第9章 圖象的壓縮編碼,jpeg壓縮編碼標準

1、第9章圖象的壓縮編碼，圖象的壓縮編碼，JPEG壓縮編碼標準壓縮編碼標準在介紹圖象的壓縮編碼之前，先考慮一個問題：為什么要壓縮？其實這個問題不用我回答，你也能想得到。因為圖象信息的數據量實在是太驚人了。舉一個例子就明白：一張A4(210mm297mm)幅面的照片，若用中等分辨率(300dpi)的掃描儀按真彩色掃描，其數據量為多少？讓我們來計算一下：共有(30021025.4)(30029725.4)個象素，每個象素占3個字節(jié)，其數據量為2

2、6M字節(jié)，其數據量之大可見一斑了。如今在Inter上，傳統(tǒng)基于字符界面的應用逐漸被能夠瀏覽圖象信息的WWW(WldWideWeb)方式所取代。WWW盡管漂亮，但是也帶來了一個問題：圖象信息的數據量太大了，本來就已經非常緊張的網絡帶寬變得更加不堪重負，使得WldWideWeb變成了WldWideWait?？傊?，大數據量的圖象信息會給存儲器的存儲容量，通信干線信道的帶寬，以及計算機的處理速度增加極大的壓力。單純靠增加存儲器容量，提高信道帶寬

3、以及計算機的處理速度等方法來解決這個問題是不現實的，這時就要考慮壓縮。壓縮的理論基礎是信息論。從信息論的角度來看，壓縮就是去掉信息中的冗余，即保留不確定的信息，去掉確定的信息(可推知的)，也就是用一種更接近信息本質的描述來代替原有冗余的描述。這個本質的東西就是信息量(即不確定因素)。壓縮可分為兩大類：第一類壓縮過程是可逆的，也就是說，從壓縮后的圖象能夠完全恢復出原來的圖象，信息沒有任何丟失，稱為無損壓縮；第二類壓縮過程是不可逆的，無法完

4、全恢復出原圖象，信息有一定的丟失，稱為有損壓縮。選擇哪一類壓縮，要折衷考慮，盡管我們希望能夠無損壓縮，但是通常有損壓縮的壓縮比(即原圖象占的字節(jié)數與壓縮后圖象占的字節(jié)數之比，壓縮比越大，說明壓縮效率越高)比無損壓縮的高。圖象壓縮一般通過改變圖象的表示方式來達到，因此壓縮和編碼是分不開的。圖象壓縮的主要應用是圖象信息的傳輸和存儲，可廣泛地應用于廣播電視、電視會議、計算機通訊、傳真、多媒體系統(tǒng)、醫(yī)學圖象、衛(wèi)星圖象等領域。壓縮編碼的方法有很多

5、，主要分成以下四大類：(1)象素編碼；(2)預測編碼；(3)變換編碼；(4)其它方法。所謂象素編碼是指，編碼時對每個象素單獨處理，不考慮象素之間的相關性。在象素編碼中常用的幾種方法有：(1)脈沖編碼調制(PulseCodeModulation，簡稱PCM)；(2)熵編碼(EntropyCoding)；(3)行程編碼(RunLengthCoding)；(4)位平面編碼(BitPlaneCoding)。其中我們要介紹的是熵編碼中的哈夫曼(H

6、uffman)編碼和行程編碼(以讀取.PCX文件為例)。所謂預測編碼是指，去除相鄰象素之間的相關性和冗余性，只對新的信息進行編碼。舉個簡單的例子，因為象素的灰度是連續(xù)的，所以在一片區(qū)域中，相鄰象素之間灰度值的差別可能很小。如果我們只記錄第一個象素的灰度，其它象素的灰度都用它與前一個象素灰度之差來表示，就能起到壓縮的目的。如248，2，1，0，1，3，實際上這6個象素的灰度是248，250，251，251，252，255。表示250需要8

7、個比特，而表示2只需要兩個比特，這樣就實現了壓縮。常用的預測編碼有Δ調制(DeltaModulation，簡稱DM)；微分預測編碼(DifferentialPulseCodeModulation，DPCM)，具體的細節(jié)在此就不詳述了。上面的例子用Huffman編碼的過程如圖9.1所示，其中圓圈中的數字是新節(jié)點產生的順序?？梢姡覀兩厦娼o出的編碼就是這么得到的。圖9.1Huffman編碼的示意圖編碼的示意圖產生Huffman編碼需要對原始

8、數據掃描兩遍。第一遍掃描要精確地統(tǒng)計出原始數據中，每個值出現的頻率，第二遍是建立Huffman樹并進行編碼。由于需要建立二叉樹并遍歷二叉樹生成編碼，因此數據壓縮和還原速度都較慢，但簡單有效，因而得到廣泛的應用。源程序就不給出了，有興趣的讀者可以自己實現。9.2行程編碼行程編碼行程編碼(RunLengthCoding)的原理也很簡單：將一行中顏色值相同的相鄰象素用一個計數值和該顏色值來代替。例如aaabccccccddeee可以表示為3a

9、1b6c2d3e。如果一幅圖象是由很多塊顏色相同的大面積區(qū)域組成，那么采用行程編碼的壓縮效率是驚人的。然而，該算法也導致了一個致命弱點，如果圖象中每兩個相鄰點的顏色都不同，用這種算法不但不能壓縮，反而數據量增加一倍。所以現在單純采用行程編碼的壓縮算法用得并不多，PCX文件算是其中的一種。PCX文件最早是PCPaintbrush軟件所采用的一種文件格式，由于壓縮比不高，現在用的并不是很多了。它也是由頭信息、調色板、實際的圖象數據三個部分組