多媒体教学软件中图形数据的一种无损压缩方法

广州师院学报(自然科学版)JOU RNAL O F GUAN GZHOU NORM AL UN I V ER S IT Y(NA TU RAL SC IEN CE ED IT I ON)　1998年第6期N o.6,V o l.19多媒体教学软件中图形数据的一种无损压缩方法王若梅(广州师范学院计算机系510400)提　要　本文针对教学软件中图形的特点,利用熵分割法,提出了一种图形数据的无损压缩方法。

该方法在常规RL E压缩编码的基础进行改进,使被压缩数据的重复次数由64个提高到128个。

该方法能对制作图形进行有效压缩。

关键词　多媒体;图形;象素;熵;压缩编码;RL E中图分类号　O391.41 利用计算机多媒体进行教学,是现代教学中必不可少的教学手段。

多媒体技术使计算机能方便地处理文字、图像、声音、动画及视像等信息。

把教学内容科学地制作成各种计算机多媒体教学系统,利用计算机系统丰富多彩、生动活泼的画面,更能促使学生迅速理解学习内容,增强学习的兴趣。

因此,尽快设计制作计算机多媒体辅助教学系统,是十分必要的。

本文是对计算机多媒体教学系统制作中所需要的图形数据,提出一种数据压缩方法,使得多媒体教学系统中的图形能占用更少的空间,有更高的工作效率。

1　多媒体教学软件中图形的特点 下页几个图形(图1—4),是我们正在使用和制作中的计算机多媒体教学软件中的4幅(颜色分辨率为256)。

由于上述图形均为位图,因此较好地满足了多媒体教学软件所需要的视觉效果好、色彩丰富、实物图及示意图生动逼真的特点。

深入分析上述图形,更发现它们有如下特点: (1)　它们均为制作图形,为满足教学内容而采用计算机作图工具绘制。

　收稿日期:1996-11-05 (2)　为使学生能理解画面上重点突出的知识,背景颜色均采用单一的,烘托性强的颜色。

(3)　画面有着大面积的象素是相同颜色值,重复数据多。

(4)　汉字使用量较大。

(5)　通过对人的视觉反映及计算机存贮器占用的综合考虑,图形以256色最佳。

图1　(背景色为浅绿色) 图2　(背景色为浅黄色)图3　(背景色为深黄色) 图4　(背景色为白色)2　点位图的一般压缩方法——RL E 编码 由于点位图每个象素数据都需要若干位存贮单元表示颜色的R GB 分量,因此位图25广州师院学报(自然科学版)1998年　数据量大,占用磁盘存贮空间多,所以位图数据存贮时,均需进行数据压缩。

现行的无损压缩多采用RL E 技术,即:对于图形中相同颜色的象素数据,仅存贮一个象素的颜色值以及具有相同颜色的象素数目,达到数据压缩的目的。

现有的图形处理方式为一般RL E 编码(注:RL E 编码参见文献[2]第5章第2节P 256)和RL E 压缩编码,简述如下: (1)一般RL E 编码: 一般RL E 编码有以下两种结构: 结构1: 字节1 字节2 字节3 b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0　b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0　b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0 标识 重复次数 数据 当相邻的数据相同时,以一个字节标识为此结构,一个字节记录重复次数,一个字节表示图形数据。

结构2: 字节1 字节2 字节3 b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0　b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0　b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0 标识 重复次数 数据 …… 字节N +2 b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0 …… 数据N 当相邻的数据不相同时,以一个字节标识为此结构,一个字节记录不相同的数据个数N ,紧接N 个字节表示N 个图形数据。

由此可见,一般RL E 编码最多可表示28=256个重复象素。

(2)RL E 压缩编码 RL E 压缩编码有以下两种结构: 结构1: 字节1 字节21 1 b 5 b 4 b 3 b2 b 1 b 0 b 7 b 6 b 5 b 4 b3 b 2 b 1 b 0 标识重复次数 数据 字节1定义如下: b 7b 6=11b 5b 4b 3b 2b 1b 0为下一字节的重复次数。

特别地,当图形数据前二位为11而相邻象素又不相同,编码如下: 字节1 字节21 1 0 0 0 0 0 1 b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b2 b 1 b 0 标识重复次数 数据 结构2: 当一个字节的首二位不为11时,该字节直接为图形数据。

由此可见,RL E 压缩编码最多可表示27=128个重复象素。

对于多媒体教学软件中图形,一般RL E 编码虽然能很好地压缩大面积重复颜色象素35　第6期王若梅:多媒体教学软件中图形数据的一种无损压缩方法数据,但对有汉字的地方,不仅不会压缩数据,反而会增大图形文件的数据量;RL E 压缩编码能压缩的数据量太少。

