视频图像编码的现状与发展

邹坤英

【摘 要】本文介绍了静态和运动图像压缩编码国际标准的发展过程中出现的一系列标准，特别是JPEG2000、MPEG-4以及H.264，总结了这些国际标准的压缩效果、应用场合及相应的压缩编码算法，分析讨论了这些新标准的特点和优越性。

【关键词】图像编码；JPEG2000；MPEG-4；H.264

0 前言

数字图像的信息量大，而且采用数字式通信制时占用的频带宽，所以作为多媒体关键技术的图像压缩编码技术一直深为人们重视。为了促进多媒体技术的发展，通过标准化实现多媒体技术在各国间的统一、合作、交流和应用，20世纪90年代，制定了一些重要的国际标准，取得了辉煌的业绩，特别是MPEG4视频编码标准和JPEG～2000静态图像编码标准引进了基于对象（内容）等编码模式，明显具有新的时代特征。它们的制定既凝结了图像、视频编码在过去几十年研究成果的结晶。又不断吸收新的研究成果和提出新的研究内容，对图像和多媒体事业的高速发展起到了巨大推动作用。

1 图像编码标准化的发展与现状

1.1 静态图像压缩技术标准

静态图像压缩的国际标准已涵盖了从二值、灰度到彩色的图像，如表1所示。

对二值图像的压缩标准有G3，G4和JBIG。JBIG由于采用了自适应技术，其编码效率要比G3和G4高的多。对于灰度和彩色图像有JPEG和新出台的JPEG2000。JPEG是为单帧彩色图像的压缩标准而制定的。采用这一标准可以将每像素24bit的彩色图像压缩至每像素2bit而仍然具有较好的图像质量。其核心算法为离散余弦变换。JPEG针对不同的应用，定义了44种操作模式，但不具有通用性。针对JPEG标准的不足，如：低比特率压缩性能差、不能在单一编码流中提供较好的无损和有损压缩、压缩算法不支持大于64k×64k的图像以及在噪声环境中传送能力差等，提出了JPEG2000。

JPEG2000用以离散小波变换算法为主的多解析编码方式，其优势主要集中在四个方面：

1）高压缩率

JPEG2000格式的图片可在现在JPEG的基础上再提高l0%～30%，而且压缩后的图像显得更细腻平滑；

2）无损压缩

预测法作为对图像进行无损压缩编码的成熟方法被集成到JPEG2000中。此外，其误差稳定性也较好，能更好地保证图像的质量；

3）实现渐进传输

这是JPEG2000的一个重要特征。即在传输过程中，先传输图像的轮廓数据，然后再逐步传输其他数据来不断提高图像质量，实现图像由朦胧到清晰。即不断地向图像中插人像素以不断提高图像的分辨率；

4）支持“感兴趣区域”

可以对图片上感兴趣的区域在压缩时指定这些区域的压缩质量，或在解压时指定某些区域的解压要求，这样，就结合了接收方对压缩的主观需求，实现了交互式压缩 ，另外，JPEG2000还具有对比特错误具有鲁棒性（即能保证在噪声环境中传输发生比特错误时，解码器依然能解码，而且具有较好的图像质量）、将彩色图像和二值图像的编码方式统一起来等特点。同时还对图像安全保护、图像交换等方面做了考虑。

1.2 运动图像压缩技术标准

运动图像标准包括MPEG-1，2，4、 H.261，3，4以及正在制定当中的MPEG-7和MPEG-21，如表2所示。但MPEG7和MPEG2l并不是压缩标准。

MPEG-7全称为“多媒体内容描述接口”，要解决的是如何在多如繁星的资料中找到用户需要的资料。MPEG21可以描述成一些关键技术的集成，这些技术可以通过访问全球网络和设备实现对多媒体资源透明和增强地使用，标准将讨论是否需要和如何将协议、标准、技术等不同的组件有机地结合起来，是否需要新的规范，及在具备上述两个条件的前提下如何将不同的标准集成在一起。

