基于dct的圖像壓縮技術(shù)研究與仿真實(shí)現(xiàn)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 息 ,所以圖像還原后與壓縮前不會(huì)完全一致 ,故人們將這種壓縮稱為有損壓縮。該壓縮機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是可以得到比無損壓縮高得多的壓縮比 ,但它只能用于可以用近似數(shù)據(jù)代替原始數(shù)據(jù) ,而這種相近數(shù)據(jù)又是容易被壓縮的情況。 在實(shí)際應(yīng)用中無損壓縮更為流行 ,主要是由于它 的壓縮比較大 ,且效果很好。 統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)是不同國家地區(qū)和廠商的產(chǎn)品能夠相互兼容和協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。有關(guān)圖像壓縮編碼已有的國際標(biāo)準(zhǔn) (或建議 ),如 、 JPEG標(biāo)準(zhǔn)、 MPEGMPEG2標(biāo)準(zhǔn)和 ,涉及到二值圖像壓縮傳真、靜態(tài)圖像傳輸、可視電話、會(huì)議電視、 VCD、 DVD、常規(guī)數(shù)字電視、高清晰度電視、多媒體可視通信、多媒體 4 視頻點(diǎn)播與傳輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域。 圖像壓縮系統(tǒng)流程圖 基于 DCT算法的圖像壓縮是有損的。簡(jiǎn)單地說 ,它就是把大量的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化為較小的、真正有意義的數(shù)據(jù) ,刪除只帶有極少視覺效果的信息 ,并且根據(jù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率大小選擇不同碼長(zhǎng)的碼字來表示。由于人眼對(duì)亮度信息比較敏感 ,而對(duì)顏色的反應(yīng)相對(duì)較弱 ,所以可以通過色度空間轉(zhuǎn)化 ,把三基色 (RGB)表示的圖像轉(zhuǎn)換為由色度亮度 (YCbCr)表示的圖像 ,然后對(duì)視覺效果影響不大的色度信息進(jìn)行二次采樣 ,使輸入編碼器的信息量先減少一半 ,然后對(duì)各分量分成 8 8象素塊 ,這些塊以特定順序輸入編碼器 ,系統(tǒng)流程圖如圖 。 圖 基于 DCT的編碼器系統(tǒng)流程圖 圖像編碼器的具體工作步驟為 :首先通過前向余弦 變換 ,使每塊的真正有用信息集中到塊的左上角 ,然后進(jìn)行量化 ,使數(shù)值的精確度減小并使數(shù)值較小的數(shù)據(jù)變?yōu)榱?,Z形掃描可以增加零游程的長(zhǎng)度 ,使哈夫曼編碼更有效 ,最后通過哈夫曼編碼得到編碼數(shù)據(jù)流。 色度空間轉(zhuǎn)換 采樣 分塊 前向DCT 量化 掃描 Huffman編 碼 量化表 Huffman 表 壓縮后的數(shù)據(jù)流 編碼器 預(yù)處理 5 分析圖像壓縮的主要模塊 色度空間轉(zhuǎn)換 目前 ,很多原始圖像象素都以 RGB三基色表示 ,通過色度空間轉(zhuǎn)換 ,將 RGB三基色圖像轉(zhuǎn)換為 CCIR601推薦的彩色空間。這彩色空間由 3個(gè)分量 Y(亮度 )、 Cb(藍(lán)色度 )、 Cr(紅色度 )組成 ,分別可由 RGB三基色以下列關(guān)系得到 : Y=++ Cb = 3G++128 Cr = 3B+128 同樣 ,在解碼端可以通過下列關(guān)系恢復(fù) RGB值 : R=Y+(Cr128) G= 14(Cb128) 14(Cr128) B=Y+(Cb128) 離散余弦變換 離散余弦變換 (DCT)是一種與離散傅立葉變換緊密相關(guān)的正交變換 ,8 8的二維離散余弦變換可以將圖像的空間表達(dá)式轉(zhuǎn)換到頻率域 ,只用少量的數(shù)據(jù)點(diǎn)來表達(dá)圖像 ,用 f(x,y)表示 8 8的圖像塊象素值 ,F(u,v)表示二維離散余弦變換后的值 ,具體表達(dá)式如下 : () 其反變換如下式 : () 其中 , () ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????? ????? ? ?? ?7070 1612c os16 12c os,41,x yvuvyuxyxfCCvuF? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????? ????? ? ?? ?7070 1612c os16 12c os,41,x y vuvuvyuxyxFCCCCyxF? ? ? ? ? ?? ?????? ???