本科毕业论文答辩静止图象压缩技术JPEG的分析与应用

LOGO指 导 教 师 ： 何 小 年论 文 题 目 ： 静 止 图 象 压 缩 技 术 JPEG的 分 析 与 应 用 n 班 级 ： 通 信 0802班n 学 生 ： 彭 孟 秋n 学 号 ： 200801000278 湖 南 涉 外 经 济 学 院 本 科 毕 业 论 文 LOGO第 一 章 前 言 n 背 景n 随 着 信 息 技 术 的 发 展 ， 图 像 信 息 被 广 泛 应 用 于 多 媒 体 通 信和 计 算 机 系 统 中 ， 但 是 图 像 数 据 的 一 个 显 著 特 点 就 是 信 息量 大 。 具 有 庞 大 的 数 据 量 ， 若 不 经 过 压 缩 ,不 仅 超 出 了 计算 机 的 存 储 和 处 理 能 力 ,而 且 在 现 有 的 通 信 信 道 的 传 输 速率 下 ， 是 无 法 完 成 大 量 多 媒 体 信 息 实 时 传 输 的 。 n 意 义 n 为 了 更 有 效 的 存 储 、 处 理 和 传 输 这 些 图 像 数 据 ,必 须 对 其进 行 压 缩 图 像 压 缩 的 背 景 及 意 义 论 文 的 结 构 和 主 要 内 容u第 一 章n 本 课 题 的 研 究 背 景 ， 研 究 任 务 和 目 标 ， 以 及 本 文 的 内 容 安 排 u第 二 章n 对 图 像 压 缩 编 码 理 论 算 法 进 行 了 详 细 介 绍 ， 着 重 讲 解 了 基 于DCT的 JPEG图 像 压 缩 编 码 步 骤 。 u第 三 章 n 对 基 于 DCT的 图 像 压 缩 MATLAB仿 真 实 现 进 行 了 详 细 的 描 述 。其 中 包 括 利 用 MATLAB编 写 程 序 的 流 程 图 ， 和 给 出 了 具 体 仿 真实 验 结 果 与 结 果 分 析 u第 四 章n 结 论 第 二 章 图 像 压 缩 编 码 理 论 算 法 2.1 图 像 压 缩 编 码 过 程 简 化 框 图 基 于 DCT编 码 的 JPEG编 码 压 缩 过 程 框 图 如 下 图 所 示 。 源 图 像 YUV图 像 8 8子 块 DCT量 化编 码压 缩 图 像 量 化 表编 码 表 在 编 码 过 程 中 ， 首 先 将 输 入 图 像 颜 色 空 间 转 换 后 分 解为 8 8大 小 的 数 据 块 ， 然 后 用 正 向 二 维 DCT把 每 个 块 转 变 成64个 DCT系 数 值 ， 其 中 1个 数 值 是 直 流 (DC)系 数 ， 即 8 8空域 图 像 子 块 的 平 均 值 ， 其 余 的 63个 是 交 流 (AC)系 数 ， 接 下来 对 DCT系 数 进 行 量 化 ， 最 后 将 变 换 得 到 的 量 比 的 DCT系 数进 行 编 码 和 传 送 ， 形 成 压 缩 后 的 图 像 格 式 在 解 码 过 程 中 ，先 对 已 编 码 的 量 子 化 的 DCT系 数 进 行 解 码 ， 然 后 求 逆 量 化 并把 DCT系 数 转 化 为 8 8样 本 像 块 (使 用 二 维 DCT反 变 换 )， 最后 将 操 作 完 成 后 的 块 组 合 成 一 个 单 一 的 图 像 。 这 样 就 完 成了 图 像 的 压 缩 和 解 压 过 程 2.2 基 于 DCT的 JPEG图 像 压 缩 编 码 步 骤 u 颜 色 空 间 的 转 换 和 采 样 u 二 维 离 散 余 弦 变 换 u DCT系 数 的 量 化 u 量 化 系 数 的 编 排 u DC系 数 的 编 码 u AC系 数 的 编 码 u 组 成 位 数 据 流 u 2.2.1 颜 色 空 间 的 转 换 和 采 样n JPEG文 件 使 用 的 颜 色 空 间 为 1982年 推 荐 的 电 视 图 像 数 字 化 标 准CCIR 601(现 为 ITU-RB T.601)。 在 这 个 色 彩 空 间 中 ， 每 个 分 量、 每 个 像 素 的 电 平 规 定 为 255级 ， 用 8位 代 码 表 示 。 