1.2.1 MPEG 系列标准

MPEG，这是ISO组织运动图像专家组的简称，多年来一直致力于制定与有关研制视频压缩、音频压缩及多种压缩数据流复合及同步方面的国际标准。

MPEG-1是为11.5Mb/s数字声像信息的存储而制定，没有指定具体的编码程序，只确定了一个标准的编码码流和对应的一个标准的解码器。MPEG-2是为数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、数字视盘（DVD）等制定的运动图像及其伴音编码标准，综合采用了利用运动补偿的帧间预测、空间域DCT、自适应量化和可变字长编码的混合算法。为了适应不同码率和不同场合，该标准仅对比特流语法和相应的解码方法作了规定，而在编码器的设计上留有很大自由度，如运动估计的搜索算法和匹配函数的选择，利用人视觉特性的自适应量化等。

MPEG-2技术综合采用了3大基本编码技术，即预测编码、变换编码和统计编码。压缩技术采用多种编码手段消除系统的冗余信息，归纳起来将有以下四个方面：

1）利用二维DCT减少图像的空间冗余度；

2）利用运动补偿预测减少图像的时间域冗余度；

3）利用视觉加权量化减少图像的“灰度域”冗余度；

4）利用熵编码来减少图像“频率域”上统计特性方面的冗余度。

此外，MPEG-2在MPEG-1的基础之上扩充了“可伸缩性”和“可分级性”两个概念，所谓“可伸缩性”指的是对码流的一部分进行编码和对码流的全部解码获得的图像分辨率（或信噪比等）要低。MPEG-2所支持的可伸缩的视频编码方式共有时间、空间、信噪比及数据分割等四种。“可分级性”则是指在MPEG-2中用范畴以及层次两个定义来描述不同的编码参数集。每个范畴是前一个的合集，层次则规定了空间和时间分辨率的上限。

MPEG-4已经不再是个单纯的视频音频编解码标准，它更多定义的是一种格式和框架，而不是具体的算法，从而为多媒体数据压缩提供了一个更广泛的平台。对于静止对象，MPEG-4采用零树小波算法，并提供高压缩比。同时提供多达11级的空间分辨率和质量可伸缩性。MPEG-4为了支持基于对象的编码，引入了形状编码模型；为了支持高效压缩，MPEG-4仍然采用了MPEG-1、MPEG-2中的变换、预测混合编码框架。

【摘 要】随着社会的发展、技术的进步，城市排水管道系统规划也在不断的发展。在本文中，笔者提出需要从本地的自然条件、人文条件、经济发展的条件等基础出发，进行适应性的、

系统性的、经济性的规划设计。

【关键词】地域；排水管道系统；规划设计；排水系统

1 地域性规划设计的概念

地域意指一定的区域空间。其主要包含三个层次的内容：其一，指征一定的区间范围；其二，特定范围之内的地理特征与时空特征；其三，基于地理环境特征所产生的人文特点。这是地理学中的一个重要概念。所谓的地域性，则是指基于该地域所具备的一切自然环境、人工环境特性，是一个自然要素与人文要素有机契合的功能性界定。

在规划设计发展的历史进程中，在功能主义的现代规划理念之前，各个地方的规划都是基于地方性的自然条件、人们的生活习惯而进行各种地方性的规划。即：在前现代时期，因地制宜的地域性规划是规划设计的普遍存在。然而，随着工业革命的推动，标准化、批量化的生产方式深入人心，追求生产、施工方便的一致性的现代规划设计理念收到社会、企业的认同。不同地区的规划设计方案趋于雷同，其中排水管道的规划设计也是如此。然而，这种规划设计通过强硬的、暴力式的对地理自然环境进行千篇一律的改造方式因为地域条件的不同所带来了诸多施工的麻烦。这种弊端也逐渐被人们所认知。人们也重新考虑到排水管道的规划设计与当地自然环境、人文环境的关系。也及时地域性的规划设计理念得以提出与实践。

2 排水管道规划设计的要素

城市排水管道系统既能保障城市生活环境的安全舒适，又能保证城市生态系统的平衡，使城市水系统的物质与能量正常循环，达到可持续发展的目的。在排水管道规划设计中，需要充分考虑以下要素：

