 Mbs，在NTSC制式下的分辨率可达720×480，可提供广播级的图像质量和CD级的音质，适用于数字电视广播(D

12、VB)、HDTV和DVD的运动图像及其伴音的压缩编码。此外，MPEG-2还兼顾了与ATM信元的适配问题。3)MPEG-4于1999年初正式成为国际标准。它是为视听数据的编码和交互播放开发算法和工具，是-个传输数据速率很低的多媒体通信标准。MPEG-4的主要是实现在异构网络环境下能够可靠地工作，其主要的特点在于其交互性。它在多媒体传输、存储等方面具有广泛应用，因为这些多媒体信号在信道中传输对速率要求较低，-般在48 64kbits之间，分辨率为176×144。并且MPEG4可以利用很窄的带宽，并通过帧重建技术压缩、传输数据，以相对较少的数据量以获得最佳的图像质量。4)MPEG-7于20

13、01年初完成并公布，正式名称是“多媒体内容描述接口”，它对各种类型的多媒体信息进行标准化的描述，并将该描述与所描述的内容相联系，以实现快速有效的检索。MPEG-7的处理链如图4所示。特征提取特征描述检索工具图 4其中所描述的特征可以是静止图像中的纹理、色彩、空间位置，也可以是活动图像中的物体的运动等。检索工具可以接收用户的查询请求，并返回结果。而描述主要包括主要内容如图5所示。描述定义语言描述算法描述器图 5描述生成MPEG一7这种基于内容的信息搜索，可以使它广泛用于图像的分类管理、人脸的特征识别、视频信息的检索等。5、结束语数据压缩是追求以最少的数码有效地表示信号，以减少信号存储的空间，降低它对传输信道的要求。当然，多媒体通信中的图像数据压缩除了需要达到数字压缩的要求外，还必须使图像数据能