图像压缩编码程序设计.docVIP

* 实践教学实践教学 * 兰州理工大学兰州理工大学 计算机与通信学院 2012 年秋季学期 图像处理图像处理 综合训练综合训练 题 目： 图像压缩编码 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： 目目 录录 摘 要1 一、前言2 二、算法分析与描述3 三、详细设计过程5 四、调试过程中出现的问题及相应解决办法7 五、程序运行截图及其说明8 六、简单操作手册11 设计总结14 参考资料15 致谢16 附录17 0 摘摘 要要 本实验是在根据图像压缩基本原理的基础上，独立设计图像的有损 压缩编码算法，并在 MATLAB 编程环境中编程实现。 其目的是理解有损压缩的 概念，特别是通过 K-L 变换或 DCT 变换，掌握压缩编码的基本原理、算法，并 通过编程给予实现，对原始图像数据和解压后的图像数据进行失真估计，了解 压缩性能及其重建效果的影响、作用，给出适当的理论分析。 关键词： Matlab；图像压缩；解码；行程编码。 1 一、一、 前言前言 人类正在实践的 21 世纪是一个信息时代。今天的社会，信息技术已经全面 服务 于社会生产和生活的方方面面，人们所做工作的相当一部分就是对信息 的处理和传输，其中图像是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段， 是人类感知和认识世界的基础。有关研究表明，日常生活中人们所接受的各种 信息中图像信息占总信息量的 80%左右，从这一角度看， “百闻不如一见”正是 图像处理重要性的形象表达和经验总结。因此，数字图像处理技术无论是对于 21 世纪的科学理论研究，还是工程应用都将具有重要的影响。国内外许多有识 之士指出，从某种意义上讲，数字图像处理是实现智能计算机、智能机器人或 多媒体信系统的基础，未来计算机及智能机器人的发展与进步将在一定程度上 依赖于机器视觉信息处理理论和技术的突破。虽然相对于经典学科，数字图像 处理还很年轻，但日趋成熟的数字图像处理技术已经在很多方面得到深入而广 泛的应用，一定程度上改变了人类的生活，给人们的日常生活、学习、工作带 来极大的方便。例如，Internet 上的视频广播、现代卫星或遥感照片的合成和 处理、工业产品的自动检测、各种医学影像和图像的处理、远程医疗诊断及手 术以及视频会议、视频电话等都采用了图像处理技术实现实时信息交互。 如 果说 1964 年美国喷气推进实验室首次处理了由太空船“徘徊者七号”发回的月 球照片，拉开了数字图像处理技术进入普遍应用的序幕，那么 CT 的发明、应用 及诺贝尔奖的获得，则使得数字图像处理技术大放异彩，并迅速进入了广泛应 用阶段。目前，数字图像处理技术已在工程科学、计算机科学、信息科学、遥 感、遥测、采矿、地质勘探、工业探伤、自动控制、机器人、军事、公安、生 物学、医学、视频、多媒体、统计学甚至社会科学等领域得到了广泛应用，并 显示出了更加诱人的前景，成为了包括计算机科学与技术、信息科学、航空航 天和生物医学工程等在内的多学科的研究重点和热点。这些学科的研究成果又 促使了图像处理技术向更高水平发展，数字图像处理技术正是在这种应用的迫 切需要和自身的不断发展之中逐步完善的新兴学科。未来，图像处理技术的发 展及应用与经济建设联系之紧密、影响之深远是不可估量的。 2 2、算法分析与描述算法分析与描述 编码是方法建立在图像统计特性的基础上的。例如，在传真通信中的文件 大多是二值图像，即每个像素的灰度值只有 0 和 1 两种取值。将一行中颜色值 相同的相邻象素用一个计数值和该颜色值来代替。例如 aaabccccccddeee 可以表 示为 3a1b6c2d3e， ，即有 3 个 a，1 个 b，6 个 c，2 个 d，3 个 e。如果一幅图象 是由很多块颜色相同的大面积区域组成，那么采用行程编码的压缩效率是惊人 的。然而，该算法也导致了一个致命弱点，如果图象中每两个相邻点的颜色都 不同，用这种算法不但不能压缩，反而数据量增加一倍。因此对有大面积色块 的图像用行程编码效果比较好。 行程编码的可行性讨论：行程编码的压缩方法对于自然图片来说是不太可 行的，因为自然图片像素点错综复杂，同色像素连续性差，如果硬要用行程编 码方法来编码就适得其反，图像体积不但没减少，反而加倍。鉴于计算机桌面 图，图像的色块大，同色像素点连续较多，所以行程编码对于计算机桌面图像 来说是一种较好的编码方法。 2.1 图像的调入： function yc %行程编码算法 %例如 aaabccccccddeee 才可以表示为 3a1b6c2d3e % %读图 I=imread(Lena.bmp); m n l=size(I); fid=fopen(yc.txt,w);%yc.txt 是行程编码算法的灰度级及其相应的编码表 % 2.2 行程编码算法： sum=0; for k=1:l for i=1:m num=0; J=; value=I(i,1,k); for j=2:n if I(i,j,k)=value 3 num=num+1;%统计相邻像素灰度级相等的个数 if j=n J=J,num,value; end else J=J,num,value;%J的形式是先是灰度的个数及该灰度的值 value=I(i,j,k); num=1; end end col(i,k)=size(J,2);%记录Y中每行行程行程编码数 sum=sum+col(i,k); Y(i,1:col(i,k),k)=J;%将I中每一行的行程编码J存入Y的相应行中 end end % %输出相关数据 m1,n1,l1=size(Y); disp(-:) whos(I); disp(:) whos(Y); disp(:); disp(m*n*l/sum); 2.3 图像显示和保存: subplot(1,2,1),imshow(I),title(原图像) subplot(1,2,2),imshow(Y),title(行程编码解码后的图像) save(Y)%存储，以便解码用 save(col) fclose(fid); 4 三、详细设计过程三、详细设计过程 3.1 算法流程图算法流程图 3.23.2 由 I=imread(Lena.bmp)把图像调入等待处理，再由行程编码算法进行计 算和压缩。