基于matlab的圖像壓縮處理技術的研究與實現畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 差的圖像 2 分 對觀看較有影響 非常差的圖像 1 分 非常嚴重的質量變壞，基本不能觀看 主觀評價和客觀評價之間有一定聯系，但不能完全 等同，由于客觀評價比較便，很有說服力，故在一般的圖像壓縮研究中被采用。主觀評價很直觀，符合人眼的視效果，比較實際，但是打分尺度很難把握，不可避免有人為因素。 圖像壓縮 技術 標準 信息技術的突出特點是互操作性和全球聯網。隨著全球范圍內的信息傳輸和交換越來越重要，統一的技術標準成為實現全球范圍信息傳輸和交換的關鍵。 統一的國際標準是不同國家地區和廠商的產品能夠相互兼容和協調的基礎。近些年來，圖像編碼技術得到了迅速的發展和廣泛的應用，并且日臻成熟，其標志就是幾個關于圖像編碼的國際標準的制定，有關圖像壓縮編碼已 有的國際標準 （ 或建議 ） 有 、 JPEG、 JPEG20 MPEGl、 MPEG MPEG4 等，涉及到二值圖像傳真、靜225510 lgPSNR MSN? 長沙學院 畢業設計 (論文 ) 6 態圖像傳輸、可視電話、會議電視、 VCD、 DVD、常規數字電視、高清晰度電視、多媒體可視通信、多媒體視頻點播與傳輸等廣泛應用領域。這些標準圖像編碼算法融合了各種性能優良的傳統圖像編碼方法，是對傳統編碼技術的總結，代表了目前圖像編碼的發展水平。 各種圖像編碼的標準實際上都是博采各種方法之所長的優化組合的混合編碼系統。有關圖像編碼的若干國際標準 （ 建議 ） 的名稱、主要目標和內容 以及應用范圍如下 [4]： (1) 建議 建議是 CCITT 于 1990 年 7 月通過的有關圖像 （ 視頻 ） 壓縮編碼的第一個國際標準化建議，其全稱為“ p 64kbit/s(p=1~30)視聽業務的視頻編解碼器 ”。 的主要對象是 m 64kbit/s 和 n 354kbit/s 兩類碼率。其應用目標是可視電話和會議電視，其對圖像質量的要求不很高。 (2) JPEG 標準 JPEG 是 ISO 和 CCITT 于 1986 年成立的聯合圖像專家組 （ Joint Photgoparhic Expert Group） 的簡稱。 1992 年作為靜止圖像壓縮算法的國際標準正式推出。它適用于不同類型不同分辨率要求的彩色和黑白靜止圖像，有多種編碼模式和數據格式。主要應用于彩色產值、靜止圖像、可視通訊、印刷出版、新聞圖片、醫學和衛星圖像的傳輸、檢索和存儲。 (3) JPEG2020 標準 JPEG2020 是 21 世紀的壓縮標準，它把 JPEG 的四種模式 （ 順序模式、漸進模式 、無損模式和分層模式 ） 集成在一個標準中，在編碼端以最大的壓縮質量和最大的圖像分辨率壓縮圖像，在解碼端可以從碼流中以任意的圖像質量和分辨率解壓圖像。 JPEG2020的主要特征如下： ⅰ .高壓縮率 ： 由于采用離散小波變換，圖像可以轉換成一系列“小波”，壓縮比可比 JPEG 提高 10%~30%，而且壓縮后的圖像顯得更加細膩平滑。 ⅱ .JPEG2020 提供無損和有損兩種壓縮方式。 ⅲ .漸進傳輸 ： 采用 JPEG2020 格式的圖像支持漸進傳輸。所謂漸進傳輸就是先傳輸圖像輪廓數據，然后再逐步傳輸其他數據來不斷提高圖像質量。 ⅳ .感興趣區域壓縮：可以指定圖片上感興趣的區域 （ Region of Interest） ，然后在壓縮時對這些區域指定壓縮質量，或在恢復時指定某些區域的解壓縮要求。 ⅴ .碼流的隨機訪問和處 理 ： 這一特征允許用戶隨機定義感興趣區域，使得這一區域的圖像質量高于其它區域。 ⅵ .容錯性。 ⅶ .開放的框架結構。 長沙學院 畢業設計 (論文 ) 7 ⅷ .基于內容的描述。 JPEG2020 的應用領域包括互聯網、彩色傳真、打印、掃描、數字攝像、遙感、移動通信、醫療圖像和電子商務等。 (4) MPEG1 標準 MPEG 是活動圖像專家組 Moving Pictuer Experts Group 的簡稱。 