1、 编 号： 审定成绩： 重庆邮电大学 移通学院 毕业设计（论文） 设计（论文）题目： 图像有损压缩技术的研究 单 位（系别） ： 通信工程系 学 生 姓 名 ： 专 业 ： 通信工程 班 级 ： 0112 学 号 ： 011220 指 导 教 师 ： 答辩组 负责人 ： 填表时间： 2013 年 06 月 重庆邮电大学 移通学院 教务处制 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计 （论文） - - I 重庆邮电大学移通学院毕业设计 (论文 )任务书 设计 (论文 )题目 图像有损压缩技术的研究 学生姓名 系别 通信工程 专业 通信工程 班级 12 指导教师 高飞 职称 讲师 联系电话 教师单位 重庆邮
2、电大学移通学院 下任务 日期 2013 年 1 月 5 日 主 要 研 究 内 容 、 方 法 和 要 求 研究内容： 论文研究的主要内容是 图像有损压缩技术。通过对现当代数字图像压缩技术的发展，进而定义有损压缩；其次，针对图像有损压缩，研究其主要的图像压缩编码技术；最后，通过与无损压缩技术的综合比较，对有损压缩技术的特点和优势有更深刻的认识；从而定位在未来压缩领域中有损压缩技术的发展趋势和应用方向。 研究方法： 为了保证论文的质量，在论文的前期工作中要收集并大量阅读相关的专业文献，包括专著、译著、教材、期刊、学 报等，完成论文大纲的拟定，经过修正后撰写论文初稿，最后针对论文内容及细节作进一步
3、修改并最终定稿。 具体要求： 论文要求文章主题鲜明，重点突出；内容客观并且符合事实；结构安排合理且完整，层次清晰；在完成论文的期间随时与指导教师保持联系，按时完成论文相关任务。 进 度 计 划 2013.1.52013.3.1：收集查阅资料，了解课题研究背景； 2013.3.12013.3.6：完成开题报告，确定论文结构安排； 2013.3.62013.4.20：撰写论文并完成初稿； 2013.4.202013.5.24：按照学校要求对论文进行修改，完成终稿； 2013.5.272013.6.2： 准备答辩的相关工作。 主 要 参 考 文 献 1 尹显东，李在铭，姚军图像压缩标准研究的发展与前
4、景 M北京：北京邮电大学出版社， 2003 1(4)： 326-331 2 薛文通，宋建设，袁礼海，沈涛图像压缩技术的现状与发展 M北京 ： 电子工业出版社， 2003： 65-67 3 朱秀昌，刘峰，胡栋数字图像处理与图像通信 M 北京：北京邮电大学出版社， 2002 199-204 4 Michael W， Marcellin A， An overview of JPEG-2000A Proc.IEEE Data Compression ConferenceC， 2000 5 夏得深，傅得胜现代图像处理技术与应用 M南京：东南大学出版社，2001 84-85 指导教师签字： 2013 年
5、1 月 5 日 教研室主任签字： 年 月 日 备注：此任务书由指导教师填写，并于毕业设计 (论文 )开始前下达给学生。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计 （论文） - - II 摘 要 有损压缩 技术 是利用了人类对图像或声波中的某些频率成分不敏感的特性，允许压缩过程中损失一定的信息；虽然不能完全回复原始数据，但是所损失的部分对理解原始图像的影响缩小，却换来了大得多的压缩比。常见的 声音 、 图像 、 视频 压缩基本都是有损的。在多媒体应用中，常见的压缩方法有：预测编码，变换编码，矢量量化 编码 ， 分形编码 等，混合编码是近年来广泛采用的方法。 有损数据压缩方法是经过压缩、解压的数据与原始数
6、据不同但是非常接近的压缩方法。有损数据压缩又称破坏型压缩，即将次要的信息 数据压缩掉，牺牲一些质量来减少数据量，使压缩比提高。它是与无损数据压缩对应的压缩方法。根据各种格式设计的不同，有损数据压缩都 会产生丢失 ：压缩与解压文件都会带来渐进的质量下降。 本文 首先 论述了 数字 图像压缩技术的概况 及发展趋势 ， 详细介绍了现代图像压缩技术的标准 、 分类及主要算法。其次 着重就图像的有损压缩技术进行了研究和讨论。通过查阅 大量文献， 系统的分析了 有损压缩技术，介绍了 主要有损压缩的方法： 预测编码、变换编码、基于模型编码等有损压缩的主要技术， 最后通过 结合无损压缩从 精确度及压缩比率等方
7、面与 损压缩进行 详细 比较 ，更 深层次的对损压缩技术进行了解。并得出图像有损压缩技术的特点和优势，以及在未来压缩领域中的应用方向。 【关键词】 有损压缩 无损压缩 压缩 编码 技术 比较 变换编码 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计 （论文） - - III ABSTRACT Lossy compression is to use the human is not sensitive to image or sound waves of certain frequency components of the features that allow compression loss in th
8、e process of certain information; Although not fully recover the raw data, but the loss of part of understanding the influence of the original image is narrow, but the much larger compression ratio. Common voice, image and video compression are hurt. In multimedia applications, the common compressio
