時(shí)間：2022-06-16 21:20:58
序論：在您撰寫(xiě)壓縮技術(shù)論文時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開(kāi)闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像；圖像壓縮；壓縮技術(shù)；任意形狀可視對(duì)象編碼
Abstract:Digitalimagecompressiontechnologyisofspecialintrestforthefasttransmissionandreal-timeprocesssingofdigitalimageinformationontheinternet.Thepaperintroducesseveralkindsofthemostimportantimagecompressionalgorithmsatpresent:JPEG,JPEG2000,fractalimagecompressionandwavelettransformationimagecompression,andsummarizestheiradvantageanddisadvantageanddevelopmentprospect.Thenitintroducessimplythepresentdevelopmentofcodingalgorithmsaboutarbitraryshapevideoobject,andindicatesthealgorithmshaveahighcompressionrate.
Keyword:Digitalimage;Imagecompression;Compresstechnique;Arbitraryshapevisibleobjectcode
一、引言
隨著多媒體技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，多媒體娛樂(lè)、信息高速公路等不斷對(duì)信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸提出了更高的要求，也給現(xiàn)有的有限帶寬以嚴(yán)峻的考驗(yàn)，特別是具有龐大數(shù)據(jù)量的數(shù)字圖像通信，更難以傳輸和存儲(chǔ)，極大地制約了圖像通信的發(fā)展，因此圖像壓縮技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。圖像壓縮的目的就是把原來(lái)較大的圖像用盡量少的字節(jié)表示和傳輸，并且要求復(fù)原圖像有較好的質(zhì)量。利用圖像壓縮，可以減輕圖像存儲(chǔ)和傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，使圖像在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)處理。
圖像壓縮編碼技術(shù)可以追溯到1948年提出的電視信號(hào)數(shù)字化，到今天已經(jīng)有50多年的歷史了[1]。在此期間出現(xiàn)了很多種圖像壓縮編碼方法，特別是到了80年代后期以后，由于小波變換理論，分形理論，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，視覺(jué)仿真理論的建立，圖像壓縮技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，其中分形圖像壓縮和小波圖像壓縮是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文對(duì)當(dāng)前最為廣泛使用的圖像壓縮算法進(jìn)行綜述，討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)以及發(fā)展前景。
二、JPEG壓縮
負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的“聯(lián)合圖片專家組”（JointPhotographicExpertGroup,簡(jiǎn)稱JPEG），于1989年1月形成了基于自適應(yīng)DCT的JPEG技術(shù)規(guī)范的第一個(gè)草案，其后多次修改，至1991年形成ISO10918國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案，并在一年后成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱JPEG標(biāo)準(zhǔn)。
1．JPEG壓縮原理及特點(diǎn)
JPEG算法中首先對(duì)圖像進(jìn)行分塊處理，一般分成互不重疊的大小的塊，再對(duì)每一塊進(jìn)行二維離散余弦變換（DCT）。變換后的系數(shù)基本不相關(guān)，且系數(shù)矩陣的能量集中在低頻區(qū)，根據(jù)量化表進(jìn)行量化，量化的結(jié)果保留了低頻部分的系數(shù)，去掉了高頻部分的系數(shù)。量化后的系數(shù)按zigzag掃描重新組織，然后進(jìn)行哈夫曼編碼。JPEG的特點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)：（1）形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；（2）具有中端和高端比特率上的良好圖像質(zhì)量。
缺點(diǎn)：（1）由于對(duì)圖像進(jìn)行分塊，在高壓縮比時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的方塊效應(yīng)；（2）系數(shù)進(jìn)行量化，是有損壓縮；（3）壓縮比不高，小于50[2]。
JPEG壓縮圖像出現(xiàn)方塊效應(yīng)的原因是：一般情況下圖像信號(hào)是高度非平穩(wěn)的，很難用Gauss過(guò)程來(lái)刻畫(huà)，并且圖像中的一些突變結(jié)構(gòu)例如邊緣信息遠(yuǎn)比圖像平穩(wěn)性重要，用余弦基作圖像信號(hào)的非線性逼近其結(jié)果不是最優(yōu)的[3]。
2．JPEG壓縮的研究狀況及其前景[2]
針對(duì)JPEG在高壓縮比情況下，產(chǎn)生方塊效應(yīng)，解壓圖像較差，近年來(lái)提出了不少改進(jìn)方法，最有效的是下面的兩種方法：
（1）DCT零樹(shù)編碼
DCT零樹(shù)編碼把DCT塊中的系數(shù)組成log2N個(gè)子帶，然后用零樹(shù)編碼方案進(jìn)行編碼。在相同壓縮比的情況下，其PSNR的值比EZW高。但在高壓縮比的情況下，方塊效應(yīng)仍是DCT零樹(shù)編碼的致命弱點(diǎn)。
（2）層式DCT零樹(shù)編碼
此算法對(duì)圖像作的DCT變換，將低頻塊集中起來(lái)，做反DCT變換；對(duì)新得到的圖像做相同變換，如此下去，直到滿足要求為止。然后對(duì)層式DCT變換及零樹(shù)排列過(guò)的系數(shù)進(jìn)行零樹(shù)編碼。
JPEG壓縮的一個(gè)最大問(wèn)題就是在高壓縮比時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的方塊效應(yīng)，因此在今后的研究中，應(yīng)重點(diǎn)解決DCT變換產(chǎn)生的方塊效應(yīng)，同時(shí)考慮與人眼視覺(jué)特性相結(jié)合進(jìn)行壓縮。
三、JEPG2000壓縮
JPEG2000是由ISO/IECJTCISC29標(biāo)準(zhǔn)化小組負(fù)責(zé)制定的全新靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)最大改進(jìn)是它采用小波變換代替了余弦變換。2000年3月的東京會(huì)議，確定了彩色靜態(tài)圖像的新一代編碼方式—JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的編碼算法。
1．JPEG2000壓縮原理及特點(diǎn)
JPEG2000編解碼系統(tǒng)的編碼器和解碼器的框圖如圖1所示[4]。
編碼過(guò)程主要分為以下幾個(gè)過(guò)程：預(yù)處理、核心處理和位流組織。預(yù)處理部分包括對(duì)圖像分片、直流電平（DC）位移和分量變換。核心處理部分由離散小波變換、量化和熵編碼組成。位流組織部分則包括區(qū)域劃分、碼塊、層和包的組織。
JPEG2000格式的圖像壓縮比，可在現(xiàn)在的JPEG基礎(chǔ)上再提高10%~30%，而且壓縮后的圖像顯得更加細(xì)膩平滑。對(duì)于目前的JPEG標(biāo)準(zhǔn)，在同一個(gè)壓縮碼流中不能同時(shí)提供有損和無(wú)損壓縮，而在JPEG2000系統(tǒng)中，通過(guò)選擇參數(shù)，能夠?qū)D像進(jìn)行有損和無(wú)損壓縮?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的JPEG圖像下載時(shí)是按“塊”傳輸?shù)模鳭PEG2000格式的圖像支持漸進(jìn)傳輸，這使用戶不必接收整個(gè)圖像的壓縮碼流。由于JPEG2000采用小波技術(shù)，可隨機(jī)獲取某些感興趣的圖像區(qū)域（ROI）的壓縮碼流，對(duì)壓縮的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、濾波等操作[4]。
圖1JPEG2000壓縮編碼與解壓縮的總體流程
2．JPEG2000壓縮的前景
JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)適用于各種圖像的壓縮編碼。其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)↖nternet、傳真、打印、遙感、移動(dòng)通信、醫(yī)療、數(shù)字圖書(shū)館和電子商務(wù)等[5]。JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)將成為21世紀(jì)的主流靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。
四、小波變換圖像壓縮
1．小波變換圖像壓縮原理
小波變換用于圖像編碼的基本思想就是把圖像根據(jù)Mallat塔式快速小波變換算法進(jìn)行多分辨率分解。其具體過(guò)程為：首先對(duì)圖像進(jìn)行多級(jí)小波分解，然后對(duì)每層的小波系數(shù)進(jìn)行量化，再對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行編碼。小波圖像壓縮是當(dāng)前圖像壓縮的熱點(diǎn)之一，已經(jīng)形成了基于小波變換的國(guó)際壓縮標(biāo)準(zhǔn)，如MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)，及如上所述的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)[2]。
2．小波變換圖像壓縮的發(fā)展現(xiàn)狀及前景
目前3個(gè)最高等級(jí)的小波圖像編碼分別是嵌入式小波零樹(shù)圖像編碼（EZW），分層樹(shù)中分配樣本圖像編碼（SPIHT）和可擴(kuò)展圖像壓縮編碼（EBCOT）。
（1）EZW編碼器[6]