1）根据城市总体规划分为近期和长远规划两种情况。规划年限太长则设计参数误差大，安全系数过高。规划年限太短，会马上出现流量过饱和的情况，再重新规划建设新的管道，是一种极大的浪费。

2）在合理规划年限的基础上，充分考虑人口因素，能大大提高设计参数精度。

3）精确估算人均每天污水排放额度，并根据城市规划的给水定额，刨掉跑冒滴漏和管道地下水深入量之差，合理推测排水总量。

4）城市排放污染负荷会随着的发展而增加，但也不能估量太过夸大。

5）现代工业生产加工水平提高，无论是排水量和污染物含量都会大幅度降低，并不是成正比的线性增长。

6）现代城市地面铺装理念也会不断变化，重视地面渗透，因此应合理评估地面径流的变化。

7）合理估量溢流周期，要平衡排水量过饱和与建设及维护成本问题，根据人口密集程度综合考虑，区别对待。

3 地域特色的排水系统规划

地域化规划设计的基本思路是：按照本区域的自然环境、经济发展和社会发展水平进行综合的系统规划。如：新城区应尽量采用雨污分流，雨水管道可直接排出进入自然水体，减轻污水管网的排除压力。对老城区中历史遗留的合流制管网，应在合流的基础上逐步进行改造。对发展潜力不大的小城镇应尽量采用合流制，免除不必要的财政负担。对重点污染企业或者产业聚集区，如化工区，屠宰场等特殊单位，应在企业或区域内就地处理，水质达标后再排入市政管网，或者作为中水循环利用。

排水管网的系统规划。应充分考虑地域性特点，综合考量地域自然条件、经济条件、发展潜力等因素，平衡短期需求与中长期发展规划之间的矛盾，从而达到城市的发展容量与当地自然环境保护相协调的规划策略，不盲目扩大容量，造成浪费。在新建雨污分流管道的规划上，应该因地制宜，不能先集中后排放，应根据当地地理环境，以最短的路径分散排除。

应该转变用水观念，将污水视为传统水源的有效补充，污水是珍贵的第二水源。净化后的城市污水可用作工业冷却水、市政用水、补充河道景观用水。

在具体的规划设计中，需要根据地理条件具体的进行方案制定：

3.1 排水管线的布置

1）排水管道应巧妙利用地势条件、顺势排水，尽可能减少排涝泵站的建设；

2）管道排水负荷，应与区域规划和居民区实际需求吻合；

3）合理排布管网密度，做到排除路径最短，平衡功能与经济性问题；

4）尽可能分散的排除污水和雨水，防止汇流集中；

5）截流式合流制污水收集池，应尽量规划在考进河流等自然水体附近，方便在雨季流量猛增时，合理溢出。

3.2 排水路径的选择

1）尽量利用自然排水通道或旧有排水干管作为主要的排放的出路；

2）要在合理利用地势高差保证排水系统的高程和排水效率，保证雨、污水顺利排除。

3.3 合理划分汇水区域的面积

1）合理考虑区域规划及自然地势条件，划分雨水、污水的汇流区域，估算汇流面积；

2）污水和雨水的汇流面积应该合适，过大会造成内涝，过小会造成管网密度过高，增加建设成本和规划难度；

3）根据地理条件，地势变化，尽可能使汇流区域形状规则；

4）充分考虑相邻汇水区域的雨水及污水规划。

3.4 排水线路的选择

1）排水管道系统的规划应与城市整体排水系统规划保持一致性；

2）排水管道应尽量避开不容易穿越的地带及构筑物。

3.5 排水管道系统的控制高程的确定

1）充分考虑当地水体的洪水位、常水位、排水干管的内底高来确定管道出口的控制高程；

2）充分考虑管道未来计划向上游延伸的趋势和低洼地带、有排水要求的地下空间；

3）根据当地城市规划和已建成管线，系统考虑支管的接入问题以及与其他系统的管网的交叉问题。