1、靜止圖像壓縮編碼簡介

　　靜止的、不變的、稱為靜止圖像，一般從設(shè)備屏幕上看長時間保持不變。被攝事務(wù)一般是靜止或者某一特定時刻保持靜止的。按照應(yīng)用場景的不同，傳輸文件、模型、圖片等靜止圖像時常用靜止圖像傳輸；現(xiàn)場實(shí)時監(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，從而滿足人眼對觀察圖像細(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)，從而使觀看者不用等待太久時間，適應(yīng)窄帶傳輸?shù)膱鼍啊?/p>

　　③抗干擾：在較長傳輸過程中，編碼方法要有較強(qiáng)的抗干擾噪聲能力，防止圖像呈現(xiàn)在終端上時質(zhì)量低下。

　　以下為對靜態(tài)圖像編碼技術(shù)的介紹：

　　①預(yù)測編碼：由相鄰像素間相關(guān)性出發(fā)，通過前面像素值預(yù)測當(dāng)前像素值，并經(jīng)過實(shí)際數(shù)據(jù)的運(yùn)算得到預(yù)測誤差，而該誤差通常接近實(shí)際值。因此對預(yù)測誤差直接進(jìn)行單符號的熵編碼或?qū)︻A(yù)測誤差進(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稱為DPCM的差分脈沖編碼。

　　②變換編碼：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”的首字母簡寫，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無損系統(tǒng)：應(yīng)用于無失真場合。

　　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。

　　簡單歸納為：兩種工作方式（順序方式、漸進(jìn)方式）、三種級別（基本系統(tǒng)、擴(kuò)展系統(tǒng)、無失真系統(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所有的小塊進(jìn)行編碼運(yùn)算。并且解碼時也按編碼順序逐塊解碼。這兩個過程均一次完成。

　　漸進(jìn)方式：整個圖像需要經(jīng)過多次編碼運(yùn)算才能完成，初次編碼時質(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，最終得到滿足質(zhì)量要求。解碼過程可隨時終止。

　　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)壓縮時不失真。

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

　　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)展而來的。小波變換引入伸縮參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了時域－頻域局域化分析，從而可以對圖像的任何局部區(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，與人眼的視覺特性相吻合，人眼最重要的視覺特性是視覺掩蓋效應(yīng)，即不變和有的區(qū)域很容易被遺忘，而對突變和極不規(guī)則變化的區(qū)域感興趣。采用嵌入式零樹小波編碼及算法，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空間、提高感興趣區(qū)域的圖的。

　　2、視覺掩蓋效應(yīng)

　　在大多數(shù)應(yīng)用場合，最終的圖像總是由人眼來觀測的，但是人類的視覺系統(tǒng)并不完美。通過對人眼的觀察與研究發(fā)現(xiàn)，視覺掩蓋效應(yīng)可以用于改善圖像信息的處理。

　　視覺選擇性與客體的特性有關(guān)，人眼對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)則變化的場景很容易在人的意識中被遺忘，人類視覺通常只對突變和極不規(guī)則變化的區(qū)域感興趣。這種與生俱來的選擇性使視覺只限定在有限的目標(biāo)上。

　　2.1 靜態(tài)對比靈敏度

　　人眼主觀上可辨別的最小亮度差別所需要的最小光強(qiáng)差值稱為亮度的辨別閥值。也就是說，當(dāng)刺激光強(qiáng)I增大時，最初感覺不出，直到I變化到I+ΔI時人眼就感覺到亮度有變化了。人眼對亮度光強(qiáng)變化的響應(yīng)是非線性的，比值ΔI/I稱為對比靈敏度。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很低或很高時不是常數(shù)。如果有背景，則對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給出了有背景和無背景時人眼的靜態(tài)對比靈敏度曲線。

　　此外，人眼的對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Y-R和Y-B的對比靈敏度曲線。由圖1和圖2可得到以下結(jié)論：

　　（1）恢復(fù)圖像的誤差如果低于對比靈敏度，則不會被人眼覺察。

　?。?）高頻部分在相同的靈敏度閾值下，色差信號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)域的人眼視覺特性

　　人們在觀察和理解圖像時常常不自覺地對其中某些區(qū)域產(chǎn)生興趣，把這些區(qū)域稱為視覺感興趣區(qū)域。整幅圖像的主觀視覺質(zhì)量取決于感興趣區(qū)域的視覺質(zhì)量，而不感興趣區(qū)域的降質(zhì)常常不易被人覺察，對整幅圖像視覺質(zhì)量的影響較小。例如對一副人像照片，反映一個人主要特征的是面部信息，在進(jìn)行圖像壓縮時，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)域的視覺特性也是一種視覺掩蓋效應(yīng)。

　　3、 嵌入式零樹小波編碼及算法

　　3.1 EZW編碼

　　一幅圖像經(jīng)過三級小波分解后形成十個子帶，如圖3所示。小波系數(shù)的分布特點(diǎn)是越往低頻子帶，系數(shù)值越大，包含的圖像信息越多。如圖3中的LL3子帶，越是高頻子帶，系數(shù)值越小，包含的圖像信息越小。在系數(shù)數(shù)值相同時，低頻子帶反映圖像的低頻信息，對視覺比較重要；而高頻子帶反映圖像的高頻信息，對視覺不太重要。應(yīng)選擇先傳輸較低頻系數(shù)的重要比特，后傳輸較高頻系數(shù)的重要比特。正是由于小波系數(shù)具有的這些特點(diǎn)，它非常適合于嵌入式編碼算法。