1993年，Shapiro引入了小波“零樹(shù)”的概念，通過(guò)定義POS、NEG、IZ和ZTR四種符號(hào)進(jìn)行空間小波樹(shù)遞歸編碼，有效地剔除了對(duì)高頻系數(shù)的編碼，極大地提高了小波系數(shù)的編碼效率。此算法采用漸進(jìn)式量化和嵌入式編碼模式，算法復(fù)雜度低。EZW算法打破了信息處理領(lǐng)域長(zhǎng)期篤信的準(zhǔn)則：高效的壓縮編碼器必須通過(guò)高復(fù)雜度的算法才能獲得，因此EZW編碼器在數(shù)據(jù)壓縮史上具有里程碑意義。
（2）EBCOT編碼器[8]
優(yōu)化截?cái)帱c(diǎn)的嵌入塊編碼方法（EBCOT）首先將小波分解的每個(gè)子帶分成一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的碼塊，然后使用優(yōu)化的分層截?cái)嗨惴▽?duì)這些碼塊進(jìn)行編碼，產(chǎn)生壓縮碼流，結(jié)果圖像的壓縮碼流不僅具有SNR可擴(kuò)展而且具有分辨率可擴(kuò)展，還可以支持圖像的隨機(jī)存儲(chǔ)。比較而言，EBCOT算法的復(fù)雜度較EZW和SPIHT有所提高，其壓縮性能比SPIHT略有提高。
小波圖像壓縮被認(rèn)為是當(dāng)前最有發(fā)展前途的圖像壓縮算法之一。小波圖像壓縮的研究集中在對(duì)小波系數(shù)的編碼問(wèn)題上。在以后的工作中，應(yīng)充分考慮人眼視覺(jué)特性，進(jìn)一步提高壓縮比，改善圖像質(zhì)量。并且考慮將小波變換與其他壓縮方法相結(jié)合。例如與分形圖像壓縮相結(jié)合是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)[2]。
（3）SPIHT編碼器[7]
由Said和Pearlman提出的分層小波樹(shù)集合分割算法（SPIHT）則利用空間樹(shù)分層分割方法，有效地減小了比特面上編碼符號(hào)集的規(guī)模。同EZW相比，SPIHT算法構(gòu)造了兩種不同類型的空間零樹(shù)，更好地利用了小波系數(shù)的幅值衰減規(guī)律。同EZW編碼器一樣，SPIHT編碼器的算法復(fù)雜度低，產(chǎn)生的也是嵌入式比特流，但編碼器的性能較EZW有很大的提高。
五、分形圖像壓縮
1988年，Barnsley通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明分形圖像壓縮可以得到比經(jīng)典圖像編碼技術(shù)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的壓縮比。1990年，Barnsley的學(xué)生A.E.Jacquin提出局部迭代函數(shù)系統(tǒng)理論后，使分形用于圖像壓縮在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)實(shí)現(xiàn)成為可能。
1．分形圖像壓縮的原理
分形壓縮主要利用自相似的特點(diǎn)，通過(guò)迭代函數(shù)系統(tǒng)（IteratedFunctionSystem,IFS）實(shí)現(xiàn)。其理論基礎(chǔ)是迭代函數(shù)系統(tǒng)定理和拼貼定理。
分形圖像壓縮把原始圖像分割成若干個(gè)子圖像，然后每一個(gè)子圖像對(duì)應(yīng)一個(gè)迭代函數(shù)，子圖像以迭代函數(shù)存儲(chǔ)，迭代函數(shù)越簡(jiǎn)單，壓縮比也就越大。同樣解碼時(shí)只要調(diào)出每一個(gè)子圖像對(duì)應(yīng)的迭代函數(shù)反復(fù)迭代，就可以恢復(fù)出原來(lái)的子圖像，從而得到原始圖像[9]。
2．幾種主要分形圖像編碼技術(shù)[9]
隨著分形圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的算法被提出，基于分形的不同特征，可以分成以下幾種主要的分形圖像編碼方法。
（1）尺碼編碼方法
尺碼編碼方法是基于分形幾何中利用小尺度度量不規(guī)則曲線長(zhǎng)度的方法，類似于傳統(tǒng)的亞取樣和內(nèi)插方法，其主要不同之處在于尺度編碼方法中引入了分形的思想，尺度隨著圖像各個(gè)組成部分復(fù)雜性的不同而改變。
（2）迭代函數(shù)系統(tǒng)方法
迭代函數(shù)系統(tǒng)方法是目前研究最多、應(yīng)用最廣泛的一種分形壓縮技術(shù)，它是一種人機(jī)交互的拼貼技術(shù)，它基于自然界圖像中普遍存在的整體和局部自相關(guān)的特點(diǎn)，尋找這種自相關(guān)映射關(guān)系的表達(dá)式，即仿射變換，并通過(guò)存儲(chǔ)比原圖像數(shù)據(jù)量小的仿射系數(shù)，來(lái)達(dá)到壓縮的目的。如果尋得的仿射變換簡(jiǎn)單而有效，那么迭代函數(shù)系統(tǒng)就可以達(dá)到極高的壓縮比。
（3）A-E-Jacquin的分形方案
A-E-Jacquin的分形方案是一種全自動(dòng)的基于塊的分形圖像壓縮方案，它也是一個(gè)尋找映射關(guān)系的過(guò)程，但尋找的對(duì)象域是將圖像分割成塊之后的局部與局部的關(guān)系。在此方案中還有一部分冗余度可以去除，而且其解碼圖像中存在著明顯的方塊效應(yīng)。
3．分形圖像壓縮的前景[2]
雖然分形圖像壓縮在圖像壓縮領(lǐng)域還不占主導(dǎo)地位，但是分形圖像壓縮既考慮局部與局部，又考慮局部與整體的相關(guān)性，適合于自相似或自仿射的圖像壓縮，而自然界中存在大量的自相似或自仿射的幾何形狀，因此它的適用范圍很廣。
六、其它壓縮算法
除了以上幾種常用的圖像壓縮方法以外，還有：NNT（數(shù)論變換）壓縮、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓縮方法、Hibert掃描圖像壓縮方法、自適應(yīng)多相子帶壓縮方法等，在此不作贅述。下面簡(jiǎn)單介紹近年來(lái)任意形狀紋理編碼的幾種算法[10]~[13]。
（1）形狀自適應(yīng)DCT（SA-DCT）算法
SA-DCT把一個(gè)任意形狀可視對(duì)象分成的圖像塊，對(duì)每塊進(jìn)行DCT變換，它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)類似于形狀自適應(yīng)GilgeDCT[10][11]變換的有效變換，但它比GilgeDCT變換的復(fù)雜度要低?？墒?，SA-DCT也有缺點(diǎn)，它把像素推到與矩形邊框的一個(gè)側(cè)邊相平齊，因此一些空域相關(guān)性可能丟失，這樣再進(jìn)行列DCT變換，就有較大的失真了[11][14][15]。
（2）形狀自適應(yīng)離散小波變換（SA-DWT）
Li等人提出了一種新穎的任意形狀對(duì)象編碼，SA-DWT編碼[18]~[22]。這項(xiàng)技術(shù)包括SA-DWT和零樹(shù)熵編碼的擴(kuò)展（ZTE），以及嵌入式小波編碼（EZW）。SA-DWT的特點(diǎn)是：經(jīng)過(guò)SA-DWT之后的系數(shù)個(gè)數(shù)，同原任意形狀可視對(duì)象的像素個(gè)數(shù)相同；小波變換的空域相關(guān)性、區(qū)域?qū)傩砸约白訋еg的自相似性，在SA-DWT中都能很好表現(xiàn)出來(lái)；對(duì)于矩形區(qū)域，SA-DWT與傳統(tǒng)的小波變換一樣。SA-DWT編碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)被新的多媒體編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4的對(duì)于任意形狀靜態(tài)紋理的編碼所采用。
在今后的工作中，可以充分地利用人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像邊緣部分較敏感的特性，嘗試將圖像中感興趣的對(duì)象分割出來(lái)，對(duì)其邊緣部分、內(nèi)部紋理部分和對(duì)象之外的背景部分按不同的壓縮比進(jìn)行壓縮，這樣可以使壓縮圖像達(dá)到更大的壓縮比，更加便于傳輸。
（3）Egger方法
Egger等人[16][17]提出了一個(gè)應(yīng)用于任意形狀對(duì)象的小波變換方案。在此方案中，首先將可視對(duì)象的行像素推到與邊界框的右邊界相平齊的位置，然后對(duì)每行的有用像素進(jìn)行小波變換，接下來(lái)再進(jìn)行另一方向的小波變換。此方案，充分利用了小波變換的局域特性。然而這一方案也有它的問(wèn)題，例如可能引起重要的高頻部分同邊界部分合并，不能保證分布系數(shù)彼此之間有正確的相同相位，以及可能引起第二個(gè)方向小波分解的不連續(xù)等。
七、總結(jié)
圖像壓縮技術(shù)研究了幾十年，取得了很大的成績(jī)，但還有許多不足，值得我們進(jìn)一步研究。小波圖像壓縮和分形圖像壓縮是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但二者也有各自的缺點(diǎn)，在今后工作中，應(yīng)與人眼視覺(jué)特性相結(jié)合?？傊?，圖像壓縮是一個(gè)非常有發(fā)展前途的研究領(lǐng)域，這一領(lǐng)域的突破對(duì)于我們的信息生活和通信事業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。
參考文獻(xiàn)：
[1]田青.圖像壓縮技術(shù)[J].警察技術(shù),2002,(1)：30-31.
[2]張海燕,王東木等.圖像壓縮技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2002,14(7)：831-835.
[3]張宗平,劉貴忠.基于小波的視頻圖像壓縮研究進(jìn)展[J].電子學(xué)報(bào),2002,30(6)：883-889.
[4]周寧,湯曉軍,徐維樸.JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)及其關(guān)鍵算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2002,(12)：1-5.
[5]吳永輝,俞建新.JPEG2000圖像壓縮算法概述及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景[J].計(jì)算機(jī)工程,2003,29(3)：7-10.
[6]JMShaprio.Embeddedimagecodingusingzerotreeofwaveletcoefficients[J].IEEETrans.onSignalProcessing,1993,41(12):3445-3462.
[7]ASaid,WAPearlman.Anewfastandefficientimagecodecbasedonsetpartitioninginhierarchicaltrees[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsforVideoTech.1996,6(3):243-250.
[8]DTaubman.HighperformancescalableimagecompressionwithEBCOT[J].IEEETransactionsonImageProcessing,2000,9(7):1158–1170.
[9]徐林靜,孟利民,朱建軍.小波與分行在圖像壓縮中的比較及應(yīng)用.中國(guó)有線電視,2003,03/04：26-29.
[10]MGilge,TEngelhardt,RMehlan.Codingofarbitrarilyshapedimagesegmentsbasedonageneralizedorthogonaltransform[J].SignalProcessing:ImageCommun.,1989,1(10):153–180.
