1、靜止圖像壓縮編碼簡(jiǎn)介

　　靜止的、不變的、稱(chēng)為靜止圖像，一般從設(shè)備屏幕上看長(zhǎng)時(shí)間保持不變。被攝事務(wù)一般是靜止或者某一特定時(shí)刻保持靜止的。按照應(yīng)用場(chǎng)景的不同，傳輸文件、模型、圖片等靜止圖像時(shí)常用靜止圖像傳輸；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控則常用凝固圖像傳輸。

　　要求如下：

　?、偾逦龋簣D像清晰度更高，從而滿(mǎn)足人眼對(duì)觀(guān)察圖像細(xì)節(jié)的要求，而不是利用通常電影的原理。

　?、陲@示方式：逐漸浮現(xiàn)。即先傳模糊的整體圖像，再逐漸傳輸顯示細(xì)節(jié)，從而使觀(guān)看者不用等待太久時(shí)間，適應(yīng)窄帶傳輸?shù)膱?chǎng)景。

　?、劭垢蓴_：在較長(zhǎng)傳輸過(guò)程中，編碼方法要有較強(qiáng)的抗干擾噪聲能力，防止圖像呈現(xiàn)在終端上時(shí)質(zhì)量低下。

　　以下為對(duì)靜態(tài)圖像編碼技術(shù)的介紹：

　?、兕A(yù)測(cè)編碼：由相鄰像素間相關(guān)性出發(fā)，通過(guò)前面像素值預(yù)測(cè)當(dāng)前像素值，并經(jīng)過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)的運(yùn)算得到預(yù)測(cè)誤差，而該誤差通常接近實(shí)際值。因此對(duì)預(yù)測(cè)誤差直接進(jìn)行單符號(hào)的熵編碼或?qū)︻A(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化再進(jìn)行熵編碼是更高效率的計(jì)算方法，最主要的算法則是簡(jiǎn)稱(chēng)為DPCM的差分脈沖編碼。

　?、谧儞Q編碼：是目前幾乎所有的圖像、視頻和視頻等的壓縮標(biāo)準(zhǔn)的核心編碼算法。而新近發(fā)展的更多圖像壓縮技術(shù)中，該編碼也是核心的基礎(chǔ)算法，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。

　　JPEG是“Join Photographic Expert Group”的首字母簡(jiǎn)寫(xiě)，可將每24比特的單彩色像素圖像壓縮至2比特，而保持較高的圖像質(zhì)量。其定義的編碼系統(tǒng)主要有以下三種：a DCT有損編碼基本系統(tǒng)，大部分壓縮應(yīng)用場(chǎng)景下均采用該系統(tǒng)。b可擴(kuò)展編碼系統(tǒng)：用于高壓縮、高精度、漸進(jìn)重建應(yīng)用。c無(wú)損系統(tǒng)：應(yīng)用于無(wú)失真場(chǎng)合。

　　JPEG標(biāo)準(zhǔn)一般用于自然景象、連續(xù)色調(diào)數(shù)字圖像編、解碼。

　　簡(jiǎn)單歸納為：兩種工作方式（順序方式、漸進(jìn)方式）、三種級(jí)別（基本系統(tǒng)、擴(kuò)展系統(tǒng)、無(wú)失真系統(tǒng)）。

　　順序方式：將圖像的行和列分割成四方小塊，從左到右、由上而下逐行逐列對(duì)所有的小塊進(jìn)行編碼運(yùn)算。并且解碼時(shí)也按編碼順序逐塊解碼。這兩個(gè)過(guò)程均一次完成。

　　漸進(jìn)方式：整個(gè)圖像需要經(jīng)過(guò)多次編碼運(yùn)算才能完成，初次編碼時(shí)質(zhì)量低于最終要求的質(zhì)量。逐次編碼，質(zhì)量逐次提升。解碼時(shí)首先解碼出較低質(zhì)量全幅圖像，增加附加信息后再次解碼，重復(fù)若干次，最終得到滿(mǎn)足質(zhì)量要求。解碼過(guò)程可隨時(shí)終止。

　　基本系統(tǒng)：以離散余弦變換為核心，以順序工作為方式，用于一般精度。按照要求，每個(gè)壓縮編碼器均實(shí)現(xiàn)了基本算法功能。

　　擴(kuò)展系統(tǒng)：在若干方面增強(qiáng)并減少一些限制條件后就成為“擴(kuò)展系統(tǒng)”。

　　無(wú)失真系統(tǒng)：以DPCM技術(shù)為基礎(chǔ)，壓縮比較低，但是能實(shí)現(xiàn)壓縮時(shí)不失真。

　　JPEG標(biāo)準(zhǔn)是多年來(lái)圖像壓縮編碼的研究成果。雖然DCT是它的核心，但它同時(shí)也采用了DPCM、自適應(yīng)量化、游程編碼、可變長(zhǎng)熵編碼等多種技術(shù)，所以應(yīng)該說(shuō)是一種混合算法。