JPEG只 支 持YCbCr颜 色 模 式 。 其 中 Y代 表 亮 度 ， CbCr代 表 色 度 。n JPEG是 以 8 8的 块 为 单 位 来 进 行 处 理 的 ， 由 于 人 眼 对 亮 度 Y的敏 感 度 比 色 度 CbCr的 敏 感 度 大 的 多 ， 所 以 采 用 缩 减 取 样 的 方 式， 通 常 采 用 YUV422取 样 。 u 2.2.2 二 维 离 散 余 弦 变 换 n JPEG采 用 的 是 8 8大 小 的 子 块 的 二 维 离 散 余 弦 变 换 。 在 编 码 器 的 输入 端 ， 把 原 始 图 像 顺 序 地 分 割 成 一 系 列 8 8的 子 块 ， 子 块 的 数 值 在-128到 127之 间 。 采 用 余 弦 变 换 获 得 64个 变 换 系 数 n 在 MATLAB的 图 像 处 理 工 具 箱 中 ， 可 以 直 接 调 用 dct2和 idct2来 实 现二 维 离 散 余 弦 变 换 及 其 反 变 换 n (1) dct2 n dct2函 数 实 现 图 像 的 二 维 离 散 余 弦 变 换 ， 其 语 法 为 ：n F=dct2(f)n (2) idct2 n idct2函 数 实 现 图 像 的 二 维 离 散 余 弦 逆 变 换 ， 其 语 法 为 ：n F=idct2(f) u 2.2.3 DCT系 数 的 量 化 n 量 化 是 对 经 过 DCT变 换 后 的 频 率 系 数 进 行 量 化 ， 其 目 的 是 减 小 非 “ 0”系 数 的 幅 度 以 及 增 加 “ 0” 值 系 数 的 数 目 ， 它 是 图 像 质 量 下 降 的 最 主要 原 因 。n 对 于 基 于 DCT的 JPEG图 像 压 缩 编 码 算 法 均 匀 量 化 器 进 行 量 化 ， 量 化 步距 是 按 照 系 数 所 在 的 位 置 和 每 种 颜 色 分 量 的 色 调 值 来 确 定 。 u 2.2.4 量 化 系 数 的 编 排 n 量 化 后 的 系 数 要 重 新 编 排 ， 目 的 是 为 了 增 加 连 续 的 “ 0” 系 数的 个 数 ， 就 是 “ 0” 的 游 程 长 度 ， 方 法 是 按 照 Z字 形 的 式 样 编 排。n DCT变 换 后 低 频 分 量 多 呈 圆 形 辐 射 状 向 高 频 率 衰 减 ， 因 此 可 以看 成 按 Z字 形 衰 减 ， 如 图 2-8所 示 。 因 此 ， 量 化 系 数 按 Z字 形 扫描 读 数 ， 这 样 就 把 一 个 8 8的 矩 阵 变 成 一 个 1 64的 矢 量 ， 频率 较 低 的 系 数 放 在 矢 量 的 顶 部 。 u 2.2.5 DC系 数 的 编 码 n 8 8子 块 的 64个 变 换 系 数 经 量 化 后 ， 按 直 流 系 数 DC和 交 流 系 数AC分 成 两 类 处 理 。 坐 标 u=v=0的 直 流 系 数 DC实 质 上 就 是 空 域 图像 中 64个 像 素 的 平 均 值 。 图 像 块 经 过 DCT变 换 之 后 得 到 的 DC直流 系 数 有 两 个 特 点 ：n 一 是 系 数 的 数 值 比 较 大n 二 是 相 邻 8 8图 像 块 的 DC系 数 值 变 化 不 大 。 u 2.2.6 AC系 数 的 编 码n DCT变 换 所 得 系 数 除 直 流 系 数 之 外 的 其 余 63个 系 数 称 为 交 流 系数 （ AC系 数 ） 。 量 化 AC系 数 的 特 点 是 1 64矢 量 中 包 含 有 许 多“ 0” 系 数 ， 并 且 许 多 “ 0” 是 连 续 的 ， 因 此 使 用 非 常 简 单 和 直观 的 游 程 长 度 编 码 (RLE)对 它 们 进 行 编 码 。n 所 谓 行 程 编 码 （ Run-Length Encoding） 就 是 指 仅 存 储 一 个 像素 值 以 及 具 有 相 同 颜 色 的 像 素 数 目 的 图 象 数 据 编 码 方 式 ， 常 用RLE（ Run-Length Encoding） 表 示 。 