【图像处理】图像&视频压缩编码技术综述

将调研到的图像与视频编解码处理的发展历程与国际研究现状整理如下

        作为通信、介质存贮、数据发行、多媒体计算机等技术的关键环节,图像压缩编码算法的研究是信息技术中最活跃的研究领域之一。尤其是进入21世纪以后,电子技术和通信技术的发展使可视电话、会议电视、数字电视、高清晰度电视、多媒体计算机、信息高速公路等的生产和建立成为可能。在这一背景下，探索高效图像压缩编码算法无疑将成为主要任务之一，对其研究也将成为国际公认的热点之一。

        图像压缩一般分为静态压缩和动态压缩。根据其不同的用途，又可以细分为三类。第一类为无失真无误差压缩, 或叫做信息保持型图像压缩, 它要求在图像压缩的过程中不丢失任何信息, 在需要时可以精确地重建原始图像，代表性的算法有Lempd Zew、Huffman编码、行程编码和算数编码。第二类为有失真压缩, 它只要求重建图像达到一定的保真度，代表性的算法有JPEG、MPEG、P*64。第三类为特征抽提, 多用于计算机模式识别, 这种特征抽提一般是不可逆的, 即无法由它重建原始图像。

        JPEG 是第一个静态图像压缩的国际标准, JPEG(Joint Photographic Experts Group, 联合图像专家小组)包含两种基本压缩方法：有损压缩和无损压缩。有损压缩是以自适应离散余弦变换DCT 为基础的压缩方法，压缩后图像的某些信息会丢失。无损压缩的压缩比有一定的极限，是一种以差分脉冲编码调制DPCM 为基础的压缩方法。此外，基于分形的方法是近几年来引起关注和争议的一种图像压缩方法。对图像压缩而言, 分形主要是利用自相似的特点, 通过迭代函数系统ZFS来实现压缩。Barnsle和Sloan共同提出了分形图像编码压缩方案，利用图像中固有的自相似性来构造一个紧缩变换，具有思路新颖、压缩潜力大、解码分辨率无关性等特点。A.Jaequin随后发表分块迭代函数系统(PZFS)方法, 使得分形压缩成为可行的方法，与JPEG方法相比压缩比在40:1 以上。然而分形压缩方法计算量比较大, 时间开销长, 因此加快分形压缩方法的速度是当前研究的热点之一。Mallat首次巧妙地将计算机视觉领域内的多尺度分析思想引入到小波变换 (Wavelet Transform ,WT), 该算法在频率精度方面稍差一些, 但在时间的分析能力上更好一些, 而且可以对时间和频率同时进行分解, 这是傅立叶变换所做不到的。小波变换已经开始应用到图像数据压缩等领域, 主要是采用离散小波变换。在某些情况下, 小波变换更优于DCT 等其他正交变换。近些年来，新提出的EZW编码算法、SPIHT编码算法被认为是目前世界上比较先进的图像压缩编码算法,这两种算法均具有结构简单、无需任何训练、支持多码率、图像复原质量较理想等优点。随着人工智能领域的兴起，利用人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)进行图像压缩是这个领域近几年的又一研究热点, 并且取得了积极的进展。这是一种与视觉系统知识紧密相关的压缩方法。ANN 并行分布的联结机制与人的视觉系统有某些相似之处, 利用此原理及其改进的方法进行图像压缩可获得较好的效果。

        MPEG( Moving Pictures Expert Group，运动图像专家小组)是ISO和IEC两个国际组织的联合技术委员会领导下的运动图像专家组的英文缩写。MPEG标准是动态图像压缩算法的里程碑，它主要包括MPEG系统（System）、MPEG视频（Video）和MPEG音频（Audio）三个部分。由于运动图像可以看作是静止图像的一个序列, 但运动图像按静止图像序列处理有其不利之处, 就是没有考虑到帧与帧之间的冗余性。因此也可以认为MPEG是JPEG工作的进一步延续。MPEG的优点在于它具有很好的兼容性和压缩比, 压缩比最高可达200 :1 ,数据损失较少。针对不同的应用目的MPEG专家组制定了MPEG系列标准。主要包括MPEG-1，MPEG-2，MPEG-3，MPEG-4。MPEG-1采用了帧间压缩技术, 通过采用丢失方法和仅对连续图像帧间变化部分的数据进行存储的方法, 可使压缩率达到50:1。VCD 作为MPEG-1算法的典型应用，得到了广泛的应用和普及。MPEG -2制定通用的活动图像及其伴音的编码标准, 以适应各种应用如存储载体、分配传输和通信等。它的目的在于保持现有MPEG 标准的前提下提高数据流量, 从而达到娱乐界可以接受的要求, 即利用网络所能提供的更高的带宽来支持具有更高分辨率图像的压缩和更高的图像质量, 由此而发展了MPEG-2 Video 国际标准。MPEG -2 Video 是活动图像压缩技术的一个里程碑。MPEG-4 支持数字音频 视频数据的通信、存取和管理的新途径, 提供了一个灵活的框架和一个开放的工具集, 以支持各种各样新颖的和成功的功能，广泛应用于不同领域。