数字通信文献综述

数字图像压缩编码方法的研究文献综述通信1203纪旻雁201203010306一、研究背景及动态随着现代通信技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术和网络技术的不断发展，目前通信业务已从电话、传真数据转变到能够提供视觉信息的会议电视、可视电话和以数字视频为主要内容的各种类型的多媒体通信。基于以上发展的需要，必须大量的对各种静止图像和活动图像进行存储、记录和传输。因此，为了提高信道利用率和在有限的信道容量下传输更多的图像信息，必须对数字图像的数据进行有效的压缩。因而数字图像的数据压缩在数字图像传输中发挥着关键性的作用。1.1数字图像通信及图像压缩编码的进展自从脉冲编码调制(PCM)原理提出以来,图像通信和图像编码开始其数字制式的发展历史。图像编码在50和60年代进行的研究限于帧内编码:预测法、亚抽样/内擂复原、图像的统计特性和视觉特性等。从60年代末起,变换法(Fourier,余弦,Walsh一Hadamard,Haar等)和其他方法陆续提出,并对帧间编码做了初步探讨。进人80年代后,研究重点转向活动图像的帧间编码,发展了很多新方法(如位移估值技术)。1969年举行首届“图像编码会议”(pictureCodingsymposium,简写PCS)表明图像编码作为一个独立学科出现于通信界。1988年召开的“64千比特/秒活动图像编码工作会议”和“高清晰度电视工作会议”标志着图像编码及数字图像通信开始进人“成年期”。过去四十年(特别是近十年)万的研究成果,已成熟到足以解决各类图像的数字通信向题。这当然,一些新的图像编码方法正方兴未艾,如子带编码、塔形编码、小波编码,还有模型法编码,分型编码以及应用神经网络等等。1.2图像信息压缩技术的标准化动向从20世纪40年代末开始,图像编码技术已经走过了半个多世纪的发展历程。采用高效编码来减少其信息量是图像数字化时代的必然趋势。这几年来,图像编码的国际标准化步伐很快,今后,不但要制定各单独媒体的标准,而且要解决不同媒体间的相互联接问题[5]。标准化是图像编码普及的必经之路,最低限度的标准化应该具有可以相互交换信息的机制。1.静止图像编码标准1986年,CCITT设立了一个专门研讨静止图像编码方式的NIC(NewImageCommunication,新型图像通信)小组,与ISO共同成立了联合专家组JPEG(JointPhotographicExpertsGroup),进行静止图像编码方式标准化的研讨。他们定义了连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压缩编码方法,即JPEG算法。JPEG算法被确定为JPEG国际标准,他是国际上彩色、灰度、静止图像的第一个国际标准。。2.运动图像编码标准MPEG是动态图像专家组(MovingPicturesExpertsGroup)的英文缩写,负责数字视频、音频和其他媒体的压缩、解压缩,处理和表示等国际技术标准的制定工作,成立于1988年。现今所泛指的MPEG-X版本,是指一组由国际电信联盟(ITU)和国际标准化组织(ISO)制定并发布的音、视频数据的压缩标准。3.其他相关技术的标准化问题为了能使会议电视和可视电话作为系统来相互连接,语音编码就必须标准化。关于语音编码标准化问题,宽带语音的48/56/64kb/s编码标准已完成,16kb/s编码标准尚在研讨之中;为了实现语音、图像、数据、系统控制等信号的复用,其复用帧的结构就必须标准化;为了能使各种各样的终端设备能相互识别对方所具有的功能,以便按最大的共同功能来通信,通信步骤就必须标准化。此外,会议电视和可视电话的终端机器也要标准化等。二、数字图像压缩编码方法目前常用的数字图像压缩编码方法可分为两大类：一是冗余压缩法，也称无损压缩法；另一类是熵压缩法，也称有损压缩法，如图1所示。无损压缩的算法删除的仅仅是冗余的信息，因此可以在解压缩的时精确的恢复原图像。有损压缩的算法把不相干的信息也删除了，解压缩时只能对图像进行近似的重构，而不能精确的复原，所以有损压缩的算法可以达到更高的压缩比。压缩比随编码方法的不同差别较大。2.1预测编码在图像中，相邻像素通常在灰度上存在较大的相关性，因此，图像中某一像素的灰度可以用邻近的若干个像素的灰度来估计。只对实际值和预测值的差进行编码和传输。因为预测编码是根据信号的一些已知情况，预测信号可能发生的情况，所以预测时有误差，如果预测比较准确，误差就较小，预测编码就能达到压缩数据的目的。预测编码技术在图像信号统计学和人类观察压缩的图像数据方面都有优点。典型预测编码的压缩算法有：DPM（差分脉冲调制）和ADPCM（自适应差分脉冲调制）。2.2变换编码变换编码的主要思想是解相关图像像素,即把统计相关图像元素变为独立的系数,把图像的能量集中在几个系数上。因此,能够去掉图像的冗余度。