该 压 缩 编 码 技 术 相 当 直 观和 经 济 ， 运 算 也 相 当 简 单 ， 因 此 解 压 缩 速 度 很 快 。 RLE压 缩 编码 尤 其 适 用 于 计 算 机 生 成 的 图 形 图 像 ， 对 减 少 存 储 容 量 很 有 效果 u 2.2.7 组 成 位 数 据 流n JPEG编 码 的 最 后 一 个 步 骤 是 把 各 种 标 记 代 码 和 编 码 后 的 图 像 数据 组 成 一 帧 一 帧 的 数 据 ， 这 样 做 的 目 的 是 为 了 便 于 传 输 、 存 储和 译 码 器 进 行 译 码 ， 这 样 的 组 织 的 数 据 通 常 称 为 JPEG位 数 据 流(JPEG bit stream) 第 三 章 基 于 DCT图 像 压 缩 MATLAB仿 真 MATLAB中 支 持 的 数 字 图 像 文 件 u MATLAB图 像 处 理 工 具 箱 支 持 四 种 图 像 类 型 ， 分 别 为 RGB图 像(真 彩 色 图 像 )、 索 引 图 像 、 灰 度 图 像 、 二 值 图 像 ， 由 于 有的 函 数 对 图 像 类 型 有 限 制 ， 这 四 种 类 型 可 以 用 工 具 箱 的 类型 转 换 函 数 相 互 转 换 。u MATLAB可 操 作 的 图 像 文 件 包 括 BMP、 HDF、 JPEG、 PCX、 TIFF、 XWD等 格 式 。 下 面 就 图 像 处 理 的 基 本 过 程 讨 论 工 具 箱 所 实现 的 常 用 功 能 。u MATLAB为 用 户 提 供 了 专 门 的 函 数 来 从 图 像 格 式 的 文 件 中 读写 图 像 数 据 。 这 种 方 法 不 像 其 他 编 程 语 言 ， 需 要 编 写 复 杂的 代 码 ， 只 需 要 简 单 地 调 用 MATLAB提 供 的 函 数 即 可 。 MATLAB 及 其 图 像 处 理 工 具 箱 u MATLAB语 言 是 由 美 国 MathWorks公 司 推 出 的 计 算 机 软 件 ， 经 过多 年 的 逐 步 发 展 与 不 断 完 善 ， 现 已 成 为 国 际 公 认 的 最 优 秀 的 科学 计 算 与 数 学 应 用 软 件 之 一 ， 它 集 数 值 分 析 、 矩 阵 运 算 、 信 号处 理 和 图 形 显 示 于 一 体 ， 构 成 了 一 个 方 便 的 、 界 面 友 好 的 用 户环 境 ， 而 且 还 具 有 可 扩 展 性 特 征 。u 图 像 处 理 工 具 箱 （ Image Processing Toolbox） 提 供 一 套 全方 位 的 参 照 标 准 算 法 和 图 形 工 具 ， 用 于 进 行 图 像 处 理 、 分 析 、可 视 化 和 算 法 开 发 。 可 进 行 图 像 压 缩 、 空 间 转 换 、 图 像 增 强 、特 征 检 测 、 降 噪 、 图 像 分 割 和 图 像 配 准 等 功 能 。 本 文 利 用MATLAB图 像 处 理 工 具 箱 对 基 于 DCT的 JPEG图 像 压 缩 编 码 理 论 算法 进 行 仿 真 ， 实 验 证 明 该 软 件 功 能 强 大 ， 语 言 简 洁 易 学 ， 人 机 界 面 友 好 ， 工 具 箱 具 有 丰 富 的 技 术 支 持 并 集 成 了 该 领 域 专 家 的智 慧 ， 应 用 简 单 而 效 果 良 好 u 图 像 文 件 的 读 取 n MATLAB中 利 用 函 数 imread来 实 现 图 像 文 件 的 读 取 操 作 。 其 语法 格 式 为 ：n A=imread(filename， fmt)n X,map=imread(filename， fmt)n =imread(filename)n Filename： 图 像 文 件 名 ； fmt： 图 像 文 件 格 式 u 图 像 文 件 的 输 出n MATLAB中 利 用 函 数 imwrite来 实 现 图 像 文 件 的 输 出 和 保 存 操 作 。