图像压缩标准知多少

电子科技 2004年第7期（总第178期）61图像压缩标准知多少徐庆征，镇桂勤(西安通信学院二系，陕西 西安 710106)摘 要 介绍了一些典型的静止图像压缩标准和活动图像压缩标准，并分析了各自的技术特点及其应用场合。

关键词 图像压缩；JPEG ；H.26x ；MPEG4 中图分类号 TN919.8图像通信直观生动，包含极其丰富的信息，是人们传递信息的重要媒介。

同时，巨大的数据量也给图像的采集、存储、处理和传输带来了极大的困难，严重影响了图像媒体成为主要媒体，因此，压缩数字图像信号的数码率就成为图像通信和图像信号处理领域的首要任务，受到全世界科技工作者的关注。

20世纪80年代以来，国际标准化组织(ISO)和国际电信联盟(ITU)组织了一批专家，开展了大量细致、全面的工作，陆续制定了一系列有关图像通信方面建议和标准，极大地推动了图像编码技术的发展与应用。

这些标准可以归为两种类型：静止图像压缩标准和活动图像压缩标准(包括ITU-T 制定的H.263系列和ISO 制定的MPEG-x 系列)。

1 静止图像压缩编码标准1.1 JBIG 标准1988年，ISO 和ITU-T 成立了“联合二值图像专家组”(Joint Binary Image Expert Group ，JBIG)， 1991年10月提出了ITU-T T.82标准。

这一标准确定了具有逐层、逐层兼容顺序和单层顺序3种模式的编码方法，并提出了获得任意低分辨率图像的方法。

1.2 JPEG 标准收稿日期: 2004-04-211986年底，ISO 和ITU-T 成立了联合图像专家小组(Joint Photographic Experts Group ，JPEG)，该小组近年来一直致力于静止图像压缩算法的标准化工作。

1991年3月正式提出ISO CD10918号建议草案“连续色调静止图像的数字压缩编码”(通常简称为JPEG 标准)，这是第一个适用于连续色调、多级灰度、彩色或黑白静止图像的国际标准。

JPEG 标准提供了一种无损编码的模式和3种有损编码模式(基于DCT 的顺序模式、基于DCT 的渐进模式、层次模式)。

所有符合JPEG 的遍解码器都必须支持基准模式，其他模式可作为选择项根据不同的应用目的来取舍。

基准模式编解码框图如图1所示。

尽管JPEG 建议主要是应用于静止图像的编码技术，但是在某些场合也可将它应用于视频编辑系统。

此时JPEG 把视频序列中的每一帧当作一幅静止图像来处理，这就是所谓的Motion JPEG 的处理方法。

1.3 JPEG-LS 标准JPEG 组织从1994年开始征集新的无损/近无损(简称JPEG-LS)算法提案，并于1998年2月作图1 JPEG 基准模式遍解码框图图像压缩标准知多少IT Age/Jul. 15, 2004 为ITU-T T.87(ISO/ICE 14495-1)正式公布。

1.4 JPEG-2000标准JPEG-2000标准号为ISO/IEC 15444(ITU-T T.800)，1997年3月开始筹划并征集议案，2000年3、6、12月分别完成了JPEG-2000第一、二、五部分的FCD ，2001年正式出版了第一部分的正式国际标准(ISO/IEC 15444-1)。

JPEG-2000规定了一系列对连续色调、二值、灰度和彩色静止图像的无失真或有失真编码方法，它抛弃了JPEG 所采用的以DCT 为主的区块编码方式，而采用DWT 、位平面编码和基于上下文的算术编码等一系列新技术，将图像编码的效率提高了30%左右，而且提供无损和有损两种压缩方式，支持渐进传输等功能。

此外，它还将JPEG 、JBIG 和JPEGLS 统一起来，成为各种图像的通用编码方式。

由于其功能强大，效率卓越，受到计算机界人士的广泛关注。

2 H.26x 标准2.1 H.261标准H.261标准是第一个基于运动补偿帧间预测和DCT 编码的国际图像压缩编码标准，也是几十年图像编码的成果的集中体现，许多技术都被后来制定的MPEG-1和MPEG-2等编码标准所借鉴、采用和提高。

它最初是作为N-ISDN （窄带综合业务数字网）上开展速率为p ×64kbit/s 的双向声像业务(可视电话、视频会议)而设计的，其中p=1～30，1990年12月最终完成和批准了H.261标准。

H.261标准主要使用帧间预测去除时间冗余度和DCT 变换编码去除空间冗余度的混合编码算法。

若前后两帧很相似，采用帧间方式，即进行帧间预测，并对预测误差进行二维DCT 处理；若采用帧内方式，即对每一帧进行帧内DCT 处理，但第一帧总是采用帧内方式。

2.2 H.263标准H.263标准是1995年ITU-T 为传输码率低于64kbit/s 的窄带通信信道制定的视频编码标准。

该标准是在H.261标准的基础上进行改进扩充而发展起来的，与H.261标准相比，运动补偿采用半像素精度预测，由双线性内插法实现，这与H.261标准提出的全像素精度和循环滤波器不同。