[11]TSikora,BMakai.Shape-adaptiveDCTforgenericcodingofvideo[J].IEEETrans.CircuitsSyst.VideoTechnol.,1995,5(1):59–62.
[12]TSikora,SBauer,BMakai.Efficiencyofshape-adaptive2-Dtransformsforcodingofarbitrarilyshapedimagesegments[J].IEEETrans.CircuitsSyst.VideoTechnol.,1995,5(3):254–258.
[13]EJensen,KRijk,etal.Codingofarbitrarilyshapedimagesegments[C].Proc.WorkshopImageAnalysisandSynthesisinImageCoding,Berlin,Germany,1994:E2.1–E2.4.
[14]MBi,SHOng,menton“Shape-adaptiveDCTforgenericcodingofvideo”[J].IEEETrans.CircuitsSyst.VideoTechnol.,1996,6(6):686–688.
[15]PKauff,KSchuur.Shape-adaptiveDCTwithblock-basedDCseparationandDeltaDCcorrection[J].IEEETrans.CircuitsSyst.VideoTechnol.,1998,8(3):237–242.
[16]OEgger,PFleury,TEbrahimi.Shape-adaptivewavelettransformforzerotreecoding[C].Proc.Eur.WorkshopImageAnalysisandCodingforTV,HDTVandMultimediaApplication,Rennes,France,1996:201–208.
[17]OEgger.Regionrepresentationusingnonlineartechniqueswithapplicationstoimageandvideocoding[D].Ph.D.dissertation,SwissFederalInstituteofTechnology(EPFL),Lausanne,Switzerland,1997.
[18]SLi,WLi,etal.Shapeadaptivevectorwaveletcodingofarbitrarilyshapedtexture[S].ISO/IECJTC/SC29/WG11,MPEG-96-m1027,1996.
[19]WLi,FLing,HSun.ReportoncoreexperimentO3(Shapeadaptivewaveletcodingofarbitrarilyshapedtexture)[S].ISO/IECJTC/SC29/WG11,MPEG-97-m2385,1997.
[20]SLi,WLi.Shapeadaptivediscretewavelettransformforcodingarbitrarilyshapedtexture[C].Proc.SPIEVCIP’97,1997,3024:1046–1056.
關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像；圖像壓縮；壓縮技術(shù)；任意形狀可視對(duì)象編碼
Abstract:Digitalimagecompressiontechnologyisofspecialintrestforthefasttransmissionandreal-timeprocesssingofdigitalimageinformationontheinternet.Thepaperintroducesseveralkindsofthemostimportantimagecompressionalgorithmsatpresent:JPEG,JPEG2000,fractalimagecompressionandwavelettransformationimagecompression,andsummarizestheiradvantageanddisadvantageanddevelopmentprospect.Thenitintroducessimplythepresentdevelopmentofcodingalgorithmsaboutarbitraryshapevideoobject,andindicatesthealgorithmshaveahighcompressionrate.
Keyword:Digitalimage;Imagecompression;Compresstechnique;Arbitraryshapevisibleobjectcode
一、引言
隨著多媒體技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，多媒體娛樂(lè)、信息高速公路等不斷對(duì)信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸提出了更高的要求，也給現(xiàn)有的有限帶寬以嚴(yán)峻的考驗(yàn)，特別是具有龐大數(shù)據(jù)量的數(shù)字圖像通信，更難以傳輸和存儲(chǔ)，極大地制約了圖像通信的發(fā)展，因此圖像壓縮技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。圖像壓縮的目的就是把原來(lái)較大的圖像用盡量少的字節(jié)表示和傳輸，并且要求復(fù)原圖像有較好的質(zhì)量。利用圖像壓縮，可以減輕圖像存儲(chǔ)和傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，使圖像在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)處理。
圖像壓縮編碼技術(shù)可以追溯到1948年提出的電視信號(hào)數(shù)字化，到今天已經(jīng)有50多年的歷史了[1]。在此期間出現(xiàn)了很多種圖像壓縮編碼方法，特別是到了80年代后期以后，由于小波變換理論，分形理論，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，視覺(jué)仿真理論的建立，圖像壓縮技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，其中分形圖像壓縮和小波圖像壓縮是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文對(duì)當(dāng)前最為廣泛使用的圖像壓縮算法進(jìn)行綜述，討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)以及發(fā)展前景。
二、JPEG壓縮
負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的“聯(lián)合圖片專家組”（JointPhotographicExpertGroup,簡(jiǎn)稱JPEG），于1989年1月形成了基于自適應(yīng)DCT的JPEG技術(shù)規(guī)范的第一個(gè)草案，其后多次修改，至1991年形成ISO10918國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案，并在一年后成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱JPEG標(biāo)準(zhǔn)。
1．JPEG壓縮原理及特點(diǎn)
JPEG算法中首先對(duì)圖像進(jìn)行分塊處理，一般分成互不重疊的大小的塊，再對(duì)每一塊進(jìn)行二維離散余弦變換（DCT）。變換后的系數(shù)基本不相關(guān)，且系數(shù)矩陣的能量集中在低頻區(qū)，根據(jù)量化表進(jìn)行量化，量化的結(jié)果保留了低頻部分的系數(shù)，去掉了高頻部分的系數(shù)。量化后的系數(shù)按zigzag掃描重新組織，然后進(jìn)行哈夫曼編碼。JPEG的特點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)：（1）形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；（2）具有中端和高端比特率上的良好圖像質(zhì)量。
缺點(diǎn)：（1）由于對(duì)圖像進(jìn)行分塊，在高壓縮比時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的方塊效應(yīng)；（2）系數(shù)進(jìn)行量化，是有損壓縮；（3）壓縮比不高，小于50[2]。
JPEG壓縮圖像出現(xiàn)方塊效應(yīng)的原因是：一般情況下圖像信號(hào)是高度非平穩(wěn)的，很難用Gauss過(guò)程來(lái)刻畫(huà)，并且圖像中的一些突變結(jié)構(gòu)例如邊緣信息遠(yuǎn)比圖像平穩(wěn)性重要，用余弦基作圖像信號(hào)的非線性逼近其結(jié)果不是最優(yōu)的[3]。
2．JPEG壓縮的研究狀況及其前景[2]
針對(duì)JPEG在高壓縮比情況下，產(chǎn)生方塊效應(yīng)，解壓圖像較差，近年來(lái)提出了不少改進(jìn)方法，最有效的是下面的兩種方法：
（1）DCT零樹(shù)編碼
DCT零樹(shù)編碼把DCT塊中的系數(shù)組成log2N個(gè)子帶，然后用零樹(shù)編碼方案進(jìn)行編碼。在相同壓縮比的情況下，其PSNR的值比EZW高。但在高壓縮比的情況下，方塊效應(yīng)仍是DCT零樹(shù)編碼的致命弱點(diǎn)。
（2）層式DCT零樹(shù)編碼
此算法對(duì)圖像作的DCT變換，將低頻塊集中起來(lái)，做反DCT變換；對(duì)新得到的圖像做相同變換，如此下去，直到滿足要求為止。然后對(duì)層式DCT變換及零樹(shù)排列過(guò)的系數(shù)進(jìn)行零樹(shù)編碼。
JPEG壓縮的一個(gè)最大問(wèn)題就是在高壓縮比時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的方塊效應(yīng)，因此在今后的研究中，應(yīng)重點(diǎn)解決DCT變換產(chǎn)生的方塊效應(yīng)，同時(shí)考慮與人眼視覺(jué)特性相結(jié)合進(jìn)行壓縮。
三、JEPG2000壓縮
JPEG2000是由ISO/IECJTCISC29標(biāo)準(zhǔn)化小組負(fù)責(zé)制定的全新靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)最大改進(jìn)是它采用小波變換代替了余弦變換。2000年3月的東京會(huì)議，確定了彩色靜態(tài)圖像的新一代編碼方式—JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的編碼算法。
1．JPEG2000壓縮原理及特點(diǎn)
JPEG2000編解碼系統(tǒng)的編碼器和解碼器的框圖如圖1所示[4]。
編碼過(guò)程主要分為以下幾個(gè)過(guò)程：預(yù)處理、核心處理和位流組織。預(yù)處理部分包括對(duì)圖像分片、直流電平（DC）位移和分量變換。核心處理部分由離散小波變換、量化和熵編碼組成。位流組織部分則包括區(qū)域劃分、碼塊、層和包的組織。
JPEG2000格式的圖像壓縮比，可在現(xiàn)在的JPEG基礎(chǔ)上再提高10%~30%，而且壓縮后的圖像顯得更加細(xì)膩平滑。對(duì)于目前的JPEG標(biāo)準(zhǔn)，在同一個(gè)壓縮碼流中不能同時(shí)提供有損和無(wú)損壓縮，而在JPEG2000系統(tǒng)中，通過(guò)選擇參數(shù)，能夠?qū)D像進(jìn)行有損和無(wú)損壓縮。現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的JPEG圖像下載時(shí)是按“塊”傳輸?shù)?，而JPEG2000格式的圖像支持漸進(jìn)傳輸，這使用戶不必接收整個(gè)圖像的壓縮碼流。由于JPEG2000采用小波技術(shù)，可隨機(jī)獲取某些感興趣的圖像區(qū)域（ROI）的壓縮碼流，對(duì)壓縮的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、濾波等操作[4]。
