【圖像處理】圖像&視頻壓縮編碼技術綜述

將調研到的圖像與視頻編解碼處理的發展歷程與國際研究現狀整理如下

        作爲通信、介質存貯、數據發行、多媒體計算機等技術的關鍵環節,圖像壓縮編碼算法的研究是信息技術中最活躍的研究領域之一。尤其是進入21世紀以後,電子技術和通信技術的發展使可視電話、會議電視、數字電視、高清晰度電視、多媒體計算機、信息高速公路等的生產和建立成爲可能。在這一背景下,探索高效圖像壓縮編碼算法無疑將成爲主要任務之一,對其研究也將成爲國際公認的熱點之一。

        圖像壓縮一般分爲靜態壓縮和動態壓縮。根據其不同的用途,又可以細分爲三類。第一類爲無失真無誤差壓縮, 或叫做信息保持型圖像壓縮, 它要求在圖像壓縮的過程中不丟失任何信息, 在需要時可以精確地重建原始圖像,代表性的算法有Lempd Zew、Huffman編碼、行程編碼和算數編碼。第二類爲有失真壓縮, 它只要求重建圖像達到一定的保真度,代表性的算法有JPEG、MPEG、P*64。第三類爲特徵抽提, 多用於計算機模式識別, 這種特徵抽提一般是不可逆的, 即無法由它重建原始圖像。

        JPEG 是第一個靜態圖像壓縮的國際標準, JPEG(Joint Photographic Experts Group, 聯合圖像專家小組)包含兩種基本壓縮方法:有損壓縮和無損壓縮。有損壓縮是以自適應離散餘弦變換DCT 爲基礎的壓縮方法,壓縮後圖像的某些信息會丟失。無損壓縮的壓縮比有一定的極限,是一種以差分脈衝編碼調製DPCM 爲基礎的壓縮方法。此外,基於分形的方法是近幾年來引起關注和爭議的一種圖像壓縮方法。對圖像壓縮而言, 分形主要是利用自相似的特點, 通過迭代函數系統ZFS來實現壓縮。Barnsle和Sloan共同提出了分形圖像編碼壓縮方案,利用圖像中固有的自相似性來構造一個緊縮變換,具有思路新穎、壓縮潛力大、解碼分辨率無關性等特點。A.Jaequin隨後發表分塊迭代函數系統(PZFS)方法, 使得分形壓縮成爲可行的方法,與JPEG方法相比壓縮比在40:1 以上。然而分形壓縮方法計算量比較大, 時間開銷長, 因此加快分形壓縮方法的速度是當前研究的熱點之一。Mallat首次巧妙地將計算機視覺領域內的多尺度分析思想引入到小波變換 (Wavelet Transform ,WT), 該算法在頻率精度方面稍差一些, 但在時間的分析能力上更好一些, 而且可以對時間和頻率同時進行分解, 這是傅立葉變換所做不到的。小波變換已經開始應用到圖像數據壓縮等領域, 主要是採用離散小波變換。在某些情況下, 小波變換更優於DCT 等其他正交變換。近些年來,新提出的EZW編碼算法、SPIHT編碼算法被認爲是目前世界上比較先進的圖像壓縮編碼算法,這兩種算法均具有結構簡單、無需任何訓練、支持多碼率、圖像復原質量較理想等優點。隨着人工智能領域的興起,利用人工神經網絡(Artificial Neural Network, ANN)進行圖像壓縮是這個領域近幾年的又一研究熱點, 並且取得了積極的進展。這是一種與視覺系統知識緊密相關的壓縮方法。ANN 並行分佈的聯結機制與人的視覺系統有某些相似之處, 利用此原理及其改進的方法進行圖像壓縮可獲得較好的效果。

        MPEG( Moving Pictures Expert Group,運動圖像專家小組)是ISO和IEC兩個國際組織的聯合技術委員會領導下的運動圖像專家組的英文縮寫。MPEG標準是動態圖像壓縮算法的里程碑,它主要包括MPEG系統(System)、MPEG視頻(Video)和MPEG音頻(Audio)三個部分。由於運動圖像可以看作是靜止圖像的一個序列, 但運動圖像按靜止圖像序列處理有其不利之處, 就是沒有考慮到幀與幀之間的冗餘性。因此也可以認爲MPEG是JPEG工作的進一步延續。MPEG的優點在於它具有很好的兼容性和壓縮比, 壓縮比最高可達200 :1 ,數據損失較少。針對不同的應用目的MPEG專家組制定了MPEG系列標準。主要包括MPEG-1,MPEG-2,MPEG-3,MPEG-4。MPEG-1採用了幀間壓縮技術, 通過採用丟失方法和僅對連續圖像幀間變化部分的數據進行存儲的方法, 可使壓縮率達到50:1。VCD 作爲MPEG-1算法的典型應用,得到了廣泛的應用和普及。MPEG -2制定通用的活動圖像及其伴音的編碼標準, 以適應各種應用如存儲載體、分配傳輸和通信等。它的目的在於保持現有MPEG 標準的前提下提高數據流量, 從而達到娛樂界可以接受的要求, 即利用網絡所能提供的更高的帶寬來支持具有更高分辨率圖像的壓縮和更高的圖像質量, 由此而發展了MPEG-2 Video 國際標準。MPEG -2 Video 是活動圖像壓縮技術的一個里程碑。MPEG-4 支持數字音頻 視頻數據的通信、存取和管理的新途徑, 提供了一個靈活的框架和一個開放的工具集, 以支持各種各樣新穎的和成功的功能,廣泛應用於不同領域。

 

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