圖像編碼(數(shù)據(jù)庫(kù))

時(shí)間：2022-11-24 12:30:01 | 來(lái)源：信息時(shí)代

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    圖像編碼 : 建立圖像數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)字處理的重要技術(shù),或稱圖像壓縮(image compression)。在圖像數(shù)據(jù)庫(kù)與圖像處理中,我們將圖像編碼與圖像壓縮視為相同的概念。通常,一幅數(shù)字圖像包含了大量的信息,如果要在數(shù)據(jù)庫(kù)或網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)庫(kù)之間存儲(chǔ)、處理和傳輸眾多的圖像信息,不僅對(duì)計(jì)算機(jī)的處理速度、存儲(chǔ)容量提出了很高的要求,而且將加重系統(tǒng)的負(fù)荷。而圖像的編碼與壓縮主要是為圖像數(shù)據(jù)的表示、存儲(chǔ)、傳輸提供一種轉(zhuǎn)換機(jī)制,目的是減少存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)所需的空間和傳輸圖像時(shí)所耗費(fèi)的時(shí)間。一般而言,圖像數(shù)據(jù)也有其固定的冗余性和相關(guān)性,如果能對(duì)圖像數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則將其由一個(gè)大的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為較小的同質(zhì)文件而進(jìn)行變換或組合,以達(dá)到用盡可能少的代碼(符號(hào))來(lái)表示盡可能多的信息,這種表示方法就稱為圖像編碼。
1. 圖像數(shù)據(jù)壓縮方法
數(shù)據(jù)能被壓縮是因?yàn)閿?shù)據(jù)中存在冗余。常見(jiàn)的圖像數(shù)據(jù)冗余有空間冗余、結(jié)構(gòu)冗余、知識(shí)冗余、視覺(jué)冗余、紋理的統(tǒng)計(jì)冗余等。圖像的編碼和壓縮就是要應(yīng)用某種編碼方法來(lái)提取和減少這些冗余,以較少的比特?cái)?shù)來(lái)表示數(shù)據(jù)。圖像壓縮的程度可以用位減縮因子(bit reduction factor)m來(lái)衡量,m=原圖像的編碼位數(shù)/編碼變換后的圖像編碼位數(shù)。
圖像壓縮還涉及圖像的彩色編碼問(wèn)題。彩色圖像一般用紅、綠、藍(lán)三基色來(lái)編碼。在編碼過(guò)程中,改變色調(diào)時(shí),會(huì)引起亮度變化。為此,對(duì)彩色圖像進(jìn)行編碼和壓縮要通過(guò)調(diào)節(jié)圖像的特征參數(shù)來(lái)解決圖像色彩轉(zhuǎn)換問(wèn)題。
目前,圖像的編碼和壓縮方法種類繁多,根據(jù)解壓重建后冗余的圖像與原始圖像之間是否有誤差,可以將圖像的編碼和壓縮方法分為無(wú)損(無(wú)誤差、無(wú)失真、信息保持)壓縮和有損(有誤差、有失真)壓縮兩大類。無(wú)損壓縮方法基于統(tǒng)計(jì)模型實(shí)現(xiàn),要求減少或完全去除圖像數(shù)據(jù)中的冗余信息。典型的無(wú)損壓縮方法有Huffman編碼、Shannon編碼、算術(shù)編碼等。有損壓縮方法允許重構(gòu)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)間存在一定的誤差,亦即以犧牲部分信息量為代價(jià)換取圖像編碼的表示,但在視覺(jué)上應(yīng)能被接受。典型的有損壓縮方法有預(yù)測(cè)編碼、子帶編碼、變換域編碼等。按編碼作用域的劃分,圖像編碼還可按空間域和變換域來(lái)分類。
2. 圖像編碼(壓縮)標(biāo)準(zhǔn)
近年來(lái),隨著通信、網(wǎng)絡(luò)、視頻和圖像數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的進(jìn)步及應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬,各種新型的圖像編碼與壓縮方法應(yīng)運(yùn)而生,并提出多種國(guó)際壓縮標(biāo)準(zhǔn),以滿足圖像、視頻等應(yīng)用不斷增長(zhǎng)的需求。常見(jiàn)的圖像編碼(壓縮)標(biāo)準(zhǔn)有:JPEG、MPEG、JBIG、H.263等。這些圖像編碼(壓縮)標(biāo)準(zhǔn)都是在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和國(guó)際電信聯(lián)盟ITU組織下制定的,這些標(biāo)準(zhǔn)有靜止灰度(彩色)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)、二值圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)動(dòng)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)等。