圖1JPEG2000壓縮編碼與解壓縮的總體流程
2．JPEG2000壓縮的前景
JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)適用于各種圖像的壓縮編碼。其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)↖nternet、傳真、打印、遙感、移動(dòng)通信、醫(yī)療、數(shù)字圖書(shū)館和電子商務(wù)等[5]。JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)將成為21世紀(jì)的主流靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。
四、小波變換圖像壓縮
1．小波變換圖像壓縮原理
小波變換用于圖像編碼的基本思想就是把圖像根據(jù)Mallat塔式快速小波變換算法進(jìn)行多分辨率分解。其具體過(guò)程為：首先對(duì)圖像進(jìn)行多級(jí)小波分解，然后對(duì)每層的小波系數(shù)進(jìn)行量化，再對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行編碼。小波圖像壓縮是當(dāng)前圖像壓縮的熱點(diǎn)之一，已經(jīng)形成了基于小波變換的國(guó)際壓縮標(biāo)準(zhǔn)，如MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)，及如上所述的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)[2]。
2．小波變換圖像壓縮的發(fā)展現(xiàn)狀及前景
目前3個(gè)最高等級(jí)的小波圖像編碼分別是嵌入式小波零樹(shù)圖像編碼（EZW），分層樹(shù)中分配樣本圖像編碼（SPIHT）和可擴(kuò)展圖像壓縮編碼（EBCOT）。
（1）EZW編碼器[6]
1993年，Shapiro引入了小波“零樹(shù)”的概念，通過(guò)定義POS、NEG、IZ和ZTR四種符號(hào)進(jìn)行空間小波樹(shù)遞歸編碼，有效地剔除了對(duì)高頻系數(shù)的編碼，極大地提高了小波系數(shù)的編碼效率。此算法采用漸進(jìn)式量化和嵌入式編碼模式，算法復(fù)雜度低。EZW算法打破了信息處理領(lǐng)域長(zhǎng)期篤信的準(zhǔn)則：高效的壓縮編碼器必須通過(guò)高復(fù)雜度的算法才能獲得，因此EZW編碼器在數(shù)據(jù)壓縮史上具有里程碑意義。
（2）EBCOT編碼器[8]
優(yōu)化截?cái)帱c(diǎn)的嵌入塊編碼方法（EBCOT）首先將小波分解的每個(gè)子帶分成一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的碼塊，然后使用優(yōu)化的分層截?cái)嗨惴▽?duì)這些碼塊進(jìn)行編碼，產(chǎn)生壓縮碼流，結(jié)果圖像的壓縮碼流不僅具有SNR可擴(kuò)展而且具有分辨率可擴(kuò)展，還可以支持圖像的隨機(jī)存儲(chǔ)。比較而言，EBCOT算法的復(fù)雜度較EZW和SPIHT有所提高，其壓縮性能比SPIHT略有提高。
小波圖像壓縮被認(rèn)為是當(dāng)前最有發(fā)展前途的圖像壓縮算法之一。小波圖像壓縮的研究集中在對(duì)小波系數(shù)的編碼問(wèn)題上。在以后的工作中，應(yīng)充分考慮人眼視覺(jué)特性，進(jìn)一步提高壓縮比，改善圖像質(zhì)量。并且考慮將小波變換與其他壓縮方法相結(jié)合。例如與分形圖像壓縮相結(jié)合是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)[2]。
（3）SPIHT編碼器[7]
由Said和Pearlman提出的分層小波樹(shù)集合分割算法（SPIHT）則利用空間樹(shù)分層分割方法，有效地減小了比特面上編碼符號(hào)集的規(guī)模。同EZW相比，SPIHT算法構(gòu)造了兩種不同類型的空間零樹(shù)，更好地利用了小波系數(shù)的幅值衰減規(guī)律。同EZW編碼器一樣，SPIHT編碼器的算法復(fù)雜度低，產(chǎn)生的也是嵌入式比特流，但編碼器的性能較EZW有很大的提高。
五、分形圖像壓縮
1988年，Barnsley通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明分形圖像壓縮可以得到比經(jīng)典圖像編碼技術(shù)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的壓縮比。1990年，Barnsley的學(xué)生A.E.Jacquin提出局部迭代函數(shù)系統(tǒng)理論后，使分形用于圖像壓縮在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)實(shí)現(xiàn)成為可能。
1．分形圖像壓縮的原理
分形壓縮主要利用自相似的特點(diǎn)，通過(guò)迭代函數(shù)系統(tǒng)（IteratedFunctionSystem,IFS）實(shí)現(xiàn)。其理論基礎(chǔ)是迭代函數(shù)系統(tǒng)定理和拼貼定理。
分形圖像壓縮把原始圖像分割成若干個(gè)子圖像，然后每一個(gè)子圖像對(duì)應(yīng)一個(gè)迭代函數(shù)，子圖像以迭代函數(shù)存儲(chǔ)，迭代函數(shù)越簡(jiǎn)單，壓縮比也就越大。同樣解碼時(shí)只要調(diào)出每一個(gè)子圖像對(duì)應(yīng)的迭代函數(shù)反復(fù)迭代，就可以恢復(fù)出原來(lái)的子圖像，從而得到原始圖像[9]。
2．幾種主要分形圖像編碼技術(shù)[9]
隨著分形圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的算法被提出，基于分形的不同特征，可以分成以下幾種主要的分形圖像編碼方法。
（1）尺碼編碼方法
尺碼編碼方法是基于分形幾何中利用小尺度度量不規(guī)則曲線長(zhǎng)度的方法，類似于傳統(tǒng)的亞取樣和內(nèi)插方法，其主要不同之處在于尺度編碼方法中引入了分形的思想，尺度隨著圖像各個(gè)組成部分復(fù)雜性的不同而改變。
（2）迭代函數(shù)系統(tǒng)方法
迭代函數(shù)系統(tǒng)方法是目前研究最多、應(yīng)用最廣泛的一種分形壓縮技術(shù)，它是一種人機(jī)交互的拼貼技術(shù)，它基于自然界圖像中普遍存在的整體和局部自相關(guān)的特點(diǎn)，尋找這種自相關(guān)映射關(guān)系的表達(dá)式，即仿射變換，并通過(guò)存儲(chǔ)比原圖像數(shù)據(jù)量小的仿射系數(shù)，來(lái)達(dá)到壓縮的目的。如果尋得的仿射變換簡(jiǎn)單而有效，那么迭代函數(shù)系統(tǒng)就可以達(dá)到極高的壓縮比。
（3）A-E-Jacquin的分形方案
A-E-Jacquin的分形方案是一種全自動(dòng)的基于塊的分形圖像壓縮方案，它也是一個(gè)尋找映射關(guān)系的過(guò)程，但尋找的對(duì)象域是將圖像分割成塊之后的局部與局部的關(guān)系。在此方案中還有一部分冗余度可以去除，而且其解碼圖像中存在著明顯的方塊效應(yīng)。
3．分形圖像壓縮的前景[2]
雖然分形圖像壓縮在圖像壓縮領(lǐng)域還不占主導(dǎo)地位，但是分形圖像壓縮既考慮局部與局部，又考慮局部與整體的相關(guān)性，適合于自相似或自仿射的圖像壓縮，而自然界中存在大量的自相似或自仿射的幾何形狀，因此它的適用范圍很廣。
六、其它壓縮算法
除了以上幾種常用的圖像壓縮方法以外，還有：NNT（數(shù)論變換）壓縮、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓縮方法、Hibert掃描圖像壓縮方法、自適應(yīng)多相子帶壓縮方法等，在此不作贅述。下面簡(jiǎn)單介紹近年來(lái)任意形狀紋理編碼的幾種算法[10]~[13]。
（1）形狀自適應(yīng)DCT（SA-DCT）算法
SA-DCT把一個(gè)任意形狀可視對(duì)象分成的圖像塊，對(duì)每塊進(jìn)行DCT變換，它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)類似于形狀自適應(yīng)GilgeDCT[10][11]變換的有效變換，但它比GilgeDCT變換的復(fù)雜度要低?？墒?，SA-DCT也有缺點(diǎn)，它把像素推到與矩形邊框的一個(gè)側(cè)邊相平齊，因此一些空域相關(guān)性可能丟失，這樣再進(jìn)行列DCT變換，就有較大的失真了[11][14][15]。
（2）形狀自適應(yīng)離散小波變換（SA-DWT）
Li等人提出了一種新穎的任意形狀對(duì)象編碼，SA-DWT編碼[18]~[22]。這項(xiàng)技術(shù)包括SA-DWT和零樹(shù)熵編碼的擴(kuò)展（ZTE），以及嵌入式小波編碼（EZW）。SA-DWT的特點(diǎn)是：經(jīng)過(guò)SA-DWT之后的系數(shù)個(gè)數(shù)，同原任意形狀可視對(duì)象的像素個(gè)數(shù)相同；小波變換的空域相關(guān)性、區(qū)域?qū)傩砸约白訋еg的自相似性，在SA-DWT中都能很好表現(xiàn)出來(lái)；對(duì)于矩形區(qū)域，SA-DWT與傳統(tǒng)的小波變換一樣。SA-DWT編碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)被新的多媒體編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4的對(duì)于任意形狀靜態(tài)紋理的編碼所采用。
在今后的工作中，可以充分地利用人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像邊緣部分較敏感的特性，嘗試將圖像中感興趣的對(duì)象分割出來(lái)，對(duì)其邊緣部分、內(nèi)部紋理部分和對(duì)象之外的背景部分按不同的壓縮比進(jìn)行壓縮，這樣可以使壓縮圖像達(dá)到更大的壓縮比，更加便于傳輸。
（3）Egger方法
Egger等人[16][17]提出了一個(gè)應(yīng)用于任意形狀對(duì)象的小波變換方案。在此方案中，首先將可視對(duì)象的行像素推到與邊界框的右邊界相平齊的位置，然后對(duì)每行的有用像素進(jìn)行小波變換，接下來(lái)再進(jìn)行另一方向的小波變換。此方案，充分利用了小波變換的局域特性。然而這一方案也有它的問(wèn)題，例如可能引起重要的高頻部分同邊界部分合并，不能保證分布系數(shù)彼此之間有正確的相同相位，以及可能引起第二個(gè)方向小波分解的不連續(xù)等。
七、總結(jié)
圖像壓縮技術(shù)研究了幾十年，取得了很大的成績(jī)，但還有許多不足，值得我們進(jìn)一步研究。小波圖像壓縮和分形圖像壓縮是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但二者也有各自的缺點(diǎn)，在今后工作中，應(yīng)與人眼視覺(jué)特性相結(jié)合?？傊?，圖像壓縮是一個(gè)非常有發(fā)展前途的研究領(lǐng)域，這一領(lǐng)域的突破對(duì)于我們的信息生活和通信事業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。
參考文獻(xiàn)：
[1]田青.圖像壓縮技術(shù)[J].警察技術(shù),2002,(1)：30-31.
