或冗余,就可以实现图像数据的压缩编码。
我们每天接收的外部信息中,大部分内容是通过听觉和视觉系统接收的。据分析,在人类的感官所接收的外部信息中,通过耳朵接收的听觉信息约占总信息量的 20%左右,而通过人眼的视觉接收的信息则高达 60%以上。由于图像信息具有信息量大、直观性强的特点,而且特别适合人们在信息交流中所需要的直接、亲切等生理和心理的要求特点,图像信息在通信中的地位显得尤为重要。
简单地说,如果没有图像数据压缩编码技术,在720*576的分辨率下,一张C卜RMO光盘仅能存储三十多秒未经压缩的视频节目;如果没有图像数据压缩编码技术,从Internet上下载一部电影也许要花半年的时间。这样巨大的数据量,成为了存储、传输、通讯的瓶颈。因此,研究高效的图像数据压缩编码方法,即怎样处理、组织图像数据,在应用领域中的作用将是至关重要的。
总之,大数据量的图像信息会给存储器存储容量、通信干线信道宽带以及计算处理速度带来巨大的压力。单纯靠增加存储容量,和提高信道带宽以及计算机的处理速度等方法解决这个问题是不现实的。因此,在图像数据的传输和存储中,压缩编码势在必行。
1.2 图像压缩编码技术发展现状
自20世纪80年代以来,无论是从社会的需要还是从技术的发展来看,图像编码技术已经逐步进入了很大范围的应用阶段。但由于没有统一的压缩算法和码流格式,在进行图像信息的交流中遇到了很多困难。
压缩的理论基础是信息论。从信息论的角度来看,压缩就是去掉信息中的冗余,即保留不确定的信息,去掉确定的信息(可推知的),也就是用一种更接近信息本质的东西信息量来代替原有冗余的描述。
图像压缩技术经过几十年的发展,现在来说还是比较成熟的。图像数据文件的格式有很多,如GIF、TIFF、PCX、TGA、BMP、JPG等。其中BMP图像对于原始的图像数据不压缩或压缩比例很小。JPEG由于有较高的压缩比,被广泛地应用于多媒体和网络程序中,HTML语法中选用的图像格式之一就是JPEG(另一种是GIF), 目前网站上百分之八十的图像都是采用JPEG的压缩标准。美国国防部及情报部门亦采用此标准为各部门间交流图像资料的标准格式。JPEG全名为Joint Photographic Experts Group,它是一个在国际标准组织(ISO)下从事静态影像压缩标准制定的委员会,它和国际电信同盟(ITU)下属的国际电话与电报顾问委员会(CCITT)及国际电工委员会(IEC)合作,共同制定出了第一套国标静态影像压缩标准:ISO/IEC 10918-1,也被称作CCITT Rec.T.81,就是俗称的JPEG,它被公布于1992年9月份。
人类社会已经进入信息时代了,人们每天都可以通过各种手段(如PDA、网络、电视、广播等)获得大量的信息,而信息的本质,就要求交流和传播。在大量信息给人们生活增加了更多色彩的同时,随之而来的问题是如何利用有限的传输和储存资源来传输和保存更多的信息,而图像就是信息的一种,这就要用到图像压缩的方法。具体的说,图像压缩的意义有以下几个方面:首先是为了减少存储容量,以利图像的保存;其次是有利于图像传输;第三是便于特征提取,以利于计算机模式识别。
1.3 论文主要研究内容
本论文主要通过哈弗曼编码、香农-费诺编码和行程编码三种方法对同一幅图像进行压缩,对所得到的图像压缩比进行比较,最后得出每种压缩方法的优缺点。首先介绍了图像处理的概念、分类、特点、发展方向及应用等基础知识,介绍了开发工具VC++的特点,较详细的说明了对位图图像进行处理的基础知识,然后分别对三种编码方法的原理和算法进行了分析,最后通过整体程序的运行结果得出结论。
1.4 论文框架组织结构
本论文框架结构如下:
第一章:绪论
首先介绍了图像压缩编码技术的研究背景及意义,分析了进行图像压缩编码的必要性,其次介绍了图像压缩编码技术目前的研究趋势,最后列出了论文的主要研究内容及本论文的框架机构。
第二章:图像压缩编码技术基础及概念
对图像压缩编码技术的概念和数字图像的基本概念做了简要介绍,对最新的图像压缩算法进行了阐述,介绍了VC++软件平台的特性及结构。
第三章:图像压缩编码技术的算法研究
本章详细介绍了哈弗曼编码、香农-费诺编码和行程编码三种图像压缩编码技术的基本原理及具体算法步骤。
第四章:图像压缩编码技术的算法实现
通过哈弗曼编码、香农-费诺编码和行程编码三种方法对同一幅图像进行压缩实现,对所得到的图像压缩比进行比较,最后得出每种压缩方法的优缺点。
第五章:系统测试
介绍了本设计系统的测试方法、测试作用和测试环境,对部分功能接口进行详细测试。
最后,对全文进行了总结,并对指导教师表示感谢。
第2章 图像压缩编码技术基础及概念
2.1图像压缩和数据冗余
信息量和数据量是两个相互联系而又不相同的两个概念。一定的信息量可以用不同的数据量来表示。对于一定的信息,通过某些方法减少表示这些信息的数据量就称为数据压缩。图像数据压缩就是一种典型的数据压缩,其目标就是减少表示图像所需的数据量。
2.1.1 图像压缩的原理
对图像数据的压缩可通过对图像的编解码来实现。这个过程如图 2-1 所示,它实际上包含以下两个步骤:
(1)通过对原始图像的编码以达到减少数据量的目的(压缩过程),所获得的编码结果并不一定是图像形式,但可用于存储和传输。
(2)为了实际应用的需要对编码结果进行解码,得到解码图像(恢复了图像形式)以使用。
2.1.2 数据冗余的分类
由于图像数据本身的冗余性和相关性,使得将一个大的图像数据文件转换成较小的图像数据文件成为可能,图像数据压缩就是去掉信号数据的冗余性。一般来说,图像数据中存在以下几种冗余。
(1)空间冗余。这是静态图像存在的最主要的一种数据冗余。一幅图像记录了画面上可见物体的颜色,同一物体表面上各采样点的颜色之间常常存在着空间相关性,即各采样点的颜色像素值可以由相邻像素的值预测出来,从而产生了空间冗余。
(2)结构冗余。在某些场景或图像中,存在着很强的纹理结构或图像分布模式,称为结构冗余。
(3)视觉冗余。人类的视觉系统对于图像场的敏感性是非均匀和非线性的,即眼睛并不是对所有信息都有相同的敏感度。然而,在记录原始图像数据时,往往假定视觉系统是均匀的和线性的,对视觉敏感和不敏感的部分同等对待,从而产生了比理想压缩编码更多的数据,这就是视觉冗余。
(4)知识冗余。有许多图像的理解与某些知识有相当大的相关性。例如,人脸的图像有固定的结构。比如说嘴的上方有鼻子、鼻子的上方有眼睛,鼻子位于正脸图像的中线上,等等。
(5)时间冗余。是序列图像和语音数据中所经常包含的冗余。图像序列中的两幅相邻的图像,后一幅图像与前一幅图像之间有较大的相关性,这反映为时间冗余。同理,在语言中,由于人的说话时发音的音频是一连续的渐变过程,因而也存在时间冗余。
(6)信息熵冗余。若图像中平均每个像素所用的比特数大于该图像的信息熵,则该图像存在冗余,叫做信息熵冗余。信息熵冗余又叫编码冗余。
2.2 图像压缩编码技术主要方法
从不同的角度出发有不同的分类,比如从信息论角度出发,图像数据的压缩可以分为无损压缩(无失真压缩)和有损压缩(有失真压缩)。
无损压缩编码是建立在香农信息论基础之上的,以经典集合论为工具。用概率统计模型来描述信源,其压缩思想基于数据统计,因
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