9、n method are: predictive coding, transform coding, vector quantization coding and fractal coding, etc., hybrid coding is a widely used method in recent years. Lossy data compression method is compressed and decompressed data with different but very close to the original data compression method. Loss
10、y data compression is also called destructiveness compression, data compression is of secondary importance, sacrifice some quality to reduce the amount of data, to improve the compression ratio. It is corresponding compression and lose data compression method. According to different various format d
11、esign, the lost can produce lossy data compression: compress and decompress files brings with it a gradual decline in the quality. This paper first discusses the general situation and development trend of digital image compression technology, introduced the modern standards, classification and main
12、algorithm of image compression technology. Secondly emphasize image lossy compression techniques are studied and discussed. Through consulting a large number of literature, systematic analysis of lossy compression technology, introduces the main lossy compression methods: predictive coding, transfor
13、m coding, based on the lossy compression of main technology such as model code, finally through a combination of loss compression from precision and compression ratio compared with loss of compression in detail, at a deeper level to understand loss compression technology. And conclude the characteri
14、stics of image lossy compression technique and advantages, as well as compression applications in the field of direction in the future. 【 Key words】 Lossy compression Lossless compression Coding and compressing technology Compare transform coding 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计 （论文） - - IV 目 录 前 言 . 1 第一章 图像压缩技术的研
15、究及进展 . 2 第一节 图像压缩技术概述 . 2 第二节 图像压缩技术标准 . 2 一、静止图像压缩标准 . 2 二、运动图像压缩标准 . 3 第三节 图像压缩技术分类 . 6 第四节 图像压缩技术的发展趋势 . 7 第五节 本章小结 . 7 第二章 图像有损压缩技术 . 8 第一节 有损压缩概述 . 8 第二节 有损压缩机制 . 9 第三节 本章小结 . 10 第三章 图像有损压缩的主要编码技术 . 11 第一节 预测编码 . 11 一、脉冲编码调制 . 11 二、差分脉冲编码调制 . 12 三、自适应差分脉冲编码调制 . 13 第二节 变换编码 . 14 第三节 基于模型编码 . 15