[2]張海燕,王東木等.圖像壓縮技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2002,14(7)：831-835.
[3]張宗平,劉貴忠.基于小波的視頻圖像壓縮研究進(jìn)展[J].電子學(xué)報(bào),2002,30(6)：883-889.
[4]周寧,湯曉軍,徐維樸.JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)及其關(guān)鍵算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2002,(12)：1-5.
[5]吳永輝,俞建新.JPEG2000圖像壓縮算法概述及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景[J].計(jì)算機(jī)工程,2003,29(3)：7-10.
[6]JMShaprio.Embeddedimagecodingusingzerotreeofwaveletcoefficients[J].IEEETrans.onSignalProcessing,1993,41(12):3445-3462.
[7]ASaid,WAPearlman.Anewfastandefficientimagecodecbasedonsetpartitioninginhierarchicaltrees[J].IEEETrans.onCircuitsandSystemsforVideoTech.1996,6(3):243-250.
[8]DTaubman.HighperformancescalableimagecompressionwithEBCOT[J].IEEETransactionsonImageProcessing,2000,9(7):1158–1170.
[9]徐林靜,孟利民,朱建軍.小波與分行在圖像壓縮中的比較及應(yīng)用.中國(guó)有線電視,2003,03/04：26-29.
[10]MGilge,TEngelhardt,RMehlan.Codingofarbitrarilyshapedimagesegmentsbasedonageneralizedorthogonaltransform[J].SignalProcessing:ImageCommun.,1989,1(10):153–180.
[11]TSikora,BMakai.Shape-adaptiveDCTforgenericcodingofvideo[J].IEEETrans.CircuitsSyst.VideoTechnol.,1995,5(1):59–62.
[12]TSikora,SBauer,BMakai.Efficiencyofshape-adaptive2-Dtransformsforcodingofarbitrarilyshapedimagesegments[J].IEEETrans.CircuitsSyst.VideoTechnol.,1995,5(3):254–258.
[13]EJensen,KRijk,etal.Codingofarbitrarilyshapedimagesegments[C].Proc.WorkshopImageAnalysisandSynthesisinImageCoding,Berlin,Germany,1994:E2.1–E2.4.
[14]MBi,SHOng,menton“Shape-adaptiveDCTforgenericcodingofvideo”[J].IEEETrans.CircuitsSyst.VideoTechnol.,1996,6(6):686–688.
[15]PKauff,KSchuur.Shape-adaptiveDCTwithblock-basedDCseparationandDeltaDCcorrection[J].IEEETrans.CircuitsSyst.VideoTechnol.,1998,8(3):237–242.
[16]OEgger,PFleury,TEbrahimi.Shape-adaptivewavelettransformforzerotreecoding[C].Proc.Eur.WorkshopImageAnalysisandCodingforTV,HDTVandMultimediaApplication,Rennes,France,1996:201–208.
[17]OEgger.Regionrepresentationusingnonlineartechniqueswithapplicationstoimageandvideocoding[D].Ph.D.dissertation,SwissFederalInstituteofTechnology(EPFL),Lausanne,Switzerland,1997.
[18]SLi,WLi,etal.Shapeadaptivevectorwaveletcodingofarbitrarilyshapedtexture[S].ISO/IECJTC/SC29/WG11,MPEG-96-m1027,1996.
[19]WLi,FLing,HSun.ReportoncoreexperimentO3(Shapeadaptivewaveletcodingofarbitrarilyshapedtexture)[S].ISO/IECJTC/SC29/WG11,MPEG-97-m2385,1997.
[20]SLi,WLi.Shapeadaptivediscretewavelettransformforcodingarbitrarilyshapedtexture[C].Proc.SPIEVCIP’97,1997,3024:1046–1056.
1．1Huffman編碼
哈夫曼編碼是無(wú)損壓縮當(dāng)中最好的方法。它使用預(yù)先二進(jìn)制描述來(lái)替換每個(gè)符號(hào)，長(zhǎng)度由特殊符號(hào)出現(xiàn)的頻率決定?；镜脑硎菫槊總€(gè)符號(hào)找到新的二進(jìn)制表示，從而通常符號(hào)使用很少的位，不常見(jiàn)的符號(hào)使用較多的位。
1．2LZW壓縮算法
LZW是Lempel—Ziv—Welch的縮寫(xiě)，主要用于圖像數(shù)據(jù)壓縮．對(duì)于簡(jiǎn)滑圖像且噪聲小的信號(hào)源具有較高的壓縮比，并且其壓縮和解壓縮速度也比較快。
1．3算數(shù)編碼
Huffman編碼解決的是整數(shù)位編碼問(wèn)題，而這一點(diǎn)有時(shí)可能成為一個(gè)問(wèn)題。例如，如果一個(gè)字符的概率是1/3，則編碼該字符的最優(yōu)位數(shù)是1.6位左右但Huffman編碼卻必須給代碼指定1位或2位，而無(wú)論哪一種選擇都將導(dǎo)致比理論上可能的長(zhǎng)度更長(zhǎng)的壓縮信息。
1．4PPM數(shù)據(jù)解壓縮算法
PPM(PredictionbyPartialMatching)是一種上下文統(tǒng)計(jì)模型技術(shù)。它根據(jù)輸入字符串中一定長(zhǎng)度的上下文后面字符出現(xiàn)的次數(shù)，得出每個(gè)上下文的預(yù)測(cè)概率，然后利用多個(gè)上下文模型來(lái)得出輸入字符出現(xiàn)的概率，最后根據(jù)該概率用算術(shù)編碼對(duì)該字符進(jìn)行編碼。根據(jù)最近輸入的字符，來(lái)預(yù)測(cè)即將輸入的下一個(gè)字符，可以達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。PPM就是利用了這種方法。利用最近輸入的幾個(gè)字符(叫做上下文模型)，來(lái)預(yù)測(cè)下一個(gè)字符。其中，上下文模型的長(zhǎng)度k可以從0到已輸入字符的最大長(zhǎng)度k不等。對(duì)于k長(zhǎng)度的上下文模型來(lái)說(shuō)，首先要計(jì)算在已輸入字符串中，每個(gè)k長(zhǎng)度的子串后面不同的字符出現(xiàn)的次數(shù)，然后可以得到該上下文模型的預(yù)測(cè)概率。預(yù)測(cè)概率主要用于計(jì)算在該上下文模型后面輸入字符出現(xiàn)的概率，以便于用算術(shù)編碼對(duì)該字字符進(jìn)行編碼。這樣每個(gè)不同長(zhǎng)度的上下文模型可以得到相應(yīng)的預(yù)測(cè)概率。因?yàn)槊總€(gè)模型具有不同的k值。在計(jì)算輸入字符出現(xiàn)的概率時(shí)，一般都是從最長(zhǎng)的模型開(kāi)始的。對(duì)于某個(gè)k長(zhǎng)度的模型來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸入的字符已經(jīng)被該上下文模型預(yù)測(cè)出時(shí)，該輸入字符出現(xiàn)的概率就是預(yù)測(cè)概率。而當(dāng)一個(gè)新字符，也就是說(shuō)該上下文模型不能預(yù)測(cè)出的字符出現(xiàn)時(shí)，輸入字符出現(xiàn)的概率就無(wú)法得到，也就不能對(duì)該字符進(jìn)行編碼。這時(shí)，就需要用到”跳轉(zhuǎn)”(Esc)概率將不同長(zhǎng)度上下文模型各自的預(yù)測(cè)概率聯(lián)系起來(lái)?！碧D(zhuǎn)”概率就可以將模型從k跳f,lk一1，看k一1長(zhǎng)度的模型能不能預(yù)測(cè)出該字符。如果可以，該字符的概率就是”跳轉(zhuǎn)”概率k一1模型的預(yù)測(cè)概率；如果不能，”跳轉(zhuǎn)”過(guò)程將一直進(jìn)行直到某個(gè)模型可以預(yù)測(cè)出該字符。有了”跳轉(zhuǎn)”機(jī)制以后，某個(gè)字符的預(yù)測(cè)概率就由可以預(yù)測(cè)出該字符模型和它以前的所有模型中的”跳轉(zhuǎn)”概率來(lái)決定。為了保證無(wú)論出現(xiàn)什么字符，最后”跳轉(zhuǎn)”過(guò)程都能結(jié)束，最低長(zhǎng)度的模型中必須包括字母表中所有的字符。根據(jù)計(jì)算”跳轉(zhuǎn)”概率的方法不同，PPM算法有很多類型，有A，B，C，D，P等形式。
2．詞庫(kù)壓縮程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
2．1選擇PPMD算法為詞庫(kù)解壓縮算法的依據(jù)
根據(jù)計(jì)算”逃避”或“跳轉(zhuǎn)”概率的方法不同，PPM算法有很多類型，有A，B，C，D，P等形式。PPMD算法在運(yùn)行時(shí)，對(duì)內(nèi)存的要求不是特別高，運(yùn)行速度比較快。PPMD算法的階數(shù)可以取1-16的階數(shù)。當(dāng)階數(shù)落在2-3范圍時(shí)的壓縮率跟ZIP，BZIP2可比較，階數(shù)在4-6范圍之內(nèi)時(shí)，壓縮率比ZIP,BZIP2快，而且運(yùn)行速度比ZIP,BZIP2快。在高階數(shù)范圍8-16之內(nèi)時(shí)，PPMD算法各方面的表現(xiàn)極為突出。因此，在此系統(tǒng)的詞庫(kù)壓縮程序中使用了PPMD算法，并且把階數(shù)選為16。2．2詞庫(kù)壓縮程序的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)詞庫(kù)壓縮程序思路：使用Dao技術(shù)操作數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)用戶選擇某數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，首先檢查次數(shù)據(jù)庫(kù)是否包含名稱為DictTag和Tags的兩個(gè)數(shù)據(jù)表。當(dāng)用戶選擇某個(gè)數(shù)據(jù)表時(shí)檢查該表是否符合壓縮程序的要求。若不符合，則提示給用戶。選擇好壓縮的數(shù)據(jù)表之后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在分析過(guò)程中主要完成單詞和解釋字符串的長(zhǎng)度，寫(xiě)入壓縮文件時(shí)使用的數(shù)據(jù)包編號(hào)的計(jì)算等。壓縮后的詞庫(kù)的名稱填寫(xiě)，源語(yǔ)言和目標(biāo)語(yǔ)言的選擇，排序規(guī)則的選擇等。其中，排序表必須為Excel文件，而且表的結(jié)構(gòu)也要符合規(guī)定。生成詞庫(kù)文件時(shí)，首先讀取單詞和單詞的長(zhǎng)度和解釋的長(zhǎng)度，先把這些寫(xiě)入文件，然后再把單詞解釋部分壓縮后寫(xiě)入詞庫(kù)文件。
