图像格式、容器和压缩标准
在数字图像领域,图像文件格式是一种组织和存储图像数据的标准方式。它定义了数据的排列方式以及使用的压缩类型(如果使用压缩)。图像容器类似于文件格式,但可以处理多种类型的图像数据(译注:可以存放多种文件格式的文件格式)。在另一方面,图像压缩标准定义了图像压缩和解压缩的程序(procedure)——即,减少表示一幅图像所需数据量。这些标准是图像压缩技术被广泛接受的基础。
图 8.6 列出了当今使用的最重要的图像压缩标准、文件格式和容器,并按处理的图像类型进行分组。蓝色条目表示由国际标准化组织 (ISO)、国际电工委员会 (IEC) 和/或国际电信联盟 (ITU-T)(一个联合国组织,前身为国际电话电报咨询委员会 (CCITT))批准的国际标准。图中还包括两个视频压缩标准:电影电视工程师协会 (SMPTE) 的 VC-1 标准和中国信息产业部 (MII) 的 AVS 标准。请注意,这两个标准以黑色显示,图 8.6 中用黑色表示未获得国际标准组织批准的条目。

译注:
Still Image——静态图像
Continuous Tone——连续色调
Binary——二值图像
-----------------------------图 8.6:一些常用的图像压缩标准、文件格式和容器。国际认可的标准以蓝色显示;其他标准以黑色显示。-----------------------------------
表 8.3 至 8.5 总结了图 8.6 中列出的标准、格式和容器。表中列出了负责制定标准的组织、目标应用以及关键压缩方法。压缩方法本身是第 8.2 至 8.11 节的主题,我们将在这些章节中描述目前使用的主要有损和无损压缩方法。这些章节重点介绍已在主流二值图像、连续色调静止图像和视频压缩标准中被证明有效的压缩方法。这些标准本身被用来演示所介绍的方法。在表 8.3 至 8.5 中,指向描述压缩方法的相应章节的交叉引用使用方括号括起来。
表 8.3 :国际认可的图像压缩标准。括号中的数字指的是本章中的章节。
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名称 |
组织 |
描述 |
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二值静态图像(bi-level still images) | ||
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CCITT Group 3 |
ITU-T |
该系统设计用于通过电话线传输二进制文档,采用传真(FAX)方式。支持一维和二维游程编码 [8.6] 以及霍夫曼编码 [8.2]。 |
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CCITT Group 4 |
ITU-T |
这是 CCITT Group 3 标准的简化版本,仅支持二维游程编码。 |
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JBIG 或 JBIG1 |
ISO/IEC/ITU-T |
一种由联合双层图像专家组制定的标准,用于对双层图像进行渐进式无损压缩。最多可对每像素 6 位的连续色调图像进行位平面编码 [8.8]。该标准采用上下文敏感算术编码 [8.4],并且可以通过添加额外的压缩数据逐步增强初始的低分辨率图像版本。 |
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JBIG2 |
ISO/IEC/ ITU-T |
它是 JBIG1 的后续版本,用于桌面、互联网和传真应用中的二值图像压缩。其压缩方法基于内容,对文本和半色调区域采用基于字典的方法 [8.7],对其他图像内容则采用霍夫曼编码 [8.2] 或算术编码 [8.4]。它可以是有损压缩,也可以是无损压缩。 |
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连续色调静态图像(Continuous-Tone Still Images) | ||
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JPEG |
ISO/IEC/ ITU-T |
JPEG(联合图像专家组)是一种用于高质量图像的标准。其有损基线编码系统(最常见的实现方式)使用对图像块进行量化离散余弦变换(DCT)[8.9]、Huffman[8.2]和游程编码[8.6]。它是互联网上最流行的图像压缩方法之一。 |
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JPEG-LS |
ISO/IEC/ ITU-T |
一种基于自适应预测[8.10]、上下文建模[8.4]和Golomb编码[8.3]的连续色调图像无损或接近无损压缩标准。 |
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JPEG-2000 |
ISO/IEC/ ITU-T |
这是 JPEG 的后续标准,用于进一步压缩高质量图像。该标准采用算术编码 [8.4] 和量化离散小波变换 (DWT) [8.11]。压缩可以是无损的,也可以是有损的。 |
表 8.4
国际认可的视频压缩标准。括号中的数字指的是本章中的相关章节。
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名称 |
组织 |
描述 |
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DV |
IEC |
数字视频。这是一种专为家庭和半专业视频制作应用及设备(例如电子新闻采集和摄像机)量身定制的视频标准。帧采用类似于 JPEG 的基于 DCT 的方法独立压缩,以便于编辑 [8.9]。 |
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H.261 |
ITU-T |
这是一种用于ISDN(综合业务数字网)线路的双向视频会议标准。它支持非隔行扫描的 352×288 和 176×144 分辨率图像,分别称为 CIF(通用中间格式)和 QCIF(四分之一CIF)。该标准采用类似于JPEG的基于离散余弦变换(DCT)的压缩方法[8.9],并使用帧间预测差分[8.10]来减少时间冗余。此外,还采用基于块的技术来补偿帧间的运动。 |
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H.262 |
ITU-T |
见下述 MPEG-2 |
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H.263 |
ITU-T |
H.261 的增强版本,专为普通电话调制解调器(例如 28.8 Kb/s)设计,并增加了以下分辨率:SQCIF (子四分之一(Sub-Quarter)CIF,128 * 96)、4CIF(704 * 576)和 16CIF(1408 * 512)。 |
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H.264 |
