第五章 图像压缩编码
第一节 概述
在第四章中，已介绍了图像数字化的基本方法。若对图像的取样值以最基本和最简单的PCM 编码，这样所获得的图像数据量（比特数）将是十分巨大的。减少量化层数即编码比特
，势必又引起量化信噪比
大大下降，业已证明它们之间的关系如式（5.1.1）所示：
（分贝）
此式表明：当每个取样值的编码比特数
增加或减少１比特时，量化信噪比
将相应地增加或减少6.0分贝。因此，简单的 PCM 编码技术用于图像信息的数字存贮或传输是不经济的。例如，一幅最简单的黑白静止图像（普通照片），若按
点阵取样，每个象素8比特量化编码，那么表示这幅图像的二进制数据量达
兆比特。地球资源卫星（LANDSAT ）一帧（四幅）图像将达
兆比特。而卫星每天要获取很多幅。这些数据都将暂时存贮在卫星体内磁性记录器中，当星体飞过地面接收站有效接收区域时，要迅速将这些数据全部送到地面 ，而卫星飞越这个区域时间是有限的 ，往往只有很短的时间，若数据不能在这段时间内全部传下来，就必须建立更多的地面站，或者提高数据传输速度。这些都将增加技术上的复杂性和成本费用。另外，数字电视技术 的发展过程 最明显地体现图像数据压缩的重要性，按我国PAL制来计算，用三倍付载频取样，８比特量化PCM编码，一路彩色电视信号产生的数据速率达
兆比特／秒。要将这样高速率的数据实时传送出去，按每个数字话路允许速率为64千比特／秒计算，要占用约1600多个数字话路（即使黑白电视图像在数字线路上传输也要占近900个话路 ）。若能将其压缩到原来的三分之一，即可节省近1000个数字话路 。由此可见 ，图像数据压缩技术是很有意义的工作。特别是在早期，数字存贮的技术尚不发达，图像数据压缩更为迫切和有意义。所以图像压缩编码技术研究开展早，理论和实际方法都比较成熟，而且目前还在进一步深入发展。我们只能介绍一些基本方法原理。
图像数据压缩的可能性是因为图像中象素之间，行或帧之间都存在着较强的相关性。从统计观点出发，简单直观地讲，就是某一个象素的灰度值，总是和其周围其他象素灰度值有某种关系，应用某种编码方法提取并减少这些相关特性，使可实现图像信息的数据压缩。从信息论观点出发，就是减少图像信息中无用的冗余信息，仍然保留有效信息，这样既减少了描述信息的数据量，又保证了图像有效信息没有丢失。实现所谓信息保持编码。从另一种角度出发，图像信息的信宿往往是人眼，而人的视觉系统接受信息的能力是有限的，如灰度和空间分辨率都不能太高，即使是记录或显示设备，也往往受本身特性限制，只能接受某种程度量的信息，而并不能全部接受。如电视监视器其灰度特性、空间分辨率都是很有限的。这样可以根据图像信息固有的统计特性和信宿接受能力，尽可能地去除无用信息，进行所谓保真度编码（非信息保持编码）。当然，还有一类，是只对图像某些要用的特征信息进行所谓特征抽取编码方法等等。
图像数据压缩的目的可以是节省图像存贮器的容量，也可以是减少传输信道容量，还可以是为了缩短图像加工处理时间。不同的应用目的和不同的图像内容有不同的压缩方法。在数字图像处理领域中常用的有三类：
（１）信息保持编码
这一类编码技术主要应用在图像的数字存贮方面。图像的数字存贮可以实现高速“写”和“读”。几秒钟内从几百或几千幅图像中随机地读取所需要的某一幅图像是完全可能的。同时，各类图像可以通过数字存贮介质进行多次重复复制而不失真。这些都是模拟图像技术无法做到的。这当然要求图像信息编码一一解码过程中必需保证图像信息不丢失，从而可以完整地重建原图像。故也称其为无误差编码。（２）保真度编码
此类编码技术多应用在数字电视技术和静止图像通信中，这些图像由于受传输信道容量取制，而接受图像信息的信宿又往往是人眼，过高的空间分辨率和过多的灰度层次，不仅增加了数据量，而且人也接收不了。因些编码过程中就可以丢失一些对信宿无用或作用不大的信息。也就是在允许失真条件下或一定的保真度准则下进行图像压缩编码。（３）特征抽取
在图像识别和分析、分类等技术中，往往并不需要全部图像信息。如对卫星照片进行农植物分类，只需要区别农植物和非农植物的图像特征，以及区别植物类别的特征。而对于道路、河流、建筑物等区别特征就不需要，那么就可以只对需要的特征信息编码。这样就可以大大地压缩图像数据量。显然，这也是一种非信息保持编码。图像压缩编码具体方法有许多种，也有不同的分类方法，其中一种分类方法如下：
（１）平均信息法
如不等字长熵编码法中的哈夫曼（Huff-man） 、香农（Shannon）和弗农（Fano）编码等。还有利用消隐时间法等。（２）预测法
通常指用线性预测法如差值脉冲编码调制DPCM和增量调制。还有一些非线性预测法等。
（３）变换法
一般采用正交变换如广泛应用的Fourier变换，其他的变换有Walsh-Hadamard、Haar、Slant、Cosine、Sine和Hotelling等变换。（４）其它编码法：
有内插法中的低取样和亚取样法如亚行、亚场等。还有针对静止图像或二值图像的方块编码、游程编码、轮廓编码、跳过白色块编码等等所有以上的编码方法，都可以针对图像的某些局部或瞬时统计特性，采用自动调整编码方案中的某些参数，从而获得高效能编码效果。即各种编码方法自适应方案。本章选择一些在数字图像处理中可能用到的最基本编码方法，从原理上加以扼要介绍。有关电视编码和静止图像编码主要应用在图像通信方面。
图像编码从四十年代末开始进行系统研究以来，至今已有四十多年历史。基中，有纯理论的计算机模拟实验，也有些硬件系统研究。主要的应用成果是：在数码率为4.8千比特／秒的数字信道上传一幅
黑白文件，用数字三类传真机只需1～2分钟；各种航天探测器采用压缩编码技术 ，将获取的巨大信息送回地面 ，对社会经济各个方面起着推动作用。如农业收成估计 、水灾预报 、森林主防火、矿藏勘探、军事通信等等。随着数字集成电路，计算机科学以及数字通信、数字信号处理等技术的进一步发展，图像压缩编码理论和应用，必将有更大的发展。