其 语 法 格 式 为 ：n Imwrite(A， filename， fmt)n Imwrite(X， map， filename， fmt)n Imwrite( ， filename)n Imwrite(A， filename， fmt)把 图 像 A 写 入 图 像 文 件 filename n Imwrite(X， map， filename， fmt)把 X和 它 的 相 关 色 彩 信 息 map写 入 filename。n Imwrite( ， filename)把 图 像 写 入 图 像 文 件 filename,并 推 测可 能 的 格 式 用 来 做 filename的 扩 展 名 ， 扩 展 名 必 须 是 fmt中 一 合法 名 。 u 图 像 文 件 的 显 示 n 在 MATLAB中 ， 可 以 调 用 image函 数 来 显 示 图 像 ， 其 语 法 格 式 为n Image(C)n Image(C) 把 矩 阵 C 转 成 一 图 像 。 C 可 以 是 一 M N 或 M N 3维的 矩 阵 ， 且 可 以 是 包 含 double, uint8,或 uint16 数 据 。 image是 用 来 显 示 附 标 图 像 ， 即 显 示 的 图 像 上 有 x、 y坐 标 轴 的 显 示 ， 可以 看 到 图 像 的 像 素 大 小 。 但 可 以 加 上 axis off命 令 即 可 把 坐 标 去掉 。 MATLAB仿 真 结 果 u 仿 真 结 果 如 图 所 示 实 验 结 果 分 析 u 对 比 压 缩 前 后 的 图 像 易 知 ， 压 缩 后 的 图 像 稍 显 模 糊 ， 这 是因 为 该 压 缩 算 法 为 有 损 压 缩 ， 压 缩 后 的 图 像 丢 失 了 原 始 图像 部 分 数 据 信 息 。 但 由 于 DCT变 换 有 使 图 像 能 量 集 中 在 左 上方 的 特 性 ， 因 此 压 缩 图 像 保 留 了 原 始 图 像 大 部 分 的 图 像 特征 ， 其 视 觉 效 果 与 原 始 图 像 相 差 不 大 。u 应 用 MATLAB图 像 处 理 工 具 箱 中 的 相 关 函 数 和 命 令 来 实 现 基于 DCT的 JPEG图 像 压 缩 编 码 理 论 算 法 的 压 缩 方 法 简 单 ， 仿 真程 序 思 路 清 晰 ， 既 保 证 有 较 高 的 压 缩 比 ， 又 保 证 既 有 较 好的 图 像 质 量 ， MATLAB仿 真 结 果 较 好 的 反 应 了 算 法 原 理 。 第 四 章 结 论 结 论u 论 文 叙 述 的 图 像 压 缩 编 码 算 法 ， 采 用 了 JPEG的 核 心 离 散 余弦 变 换 算 法 。 DCT是 正 交 变 换 ， 它 可 以 将 8*8图 像 的 空 间 表达 式 转 换 为 频 率 域 ， 只 需 要 用 少 量 的 数 据 点 表 示 图 像 ； DCT产 生 的 系 数 很 容 易 被 量 化 ， 因 此 能 获 得 好 的 块 压 缩 ； DCT算法 的 性 能 很 好 ， 它 有 快 速 算 法 ， 因 此 它 在 软 件 中 容 易 实 现； 而 且 DCT算 法 是 对 称 的 ， 所 以 利 用 逆 DCT算 法 可 以 用 来 解压 缩 图 像 。u 仿 真 结 果 说 明 了 压 缩 比 增 大 时 ， 图 像 的 质 量 会 降 低 ， 并 且图 像 的 信 噪 比 会 变 小 。 利 用 MATLAB仿 真 软 件 来 实 现 离 散 余弦 变 换 的 图 像 压 缩 ， 具 有 方 法 简 单 、 速 度 快 、 误 差 小 的 优点 ， 免 去 了 大 量 矩 阵 计 算 ， 大 大 提 高 了 图 像 压 缩 的 效 率 和 精 度 。 参 考 文 献 u 张 兆 礼 ,赵 春 晖 .