时间：2022-11-24 12:30:01 | 来源：信息时代
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图像编码 : 建立图像数据库和实现图像数字处理的重要技术,或称图像压缩(image compression)。在图像数据库与图像处理中,我们将图像编码与图像压缩视为相同的概念。通常,一幅数字图像包含了大量的信息,如果要在数据库或网络上的数据库之间存储、处理和传输众多的图像信息,不仅对计算机的处理速度、存储容量提出了很高的要求,而且将加重系统的负荷。而图像的编码与压缩主要是为图像数据的表示、存储、传输提供一种转换机制,目的是减少存储图像数据所需的空间和传输图像时所耗费的时间。一般而言,图像数据也有其固定的冗余性和相关性,如果能对图像数据按一定的规则将其由一个大的数据文件转换为较小的同质文件而进行变换或组合,以达到用尽可能少的代码(符号)来表示尽可能多的信息,这种表示方法就称为图像编码。
1. 图像数据压缩方法
数据能被压缩是因为数据中存在冗余。常见的图像数据冗余有空间冗余、结构冗余、知识冗余、视觉冗余、纹理的统计冗余等。图像的编码和压缩就是要应用某种编码方法来提取和减少这些冗余,以较少的比特数来表示数据。图像压缩的程度可以用位减缩因子(bit reduction factor)m来衡量,m=原图像的编码位数/编码变换后的图像编码位数。
图像压缩还涉及图像的彩色编码问题。彩色图像一般用红、绿、蓝三基色来编码。在编码过程中,改变色调时,会引起亮度变化。为此,对彩色图像进行编码和压缩要通过调节图像的特征参数来解决图像色彩转换问题。
目前,图像的编码和压缩方法种类繁多,根据解压重建后冗余的图像与原始图像之间是否有误差,可以将图像的编码和压缩方法分为无损(无误差、无失真、信息保持)压缩和有损(有误差、有失真)压缩两大类。无损压缩方法基于统计模型实现,要求减少或完全去除图像数据中的冗余信息。典型的无损压缩方法有Huffman编码、Shannon编码、算术编码等。有损压缩方法允许重构数据与原始数据间存在一定的误差,亦即以牺牲部分信息量为代价换取图像编码的表示,但在视觉上应能被接受。典型的有损压缩方法有预测编码、子带编码、变换域编码等。按编码作用域的划分,图像编码还可按空间域和变换域来分类。
2. 图像编码(压缩)标准
近年来,随着通信、网络、视频和图像数据库技术的进步及应用领域的拓宽,各种新型的图像编码与压缩方法应运而生,并提出多种国际压缩标准,以满足图像、视频等应用不断增长的需求。常见的图像编码(压缩)标准有:JPEG、MPEG、JBIG、H.263等。这些图像编码(压缩)标准都是在国际标准化组织ISO和国际电信联盟ITU组织下制定的,这些标准有静止灰度(彩色)图像压缩标准、二值图像压缩标准和运动图像压缩标准等。
JPEG(joint photographic expert group)是国际电报电话咨询委员会CCITT和国际标准化组织ISO联合组成的一个图像编码专家小组,该小组提出的标准涉及连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压缩需求,其适用范围较广,JPEG采用了小波变换、分形、区域划分等算法,适于静止图像和电视图像序列的帧内图像的压缩编码。基于小波变换的JPEG压缩编码的成熟,于2000年公布了第2代静止图像压缩标准,这就是JPEG2000。
在图像数据库及图像处理中,除上述各种静态图像压缩标准外,还在电视、运动图像、动画等各种动态图像处理中采用H.263建议(基于DCT的灰度图像压缩)、MPEG(运动及视频图像的压缩)等标准。有关这些图像压缩标准的详情,请参见本篇4.16多媒体数据库。
3. 图像文件的存储格式
除了压缩方式外,图像编码还与图像文件的存储格式有关,因为后者影响图像的存储效率。为此,图像编码还有按图像文件的存储格式(简称图像文件格式)来分类,除了前述的JPEG、H.263和MPEG分类外,常用的图像文件格式有BMP、TIFF、PCX和GIF等。通常,这些图像文件格式是根据记录图像信息的方式(位图或矢量图形)的不同,来进行划分的。
(1)位图文件(bitmap file)格式: 即BMP格式,是Windows上采用的图像文件格式,在Windows上运行的所有图像处理软件都支持这种文件格式。Windows3.0以前的BMP格式与图像显示设备有关,称为与设备有关的位图文件(DDB)格式。Windows3.0以后的BMP格式与显示设备无关,称为与设备无关的位图文件(DIB)格式。因此,在任何图像设备上,均可采用BMP图像文件格式。一般,一个BMP位图文件由位图文件头、位图信息头、彩色表和位图数据阵列四部分组成。BMP格式表示图像清晰度高、灵活性好,但所占存储空间较大。
(2)TIFF(tag image file format):标记图像文件存储格式,是最完备、最复杂的一种图像文件格式,它在文件头、参数指针和参数块中提供了存储各种信息的完备手段,是目前较流行的图像文件交换标准。缺点是使用复杂,需要许多代码来控制、文件读写速度慢。
(3)PCX: Zsoft公司提出的图像文件存储格式,扫描仪得到的图像都是这种格式。PCX支持256种颜色,其结构简单、存取速度快、压缩比适中,但功能不如TIFF强。
(4)GIF(graphics interchange format): 图形交换格式,以数据块(block)为单位来存储图像中的相关信息。常用于网上Web及联机图像文件传输,但图像最大不超过64MB,颜色最多为256种。GIF主要是为数据流(data stream)而设计的一种文件格式,采用LZW压缩算法来压缩图像数据,其存储效率高、支持多幅图像传输,可像幻灯片和动画片一样连续显示,其缺点是传输中图像的颜色信息易丢失。
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