如何利用先進(jìn)技術(shù)解決空壓機(jī)組運(yùn)行中存在的不足，成為亟待解決的問(wèn)題。具體改造思路如下：（1）將空壓機(jī)的人工操作改為計(jì)算機(jī)操作。（2）利用當(dāng)前成功的電控技術(shù)開(kāi)發(fā)研制螺桿式空氣壓縮機(jī)組聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)組的集中控制；各臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)24h實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)異常即報(bào)警。（3）利用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓力穩(wěn)定、恒壓供風(fēng)，達(dá)到節(jié)約電能的目的。（4）1臺(tái)變頻器經(jīng)過(guò)切換可拖動(dòng)4臺(tái)空壓機(jī)，節(jié)約投資。（5）在完善空氣壓縮機(jī)組電控的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)房車(chē)間無(wú)人值守，安全管理上做到“無(wú)人則安、少人則安”。（6）應(yīng)用集中控制與變頻控制技術(shù)，消除空壓機(jī)卸荷狀態(tài)的空載運(yùn)行時(shí)間、減少空壓機(jī)啟動(dòng)次數(shù)，達(dá)到節(jié)能、降低對(duì)設(shè)備沖擊的目的。
2技術(shù)改造實(shí)施方案
空壓機(jī)組控制系統(tǒng)如圖1所示，包括工控機(jī)（上位機(jī)）系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)（集控柜）、壓力、溫度傳感器、高壓變頻控制系統(tǒng)、高壓切換系統(tǒng)等。（1）新建集中控制系統(tǒng)，在空壓機(jī)房安裝集中控制柜、監(jiān)視操作用工控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）。其主要完成空氣壓縮機(jī)組遠(yuǎn)程參數(shù)的監(jiān)視、控制、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)曲線、歷史報(bào)表查詢及其他數(shù)據(jù)的處理等功能。選用ACS4000型集控柜：由電源開(kāi)關(guān)及熔斷器、觸摸顯示屏、PLC控制器、輸出繼電器、24V直流電源、通訊轉(zhuǎn)換模塊、指示及報(bào)警裝置等組成。高壓變頻器、高壓?jiǎn)?dòng)柜、空氣壓縮機(jī)與集控柜通訊模塊通過(guò)通訊電纜進(jìn)行通訊，將空壓機(jī)運(yùn)行、變頻器運(yùn)行參數(shù)、高壓?jiǎn)?dòng)柜電壓、電流、儲(chǔ)氣罐溫度傳輸?shù)郊毓襁M(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示。根據(jù)運(yùn)算數(shù)據(jù)控制空壓機(jī)與變頻器運(yùn)行。運(yùn)行狀況及各種參數(shù)、數(shù)據(jù)在上位機(jī)上顯示。（2）在主供風(fēng)管路上安裝壓力變送器。主要是檢測(cè)供風(fēng)出口壓力并把壓力信號(hào)傳輸給集控柜PLC，PLC運(yùn)算后根據(jù)總管壓力和空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能地控制變頻器的運(yùn)行頻率，從而達(dá)到根據(jù)設(shè)定壓力范圍來(lái)控制空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的目的。（3）增設(shè)高壓變頻器，控制空壓機(jī)在需要的工況下運(yùn)行。（4）增設(shè)高壓切換柜，如圖2所示，內(nèi)裝4臺(tái)高壓真空接觸器，與空氣壓縮機(jī)高壓?jiǎn)?dòng)柜一一對(duì)應(yīng)，并相互閉鎖，達(dá)到有選擇性地控制空壓機(jī)在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的目的。（5）空壓機(jī)組控制。1）每臺(tái)空壓機(jī)啟動(dòng)、停止、變頻狀態(tài)下運(yùn)行均由PLC控制，PLC內(nèi)設(shè)空壓機(jī)運(yùn)行程序。2）工作方式設(shè)定為5種：就地啟動(dòng)／停止、遠(yuǎn)程啟動(dòng)／停止、緊急停機(jī)、聯(lián)機(jī)控制、單臺(tái)控制。3）風(fēng)壓設(shè)定：5．5～6．2kg／cm2；空壓機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的60％～100％。4）空壓機(jī)啟動(dòng)停止全部由PLC程序控制。空壓機(jī)運(yùn)行規(guī)定，連續(xù)運(yùn)行不得超過(guò)72h，按照空壓機(jī)編號(hào)設(shè)定主機(jī)1、主機(jī)2、主機(jī)3、主機(jī)4，程序控制每72h更換一次主機(jī)，輔機(jī)每24h更換一次。主機(jī)、輔機(jī)分別在工頻、變頻狀態(tài)下運(yùn)行。變頻頻率達(dá)到50Hz、10min內(nèi)風(fēng)壓達(dá)不到設(shè)定值，該臺(tái)空壓機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)第3臺(tái)空壓機(jī)變頻運(yùn)行，以控制風(fēng)壓穩(wěn)定?？諌簷C(jī)變頻方式運(yùn)行頻率30Hz及以下達(dá)10min以上時(shí)，該臺(tái)空壓機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行，同時(shí)原輔機(jī)或主機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)為變頻方式運(yùn)行。
3技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新點(diǎn)
（1）工頻、變頻狀態(tài)下空壓機(jī)運(yùn)行曲線的智能擬合。（2）ACS400集控系統(tǒng)、高壓變頻的配合控制。（3）變頻方式與工頻方式轉(zhuǎn)換控制。（4）主機(jī)、輔機(jī)按時(shí)切換控制。
4經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益分析
2011年1月系統(tǒng)改造完成并投入工業(yè)性運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)空壓機(jī)組聯(lián)動(dòng)控制，運(yùn)行狀況良好。（1）節(jié)能降耗效果顯著：通過(guò)實(shí)際測(cè)定，技術(shù)改造后比原運(yùn)行方式節(jié)能13％～15％，年節(jié)電耗43．2萬(wàn)kW•h，約21．6萬(wàn)元，節(jié)能效果明顯。（2）實(shí)現(xiàn)了大型設(shè)備車(chē)間真正無(wú)人值守。機(jī)組自動(dòng)24h穩(wěn)定高效運(yùn)行，減少操作人員9人，年可節(jié)約人工費(fèi)用54萬(wàn)元。（3）穩(wěn)定的壓力輸出，減少了對(duì)生產(chǎn)的影響，為礦井安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。（4）維護(hù)量小，運(yùn)行效率高。集控系統(tǒng)及變頻的投入運(yùn)行減少了空壓機(jī)配件的磨損，延長(zhǎng)了電機(jī)及空壓機(jī)的使用壽命，年可維修及配件費(fèi)用可減少10余萬(wàn)元。（5）實(shí)時(shí)設(shè)備運(yùn)行狀況，便于人員觀察和及時(shí)掌握，發(fā)生異常及時(shí)處理，避免機(jī)械事故的發(fā)生。（6）采用變頻控制，實(shí)測(cè)減少噪聲15dB，減少噪聲污染。
5結(jié)語(yǔ)
關(guān)鍵詞：數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)數(shù)控改造
一、引言
液壓控制技術(shù)是以流體力學(xué)、液壓傳動(dòng)和液力傳動(dòng)為基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論、模糊控制理論，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成傳感器技術(shù)應(yīng)用到液壓技術(shù)和電子技術(shù)中，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械工程自動(dòng)化或生產(chǎn)現(xiàn)代化而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)技術(shù)，它廣泛的應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，在農(nóng)業(yè)、化工、輕紡、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造中都有廣泛的應(yīng)用，尤其在高、新、尖裝備中更為突出。隨著機(jī)電一體化的進(jìn)程不斷加快，技術(shù)裝各的工作精度、響應(yīng)速度和自動(dòng)化程度的要求不斷提高，對(duì)液壓控制技術(shù)的要求也越來(lái)越高，文章基于此，首先分析了液壓伺服控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，并進(jìn)一步探討了液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)和改造方向。
二、液壓伺服控制系統(tǒng)原理