其他情況當(dāng)10u22 vCCvu 6 二維離散余弦變換核具有可分離性 ,即可以先對(duì)每行進(jìn)行一維離散余弦變換 ,再對(duì)每列進(jìn)行一維離散余弦變換 ,因此 ,二維離散余弦變換可表示為 : () () 如果直接按照公式計(jì)算 ,其計(jì)算量很大 ,所以 ,實(shí)際應(yīng)用中普遍采用快速傅立葉變換 (FFT)算法來實(shí)現(xiàn)離散余弦變換的快速算法。 量化編碼 數(shù)據(jù)壓縮中的量化處理 ,不是對(duì) A/D轉(zhuǎn)換量化 ,而是對(duì)正交變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理 ,量化輸入值的動(dòng)態(tài)范圍很大 ,而量化的輸出只能取有限個(gè)整數(shù) ,量化后的數(shù)值用較少的比特?cái)?shù)便可表示。量化處理總是把一批輸入量化到一個(gè)輸出級(jí)上 ,這樣降低了數(shù)值的精度 ,但減少了數(shù)據(jù)量。 DCT的輸出系數(shù)中 ,左上角的數(shù)據(jù)表示低頻分量 ,人眼比較敏感 ,應(yīng)該用較高的精度來表示 ,而右下角的數(shù)據(jù)可以用較低的精度來表示 ,因此 ,我們可以定義一個(gè)量化表對(duì)不同的數(shù)據(jù)采用不同的量化等級(jí) ,這個(gè)量化表可以根據(jù)期望的壓縮比進(jìn)行調(diào)整 ,一般來說 ,量化表元素值越大壓縮比越大 ,當(dāng)然圖像失真度也越大。 “ Z”字型掃描 量化后的數(shù)據(jù)本來已經(jīng)可以直接進(jìn)行游程編碼 ,但為了提高游程編碼的效率 ,我們必須盡量增加零游程的長(zhǎng)度。基于量化后系數(shù)的排列特征 ,采用“ Z”字型掃描能有效增加零游程的長(zhǎng)度。“ Z”字型掃描軌跡如圖 : ? ? ? ? ? ? ? ? ?????? ??? ??70 1612c os,21,xuuxvxGCvuF? ? ? ? ? ? ? ? ?????? ??? ??70 1612c os,21,yuuxvxGCvuG 7 圖 “ Z”字形掃描軌跡 哈夫曼 (Huffman)編碼及解碼 哈夫曼編碼是 1952年由 Huffman提出的編碼方法 ,基本思想是根據(jù)源數(shù)據(jù)符合出現(xiàn)的概率大小進(jìn)行編碼 ,出現(xiàn)概率大的符號(hào)分配越短的碼字 ,出現(xiàn)概率越小的符號(hào)分配越長(zhǎng)的碼字 ,從而達(dá)到用盡量少的比特?cái)?shù)表 示數(shù)據(jù)源 ,標(biāo)準(zhǔn)哈夫曼編碼步驟如下 : (1)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源符號(hào)出現(xiàn)的概率 ,得到不同概率的信息符號(hào) 。 (2)將數(shù)據(jù)源符號(hào)按概率遞減順序排列 。 (3)把兩個(gè)最小概率相加作為新符號(hào)的概率 ,并按 (2)重排 。 (4)重復(fù) (1)、 (2),直到概率為 1。 (5)在每次合并信源時(shí) ,將合并的信源分別賦“ 0”和“ 1” 。 (6)尋找從每一信源符號(hào)到概率為 1處的路徑 ,記錄路徑上的“ 0”和“ 1” 。 (7)從樹根開始寫出每一符號(hào)的“ 0”、“ 1”。用標(biāo)準(zhǔn)哈夫曼編碼對(duì)圖像進(jìn)行編碼時(shí)效率很高 ,但需要對(duì)原始圖像掃描兩遍 ,第一遍要精確統(tǒng)計(jì)出每個(gè)像素值 出現(xiàn)的概率 ,第二遍是建立哈夫曼樹并編碼 ,數(shù)據(jù)壓縮和解壓速度較慢 ,因此 ,出現(xiàn)了一種改良的哈夫曼編碼 ,它的變長(zhǎng)碼字不是實(shí)時(shí)產(chǎn)生而是一個(gè)固定的表 ,在編碼和解碼過程中不用計(jì)算符號(hào)概率和排序 ,直接查表得到 ,但這個(gè)表必須經(jīng)過大量的統(tǒng)計(jì)工作并精心設(shè)計(jì)才能達(dá)到較高的編碼效率。在靜態(tài)圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)(JPEG標(biāo)準(zhǔn) )中 ,專家組已經(jīng)對(duì)大量自然圖像進(jìn)行了統(tǒng)計(jì) ,得到了適合于靜態(tài)自然圖像編碼的哈夫曼表 ,在實(shí)際編碼過程中 ,我們可直接應(yīng)用此表進(jìn)行編碼和解碼。 圖像數(shù)據(jù)壓縮的目 圖像數(shù)據(jù)壓縮的目的是在滿足一定圖像質(zhì)量的條件