16、一、基于语义编码 . 16 二、基于物体编码 . 17 第四节 分形编码 . 18 一、分形编码的思路 . 18 二、分形编码的方法和步骤 . 19 三、分形编码的特点 . 19 第五节 其它编码 . 20 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计 （论文） - - V 一、子带编码 . 20 二、矢量量化编码 . 21 三、感知编码 . 22 第六节 本章小结 . 23 第四章 图像有损压缩与无损压缩比较 . 25 第一节 有损压缩技术的优缺点 . 25 一、有损压缩的优点 . 25 二、有损压缩的缺点 . 25 第二节 无损 压缩技术的优缺点 . 26 一、无损压缩的优点 . 26 二、无损压缩的
17、缺点 . 26 第三节 两种不同图像压缩方式的综合比较 . 27 一、两种压缩方式在精确度上的比较 . 27 二、两种压缩方式拥有不同的压缩比率 . 27 三、两种压缩方式可逆性的差别 . 27 第四节 本章小结 . 28 结 论 . 29 致 谢 . 30 参考文献 . 31 附 录 . 33 一、英文原文 . 33 二、英文翻译 . 36 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计 （论文） - - 1 前 言 在我们的生活中无论是普通人还是一些工作在科研领域的科技工作者，都会对数据信息进行传输与存储有所接触。随着数字时代的到来，影像的制作、处理和存储都脱离了传统的介质，相比传统方式，数字图像有着传
18、统方式无法比拟的优越性。而对大量图像数据进行传输要保证其传输的质量、速度等，对其进行存储也要考虑其大小 容量等。所以，要解决大量图像数据的传输与存储，在当前传输媒介中，存在传输带宽的限制，故在一些限制条件下传输尽可能多的活动图像，如何能对图像数据进行最大限度的压缩，并且保证压缩后的重建图像能够被用户所接受等问题，就成为研究图像压缩技术的问题之源。 图像压缩的目的就是把原来较大的图像用尽量少的字节表示和传输 ， 并且要求复原图像有较好的质量。利用图像压缩可以减轻图像存储和传输的负担 ， 使图像在网络上实现快速传输和实时处理。图像数据之所以可以进行压缩，主要是因为一般原始图像数据是高度相关的，都含
19、有大量的冗余信息。图像压 缩编码的目的就是消除各种冗余，并在给定的畸变下用尽量少的比特数来表征和重建图像，使它符合预定应用场合的要求。 虽然人们总是期望无损压缩，但冗余度很少的信息对象，用无损压缩技术并不能得到可接受的结果。当使用的压缩方法会造成一些信息损失时，关键的问题是看这种损失的影响。有损压缩经常用于压缩音频、灰度或彩色图像和视频对象等，因为它们并不要求精确的数据。在由音频、彩色图像、视频以及其他专门数据组成的多媒体对象中，可以单独使用有损压缩技术，也可与无损压缩技术共同使用。有损压缩编码不具有可恢复性和可逆性，该编码在压缩时 舍弃冗余的数据。所以有损压缩技术也走进了人们的视野。 重庆邮
20、电大学移通学院本科毕业设计 （论文） - - 2 第 一 章 图像压缩技术的研究及进展 第一节 图像压缩技术概述 图像压缩就是减少表示数字图像时需要的数据量。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。 在我们的生活中无论是普通人还是一些工作在科研领域的科技工作者，都会对数据信息进行传输与存储有所接触。随着数字时代的到来，影像的制作、处理和存储都脱离了传统的介质（纸、胶片等），相比传统方式，数字图像有着传统方式无法比拟的优越性。但是每种技术出现的同时，都 有制约其发展的一面。比如数字电视、遥感照片、由雷达、飞机等提供的军事侦察图像、可视电话、会议电视和传真照片，在教
21、育、商业、管理等领域的图文资料、 CT 机、 X 射线机等设备的医用图像、天气云图等等，无论是利用哪种传输媒介进行传输的信息，都会遇到需要对大量图像数据进行传输与存储的问题。而对大量图像数据进行传输要保证其传输的质量、速度等，对其进行存储也要考虑其大小容量等。所以，要解决大量图像数据的传输与存储，在当前传输媒介中，存在传输带宽的限制，故在一些限制条件下传输尽可能多的活动图像，如何能对图像数据进行最大限度的 压缩，并且保证压缩后的重建图像能够被用户所接受等问题，就成为研究图像压缩技术的问题之源。 图像数据之所以可以进行压缩，主要是因为一般原始图像数据是高度相关的，都含有大量的冗余信息。图像压缩编
22、码的目的就是消除各种冗余 2，并在给定的畸变下用尽量少的比特数来表征和重建图像，使它符合预定应用场合的要求。 第二节 图像压缩技术标准 一 、静止图像压缩标准 JPEG标准 ： JPEG全名为 Joint Photographic Experts Group，是一个在国际标准组织（ ISO）下从事静止图像压缩标准制 定的委员会。 JPEG标准从 1986年正式开始制订， 1988年决定采用以图像质量最好的 ADCT（ Adaptive Discrete Cosine Transform）方式为基础的算重庆邮电大学移通学院本科毕业设计 （论文） - - 3 法作标准，于 1991年 3月提出 8
23、号标准 “ 连续色调静止图像的数字压缩编码 ” ，即 JPEG标准。它在较低的计算复杂度下，能提供较高的压缩比与保真度 3。 JPEG采用 4种编解码方式：串行 DCT4(Discrete Cosine Transform)方式、渐进浮现式 DCT方式、无失真方式和分层方式。由于 JPEG优良的品质，使它在短短几 年内就获得极大的成功。随着多媒体应用领域激增，传统的 JPEG压缩技术已无法满足人们对多媒体影像资料的要求。因此，更高压缩率以及更多功能的新一代静止影像压缩技术 JPEG2000就诞生了。 JPEG2000： JPEG20005，正式名称为 “ ISO 15444” ，亦是由 JPE