JPEG(joint photographic expert group)是國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)CCITT和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO聯(lián)合組成的一個(gè)圖像編碼專家小組,該小組提出的標(biāo)準(zhǔn)涉及連續(xù)色調(diào)、多級(jí)灰度、靜止圖像的數(shù)字圖像壓縮需求,其適用范圍較廣,JPEG采用了小波變換、分形、區(qū)域劃分等算法,適于靜止圖像和電視圖像序列的幀內(nèi)圖像的壓縮編碼?；谛〔ㄗ儞Q的JPEG壓縮編碼的成熟,于2000年公布了第2代靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),這就是JPEG2000。
在圖像數(shù)據(jù)庫(kù)及圖像處理中,除上述各種靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)外,還在電視、運(yùn)動(dòng)圖像、動(dòng)畫(huà)等各種動(dòng)態(tài)圖像處理中采用H.263建議(基于DCT的灰度圖像壓縮)、MPEG(運(yùn)動(dòng)及視頻圖像的壓縮)等標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)這些圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的詳情,請(qǐng)參見(jiàn)本篇4.16多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)。
3. 圖像文件的存儲(chǔ)格式
除了壓縮方式外,圖像編碼還與圖像文件的存儲(chǔ)格式有關(guān),因?yàn)楹笳哂绊憟D像的存儲(chǔ)效率。為此,圖像編碼還有按圖像文件的存儲(chǔ)格式(簡(jiǎn)稱圖像文件格式)來(lái)分類,除了前述的JPEG、H.263和MPEG分類外,常用的圖像文件格式有BMP、TIFF、PCX和GIF等。通常,這些圖像文件格式是根據(jù)記錄圖像信息的方式(位圖或矢量圖形)的不同,來(lái)進(jìn)行劃分的。
(1)位圖文件(bitmap file)格式: 即BMP格式,是Windows上采用的圖像文件格式,在Windows上運(yùn)行的所有圖像處理軟件都支持這種文件格式。Windows3.0以前的BMP格式與圖像顯示設(shè)備有關(guān),稱為與設(shè)備有關(guān)的位圖文件(DDB)格式。Windows3.0以后的BMP格式與顯示設(shè)備無(wú)關(guān),稱為與設(shè)備無(wú)關(guān)的位圖文件(DIB)格式。因此,在任何圖像設(shè)備上,均可采用BMP圖像文件格式。一般,一個(gè)BMP位圖文件由位圖文件頭、位圖信息頭、彩色表和位圖數(shù)據(jù)陣列四部分組成。BMP格式表示圖像清晰度高、靈活性好,但所占存儲(chǔ)空間較大。
(2)TIFF(tag image file format):標(biāo)記圖像文件存儲(chǔ)格式,是最完備、最復(fù)雜的一種圖像文件格式,它在文件頭、參數(shù)指針和參數(shù)塊中提供了存儲(chǔ)各種信息的完備手段,是目前較流行的圖像文件交換標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是使用復(fù)雜,需要許多代碼來(lái)控制、文件讀寫(xiě)速度慢。
(3)PCX: Zsoft公司提出的圖像文件存儲(chǔ)格式,掃描儀得到的圖像都是這種格式。PCX支持256種顏色,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、存取速度快、壓縮比適中,但功能不如TIFF強(qiáng)。
(4)GIF(graphics interchange format): 圖形交換格式,以數(shù)據(jù)塊(block)為單位來(lái)存儲(chǔ)圖像中的相關(guān)信息。常用于網(wǎng)上Web及聯(lián)機(jī)圖像文件傳輸,但圖像最大不超過(guò)64MB,顏色最多為256種。GIF主要是為數(shù)據(jù)流(data stream)而設(shè)計(jì)的一種文件格式,采用LZW壓縮算法來(lái)壓縮圖像數(shù)據(jù),其存儲(chǔ)效率高、支持多幅圖像傳輸,可像幻燈片和動(dòng)畫(huà)片一樣連續(xù)顯示,其缺點(diǎn)是傳輸中圖像的顏色信息易丟失。