MPEGl 的全稱是ISO/IEC CDIl72， Coding of Moving Picture and Assoeiated Audio for digital storage media at up to ，中文譯為“用于數字存儲媒體、碼率約為 音的編碼”。 它是 MPEG 專家組的第一階段成果， 1993 年正式通過為國際標準。 MPEG1包括系統、視頻、音頻以及測試和軟件實現等。 MPEG1 主要面向數字存儲媒體，應用于多媒體計算機、教育與訓練、演示與咨詢服務、創作與娛樂、電子出版物、數字視聽系統 VCD 以及 VOD、交互式電視 ITV 等領域。 (5) MPEG2 標準 MPEG2 標準的全稱是 ISO/IEC DIS13818， Generie Coding of Moving Pictures and Assoeiated Audio Information，中文名為“活動圖像及其伴音信息的通用編碼 （ 標準 ）”，1993 年 11 月正式推出。 MPEG2 包括系統、視頻、音頻和測試，與 MPEG1 后向兼容。MPEG2 的視頻編碼部分碼率為 4~10Mbit/s，圖形質量接近演播室質量。 MPEG2 在技術、功能、語法結構、選擇項、可分級性和應用范圍等方面比 MPEG 有重大改進和發展。因此成為一種從多媒體計算機到 家用消費數字音像電子產品、從寬帶數字通信到數字視頻廣播以及 HDTV 的“通用”共性關鍵技術。 MPEG2 從技術上促進了計算機、廣播電視、數字通信三大領域的交匯融合，并發揮出了巨大的作用。 (6) 建議 全稱是 ITUT Remendation ， Video Coding of Low Bitrate Communation。它是 “ Terminal for Low Bitrate Multimedia Communation”的主要組成部分。其面向低碼率多媒體通信， 原來的目標為在 PSTN 上運行低于 64Kbit/s 以下碼率的新的視頻壓縮標準。 由于低碼率下實現多媒體通信在技術上更為困難和復雜，因此 采用了多種先進技術以降低碼率，提供各種業務，后來又推出了 +和 ++。 (7) MPEG4 和 MPEG7 MPEG4 的目標是交互式的多媒體應用。其特點有 ： ⅰ .基于內容的交互性 ： 基于內容的多媒體數據訪問、基于內容的碼流操作和編輯。 ⅱ .高效的壓縮算法。 ⅲ .自然的與合成的圖像編碼及其混合編碼。 長沙學院 畢業設計 (論文 ) 8 ⅳ .通用的可接入性 ： 包括惡劣環境下強大的抗差錯能力，基 于內容的可分級。 圖像壓縮 的分類 圖像 壓縮的效果好與不好，關鍵要看三樣指標：一是壓縮比要大，二是壓縮算法簡單、速度快，三是恢復效果好。 數字圖像數據量的壓縮按照應用不同可分為兩大類：無損壓縮和有損壓縮。 無損、冗余壓縮：可逆，壓縮比較高，信息保持型數據壓縮。 有損、熵壓縮：不可逆，壓縮比較低，又分為保真度型數據壓縮和特征保持型數據壓縮。 圖像編碼也可以按照編碼所在數據域主要分為空間域編碼和變換域編碼兩大類，此外還有模型編碼、矢量量化編碼和神經網絡編碼等眾多方法。下面簡要介紹幾種壓縮編碼方法 [5]： (1) 預測編碼：根據離散信號之間存在著一定并聯性的特點，利用前面的一個或多個信號對下一個信號進行預測，然后對實際值和預測值的差值（預測誤差）進行編碼。對預測的要求是必須較為準確。預測編碼消除的是空間冗余和時間冗余。屬于這類編碼的主要有 DPCM、 ADPCM 等。 (2) 變換編碼：先對信號進行某種函數變換，從一種信號（空間）變換到另一種信號（空間），然后再對變換后的信號進行采樣編碼。變換編碼可以消除空間冗余和時間冗余。屬于變換編碼的有 KL 變換、 DFT 變換、 DCT 變換、 WHT 變換等。 (3) 統計編碼：主要用于 對相互獨立、無相關性的消息序列構成的無記憶信源進行壓縮。它根據消息出現概率的分布特性而進行的壓縮編碼，宗旨是在消息和碼字之間找到明確的一一對應關系，以便在恢復時再現出來。