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图像压缩

去除多余数据以数学的观点来看,这一过程实际上就是将二维像素阵列变换为一个在统计上无关联的数据集合

图像压缩是指以较少的比特有损或无损地表示原来的像素矩阵的技术,也称图像编码

1.图像压缩的概念

减少表示数字图像时需要的数据量

2.图像压缩的基本原理

图像数据之所以能被压缩,就是因为数据中存在着冗余。图像数据的冗余主要表现为:图像中相邻像素间的相关性引起的空间冗余;图像序列中不同帧之间存在相关性引起的时间冗余;不同彩色平面或频谱带的相关性引起的频谱冗余。数据压缩的目的就是通过去除这些数据冗余来减少表示数据所需的比特数。由于图像数据量的庞大,在存储、传输、处理时非常困难,因此图像数据的压缩就显得非常重要。

信息时代带来了“信息爆炸”,使数据量大增,因此,无论传输或存储都需要对数据进行有效的压缩。在遥感技术中,各种航天探测器采用压缩编码技术,将获取的巨大信息送回地面。

图像压缩是数据压缩技术在数字图像上的应用,它的目的是减少图像数据中的冗余信息从而用更加高效的格式存储和传输数据。

3。图像压缩基本方法

图像压缩可以是有损数据压缩也可以是无损数据压缩。对于如绘制的技术图、图表或者漫画优先使用无损压缩,这是因为有损压缩方法,尤其是在低的位速条件下将会带来压缩失真。如医疗图像或者用于存档的扫描图像等这些有价值的内容的压缩也尽量选择无损压缩方法。有损方法非常适合于自然的图像,例如一些应用中图像的微小损失是可以接受的(有时是无法感知的),这样就可以大幅度地减小位速。

无损图像压缩方法有:

行程长度编码

熵编码法

如 LZW 这样的自适应字典算法

有损压缩方法有:

将色彩空间化减到图像中常用的颜色。所选择的颜色定义在压缩图像头的调色板中,图像中的每个像素都用调色板中颜色索引表示。这种方法可以与 抖动(en:dithering)一起使用以模糊颜色边界。

色度抽样,这利用了人眼对于亮度变化的敏感性远大于颜色变化,这样就可以将图像中的颜色信息减少一半甚至更多。

变换编码,这是最常用的方法。首先使用如离散余弦变换(DCT)或者小波变换这样的傅立叶相关变换,然后进行量化和用熵编码法压缩。

分形压缩(en:Fractal compression)。

4.图像压缩的主要目标就是在给定位速(bit-rate)或者压缩比下实现最好的图像质量。但是,还有一些其它的图像压缩机制的重要特性:

可扩展编码 (en:Scalability) 通常表示操作位流和文件产生的质量下降(没有解压缩和再压缩)。可扩展编码的其它一些叫法有 渐进编码(en:progressive coding)或者嵌入式位流(en:embedded bitstreams)。尽管具有不同的特性,在无损编码中也有可扩展编码,它通常是使用粗糙到精细像素扫描的格式。尤其是在下载时预览图像(如浏览器中)或者提供不同的图像质量访问时(如在数据库中)可扩展编码非常有用 有几种不同类型的可扩展性:

质量渐进(en:Quality progressive)或者层渐进(en:layer progressive):位流渐进更新重建的图像。

分辨率渐进(en:Resolution progressive):首先在低分辨率编码图像,然后编码与高分辨率之间的差别。

成分渐进(en:Component progressive):首先编码灰度数据,然后编码彩色数据。

感兴趣区域编码,图像某些部分的编码质量要高于其它部分,这种方法可以与可扩展编码组合在一起(首先编码这些部分,然后编码其它部分)。

元数据信息,压缩数据可以包含关于图像的信息用来分类、查询或者浏览图像。这些信息可以包括颜色、纹理统计信息、小预览图像以及作者和版权信息。

5.图像压缩目前的标准

经典的视频压缩算法已渐形成一系列的国际标准体系,如H.26x系列建议,H.320系列建议以及MPEG系列建议等。

6.图像压缩效果的评估

压缩方法的质量经常使用峰值信噪比来衡量,峰值信噪比用来表示图象有损压缩带来的噪声。但是,观察者的主观判断也认为是一个重要的、或许是最重要的衡量标准。

无损压缩的基本原理是相同的颜色信息只需保存一次。压缩图像的软件首先会确定图像中哪些区域是相同的,哪些是不同的。包括了重复数据的图像(如蓝天) 就可以被压缩,只有蓝天的起始点和终结点需要被记录下来。但是蓝色可能还会有不同的深浅,天空有时也可能被树木、山峰或其他的对象掩盖,这些就需要另外记录。从本质上看,无损压缩的方法可以删除一些重复数据,大大减少要在磁盘上保存的图像尺寸。但是,无损压缩的方法并不能减少图像的内存占用量,这是因为,当从磁盘上读取图像时,软件又会把丢失的像素用适当的颜色信息填充进来。如果要减少图像占用内存的容量,就必须使用有损压缩方法。

无损压缩方法的优点是能够比较好地保存图像的质量,但是相对来说这种方法的压缩率比较低。但是,如果需要把图像用高分辨率的打印机打印出来,最好还是使用无损压缩几乎所有的图像文件都采用各自简化的格式名作为文件扩展名。从扩展名就可知道这幅图像是按什么格式存储的,应该用什么样的软件去读/写等等。


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