而且H.263标准增加了4种有效的压缩编码模式，分别是无限制的运动矢量模式、基于句法的算术编码模式、先进的预测模式和PB-帧模式。

ITU-T 在1995年发布H.263标准后，根据不同的应用需要，制定了短期开发计划H.26N 标准和长期开发计划H.26H 标准。

H.26N 标准发展成H.263+标准和H.263++标准。

H.26L 经过8年时间的发展，在2003年作为H.264标准进行发布。

1998年，ITU-T 修订发布了H.263+标准。

它在保证了原H.263标准的核心句法和语义不变的基础上，提供了13个新的可协商模式和其他特征，进一步提高了压缩编码性率，增强了应用的灵活性。

H ．263++标准在H.263+的基础上又增加了6个选项，主要是为了增强码流在恶劣信道上的抗误码性能，同时也是为了增强编码效率。

2.3 H.264标准H.264标准是最新一代视频编码压缩标准，由ITU-T/VCEG 及ISO/IEC/MPEG 的联合视频组(JVT)研究开发，其编码效率可比现有MPEG-4提高50%，是未来几年内视频编码技术研究的主要方向。

2003年3月公布了这一视频压缩标准的最终草案，此标准被称为ITU-T 的H.264协议或ISO/IEC 的MPEG4的高级视频编码部分。

H.264的编解码框架与以前提出的标准如H.261、H.263及MPEG-1/2/4并无显著变化，也是基于混合编码的方案，新标准的性能提升在于各个部分的技术方案的改进及新算法的应用。

H.264标准不仅是针对视频会议系统，而且涵盖了电视广播、网络流媒体、多媒体信息的数字存储、数字影院等各方面的应用。

3 MPEG-x 标准MPEG(Moving Picture Experts Group)成立于1988年，该小组的主要任务是制定用于数字存储媒介中活动图像及伴音的编码标准。

3.1 MPEG-1标准MPEG-1标准制定于1992年，标准的编号为图像压缩标准知多少电子科技/2004年7月15日63ISO/IEC 11172，标准的题目为“位率约为1.5Mbit/s 时，用于数字存储媒体的运动图像及其伴音编码设计”，成为日后欧洲VCD 的基础。

MPEG-1标准包括MPEG 视频、MPEG 音频和MPEG 系统3大部分，其中视频部分是MPEG-1标准的核心。

MPEG-1视频中主要使用帧内编码(I 帧、D 帧)和帧间编码(P 帧、B 帧)。

帧内编码包括DCT 、量化、游程编码和Haffman 编码。

帧间编码包括带运动补偿的预测法和插补法。

特别值得一提的是，MP3是MPEG-1 Audio Layer 3的简称，是压缩音频数据的国际标准，该标准是为了提高MPEG-1运动画面压缩标准中的音频压缩技术而设立的。

3.2 MPEG-2标准由于MPEG-1标准的图像质量达不到电视质量，而且不能处理隔行扫描等问题，因此，在MPEG-1的基础上，ISO 于1994年11月在新加坡会议上又通过了MPEG-2标准，标准号是IOS/IEC 13818。

它的基本理念和基本结构与MPEG-1完全相同，但是它允许数据率高达100Mbit/s 。

MPEG-2标准向下兼容MPEG-1标准，而1997年12月完成的MPEG-2AAC 标准(ISO/IEC 13818-7标准)与MPEG-1标准不兼容。

MPEG-2AAC 标准对于低比特率的多声道编码能提供相当高的声音质量，它的发展标志着标准化工作向着模块化方向演变的趋势。

3.3 MPEG-3标准MPEG-3最初是为支持HDTV 开发的压缩标准。

但是，随着MPEG-2标准的发展与完善， MPEG-3还没出世就被抛弃了。

3.4 MPEG-4标准MPEG-4标准是1999年12月通过的一个适应各种多媒体应用的“视听对象的编码”标准，国际标准号是ISO/IEC 14496。

MPEG-1、MPEG-2是将图像分割成方块处理的，而MPEG-4是基于图像内容的压缩编码方法，可以产生高压缩比效果。

它的设计思想是在超低带宽(10kbit/s到1Mbit/s)的条件下提供尽可能好的图像质量。

MPEG-4压缩编码主要包括3个步骤：(1) 从原视频流中分割出视频对象VO(Video Object)；(2) 对不同VO 的3类信息(运动信息、形状信息、纹理信息)分别独立编码，分配不同的码字；(3) 将各个VO 的码流复合成一个符合MPEG-4标准的比特流。

MPEG-4作为第一个有交互性的动态图像标准，更适于交互AV(Audio/Visual)服务以及远程监控。

从目前的情况看，MPEG-4将会在数字电视、动态图像、互联网、实时多媒体监控、移动多媒体通信、可视游戏、交互式多媒体应用等领域大显身手。

3.5 MPEG-7标准2001年制定完毕的MPEG-7作为MPEG 家庭中的新成员，其正式名称为“多媒体内容描述接口” (Multimedia Content Description Interface)，它将为各种类型的多媒体信息(包括静态图像、图形、3D 模型、声音、话音、电视以及这些组合在一起形成的合成信息)规定一种标准化的描述。

它力求能够快速且有效地检索出用户所需的不同类型的多媒体影像资料，比如在影像资料中检索有关神州五号遨游太空的片段。

3.6 MPEG-21标准MPEG-21的正式名称是多媒体框架，又称数字视听框架(Digital Audio-Visual Framework)。

制定MPEG-21标准的目的是：(1)将不同的协议、标准、技术等有机地融合在一起；(2)制定新的标准；(3)将这些不同的标准集成在一起。

MPEG-21标准其实就是一些关键技术的集成，不同于别的 MPEG 标准的是， MPEG-21 标准将从全面的消费者需求目录开始工作，而不是从压缩或描述技术的细节开始并逐渐发展的。