做和常见的图像压缩技术及图像格式

常见的图像压缩技术及图像格式

１ 前言

位图原稿数字化后的数据量非常大，在硬盘上存储时颇占“地盘”，并给传输带来了很多不便，所以图像压缩得到了广泛的运用。压缩的目的就是满足存储容量和传输带宽的要求，而付出的代价是大量的计算。

图像压缩主要根据两个基本事实来实现。一是图像数据中有许多重复的数据，使用数学方法来表示这些重复数据就可以减少数据量；二是人的眼睛对图像细节和颜色的辨认有一个极限，把超过极限的部分去掉，也就达到了压缩数据的目的。利用前一个事实的压缩技术就是无损压缩技术，即压缩后的图像数据还原后与未压缩时严格相同，没有失真，如TIFF图像文件格式；利用后一个事实的压缩技术就是有损压缩技术，即压缩后的图像数据与未压缩时有所不同，但不影响人们对原始资料表达的信息造成误解，如JPEG图像文件格式。实际的图像压缩其实是综合使用各种有损和无损压缩技术来实现的。

从本质上看，无损压缩的方法可以删除一些重复数据，大大减少要在磁盘上保存的图像尺寸。但是，无损压缩的方法并不能减少图像的内存占用量，这是因为，当从磁盘上读取图像时，软件又会把丢失的像素用适当的颜色信息填充进来。如果要减少图像占用内存的容量，就必须使用有损压缩方法。无可否认，利用有损压缩技术可以大大地压缩图像的数据，但会影响图像质量，如果仅在屏幕上显示，对于人类眼睛的识别程度来说区别不大。可是，如果要把一副经过有损压缩技术处理过的图像用高分辨率打印出来或是印刷出来，那么图像质量就会有明显的受损痕迹。

２ 最常见的图像无损压缩技术

下面简单介绍目前用得最多和最成熟的无损压缩技术：RLE编码、LZW编码、霍夫曼编码等。

１） 行程长度编码（ＲＬＥ）

现实中有许多这样的图像：一幅图像中具有许多颜色相同的图块。在这些图块中，许多行上都具有相同的颜色，或者在一行上有许多连续的像素都具有相同的像素值。在这种情况下就不需要存储每一个像素的颜色值，而仅需存储一个像素的颜色值，以及具有相同颜色的像素数目就可以，或者存储一个像素的颜色值，以及具有相同颜色值的行数。这种压缩编码称为行程长度编码，常用RLE（run-length encoding，RLE）表示。

假如有一副灰度图像，第n行的像素值如图1。

用RLE编码方法得到的代码为：。这种方法实现起来很容易，而且对于具有长重复值的串的压缩编码很有效，例如计算机生成的图像和有大面积的连续阴影或者颜色相同的图像。然而对于颜色丰富的自然图像就显得力不从心，在同一行上具有相同颜色的往往很少，而连续几行都具有相同颜色值的连续行数就更少，如果仍然使用RLE编码压缩图像反而让数据量变得更大，不过这并不是说RLE编码方法不适用于自然图像的压缩，相反，在自然图像的压缩中还真少不了RLE，只不过是不能单纯使用RLE一种编码方法，而需要和其他的压缩编码技术联合使用。很多位图文件格式都用行程长度编码，例如TIFF、BMP、PCX、GEM等。

２）ＬＺＷ编码

这是三个系统中的保温层多为轻质多孔材料、剪力强度较低发明人名字的缩写（Lempel，Ziv，Welch），其原理是将图像数据的每一个字节的值都要与下一个字节的值配成一个字符对，并为每个字符对设定一个代码。当同样的一个字符对再度出现时，就用代号代替这一字符对，然后再以这个代号与下个字符配对，如图2所示。

LZW编码原理的一个重要特征是，代码不仅仅能取代一串同值的数据，也能够代替一串不同值的数据。在图像数据中若有某些不同值的数据经常重复出现，也能找到一个代号来取代这些数据串。在此方面，LZW压缩原理是优于RLE的。

３） 霍夫曼编码

霍夫曼编码（Huffman encoding）是通过用不固定长度的编码代替原始数据来实现的。霍夫曼编码最初是为了对文本文件进行压缩而建立的，迄今已经有很多变体。它的基本思路是图像数据中出现频率越高的值，其对应的编码长度越短，反之出现频率越低的值，其对应的编码长度越长。

霍夫曼编码很少能达到8∶1的压缩比，此外它还有以下两个不足：①它必须精确地统计出原始文件中每个值的出现频率，如果没有这个精确统计，压缩的效果就会大打折扣，甚至根本达不到压缩的效果。霍夫曼编码通常要经过两遍操作，第一遍进行统计，第二遍产生编码，所以编码的过程而更不断出现的新型复合材料如碳纤维也在带动全部复合材料的增长是比较慢的。②它对于位的增删比较敏感。由于霍夫曼编码的所有位都是合在一起的而不考虑字节分位，因此增加一位或者减少一位都会使译码结果面目全非。