　　被譽(yù)為數(shù)學(xué)顯微鏡的小波變換是從傅里葉變換和加窗傅里葉變換發(fā)展而來(lái)的。小波變換引入伸縮參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)域－頻域局域化分析，從而可以對(duì)圖像的任何局部區(qū)域進(jìn)行多分辨率分析。由于小波變換有高頻的方向選擇性，與人眼的視覺(jué)特性相吻合，人眼最重要的視覺(jué)特性是視覺(jué)掩蓋效應(yīng)，即不變和有的區(qū)域很容易被遺忘，而對(duì)突變和極不規(guī)則變化的區(qū)域感興趣。采用嵌入式零樹(shù)小波編碼及算法，通的區(qū)域和不感興趣區(qū)域分別進(jìn)行編碼，可以達(dá)到充分利用信道資源和存儲(chǔ)空間、提高感興趣區(qū)域的圖的。

　　2、視覺(jué)掩蓋效應(yīng)

　　在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，最終的圖像總是由人眼來(lái)觀(guān)測(cè)的，但是人類(lèi)的視覺(jué)系統(tǒng)并不完美。通過(guò)對(duì)人眼的觀(guān)察與研究發(fā)現(xiàn)，視覺(jué)掩蓋效應(yīng)可以用于改善圖像信息的處理。

　　視覺(jué)選擇性與客體的特性有關(guān)，人眼對(duì)空間頻率接近于零的平滑區(qū)域和空間頻率相似紋理區(qū)域有很大的鈍性，所以不變與規(guī)則變化的場(chǎng)景很容易在人的意識(shí)中被遺忘，人類(lèi)視覺(jué)通常只對(duì)突變和極不規(guī)則變化的區(qū)域感興趣。這種與生俱來(lái)的選擇性使視覺(jué)只限定在有限的目標(biāo)上。

　　2.1 靜態(tài)對(duì)比靈敏度

　　人眼主觀(guān)上可辨別的最小亮度差別所需要的最小光強(qiáng)差值稱(chēng)為亮度的辨別閥值。也就是說(shuō)，當(dāng)刺激光強(qiáng)I增大時(shí)，最初感覺(jué)不出，直到I變化到I+ΔI時(shí)人眼就感覺(jué)到亮度有變化了。人眼對(duì)亮度光強(qiáng)變化的響應(yīng)是非線(xiàn)性的，比值ΔI/I稱(chēng)為對(duì)比靈敏度。在相當(dāng)寬的光強(qiáng)范圍內(nèi)，ΔI/I保持常數(shù)為0.02，但在I很低或很高時(shí)不是常數(shù)。如果有背景，則對(duì)比靈敏度不僅與目標(biāo)物的光強(qiáng)度I有關(guān)，而且與背景亮度I。有關(guān)。圖1給出了有背景和無(wú)背景時(shí)人眼的靜態(tài)對(duì)比靈敏度曲線(xiàn)。

　　此外，人眼的對(duì)比靈敏度還與刺激的空間變化周期（空間變化周期是指刺激的明暗不變，只改變明暗的空間間隔）有關(guān)。如果亮度固定在一定水平下，則對(duì)比靈敏度與光刺激的空間變化周期之間的關(guān)系如圖2所示。這一關(guān)系通常被稱(chēng)為人眼的調(diào)制傳遞函數(shù)。圖2中還給出了等亮度的色差信號(hào)Y-R和Y-B的對(duì)比靈敏度曲線(xiàn)。由圖1和圖2可得到以下結(jié)論：

　?。?）恢復(fù)圖像的誤差如果低于對(duì)比靈敏度，則不會(huì)被人眼覺(jué)察。

　?。?）高頻部分在相同的靈敏度閾值下，色差信號(hào)Y-R的空間頻率只有亮度Y的一半，Y-B則為Y的1/4，通常表示色差信號(hào)所需的像素比亮度要少得多。

　?。?）在相同的靈敏度閾值下，斜向柵格的空間頻率只有正常柵格的0.7，因此按斜向柵格對(duì)圖像數(shù)據(jù)采樣所需的頻率較低。

　?。?）高頻端的靈敏度要小于低頻端，因此對(duì)這些部分的量化誤差可大一些。

　　2.2 具有感興趣區(qū)域的人眼視覺(jué)特性

　　人們?cè)谟^(guān)察和理解圖像時(shí)常常不自覺(jué)地對(duì)其中某些區(qū)域產(chǎn)生興趣，把這些區(qū)域稱(chēng)為視覺(jué)感興趣區(qū)域。整幅圖像的主觀(guān)視覺(jué)質(zhì)量取決于感興趣區(qū)域的視覺(jué)質(zhì)量，而不感興趣區(qū)域的降質(zhì)常常不易被人覺(jué)察，對(duì)整幅圖像視覺(jué)質(zhì)量的影響較小。例如對(duì)一副人像照片，反映一個(gè)人主要特征的是面部信息，在進(jìn)行圖像壓縮時(shí)，人的面部信息與其它不重要的信息不必采用相同的壓縮比。顯然，感興趣區(qū)域的視覺(jué)特性也是一種視覺(jué)掩蓋效應(yīng)。

　　3、 嵌入式零樹(shù)小波編碼及算法