图像压缩编码技术的发展历程及应用前景

■战 红

上世纪末期，随着计算机技术的发展，人类开始进入数字化时期。作为数字技术当中的重要构成部分之一，数字图像技术将我们带入多媒体时代。各类五彩斑斓的图像讯息得到快速传播，特别是在信息化不断发展的当前，图片处理功能要求越来越多，如果只是依靠传统扩大带宽与存储介质容量的方式，显然与时代发展不相适应，因此，图像压缩编码技术应运而生。

基于图像保真的前提下，对相关的图像及数据进行压缩、编码与变换，以此来达到方便图像的传输与存储的目的，这种新型技术即为图像压缩编码技术。本文对其发展历程进行回顾，并在此基础上，对其应用前景进行综合分析。

一、图像压缩编码技术的发展历程

自二十世纪四十年代开始，随着电视信号数字化的提出，对于第一代图像压缩编码技术的分析与研究工作也提上了日程，至今已走过了六十多年历史。在最初阶段，由于客观条件所限，仅对亚取样内插复原之法与帧内预测法进行研究与分析。在此之后的1969年，随着首届图像编码会议的成功召开，才使得其正式成为了一门独立学科，与此同时，图像压缩编码技术的研究取得了重大进步，特别是在编码算法领域当中，比如量化编码、变换编码都成为了当时重点研究的领域[1]。

为了改变传统图像压缩编码技术存在的图像复原质量差、压缩比小等缺点，Kunt 等人在1985年基于人眼当中的视觉特性，提出了新型图像压缩编码概念，也即是第二代的图像压缩编码技术概念。而在此之后的1987年，著名的Mallat 算法首次成功将处于计算机视觉范畴之内的“多尺度分析思想”运用至小波变换当中，因而将此前各类小波构建之法加以统一。仅过了一年，Sloan 就与Barnsley 在1988年共同提出了图像分形编码压缩之法，此法具有解码分辨率无关性与压缩潜力大等特征，从一定程度上来讲，具有很强的科学性与潜力。此后，多国学者纷纷将目光投入至此领域，掀起了一股分形图像编码研究的高潮。

二十世纪九十年代，由于在这领域内的关注度不断上升，因而在这一领域又取得了一系列阶段性的研究成果。比如，Knowles 与A.S.Lewis 首先就提出了基于零树编码之法。1993年，J.M.Shapiro 提出了新型嵌入式的零树小波变换编码计算之法，此种算法有效地将小波系数特性进行了利用，因而使图像可分级编码得以实现。当前，图像压缩研究领域当中的一个重要方向即是基于小波变换当中的图像压缩编码算法。

而在最近的几十年里，这种技术的发展更是被广泛运用到了各个领域当中，发展非常迅速，且日臻成熟。比如制定了几个图像编码的国际标准，也即是活动图像编码相关标准MPEG-4、MPEG-2 等；静止图像当中的编码标准JPEG2000 与JPEG，还有相关的视频编码的标准如H.264、H.263 等[2]。

二、剖析图像压缩编码运用前景

随着一系列图像编码国际标准的产生，它标志着这项技术已经趋于成熟，它的发展与出现的作用已经大到能够使当前信息产业的模式与结构产生巨变，同时也使计算机、广播与通信产业之间的界限越来越模糊。当前，许多国家加大了数字电视的推广力度，就我国而言，数字电视在当前的普及率已相当高，由于数字电视具备频谱利用率高、图像质量高等特点，因而其可以实现多种不同业务间的统计复用与动态组合，拥有互操作性、可分组性、可扩展性、易于加密等优点，这恰好也是传统模拟机所无法达到的。然而，由于数字电视本身所传送的数据量相当大，因此必须保证其传输的数量与质量双重要求，在这里，视频压缩技术就显得尤为重要。因此，从前几年开始，对于图像编码的研究就集中于视频压缩领域，以此来不断改进当前数字电视自身的性能，拓宽其应用领域。随着当前数字电视的普及，这一研究成果的意义不言而喻。将分辨率作为基础，可将数字电视分为高清电视、数字标清电视、会议电视、可视电话四个等级。此外，在其他领域图像编码技术同样被广泛应用，比如多媒体出版物，它包含电子报刊、电子图书等；电视计算机，这是一种介于计算机与电视之间的应用，将电视与计算机融为一体，从而形成了一个多媒体的工作站[3]。

