第9章 圖象的壓縮編碼,jpeg壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)

1、第9章圖象的壓縮編碼，圖象的壓縮編碼，JPEG壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)在介紹圖象的壓縮編碼之前，先考慮一個(gè)問(wèn)題：為什么要壓縮？其實(shí)這個(gè)問(wèn)題不用我回答，你也能想得到。因?yàn)閳D象信息的數(shù)據(jù)量實(shí)在是太驚人了。舉一個(gè)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(shù)據(jù)量為多少？讓我們來(lái)計(jì)算一下：共有(30021025.4)(30029725.4)個(gè)象素，每個(gè)象素占3個(gè)字節(jié)，其數(shù)據(jù)量為2

2、6M字節(jié)，其數(shù)據(jù)量之大可見(jiàn)一斑了。如今在Inter上，傳統(tǒng)基于字符界面的應(yīng)用逐漸被能夠?yàn)g覽圖象信息的WWW(WldWideWeb)方式所取代。WWW盡管漂亮，但是也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題：圖象信息的數(shù)據(jù)量太大了，本來(lái)就已經(jīng)非常緊張的網(wǎng)絡(luò)帶寬變得更加不堪重負(fù)，使得WldWideWeb變成了WldWideWait?？傊髷?shù)據(jù)量的圖象信息會(huì)給存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，通信干線信道的帶寬，以及計(jì)算機(jī)的處理速度增加極大的壓力。單純靠增加存儲(chǔ)器容量，提高信道帶寬

3、以及計(jì)算機(jī)的處理速度等方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的，這時(shí)就要考慮壓縮。壓縮的理論基礎(chǔ)是信息論。從信息論的角度來(lái)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(zhì)的描述來(lái)代替原有冗余的描述。這個(gè)本質(zhì)的東西就是信息量(即不確定因素)。壓縮可分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)壓縮過(guò)程是可逆的，也就是說(shuō)，從壓縮后的圖象能夠完全恢復(fù)出原來(lái)的圖象，信息沒(méi)有任何丟失，稱(chēng)為無(wú)損壓縮；第二類(lèi)壓縮過(guò)程是不可逆的，無(wú)法完

4、全恢復(fù)出原圖象，信息有一定的丟失，稱(chēng)為有損壓縮。選擇哪一類(lèi)壓縮，要折衷考慮，盡管我們希望能夠無(wú)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(shù)與壓縮后圖象占的字節(jié)數(shù)之比，壓縮比越大，說(shuō)明壓縮效率越高)比無(wú)損壓縮的高。圖象壓縮一般通過(guò)改變圖象的表示方式來(lái)達(dá)到，因此壓縮和編碼是分不開(kāi)的。圖象壓縮的主要應(yīng)用是圖象信息的傳輸和存儲(chǔ)，可廣泛地應(yīng)用于廣播電視、電視會(huì)議、計(jì)算機(jī)通訊、傳真、多媒體系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)圖象、衛(wèi)星圖象等領(lǐng)域。壓縮編碼的方法有很多

5、，主要分成以下四大類(lèi)：(1)象素編碼；(2)預(yù)測(cè)編碼；(3)變換編碼；(4)其它方法。所謂象素編碼是指，編碼時(shí)對(duì)每個(gè)象素單獨(dú)處理，不考慮象素之間的相關(guān)性。在象素編碼中常用的幾種方法有：(1)脈沖編碼調(diào)制(PulseCodeModulation，簡(jiǎn)稱(chēng)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(yù)測(cè)編碼是指，去除相鄰象素之間的相關(guān)性和冗余性，只對(duì)新的信息進(jìn)行編碼。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，因?yàn)橄笏氐幕叶仁沁B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(gè)象素的灰度，其它象素的灰度都用它與前一個(gè)象素灰度之差來(lái)表示，就能起到壓縮的目的。如248，2，1，0，1，3，實(shí)際上這6個(gè)象素的灰度是248，250，251，251，252，255。表示250需要8

7、個(gè)比特，而表示2只需要兩個(gè)比特，這樣就實(shí)現(xiàn)了壓縮。常用的預(yù)測(cè)編碼有Δ調(diào)制(DeltaModulation，簡(jiǎn)稱(chēng)DM)；微分預(yù)測(cè)編碼(DifferentialPulseCodeModulation，DPCM)，具體的細(xì)節(jié)在此就不詳述了。上面的例子用Huffman編碼的過(guò)程如圖9.1所示，其中圓圈中的數(shù)字是新節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的順序?？梢?jiàn)，我們上面給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(chǎn)生Huffman編碼需要對(duì)原始

8、數(shù)據(jù)掃描兩遍。第一遍掃描要精確地統(tǒng)計(jì)出原始數(shù)據(jù)中，每個(gè)值出現(xiàn)的頻率，第二遍是建立Huffman樹(shù)并進(jìn)行編碼。由于需要建立二叉樹(shù)并遍歷二叉樹(shù)生成編碼，因此數(shù)據(jù)壓縮和還原速度都較慢，但簡(jiǎn)單有效，因而得到廣泛的應(yīng)用。源程序就不給出了，有興趣的讀者可以自己實(shí)現(xiàn)。9.2行程編碼行程編碼行程編碼(RunLengthCoding)的原理也很簡(jiǎn)單：將一行中顏色值相同的相鄰象素用一個(gè)計(jì)數(shù)值和該顏色值來(lái)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(dǎo)致了一個(gè)致命弱點(diǎn)，如果圖象中每?jī)蓚€(gè)相鄰點(diǎn)的顏色都不同，用這種算法不但不能壓縮，反而數(shù)據(jù)量增加一倍。所以現(xiàn)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(xiàn)在用的并不是很多了。它也是由頭信息、調(diào)色板、實(shí)際的圖象數(shù)據(jù)三個(gè)部分組