实现具体的压缩功能。最后输出原图像和压缩后的像和输出压缩比 例。 读入图像 将行程编码写入 yc.txt 中 行程算法 计算压缩比 5 3.23.2 行程编码算法行程编码算法 sum=0; for k=1:l for i=1:m num=0; J=; value=I(i,1,k); for j=2:n if I(i,j,k)=value num=num+1;%统计相邻像素灰度级相等的个数 if j=n J=J,num,value; end else J=J,num,value;%J 的形式是先是灰度的个数及该灰度的值 value=I(i,j,k); num=1; end end col(i,k)=size(J,2);%记录 Y 中每行行程行程编码数 sum=sum+col(i,k); Y(i,1:col(i,k),k)=J;%将 I 中每一行的行程编码 J 存入 Y 的相应行中 end end % %输出相关数据 m1,n1,l1=size(Y); disp(原图像大小:) whos(I); disp(压缩图像大小:) whos(Y); disp(图像的压缩比:); disp(m*n*l/sum); 6 四、调试过程中出现的问题及相应解决办法四、调试过程中出现的问题及相应解决办法 首先，我们的代码不完全是自己写出来的，所以刚开始调式时出现很多 错误。比如；代码中的函数 matlab 软件不认识，不能实现函数的功能。还有函 数变量定义不符合，但更多的是调入图像显示不出结果。经过研究和修改，功 夫不负有心人，大部分错误都改正了。可是很纠结的是只输出图像压缩的数据 和压缩比例，没有输出原图像和压缩后的图像。最后经过同学的帮忙和自己的 努力，发现代码缺少输出图像语句。最终顺利完成了本次的课程设计。 7 五、程序运行截图及其说明五、程序运行截图及其说明 图 5.1 图像的大小和压缩比例 8 图 5.2 图像原图和压缩后图像 9 图 5.3 行程编码表 10 六、简单操作手册六、简单操作手册 1.首先我们完成代码部分。经过查找资料和网上查询，完整的把代码的功能能在 matlab 软 件上是先出来。 2.文档部分比较繁琐，需要结合代码的功能一步一步经过说明实现图像的行程压缩编码。 在经过 matlab 软件运行输出图像，把图像截图放在文档部分加以说明。 3.界面制作； 图 6.1 画出两个 axes1、axes2 图像显示框 11 图 6.2 把对应的程序添加到界面 12 图 6.3 显示出原图像 13 设计总结设计总结 涉及到图像压缩的算法很多,我所用的是行程编码算法。这种算法是无损压 缩，利用统计的方法，最终建立了数据与编码的关系，即利用了编码冗余实现 压缩。在这两周的图像处理的综合训练中,通过对图象处理的设计过程,我加深了 对图像压缩的理解,对 DCT 变换和行程编码和哈夫曼有所掌握,对课本中所学的 各种图像知识的进一步理解和掌握,学会了如何把学到的知识用于解决实际问题, 锻炼了自己动手的能力。 在这次的综合训练中我认识到了自己的不足。在以后的学习中我会更加注 意各个方面的能力的协调发展。在课程设计时遇到了很多的问题，在老师的帮 助，和对各种资料的查阅中，将问题解决，培养了我自主动手，独立研究的能 力，为今后在学习工作中能更好的发展打下了坚实的基础。 通过对此次图象处理综合训练的实际操作及分析，加深对图像的理解及增 强实际动手能力，锻炼了我们分析与编写软件代码的能力及团结协作的能力。 两周的课程设计很短暂，但其间的内容是很充实的，在其中我学习到了很多平 时书本中无法学到的东西，积累了经验，锻炼了自己分析问题，解决问题的能 力，并学会了如何将所学的各科知识融会，组织，来配合学习，为以后的发展 打下坚实的基础。 14 参考文献参考文献 1 张志涌，杨祖樱. MATLAB 教程. 北京：北京航空航天大学出版社，2006,9-201. 2 刘卫国. MATLAB 程序设计教程M. 北京：中国水利水电出版社，2005, 101-150 3 章毓晋.图像工程（上册）图像分析.第二版.北京：清华大学出版社，2005，7-30 4 章毓晋.图像工程（中册）图像分析.第二版.北京：清华大学出版社，2005，30- 87 5 黄爱民，安向京，骆力.数字图像处理与分析基础. 北京:中国水利水电出版社， 2005,7-50 15 致谢致谢 本课程设计的选题、材料来源、程序设计和制作和内容的安排、总体 篇章的写作等都得到了指导老师徐志刚的真诚指导和关注，以至于我的课 程设计能够按时顺利的完成。因此，特别感谢指导老师徐志刚，他以热心 和耐心成全了我的课程设计，为我制作的全过程提出了许多宝贵的意见， 特别是在编程方面给我很大程度的指导，辅助我尝试了各种函数的应用， 使我掌握了许多宝贵的知识。所以真的很感谢徐志刚老师的指导！另外， 我也很感谢班里的很多同学给我提出的意见和想法，对我的课程设计提供 了很多的帮助！最后，我希望同学们能获得更多的收获! 16 附录附录 function yc %行程编码算法 %例如aaabccccccddeee才可以表示为3a1b6c2d3e % %读图 I=imread(Lena.bmp); m n l=size(I); fid=fopen(yc.txt,w); %yc.txt是行程编码算法的灰度级及其相应的编码表 % %行程编码算法 sum=0; for k=1:l for i=1:m num=0; J=; value=I(i,1,k); for j=2:n if I(i,j,k)=value num=num+1; %统计相邻像素灰度级相等的个数 if j=n J=J,num,value; end else J=J,num,value; %J的形式是先是灰度的个数及该灰度的值 value=I(i,j,k); num=1; end end col(i,k)=size(J,2); %记录Y中每行行程行程编码数 sum=sum+col(i,k); Y(i,1:col(i,k),k)=J; %将I中每一行的行程编码J存入Y的相应行中 end end % %输出相关数据 m1,n1,l1=size(Y); 17 disp(-:) whos(I); disp(:) whos(Y); disp(:); disp(m*n*l/sum); % %将编码写入yc.txt中 for k=1:l1 