从国际相关的数据压缩发展来看，特别是MPEG 的发展，基于内容之上的图像压缩编码方式是将来编码发展的必然趋势。比如，给出一幅图像，包括汽车、房以及人脸等内容，就可通过相关技术提取需要的内容，运用这项技术就可实现对不同指定对象予以编码，而MPEG-4 技术在这个方面特别是人面部表情与其动作层面之上就取得了许多硕果。比如利用人工与自然合成内容当中的合并来进行编码，MPEG-4 的引入有效解决了对于脸部与动面编码这个问题。但值得指出的是，很多更复杂的东西需要建立一系列的编码与模型，且不同形物体所需要建立的相关问题还未得到解决，因而严重制约了其运用的宽广性。因此，笔者认为视频编码技术将朝着跨模式与多模式的方向发展。与此同时，通过Metadata（元数据）进行编码也可能是今后其所发展的具体方向，一般而言，详细地将音视频信息当中的基本元素进行描述即是元数据，MPEG-7 最为主要的功能就是描述这种音视频信息，在描述这些信息的同时，就可将编码完成，这是由于此时的编码对象是对图像的描述，而并不是图像本身了。

随着多媒体信息自身消费方式的转变，因而也要求必须实现不同网络相互之间的数据交换。针对这个问题，MPEG 运用了一类与ITU-T不尽相同的标准化的格式。它将多媒体数据的具体表示方式进行了定义，试图使大部分的数据得到充分的互动性与共享数据格式。而MPEG-4 在音频编码与语音层面上的工作则扩宽了多媒体服务、宽带的应用范围。由于它提供了一系列的MPEG-4 编码工具的集成与新功能，因此也相当于超集了大量现存编码标准自身的功能。在应用音视频之时，因为MPEG 具有基于视音频对象的特殊编码方式，因此也不断提高了MPEG 音频自身的编码质量。除此之外，由于以往的ITU-T 注重实时通讯，与此相反，MPEG-4 更注重对存储媒体的关注，其自身所携带的回放速度转变于数据库搜索当中具有相当大的作用，同时，它还提供一系列在知识产权保护领域之内的功能支持。从某些方面来讲，当前，消费者还是对服务提供端过于依赖，因而很容易导致其局限于地域性服务。由于受到特定环境之内有限的服务供应商的所限，这也是非常自然的。然而，随着当前交互模式宽带网络的运用，从而提供了使个人成为内容供应商的可能性，其服务也是基于通用领域的基础上的，从而使得广大消费者可以在内容供应商方面接受大范围内的服务。这种以消费者为中心的模式，可以从一定程度上拓宽商业机遇，随之而来的是各种类型的服务、内容供应商都将可能得到前所未有的机遇，达到理想的消费市场[4]。

总的来讲，社会发展需求从一定程度上决定了图像压缩编码发展的步伐与方向，在这一领域之内的突破无论对于多媒体事业还是通信事业的发展都将带来重大影响。也正因为如此，探索与研究新型的压缩编码算法也将成为未来及当前图像处理领域范围内的重中之重。

注释

[1]潘远翠：《基于图像压缩与编码技术的研究》[J]，《数字技术与应用》，2011年第4期。

[2]查宣威、岑峰：《DC 恢复算法及其在图像压缩编码中的应用》[J]，《微型机与应用》，2013年第1期。

[3]任燕：《针对WMSN 图像传输能耗优化方法的技术研究》[J]，《科技通报》，2013年第3期。

[4]蒲亚坤、丛爽：《基于小波变换的图像压缩改进方法及其应用》[J],《科技导报》,2009年第18期。