在变换编码中,通常将原图像分成几个方块或子图。然后对每个子图进行一元变换,把这些子图从空域变为频域。这样做的结果使大多数能量集中到低频区中相当少的几个抽样点上。只对有效能级的抽样进行编码,然后进行发送和存储,能节约相当大的带宽和存储单元。有多种可用的一元变换,在进行实际变换编码系统中,首先是选择变换形式。最好的变换是能兼顾解相关和集中能量并且容易实现。在多数情况下离散余弦变换(DCT:iDscert。oCisenTarnsform)兼顾得最好,有快速算法和高效率,因此,在图像编码中应用最广。2.3混合编码混合编码对信源数据同时使用两种或两种以上的编码方法，能大大提高数据压缩的效率。静态图像压缩标准JPEG就是一种典型的混合编码的压缩标准。JPEG是联合图形专家组(JointPhotograpicExpertsGroup)的缩写名称。JPEG致力于研制彩色的和单色的、多灰度连续色调的静态图像的数字图像压缩的通用国际标准。JPEG利用了人眼的心理和生理特征及其局限性，因而它非常适合不太复杂以及一般来自于真实景象的图像。JPEG的性能依赖于图像的复杂性。对于一般图像的压缩比为20:1到25:1，如果要做到无损压缩，压缩比将在2:1。对于非真实图像，例如线条或卡通图像，JPEG压缩效果并不理想。2.4.数据压缩新技术传统的图像编码方法主要采用的是基于块的离散余弦变换消除图像的空间冗余,通过块运动估计/补偿技术消除时间冗余,缺点是时频局域性差,恢复的图像出现明显的方块效应和飞蚊噪声等,严重影响了图像质量。近20年来,图像压缩编码的理论、方法和技术又取得了较大的进展,其中以小波变换理论最具代表性。借助于小波变换,可以把图像信号分解成许多具有不同空间分辨率、频率特性和方向特性的子带信号,实现低频长时特征和高频短时特征的同时处理,使得图像信号的分解更适合于人的视觉特性和数据压缩的要求。利用小波变换可以将图像分层次按小波基展开,所以可以根据图像信号的性质以及事先给定的图像处理要求确定到底要展开到哪一级为止,从而实现累进传输编码。小波变换具有放大、缩小和平移的数学显微镜的功能,可以方便地产生各种分辨率的图像,从而适应于不同分辨率的图像I/O设备和不同传输速率的通信系统。基于小波变换的这些特性,因而在图像压缩编码技术中受到广泛的重视,出现了各种基于小波变换的图像压缩方案,其中SPIHT多级树集合分裂算法(SPIHT:SetPartitioningInHier-archicalTrees)和EZW嵌入式零树小波(EmbeddedZerotreeWavelets)可以认为代表了当前零树小波编码的最高水平。三、结语对于未来理想图像编码,多媒体融合编码或将成为有利发展方向。将来,图像、语音、文件媒体都不单独存在,而是成为相互关联的多媒体。那时,最理想的办法就是图像、语音、文字及文件等信息全都按照概念和含义的级别变换成统一代码来传输,从而使多媒体各接收者分别通过把统一代码变换成最适于自己需要的信息达媒体(图像、声音、语音等)来按需要接收必要信息。这时,既可把统一代码变换成与原发送信号相同的媒体形式,也可根据需要变换成别的媒体形式。例如,通过语音给盲人提供听觉信息,用图像给聋哑人提供视觉信息,便有可能使二者相互自由通信。图像编码研究的发展与他不断吸取其他领域研究成果密不可分,特别是信息论方面的研究成果。数字信息技术和通信技术的发展非常显著,在此背景下,图像信息压缩技术取得了飞跃性的进步,相关国际标准化工作的进展也很快,而图像的高效编码,仍将是最尖端的技术。参考文献：[1]李琳蒋华伟刘啸岭，基于小波变换的数字图像压缩编码方法研究．河南工业大学;复旦大学，2007．[2]韩玉坤，数字图像压缩编码技术综述，潍坊学院，山东潍坊261061[3]孙学岩，叶海建，韩玉坤．数字图像压缩原理及常用压缩编码方法[J]．农机化研究，2005，3（5）：130-132．[4]孙建红,徐定杰,文富忠.MPEG的发展动态及其未来预测[J].电子技术应用,2002,28(9):68.[5]BoonlockYeo.OnFastMicroscopicBrowsingofMPEGCompressedVideo[J].MultimediaSystems,1999,7(4):269281.[6]徐孟侠，数字图像通信及图像压缩编码的进展，北京大学,北京100871[7]马光星，字图像压缩编码，《现代电信科技》1995年第3期[8]Sethuraman(Panch)Panchanathan.ArchitecturalApproachesforMultimediaProcessing[J].ComputerScience,1999,1557:196.[9]丁贵广,计文平,郭宝龙.VisualC++6.数字图像编码[M].北京:机械工业出版社,2004.[10]雷国平,周琨,吉吟东.MPEG标准发展和研究综述[J].计算机工程,2003,29(12):12.