　　嵌入式零樹小波編碼EZW（Embedded Zerotree Wavelet）方法是對整幅圖像進(jìn)行同一級別編碼的方法，圖像中的重要區(qū)域（感興趣區(qū)域）與背景區(qū)域（非感興趣區(qū)域）具有同樣的編碼級數(shù)。EZW編碼算是一個簡單而有效的圖像編碼算法，這種算法得到的比特流中的比特按其重要性排序。使用這種算法，編碼者能夠在任一點(diǎn)結(jié)束編碼，允許精確到任一個目標(biāo)比特率或目標(biāo)失真率。

　　3.2EZW算法

　　EZW算法利用小波系數(shù)的特點(diǎn)較好地實(shí)現(xiàn)了圖像編碼的嵌入功能，為了改善小波系數(shù)重要圖的壓縮，定義了一個零數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即一個小波系數(shù)χ。對于一個給定的門限T，如果|χ| 則稱小波系數(shù)|?是不重要的一個小波系數(shù)在一個粗尺度上，關(guān)于給定的門限是不重要的，且之后在較細(xì)的尺度上，對同樣空間位置中的所有小波系數(shù)關(guān)于給定的門限Ｔ也是不重要的，則稱小波系數(shù)形成了一個零數(shù)。這時，在粗尺度上的那個小波系母代小波系數(shù)，它是樹根，在較細(xì)尺度相應(yīng)位置上的小波系數(shù)稱為了代小波系數(shù)。如果一個小波系數(shù)不重要的，但它的子代小波系數(shù)中關(guān)于門限Ｔ是重要的系數(shù)，則稱這個小波系數(shù)是孤立零。因此，小波系情況：零數(shù)根（ＺＴＲ）、孤立零。因此，小波系數(shù)有三種情況：零數(shù)根（ＺＴＲ）、孤立零（ＩＺ）、重要系然，為了編碼的需要還可把重要系數(shù)分為正重要系數(shù)（ＰＯＳ）和負(fù)重要系（ＮＥＧ）。

　　對于一個圖像的數(shù)據(jù)流，圖４給出了一個系數(shù)編碼的流程圖。

　　4、具有感興趣區(qū)域的靜止圖像壓縮編碼算法研究

　　4.1 EZW_ROI編碼算法

　　為了提高感興趣區(qū)域的圖像質(zhì)量，在信道資源和存儲空間有限的條件下，提出感興趣區(qū)域的零樹編碼算法EZW_ROI（Embedded Zerotree Wavelet with Region of interests），它對感興趣區(qū)域圖像和背景圖像采用不同的壓縮步驟，使感興趣區(qū)域內(nèi)的圖像比背景圖像具有更好的圖像質(zhì)量。

　　對感興趣區(qū)域內(nèi)外的圖像采用不同的零數(shù)小波編碼。整個編碼算法分三步進(jìn)行：

　?。?）確定感興趣區(qū)域：人像照片可以把感興趣區(qū)域確定為面部區(qū)域。在視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，可以把監(jiān)視環(huán)境中的重要場景設(shè)為感興趣區(qū)域。

　　（2）對低頻子帶中感興趣區(qū)域內(nèi)的系數(shù)進(jìn)行編碼：即對感興趣區(qū)域內(nèi)的圖像進(jìn)行編碼，系數(shù)采用EZW算法的零樹結(jié)構(gòu)，按照EZW算法的思想進(jìn)行零樹掃描和編碼。

　　（3）對低頻子帶中不在感興趣區(qū)域內(nèi)的系數(shù)進(jìn)行編碼：即對背景區(qū)域的圖像進(jìn)行編碼，系數(shù)的編碼不用EZW算法的零樹結(jié)構(gòu)，只對背景區(qū)域的低頻信息進(jìn)行編碼。

　　4.2 EZW_ROI解碼算法

　　對編碼圖像進(jìn)行解碼時，與編碼過程相反，也分三步進(jìn)行：

　?。?）對低頻子帶中的感興趣區(qū)域內(nèi)圖像進(jìn)行與EZW算法同樣的零樹編碼。

　　（2）對低頻子帶中的感興趣區(qū)域外圖像進(jìn)行簡單的位解碼。

　?。?）消除邊緣效應(yīng)：在以上兩步的基礎(chǔ)上，對感興趣區(qū)域的四周做3%26;#215;3的均值濾波，以消除感興趣區(qū)域邊緣的影響，使得感興趣區(qū)域外的圖像在視覺上差別變?nèi)酢?/p>

　　5、應(yīng)用實(shí)例

　　在研究中采用了一幅標(biāo)準(zhǔn)的8bpp的灰度人像，首先，確定感興趣區(qū)域?yàn)槿讼竦拿娌?，對原始圖像進(jìn)行四級的小波分解，小波變換采用S+P變換；最后對圖像進(jìn)行32倍壓縮，即壓縮后的比特率為0.25bpp。用EZW算法和EZW_ROI算法恢復(fù)的圖像如圖7所示。在信道資源和存儲空間有限的條件下，為了提高感興趣區(qū)域的圖像質(zhì)量，采用具有感興趣區(qū)域的圖像壓縮方式，對感興趣區(qū)域背景圖像采用不同的壓縮步驟，使圖像中的重要信息盡可能少損失。試驗(yàn)證明，在高壓縮比的情況下，EZW_ROI算法的重建圖像比EZW算法的重建圖像具有更好的視覺效果。