现 代 图 像 处 理 技 术 及 Matlab实 现 M.北 京 :人 民 邮 电 出 版 社,2001.u 刘 利 章 .基 于 小 波 变 换 的 图 像 压 缩 编 码 研 究 D. 西 安 :西 北 工 业 大 学 ,2005.胡 学 龙 ,许 开 宇 .数 字 图 像 处 理 M.北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 ,2006.u 张 磊 ,毕 靖 ,郭 莲 英 .Matlab实 用 教 程 M.北 京 :人 民 邮 电 出 版 社 ,2008.u 胡 学 龙 ,许 开 宇 .数 字 图 像 处 理 M.北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 ,2006.u 罗 倩 玲 .JPEG编 码 与 矢 量 量 化 编 码 方 法 比 较 J.电 子 测 量 技 术 ,2006:u 陈 武 凡 .小 波 分 析 极 其 在 图 像 处 理 中 的 应 用 M. 北 京 :科 学 出 版 社 ,2002:30-45u 张 汗 灵 .MATLAB在 图 像 处 理 中 的 应 用 M.北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ， 2008： 57-67.u 郑 阿 奇 ， 曹 戈 ， 赵 阳 .MATLAB实 用 教 程 M.北 京 ： 电 子 工 业 出 版 社 ， 2002：67-88.u 陈 杨 .MATLAB 6.X图 像 编 程 与 图 像 处 理 M.西 安 ： 西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 社 ， 2003： 113-152.u 龚 声 蓉 ， 刘 纯 平 ， 王 强 .数 字 图 像 处 理 与 分 析 M.北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ， 2006：87-110.u 阮 秋 琦 . 数 字 图 像 处 理 学 M .北 京 ： 电 子 工 业 出 版 社 ， 2001： 33-52.u 刘 富 强 , 钱 建 生 , 曹 国 清 . 多 媒 体 图 像 技 术 及 应 用 M. 北 京 :人 民 邮 电 出 版 社 ,2000： 19-20. 毕 业 论 文 已 经 接 近 尾 声 ， 这 也 意 味 着 我 在 大 学 四 年 的 学习 生 活 即 将 结 束 。 回 首 既 往 ， 在 大 学 的 四 年 里 真 的 经 历 了 很 多， 也 收 获 了 很 多 。 我 在 学 习 上 和 思 想 上 都 受 益 非 浅 。 此 次 毕 业论 文 的 顺 利 完 成 ， 与 各 位 老 师 、 同 学 和 朋 友 的 关 心 、 支 持 和 鼓励 是 分 不 开 的 。 老 师 谆 谆 诱 导 、 同 学 的 出 谋 划 策 及 家 长 的 支 持鼓 励 ， 是 我 坚 持 完 成 论 文 的 动 力 源 泉 。 感 谢 我 的 指 导 老 师 何 小 年 。 论 文 的 写 作 是 枯 燥 艰 辛 而 又 富有 挑 战 的 。 但 她 严 谨 细 致 、 一 丝 不 苟 的 作 风 一 直 是 我 工 作 、 学习 中 的 榜 样 ； 她 循 循 善 诱 的 教 导 和 不 拘 一 格 的 思 路 给 予 我 无 尽的 启 迪 。 感 谢 何 小 年 老 师 ， 从 论 文 的 选 题 、 文 献 的 采 集 、 框 架的 设 计 、 结 构 的 布 局 到 最 终 的 论 文 定 稿 ， 从 内 容 到 格 式 ， 从 标题 到 标 点 ， 她 都 给 予 我 很 大 的 指 导 和 帮 助 。 由 于 自 身 专 业 水 平 的 存 在 不 足 ， 整 篇 论 文 会 存 在 尚 未 发 现的 不 足 与 错 误 。 恳 请 阅 读 此 篇 论 文 的 老 师 、 同 学 ， 给 予 指 正 ，不 胜 感 激 ！致 谢