目前以高壓液體作為驅(qū)動(dòng)源的伺服系統(tǒng)在各行各業(yè)應(yīng)用十分的廣泛，液壓伺服控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的速度位移及力控制，驅(qū)動(dòng)力、力矩和功率大，尺寸小重量輕，加速性能好，響應(yīng)速度快，控制精度高，穩(wěn)定性容易保證等。
液壓伺服控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)：(1)在系統(tǒng)的輸出和輸入之間存在反饋連接，從而組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋介質(zhì)可以是機(jī)械的，電氣的、氣動(dòng)的、液壓的或它們的組合形式。(2)系統(tǒng)的主反饋是負(fù)反饋，即反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相反，兩者相比較得偏差信號(hào)控制液壓能源，輸入到液壓元件的能量，使其向減小偏差的方向移動(dòng)，既以偏差來(lái)減小偏差。(3)系統(tǒng)的輸入信號(hào)的功率很小，而系統(tǒng)的輸出功率可以達(dá)到很大。因此它是一個(gè)功率放大裝置，功率放大所需的能量由液壓能源供給，供給能量的控制是根據(jù)伺服系統(tǒng)偏差大小自動(dòng)進(jìn)行的。
綜上所述，液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理就是流體動(dòng)力的反饋控制。即利用反饋連接得到偏差信號(hào)，再利用偏差信號(hào)去控制液壓能源輸入到系統(tǒng)的能量，使系統(tǒng)向著減小偏差的方向變化，從而使系統(tǒng)的實(shí)際輸出與希望值相符。
在液壓伺服控制系統(tǒng)中，控制信號(hào)的形式有機(jī)液伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)和氣液伺服系統(tǒng)。機(jī)液伺服系統(tǒng)中系統(tǒng)的給定、反饋和比較環(huán)節(jié)采用機(jī)械構(gòu)件，常用機(jī)舵面操縱系統(tǒng)、汽車(chē)轉(zhuǎn)向裝置和液壓仿形機(jī)床及工程機(jī)械。但反饋機(jī)構(gòu)中的摩擦、間隙和慣性會(huì)對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn)生不利影響。電液伺服系統(tǒng)中誤差信號(hào)的檢測(cè)、校正和初始放大采用電氣和電子元件或計(jì)算機(jī)，形成模擬伺服系統(tǒng)、數(shù)字伺服系統(tǒng)或數(shù)字模擬混合伺服系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)具有控制精度高、響應(yīng)速度高、信號(hào)處理靈活和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，可以組成位置、速度和力等方面的伺服系統(tǒng)。
三、液壓傳動(dòng)帕優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)液壓傳動(dòng)之所以能得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗c機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)相比，具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：
1液壓傳動(dòng)是由油路連接，借助油管的連接可以方便靈活的布置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這是比機(jī)械傳動(dòng)優(yōu)越的地方。例如，在井下抽取石油的泵可采用液壓傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，以克服長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)軸效率低的缺點(diǎn)。由于液壓缸的推力很大，且容易布置。在挖掘機(jī)等重型工程機(jī)械上已基本取代了老式的機(jī)械傳動(dòng)，不僅操作方便，而且外形美觀大方。
2液壓傳動(dòng)裝置的重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小。例如相同功率液壓馬達(dá)的體積為電動(dòng)機(jī)的12％～13％。液壓泵和液壓馬達(dá)單位功率的體積目前是發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的1／10，可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。借助閥或變量泵、變量馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá)1：2000，并可在液壓裝置運(yùn)行的過(guò)程中進(jìn)行調(diào)速。
3傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，負(fù)載變化時(shí)速度較穩(wěn)定。因此，金屬切削機(jī)床中磨床的傳動(dòng)現(xiàn)在幾乎都采用液壓傳動(dòng)。液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，使用安全、可靠，不會(huì)因過(guò)載而造成主件損壞：各液壓元件能同時(shí)自行，因此使用壽命長(zhǎng)。液壓傳動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。借助于各種控制閥，特別是采用液壓控制和電氣控制結(jié)合使用時(shí)，能很容易的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)，而且可以實(shí)現(xiàn)遙控。液壓元件己實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、和通用化，便于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)：1液壓系統(tǒng)的漏油等因素，影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和正確性，使液壓傳動(dòng)不能保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比：2液壓傳動(dòng)對(duì)油溫的變化比較敏感，溫度變化時(shí)，液體勃性變化引起運(yùn)動(dòng)特性變化，使工作穩(wěn)定性受到影響，所以不宜在溫度變化很大的環(huán)境條件下工作：3為了減少泄漏以及滿足某些性能上的要求，液壓元件制造和裝配精度要求比較高，加工工藝比較復(fù)雜。液壓傳動(dòng)要求有單獨(dú)的能源，不像電源那樣使用方便。液壓系統(tǒng)發(fā)生的故障不易檢查和排除。
總之，液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是主要的，隨著設(shè)計(jì)制造和使用水平的不斷提高，有些缺點(diǎn)正在逐步加以克服。
四、機(jī)床數(shù)控改造方向
(一)加工精度。精度是機(jī)床必須保證的一項(xiàng)性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。因此位置精度是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統(tǒng)中開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)的大小，另一方面是對(duì)位置檢測(cè)元件提出精度的要求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)于檢測(cè)元件本身的誤差和被檢測(cè)量的偏差是很難區(qū)分出來(lái)的，反饋檢測(cè)元件的精度對(duì)系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床、尤其是高精度或太中型數(shù)控機(jī)床時(shí)，必須精心選用檢測(cè)元件。所選擇的測(cè)量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，一般要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)?？傊?，高精度的控制系統(tǒng)必須有高精度的檢測(cè)元件作為保證。
(二)先局部后整體。確定改造步驟時(shí)，應(yīng)把整個(gè)電氣設(shè)備部分改造先分成若干個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行，如數(shù)控系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、主軸、進(jìn)給系統(tǒng)、面板控制與強(qiáng)電部分等，待各系統(tǒng)基本成型后再互聯(lián)完成全系統(tǒng)工作。這樣可使改造工作減少遺漏和差錯(cuò)。在每個(gè)子系統(tǒng)工作中，應(yīng)先做技術(shù)性較低的、工作量較大的工作，然后做技術(shù)性高的、要求精細(xì)的工作，做到先易后難、先局部后整體，有條不紊、循序漸進(jìn)。
(三)提高可靠性。數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化設(shè)備，如果發(fā)生故障其損失就更大，所以提高數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤為重要。可靠度是評(píng)價(jià)可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，它的規(guī)定條件是指其環(huán)境條件、工作條件及工作方式等，例如溫度、濕度、振動(dòng)、電源、干擾強(qiáng)度和操作規(guī)程等。這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的使用功能，例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能，伺服性能等。