ITU-T |
它是 H.261–H.263 标准的扩展,用于视频会议、流媒体和电视。它支持帧内预测差分 [8.10]、可变块大小整数变换(而不是离散余弦变换)以及上下文自适应算术编码 [8.4]。 |
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H.265 MPEG-H HEVC |
ISO/IEC ITU-T |
高效视频编码 (HEVC)。它是 H.264 的扩展,支持高达 64*64 像素的宏块大小以及额外的帧内预测模式,这些特性对于 4K 视频应用都非常有用。 |
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MPEG-1 |
ISO/IEC |
一种用于CD-ROM应用的运动图像专家组标准,支持高达1.5 Mb/s的非隔行扫描视频。它类似于H.261标准,但帧预测可以基于前一帧、后一帧或两者的插值。几乎所有计算机和DVD播放器都支持该标准。 |
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MPEG-2 |
ISO/IEC |
MPEG-2 是 MPEG-1 的扩展版本,专为 DVD 设计,传输速率高达 15 Mb/s。它支持隔行扫描视频和高清电视 (HDTV)。它是迄今为止最成功的视频标准。 |
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MPEG-4 |
ISO/IEC |
MPEG-2 的一个扩展版本,支持帧内可变块大小和预测差分 [8.10]。 |
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MPEG-4 AVC |
ISO/IEC |
MPEG-4 第 10 部分高级视频编码 (AVC)。与 H.264 标准相同。 |
表 8.5:表 8.3 和表 8.4 中未包含的常用图像和视频压缩标准、文件格式和容器。括号中的数字指的是本章中的相关章节。(译注:以下数据,有的是视频文件格式,有的是视频编码标准,有的是图像容器,这种文件格式支持多种视频编码标准。JPEG 即指一种压缩标准,也指一种文件格式,后缀 *.jpg 或 *.jpeg 。 )
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名称 |
组织 |
描述 |
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连续色调静态图像(Continuous-Tone Still Images) | ||
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BMP |
微软 |
Windows 位图。一种主要用于存储简单未压缩图像的文件格式。 |
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GIF |
CompuServe |
图形交换格式(GIF)。一种文件格式,使用无损 LZW 编码 [8.5] 来处理 1 位到 8 位图像。它常用于制作用于互联网的小型动画和低分辨率短片。 |
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PDF(文档格&容器) |
Adobe Systems |
可移植文档格式(PDF)。一种以独立于设备和分辨率的方式表示二维文档的格式。它可以作为 JPEG、JPEG-2000、CCITT 和其他压缩图像的容器。某些 PDF 版本已成为 ISO 标准。 |
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PNG |
World Wide Web Consortium (W3C) |
便携式网络图形(PNG)。这是一种文件格式,它通过对每一个像素值与基于先前像素的预测值之间的差值进行编码,实现对带有透明度的全彩色图像(高达 48 位/像素)的无损压缩 [8.10]。 |
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TIFF(容器) |
Aldus |
标签图像文件格式(TIFF)。一种灵活的文件格式,支持多种图像压缩标准,包括 JPEG、JPEG-LS、JPEG-2000、JBIG2 等。 |
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WebP(容器) |
谷歌 |
WebP 支持有损压缩(通过 WebP VP8 帧内视频压缩,详见下)和无损压缩,无损压缩采用空间预测 [8.10]、LZW 反向引用的一种变体 [8.5] 和Huffman熵编码 [8.2]。此外,WebP 也支持透明度。 |
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视频 | ||
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AVS |
MII |
音视频标准。类似于 H.264,但使用指数哥伦布编码 [8.3]。由中国开发。 |
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HDV |
公司联合体 |
高清视频标准。它是DV格式的扩展,用于高清电视,采用类似于MPEG-2的压缩技术,包括通过预测差分去除时间冗余[8.10]。 |
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M-JPEG |
各种公司 |
运动 JPEG(Motion JPEG)。一种压缩格式,其中每一帧都使用 JPEG 格式独立压缩。 |
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Quick- Time(容器) |
苹果计算机 |
一种媒体容器,支持 DV、H.261、H.262、H.264、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 等视频压缩格式。 |
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VC-1 WMV9 |
SMPTE 微软 |
这是互联网上最常用的视频格式。已被用于高清和蓝光高清 DVD。它类似于 H.264/AVC,使用可变块大小的整数离散余弦变换(DCT)[8.9 和 8.10] 和上下文相关的变长编码表 [8.2],但不进行帧内预测。 |
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WebP VP8 |
谷歌 |
这是一种基于块变换编码的文件格式[8.9],它利用帧内和帧间预测的差值[8.10]。这些差值使用自适应算术编码器进行熵编码[8.4]。 |
内容来源:
《 Digital Image Processing 》4th. Rafael C.Gonzalez
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