3　熵分割法进行图像分析 我们对经常使用的图像进行分析,基本思想如下:将调色板的256种颜色编号,分别为0-255,选择一个门限值,并依该门限分离图象的目标、背景,使得它们分别包含的信息量最大,信息量用熵来度量。

设f 0,f 1,…,f 255表示观测调色板编号的频率(直方图),概率可表示为:P i =f i N其中 ∑255i =0f i =N . N 是图象象素的总数;255是调色板编号最大数目。

又设A 、B 两类分别代表目标和背景,各具有不同的概率分布。

如果门限设置在编号数目s ,因为此时将P i 视作条件概率,则应使P i (i =0,1,2,…,s )下的总面积为1。

于是,进行归一处理,得到修正的A 类熵H (A )为H (A )=-∑si =0(P i P s )ln (P i P s)其中　P s =-∑s i =1P i .进一步得到H (A )=-1P s ∑s i =0(P i ln P i -P i ln P s )=ln P s +H s P s.其中　H s =-∑s i =0P i ln P i .类似地,B 类的熵H (B )定义为(其中m =255): H (B )=∑mi =s +1P i (1-P i )lnP i (1-P s )=-P i (1-P s )∑m i =s +1[ln P i -ln (1-P s )]=ln (1-P s )+H m -H s1-P s熵准则5(s )定义为 5(s )=H (A )+H (B )=ln P s (1-P s )+H s P s +H m -H s 1-P s 其中　H m =-∑si =0P i ln P i.使熵准则式5(s )极大的s 即为门限值。

以此算法,对上述图象进行计算,其门限值均为背景色编号值。

4　改进的RL E 压缩编码方法 根据上述推论,笔者提出一种改进的RL E 压缩编码方法: 改进RL E 压缩编码有以下两种结构: 结构1:45广州师院学报(自然科学版)1998年　 字节1 字节21 b 6 b 5 b 4 b 3 b2 b 1 b 0 b 7 b 6 b 5 b 4 b3 b 2 b 1 b 0 标识　重复次数 数据 字节1定义如下: b 7=1b 6b 5b 4b 3b 2b 1b 0为下一字节的重复次数。

特别地,当图形数据前一位为1而相邻象素又不相同,编码如下: 字节1 字节21 0 0 0 0 0 0 1 b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b2 b 1 b 0 标识　重复次数 数据 结构2: 当一个字节的首位不为1时,该字节直接为图形数据。

由此可见,RL E 压缩编码最多可表示27=128个重复象素。

从教学图像中可看出:相邻象素不相同的地方大多数发生在有汉字的地方,而为了突出汉字的效果,一般采用深色,最多为黑色。

这使得该象素取值多为调色板的前127位,如黑色在调色板中为第0号。

因此在大多数情况下可避免出现结构一: 字节1 字节21 0 0 0 0 0 0 1 b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b2 b 1 b 0 标识　重复次数 数据的情况,直接使用结构2。

5　改进的RL E 压缩编码实例 笔者依据该方法,对我系多媒体计算机辅助教学系统中的多幅图形数据存放,数据均得到不同程度的压缩。

附:将图1,图2,图3,图4重新压缩,存放格式为HX ,各种图形格式的数据如下:　图1　图2　图3　图4・BM P 481078308278308278308278・PCX 315682700325792924637・HX 271352530910871421438 致谢:本文采用了朱志辉老师“多体计算机辅助教学系统”中的图形作为图1、图2、图3等图例,特此表示感谢。

参考文献1　朱志辉.多功能三维题库系统的设计.广州师院学报,1995;22　林福宗,陆达.多媒体与CD -ROM .清华大学出版社3　何世杰,蔡定楚,江淑芬,王海潜.V GA 显示原理与256色绘图特效55　第6期王若梅:多媒体教学软件中图形数据的一种无损压缩方法65广州师院学报(自然科学版)1998年　A M ethod of Com p ressing I m age D atain M u lti m edia T each ing Softw areW ang R uom ei(D ep t.of Co m p u ter,Guang z hou N or m al U niversity510400)Abstract T h is p ap er p resen ts a m ethod of com p ressing and coding i m age data,w h ich is an i m p rovem en t on the RL E coding,w ith the num ber of com p ressed data increased from64 to128.T he m ethod can effectively com p ress the i m age data of p ictu res. Keywords:　m u lti m edia;grap h ics;b it-m apped i m age;p ictu re elem en t;en tropy; com p ressi on and coding;RL E。