統計編碼消除的是信息熵冗余。屬于這類編碼的有 Huffman 編碼、 ShannonFano 編碼、算術編碼等。 (4) 模型編碼：利用模型的方法，對需傳輸的圖像進行參數估測。它消除的是結構冗余和知識冗余。屬于這類編碼方法的如分形編碼等。 (5) 其他編碼：如行程編碼，計算信源符號出現的行程長度，然后將行程長度轉換成代碼； LempelZel 和 Welsh 編碼，查找冗余字符串和將此字符串用較短的符號標記替代的技術，從而達到數據壓縮的目的，其壓縮率很高。 圖 給出了按數據域劃分歸類的主要壓縮方法 [6]。 長沙學院 畢業設計 (論文 ) 9 圖 圖像壓縮方法的分類 圖像壓縮 處理技術基本理論 圖像壓縮 的 基本原理 圖像數據壓縮的目的是在滿足一定圖像質量的條件下，用盡可能少的比特數來表示原始圖像，以提高圖像傳輸的效率和減少圖像存儲的容量，在信息論中稱為信源編碼。大類，前 者在解碼時可以精確地恢復原圖像，沒有任何損失；后者在解碼時只能近似原圖像壓縮是通過刪除圖像數據中冗余的或者不必要的部分來減小圖像數據量的技術，壓縮過程就是編碼過程，解壓縮過程就是解碼過程。壓縮技術分為無損壓縮和有損壓縮兩圖像，不能無失真地恢復原圖像。 假設有一個無記憶的信源 ， 它產生的消息為 {ai}， 1≤i≤N， 其出現的概率是已知的 ，記為 P(ai)。則其信息量定義為 ： () 圖像壓縮方法 空域編碼 KL 編碼編碼 PCM、 DPCM 編碼 矢量量化編碼 Delta 編碼 子帶編碼 塊截斷編碼 行程編碼 自適應變換域編碼 基于模型編碼 其他編碼 變換域編碼 幀間編碼 小波變換編碼 神經網絡編碼 等值線編碼 其他變換域編碼 分形編碼 2( ) log ( )iiI a P a?? 長沙學院 畢業設計 (論文 ) 10 由此可見 一個消息出現的可能性越小，其信息量就越多，其出現對信息的貢獻量越大，反之亦然 [7]。 信源的平均信息量稱為 “熵 ”（ entropy），可以表示為： () 對上式取以 2 為底的對數時，單位為比特（ bits）： () 根據香農（ Shannon）無噪聲編碼定理，對于熵為 H 的信號源，對其進行無失真編碼所可能達到的最低比特數為，這里為一任意小的正數，因此可能達到的最大壓縮比為： () 其中 B 是原始圖像的平均比特率 [7]。 在圖像壓縮中，壓縮比是一個重要的衡量指標。可以定義壓縮比為： () 圖像壓縮的基本模型 圖像編碼包括兩個階段，前一個階段就是利用預測模型或正交模型對圖像信號進行變換；后一個階段是利用已變換信號的統計特性，對其分配適當的代碼來進行編碼傳輸。 編碼器與解碼器的結構分別如圖 ，圖 所示 。 圖 編 碼器結構 圖 解碼器結構 在發送端，輸入的原始圖像首先經過 DCT 變換后，其低頻分量都集中在左上角，高頻分量分布在右下角（ DCT 變換實際上是空間域的低通濾波器）。由于該低頻分量包含了圖像的主要信息，而高頻分量與之相比就不那么重要了，所以可以忽略高頻分量，原始圖 像數據 DCT 變換 量化器 Huffman 編碼編碼 壓縮圖 像數據 壓縮圖 像數據 Huffman 譯碼 量化器 （逆） 逆 DCT 變換 重建圖 像數據 ? ? ? ? ? ? ? ?11 l o gNNi i i iiiH P a I P a P a P a??? ? ???????? ? 21 lo g ( )N iiiH P a P a??? ?m ax BBC HH???? 長沙學院 畢業設計 (論文 ) 11 從而達到壓縮的目的。將高頻分量去掉就要用到量化，這是產生信息損失的根源。 “ 量化 ” 的主要任務是用有限個離散電平來近似表達已抽取出的信息。在此采用均勻量化，通過改變程序中的量化因子 Q 的值以得到不同壓縮比的圖像。 Huffman 編碼時，首先對經 DCT 變換及量化后的圖像收據掃描一遍，計算出各種像素出現的概率；然后按概率的大小指定不同長度的唯一碼字，由此得到一張 Huffman 表。編碼后的圖像記錄的是每個像素的碼字，而碼字與量化后像素值的