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目前,圖像壓縮標準化工作主要由國際標準化組織(ISO)和國際電聯(lián)(ITU-T)在努力推進。此外還有一些大的計算機及通信設(shè)備公司也在進行這一方面的工作,以使不同制造廠家的設(shè)備可以互相兼容。
隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進展,通信數(shù)字化、綜合化的進展,為了使數(shù)字圖像信息的交流暢通無阻,不少相當(dāng)接近的數(shù)字圖像編碼國際標準或方案已陸續(xù)制定出來了。如對于靜止二值圖像,ISO有JBIG壓縮編碼標準,ITU-T有對應(yīng)的T.82標準;對靜止彩色圖像,ISO有JPEG標準,ITU-T有對應(yīng)的T.81標準;對于不同速率的彩色視頻圖像,ITU-T有H.261標準,ISO有MPEG-1和MPEG-2標準;對于用于多媒體通信的極低碼率的圖像壓縮,1TU-T有H.263標準(<28.8kbps)和最新推出的H.264標準,ISO則制定有相應(yīng)的MPEG-4標準,并在MPEG-4和H.264標準中,采用了一些圖像壓縮編碼的新方法。除上述的國際標準外,還有一些大公司制定的標準,如飛利浦公司和索尼公司于1986年4月公布了,CD-I(Compact Disk-Interctive)多媒體光盤交互系統(tǒng)和相應(yīng)的CD-ROM的文件格式等。下面就簡介一下幾種常用的標準。
一、JPEG(T.81)靜止圖像與MJPEG運動圖像編碼標準JPEG是聯(lián)合專家組的簡稱,成立于1986年年底。JPEG選擇了DCT變換編碼的方法作為其標準的骨架。在1991年3月,公布了ISO/TECDIS10918號建議草案(ITU-TT.81):“連續(xù)色調(diào)靜止圖像的數(shù)字壓縮編碼”,即JPEG標準。JPEG標準規(guī)定了基本系統(tǒng)和擴展系統(tǒng)兩部分,符合JPEG標準的編/解碼器至少要滿足基本系統(tǒng)的指標。在基本系統(tǒng)中,每幅圖像被分解為相鄰的8x8圖像塊。對每個圖像塊采用離散余弦變換(DCT)。然后用一個非均勻量化器(其量化步長對不同頻率位置的DCT系數(shù)不同)來量化變換系數(shù),減少可能出現(xiàn)的電平的個數(shù)。由于人的視覺系統(tǒng)在高頻區(qū)對失真不敏感,所以在這些頻率位置上可以用較大的量化步長,以獲得較大的壓縮而兒乎沒有視覺質(zhì)量的下降。量化后的DCT系數(shù)再經(jīng)之字形掃描方式(Zig-Zag)成一維符號序列,對其中的非零幅值和零游程長度再進行Huffman編碼,分配較長的碼字給那些出現(xiàn)概率較小的符號。
顯然,圖像的解碼過程和編碼器相反。通過對一系列各種不同特征的圖像實行JPEG算法,可得到不同平均速率的圖像質(zhì)量。如一幅典型的數(shù)字彩色圖像為512W80像素,每個像素24bit,共占據(jù)737280B的存儲空間。如將其壓縮到1比特/像素,壓縮比為24:1,則存儲空間減少到30720B,傳輸時間也由分減少為2.8s。
JPEG標準是一種幀內(nèi)編碼技術(shù),它只考慮圖像的空間冗余度,比較適用于靜止圖像。對于視頻序列,它的每一幀都不是一個獨立的過程,因而幀內(nèi)DCT的壓縮能力就比不上把空間和時間冗余度都除去的幀間技術(shù)。幀間編碼技術(shù)可在相當(dāng)?shù)偷谋忍芈蕰r取得與幀內(nèi)DCT相同的圖像質(zhì)量。此外,還有新的靜態(tài)圖像壓縮標準。如JPEG-LS,其編碼效率比早先的JPEG提高約29%,某些情況下可達到80%o于2000年完成的JPEG-2000是具有更高效率的靜止圖像壓縮標準,其編碼變換采用小波變換,它已代替原有的JPEG標準。
MJPEG(Motion JPEG)編碼壓縮技術(shù)是基于JPEG靜態(tài)視頻壓縮而發(fā)展起來的,其主要特點是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化,只單獨對某一幀進行壓縮?;谠摷夹g(shù)的視頻卡主要完成數(shù)字視頻捕獲功能,在后臺則由CPU或?qū)iT的JPEG芯片完成壓縮工作。
MJPEG編碼壓縮技術(shù)可獲取清晰度很高的視頻圖像,并可靈活地設(shè)置每路視頻清晰度與壓縮幀數(shù)。但在保證每路都是高清晰度的情況下,受處理速度所限而無法完成實時壓縮,并有很強的丟幀現(xiàn)象。同時由于沒有考慮到幀間變化,造成大量冗余信息被重復(fù)存儲,因而單幀視頻的占用空間較大,目前最好也只能做到3k/幀,一般都要8~20k/幀。實際上,即使是丟幀錄像,也將耗費大量的硬盤空間。這樣,在攝像機較多的電視監(jiān)控系統(tǒng)中,它一個月的錄像存儲量就十分驚人,甚至遠遠超過采用MPEG-1的實時錄像產(chǎn)品。
二、MPEG圖像編碼標準MPEG是運動圖像專家組(Moving Picture Experts Group)的縮寫,它是國際標準化組織(ISO)和國際電工技術(shù)委員會(IEC)的一個聯(lián)合委員會。MPEG主要有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4、MPEG-7等。
(1)MPEG-1的視頻編碼標準。MPEG-1標準為工業(yè)級標準而設(shè)計,于1992年制定。它包括三個部分:視頻、音頻、同步和多路復(fù)用的系統(tǒng)。MPEG-1引入了雙向運動補償,它包括圖像序列(GOP)層、圖像(幀)層、條層、宏塊層和塊層等。雙向運動補償形成較低的比特率而圖像質(zhì)量犧牲很少。在給定比特率的情況下,MPEG-1的圖像質(zhì)量要勝過ITU-T的H.261標準。