24、G组织负责制定。自 1997年 3月开始筹划， 2000年规定基本编码系统的最终协议草案才提出。 JPEG2000与 JPEG最大的不同，在于它放弃了 JPEG所采用的以 DCT为主的区块编码方式，而改用以 DWT（ Discrete Wavelet Transform）为主的多分辨率编码方式。 JPEG2000的新特征有： JPEG2000 作为 JPEG 的升级版，具有良好的低比特率性能，特别是对细节丰富的图像以 0.25bpp 的比特率进行压缩时，总体上其压缩率比 JPEG 高约 30%左右 ； JPEG2000 同时支持有损和无损压缩；而 JPEG 只支持有损压缩 ； JPEG2000
25、 能实现渐进传送。它先传输图像的轮廓，然后逐步传输图像数据的细节，接收端重构图像时让图像由朦胧到清晰显示，而不像 JPEG 那样由上到下由左到右的显示 ； JPEG2000 支持所谓的 “ 感兴趣区域 ” 编 码（ Region of interest coding）。可任意指定图像上感兴趣区域的压缩质量，亦可以选择指定的部分先解压缩以突出重点。 二 、 运动图像压缩标准 （一） MPEG系列 MPEG(Moving Picture Experts Group)运动图像专家组成立于 1988 年，专门从事运动图像和伴音编码的标准制定。 MPEG 最初的三个任务是制定 1.5Mb/s， 10Mb
26、/s， 40Mb/s 的压缩编码标准，即 MPEG-1、 MPEG-2、 MPEG-3，后因 MPEG-2 的功能使 MPEG-3 多余，故MPEG-3 被 撤消。 MPEG-4 于 1994 年开始制定，其目的是实现甚低码率的音 /视频压缩编码。 MPEG-1 是 1991 年 11 月提出草案， 1992 年 11 月通过， 1993 年 8 月公布的。它适用于 1.5Mb/s 速率的数字存储媒体的运动图像及伴音的压缩编码。 MPEG-1 追求高的压缩比，去除图像序列的时间冗余度，同时满足多媒体等随机存取的要求。它的图像类型有三种： I图像，采用内部编码，不参照其他图像，亦称内部编码图像
27、6； P 图像，采用预测编码，参照前一幅 I 或 P 图像作运动补偿编码，亦称预测编码； B 图像，采用双向预测编码，参照前一幅和 后一幅 I 或 P 图像作双向运动补偿编码，亦称双向预测图像。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计 （论文） - - 4 MPEG-2 制定于 1994 年，其设计目标是高级工业标准的图像质量以及更高的传输率。它进一步提高了压缩比，改善了音频、视频质量，采用的核心技术是分块 DCT 和帧间运动补偿预测技术。 MPEG-2 所能提供的传输率在 310Mb/s 间，在 NTSC 制下的分辨率可达720486；可提供广播级的视像和 CD 级的音质；向下兼容 MPEG-1，
28、使得大多数 MPEG-2解码器可播放 MPEG-1 格式的数据，如 VCD； MPEG-2 除了作为 DVD 的指定标准外，还可以用于为广播、有线电 视网、电缆网络以及卫星直播提供广播级的数字视频； MPEG-2可提供一个较广范围的压缩比，以适应不同画面质量、存储容量以及带宽的要求。 MPEG-4 是对数字音 /视频数据进行压缩、通信、存取和操作管理等的新标准，并为各种通信环境提供一种通用的技术解决方案。 MPEG 专家组深入分析了信息领域中计算机、通信以及以电视为代表的消费电器即 3C 交叉融合的方式后，认为 MPEG-4 应提供用于通信的新方式，其中心是基于内容的 AV 信息存储、处理与操
29、作，支持交互性、高压缩比以及通用存储性等功能。在其结构上应具有适应性与可扩张性，以适 应软、硬件技术的不断发展，及时融合新的技术。由于 MPEG-4 的中心是基于内容与交互性的，它就不再对低码率范围做出特别要求。 MPEG-4 在通信信息描述中，首次提出了对象的概念，如视频对象 VO（ Video Object）、音频对象 AO（ Audio Object）等，这是一个新的飞跃。在编码方案上， MPEG-4 仍是以块为基础的混合编码。 MPEG-4 标准主要应用于视频电话、视频电子邮件和电子新闻等，其传输速率要求较低，在 4.8 64kb/s 之间，分辨率为 176144。 MPEG-4 利用
30、很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少数据获得最佳图像质量。 MPEG-4 更适用于交互 AV 服务以及远程监控。 MPEG-7 由 MPEG 委员会于 1998 年 10 月提出提议， 2001 年 9 月正式成为国际标准，又称为 “ 多媒体内容描述接口（ Multimedia Content Description Interface） ” ，其目标是建立对多媒体信息内容的标准化描述，试图规范不同种类多媒体信息的描述而不受表达形式的限制。这些描述要与信息内容直接相关以便用来 快速有效的查询、访问各种多媒体信息。 MPEG-7 的应用范围广泛，既可以应用于存储，也可用于流式应用（如广播、将模型加入 Internet 等）。它可以在实时或非实时环境下应用，如数字图书馆、多媒体编辑等。另外， MPEG-7 在教育、新闻、导游信息、娱乐、研究业务、地理信息系统、医学、购物、建筑等各方面均有较深的应用潜力。 MPEG-21是基于 “ 多媒体框架（ Multimedia Framework）标准 ” 的，其最终目的是建立一个多媒体框架，以通过预购网络和设备使多媒体资源在用户之间透明方便的使用。