處理數(shù)字信號(hào)的過(guò)程中，通常情況下都需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在處理信號(hào)之前，首先需要采集和量化。采集定理又名奈奎斯特采樣定理，是美國(guó)電信工程師奈奎斯特于1928年提出的，通過(guò)采集定理可知，想要在離散信號(hào)中恢復(fù)出無(wú)失真的原始信號(hào)，那么采樣率至少要達(dá)到原始信號(hào)的2倍。此后在2004年，華裔科學(xué)家T.Tao以及D.Donoho、E.Candes等人通過(guò)對(duì)比逼近理論和信號(hào)稀疏理論的分析，初步提出了壓縮感知理論，通過(guò)壓縮感知理論可知，如果將壓縮感知技術(shù)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)中，那么即使采用低于奈奎斯特采樣定理的采樣率，也可以恢復(fù)出無(wú)失真的原始信號(hào)。壓縮感知理論的基本思想是：如果信號(hào)某個(gè)變換域是稀疏的，或者信號(hào)是可以壓縮的，那么通過(guò)與變換基不相關(guān)的觀測(cè)矩陣，能夠?qū)⒆儞Q得到的高維信號(hào)投影到低維空間，之后求解最優(yōu)化問(wèn)題，就能夠在少量投影中重構(gòu)原始信號(hào)。在壓縮感知理論框架下，采樣率不決定于原始信號(hào)帶寬，而是重要新信息在信號(hào)中的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)決定的，測(cè)量值不是信號(hào)本身，是高維到低維的投影值，每一個(gè)測(cè)量值中，都包含著全部樣本信號(hào)的部分信息，在恢復(fù)信號(hào)過(guò)程中，所用的測(cè)量值數(shù)目要比奈奎斯特采樣定理要求的數(shù)目少很多。假設(shè)一個(gè)N×1維信號(hào)s，s包含非零元素K個(gè)，s可以通過(guò)轉(zhuǎn)換得出N×1維變量x，其轉(zhuǎn)換公式即為：x=覫s式中：覫代表N×N維稀疏變換矩陣，轉(zhuǎn)換得出N×1維變量x之后，就可以計(jì)算出M×1維測(cè)量信號(hào)y，其計(jì)算公式如下：y=準(zhǔn)x=準(zhǔn)覫s=s式中：準(zhǔn)代表M×N維測(cè)量矩陣，也可稱之為隨機(jī)采樣矩陣或者投影矩陣，在上述環(huán)節(jié)中，覫和準(zhǔn)的設(shè)計(jì)十分重要，對(duì)壓縮感知技術(shù)的實(shí)際性能具有很大影響，另外K<M<<N，其中M的取值滿足以下條件：M≥Cu2（準(zhǔn)，覫）Klog（N）式中：u2（準(zhǔn)，覫）代表矩陣覫和準(zhǔn)相關(guān)性。此外信號(hào)重構(gòu)是壓縮感知技術(shù)的核心，在取得觀測(cè)值y的條件下，獲取最稀疏解s的過(guò)程即為信號(hào)重構(gòu)，為了描述壓縮感知理論的信號(hào)重構(gòu)問(wèn)題，需要運(yùn)用矩陣?yán)碚撝械姆稊?shù)知識(shí)。
假設(shè)定義向量Z={z1,z2，…，zN}的P-范數(shù)如下：Zp=Ni=1ΣzipΣΣ1p當(dāng)P=0時(shí)，可以求出向量Z的0-范數(shù)，用以表示Z中非零元素的個(gè)數(shù)。一般情況下，非稀疏信號(hào)x通過(guò)稀疏轉(zhuǎn)換可得出s，此時(shí)壓縮感知理論中信號(hào)恢復(fù)問(wèn)題就可以轉(zhuǎn)化為線性約束下最小0-范數(shù)問(wèn)題，具體表達(dá)式如下：s^=argmin0，s.t.y=準(zhǔn)x=準(zhǔn)覫s=s上述0-范數(shù)優(yōu)化問(wèn)題屬于非凸優(yōu)化問(wèn)題，換言之，在多項(xiàng)式內(nèi)不能夠進(jìn)行求解，也無(wú)法驗(yàn)證解是否有效，這樣一來(lái)，就需要將其轉(zhuǎn)化為其他范數(shù)，例如2-范數(shù)或者1-范數(shù)，相關(guān)資料顯示，上述0-范數(shù)優(yōu)化問(wèn)題可通過(guò)求解簡(jiǎn)單的1-范數(shù)來(lái)解決，所以壓縮感知理論一般采用如下公式：s=argmin1，s.t.y=準(zhǔn)x=準(zhǔn)覫s=s這樣一來(lái)，就可以運(yùn)用線性規(guī)劃算法等方法來(lái)進(jìn)行處理，在實(shí)際工作中，算法有很多中，可以根據(jù)具體需要來(lái)選擇快捷的方法。
2實(shí)際應(yīng)用
分析在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，壓縮感知技術(shù)有以下幾方面特性：
（1）觀測(cè)信號(hào)沒(méi)有稀疏性，比如OFDM系統(tǒng)頻域信道響應(yīng)等等。
（2）變換觀測(cè)信號(hào)的基坐標(biāo)，信號(hào)在另外的組基下變稀疏，比如頻域信號(hào)響應(yīng)經(jīng)過(guò)DFT進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之在時(shí)域上具有稀疏性。
（3）稀疏性是變化的，并且稀疏性是不可知的，這也是使用壓縮感知技術(shù)的首要條件。有資料顯示，經(jīng)過(guò)外場(chǎng)測(cè)試多數(shù)無(wú)線信道在時(shí)域上均具有多徑稀疏的特點(diǎn)，通過(guò)壓縮感知技術(shù)的應(yīng)用，將大大減少用戶的導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)。另一方面，目前基站側(cè)天線數(shù)目不斷增多，無(wú)線信道在空域上也具有稀疏性，這也為壓縮感知技術(shù)未來(lái)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
3總結(jié)
隨著人口老齡化時(shí)代到來(lái)，老年骨質(zhì)疏松脊椎壓縮性骨折臨床越來(lái)越多見(jiàn)。對(duì)這種悄然發(fā)生的骨折，少數(shù)患者發(fā)生骨折時(shí)無(wú)明顯癥狀，大多數(shù)患者僅有輕微外傷所致腰背痛來(lái)院就診時(shí)發(fā)現(xiàn)。此類骨折的臨床表現(xiàn)和治療與青壯年脊椎外傷性屈曲性骨折有很大差異。本院2001年1月至2005年12月共收治骨質(zhì)疏松脊椎壓縮性骨折96例，現(xiàn)就其特點(diǎn)及治療分析如下。
1臨床資料
1.1一般資料
96例中男45例，女51例，年齡55～90歲(平均68.5歲)。所有患者均攝X線片和CT掃描，其中82例加行MRI檢查，排除腫瘤所致脊椎繼發(fā)性骨折，均確認(rèn)為骨質(zhì)疏松脊椎壓縮性骨折。骨質(zhì)疏松程度根據(jù)L3骨小梁變化分級(jí)［1］：I度33例，II度45例，III度18例。骨折部位C6～L5，其中胸腰椎92例，頸椎4例；單處骨折70例，2處及2處以上骨折26例。80例有輕微外傷史，其中腰扭傷22例，平地跌倒58例。16例僅有輕微腰背痛，初次就診時(shí)患者未意識(shí)到已發(fā)生骨折。
1.2治療方法
本組96例患者其中30例行經(jīng)后路椎弓根螺釘復(fù)位固定術(shù)，手術(shù)適應(yīng)證：(1)伴有神經(jīng)損傷；(2)雖然無(wú)神經(jīng)癥狀，但脊柱后凸成角＞20°，椎管占位＞椎管矢狀位50%，椎體高度壓縮＞50%；(3)全身情況較好，能耐受手術(shù)，傷前生活能自理者。全身情況較差，不能耐受手術(shù)及重度骨質(zhì)疏松應(yīng)為手術(shù)禁忌證。其余66例行非手術(shù)治療。
2結(jié)果
30例手術(shù)患者術(shù)后X線片示脊柱后凸成角恢復(fù)正常，壓縮椎體回復(fù)或基本恢復(fù)正常高度，其中5例神經(jīng)損傷者6個(gè)月后神經(jīng)功能恢復(fù)正常，2例行椎體成形術(shù)。本組96例患者均在臥床4～8周后在腰圍保護(hù)下開(kāi)始下地行走，所有患者根據(jù)不同情況給予性激素、降鈣素，鈣劑或維生素D等藥物治療，經(jīng)隨訪，手術(shù)組30例無(wú)腰背痛或腰背痛較輕，無(wú)需長(zhǎng)期服用止痛藥，非手術(shù)組66例中，42例有腰背痛，22例發(fā)生進(jìn)展性后凸畸形。
3討論
3.1骨質(zhì)疏松脊椎壓縮性骨折臨床特點(diǎn)
老年骨質(zhì)疏松脊椎壓縮性骨折與青壯年外傷性骨折有很大差別，外傷性脊椎壓縮性骨折均有不同程度的胸腰部疼痛和活動(dòng)受限，按Denis分類，僅涉及前柱壓縮者為壓縮型，同時(shí)涉及前柱和中柱壓縮者為爆裂型。典型爆裂型骨折表現(xiàn)有椎體向四周爆裂，椎體前緣均壓縮，椎管均有不同程度狹窄點(diǎn)，椎弓根間距增寬和椎板縱向骨折［2］。骨質(zhì)疏松脊椎壓縮性骨折主要發(fā)生在老年人，本組患者平均年齡68.5歲。隨著患者年齡的增大，機(jī)體內(nèi)骨無(wú)機(jī)鹽成分減少，骨彈性減少而脆性增加，骨代謝出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，以骨吸收為主，長(zhǎng)期積累導(dǎo)致骨量缺失，骨密度降低，骨骼的質(zhì)和量均降低，出現(xiàn)骨質(zhì)疏松，輕微外傷即可發(fā)生脊椎壓縮性骨折。骨折類型以楔形骨折最多見(jiàn)，向四周爆裂較輕，很少有椎弓根間距增寬和椎板縱向骨折，伴有神經(jīng)根傳導(dǎo)功能受損者較少。
3.2骨質(zhì)疏松脊椎壓縮性骨折手術(shù)方法的選擇
基于老年骨質(zhì)疏松脊椎壓縮性骨折的特點(diǎn)以及患者對(duì)預(yù)期生活質(zhì)量的期望，要求醫(yī)者應(yīng)采取積極的治療方法，在患者全身情況許可無(wú)嚴(yán)格手術(shù)禁忌證的情況下重建脊柱正常序列和穩(wěn)定性，早期離床活動(dòng)，糾正和防止后凸畸形。本組96例患者30例行經(jīng)后路椎弓根螺釘復(fù)位固定術(shù)，此手術(shù)可撐開(kāi)、復(fù)位、固定骨折、恢復(fù)脊柱的生理彎曲和椎體高度，擴(kuò)大椎管內(nèi)徑，重建脊柱穩(wěn)定性，但骨質(zhì)疏松時(shí)固定螺釘容易松動(dòng)、脫出，因此固定時(shí)可選用直徑較粗、長(zhǎng)度較長(zhǎng)螺紋較深的椎弓根螺釘，以增加螺釘?shù)陌殉至Γ?］。
3.3術(shù)后早期功能鍛煉
術(shù)后早期離床活動(dòng)，可減少長(zhǎng)期臥床并發(fā)癥，治療糾正骨質(zhì)疏松。老年骨質(zhì)疏松脊椎壓縮性骨折患者，只要符合手術(shù)適應(yīng)證，原則上都應(yīng)早期手術(shù)，早期活動(dòng)，可以降低褥瘡、下肢深靜脈血栓形成、肺部感染、泌尿系統(tǒng)感染等并發(fā)癥，而且可以避免長(zhǎng)期臥床引起的骨量丟失。早期活動(dòng)功能鍛煉及適當(dāng)?shù)乃幬镏委熆梢栽鰪?qiáng)骨質(zhì)量和骨強(qiáng)度［4，5］。另外，手術(shù)治療可以避免晚期由于脊柱應(yīng)力分布異常所引起小關(guān)節(jié)的退變、相鄰脊柱的異常活動(dòng)和生理曲度的改變，以及椎管狹窄所致的腰痛，糾正后凸畸形，避免因非手術(shù)治療椎體高度不能完全恢復(fù)致離床活動(dòng)脊柱負(fù)重后加重后凸畸形［6］。
【參考文獻(xiàn)】
1戴力揚(yáng)，徐印坎.老年人骨質(zhì)疏松和脊椎壓縮性骨折.中華老年醫(yī)學(xué)雜志，1991，10:58.
2殷渠東，鄭祖根.胸腰椎爆裂骨折的研究進(jìn)展.中國(guó)脊柱脊髓雜志，1995，5(1):43.
3趙必增，賈連順，李家順，等.椎體成形術(shù)及其進(jìn)展.骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，2001，16（6）：470.
4黃良夫，畢大衛(wèi).性激素-原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥治療進(jìn)展.浙江臨床醫(yī)學(xué)，2005，7(5)：1233～1234.