４）ＺＩＰ编码

为PDF文件格式所支持。和LZW一样，ZIP压缩对于压缩包含大面积单色彩的图像是最有效的。

５）ＣＣＩＴＴ编码

是一种黑白图像无损压缩技术的系列，为TIFF、PDF和Postscript 语言文件格式所支持。CCITT是"国际电报咨询委员会"的法语拼写的缩写，是针对传真类应用而建立了一系列图像压缩标准，专用于压缩和传递二值图像。今天，我们在办公室或家里收发为终端市场如：交通、电子电器、医疗保健、电线电缆和包装服务传真时，使用的大多是 CCITT Group 3 压缩标准，一些基于数字络的传真设备和存放二值图像的 TIFF 文件则使用了 CCITT Group 4 压缩标准。

有损压缩技术有预测编码、子带编码、分形编码等，涉及的专业原理比较艰深，本文不再叙述。

３ 常见的图像压缩文件格式

１）ＲＡＷ

扩展名.raw。是一种无损压缩格式。是专业或准专业数码相机比较流行使用的一种图像存储格式，它的数据是没有经过电脑处理的原始文件，当上传到电脑之后，要用配套的图像软件阅览，可转成无损的TIFF格式，或压缩成JPEG格式。当然也可以通过下载安装插件的方式用PhotoShop软件来阅览或保存为其他文件格式。它的大小要比TIFF格式略小，如佳能EOS300D数码相机的RAW文件原始大小约为7M,用配套的软件可转换为TIFF或JPEG格式（如图3），解压TIFF文件后的大小在18M左右。

２）ＴＩＦＦ

TIFF(标记图像文件格式)是由Aldus和Microsoft公司为桌面出版系统研制开发的一种灵活的位图图像格式,用于应用程序之间和计算机平台之间交换文件，实际上已被所有绘画、图像和页面排版应用程序所支持,而且几乎所有桌面扫描仪都可以生成TIFF图像。TIFF支持多种编码方法，其中包括RGB无压缩、RLE压缩、LZW压缩及ZIP压缩等，如图4。TIFF6.0及以后的版本也可以引入其他有损压缩方法，如JPEG，即形成采用JPEG压缩的TIFF图像压缩文件，但不能被早期的图像处理软件所支持，在PhotoShop7.0版本中以JPEG压缩方式保存TIFF图像时，会出现警告，如图5。

３）ＪＰＥＧ

Joint Photographic Experts Group(联合图像专家组)的缩写，是一种有损压缩格式，广泛应用于页、光盘出版物、(3)装好自动绘图器的笔和纸家用数码相机等领域。当对图像的精度要求不高而存储空间又有限时，JPEG是一种理想的压缩方式。JPEG压缩技术十分先进，它用有损压缩方式去除冗余的图像数据，在获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像，换句话说，就是可以用最少的磁盘空间得到较好的图像品质。它能够将图像压缩在很小的储存空间，图像中重复或不重要的资料会被丢失，因此容易造成图像数据的损伤。尤其是使用过高的压缩比例，将使图像质量明显降低，如果追求高品质图像，不宜采用过高压缩比例。而且 JPEG是一种很灵活的格式，具有调节图像质量的功能，允许用不同的压缩比例对文件进行压缩，支持多种压缩级别，压缩比率通常在10：1到40：1之间，压缩比越大，品质就越低；可以在图像质量和文件尺寸之间找到平衡点。JPEG格式压缩的主要是高频信息，对色彩的信息保留较好，也普遍应用于需要连续色调的图像。

在 PhotoShop7.0软件中以JPEG格式储存图像时，提供13级压缩级别，以级表示，如图6。其中0级压缩比最高，图像品质最差。即使采用细节几乎无损的10级质量保存时，压缩比也可达 5：1。一般认为采用第8级压缩为存储空间与图像质量兼得的最佳比例。

JPEG 标准的最新进展是 1996 年开始制定，2001 年正式成为国际标准的 JPEG 2000 。与 JPEG 相比， JPEG 2000 作了大幅改进，在文件大小相同的情况下， JPEG 2000 压缩的图像比 JPEG 质量更高，其压缩率比JPEG高30%左右，精度损失更小。JPEG2000格式有一个极其重要的特征在于它能实现渐进传输，即先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图像质量，让图像由朦胧到清晰显示。此外，JPEG2000还支持所谓的"感兴趣区域"特性，可以任意指定影像上感兴趣区域的压缩质量，还可以选择指定的部分先解压缩。作为一个新标准， JPEG 2000 暂时还没有得到广泛的应用，不过包括数码相机制造商在内的许多企业都对其应用前景表示乐观， JPEG 2000 在图像压缩领域里大显身手的那一天应该不会特别遥远。

４）ＥＸＩＦ格式

EXIF的格式是1994年富士公司提倡的数码相机图像文件格式，其实与JPEG格式相同，区别是除保存图像数据外，还能够存储摄影日期、使用光圈、快门、闪光灯数据等曝光资料和附带信息以及小尺寸图像。

作 者： 杨晓刚

转载自：印刷世界