for i=1:m1 for j=1:col(i,k) fprintf(fid,%d,Y(i,j,k); fwrite(fid, ); end end fwrite(fid, ); end subplot(1,2,1),imshow(I),title(原图像)%- subplot(1,2,2),imshow(Y),title(行程编码解码后的图像) save(Y)%存储，以便解码用 save(col) fclose(fid);function varargout = yc(varargin) % YC MATLAB code for yc.fig % YC, by itself, creates a new YC or raises the existing % singleton*. % % H = YC returns the handle to a new YC or the handle to % the existing singleton*. % % YC(CALLBACK,hObject,eventData,handles,.) calls the local % function named CALLBACK in YC.M with the given input arguments. % % YC(Property,Value,.) creates a new YC or raises the % existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are % applied to the GUI before yc_OpeningFcn gets called. An % unrecognized property name or invalid value makes property application % stop. All inputs are passed to yc_OpeningFcn via varargin. % 18 % *See GUI Options on GUIDEs Tools menu. Choose “GUI allows only one % instance to run (singleton)“. % % See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES % Edit the above text to modify the response to help yc % Last Modified by GUIDE v2.5 11-Jan-2013 11:24:40 % Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton = 1; gui_State = struct(gui_Name, mfilename, . gui_Singleton, gui_Singleton, . gui_OpeningFcn, yc_OpeningFcn, . gui_OutputFcn, yc_OutputFcn, . gui_LayoutFcn, , . gui_Callback, ); if nargin end if nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:); else gui_mainfcn(gui_State, varargin:); end % End initialization code - DO NOT EDIT % - Executes just before yc is made visible. function yc_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn. % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to yc (see VARARGIN) % Choose default command line output for yc handles.output = hObject; % Update handles structure guidata(hObject, handles); 19 % UIWAIT makes yc wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure_yc); % - Outputs from this function are returned to the command line. function varargout = yc_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT); % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Get default command line output from handles structure varargout1 = handles.output; % - - function m_file_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to m_file (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % - - function m_file_open_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to m_file_open (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) filename, pathname = uigetfile( . *.bmp;*.jpg;*.png;*.jpeg, Image Files (*.bmp, *.jpg, *.png, *.jpeg); . *.*, All Files (*.*), . Pick an image); axes(handles.axes1);%用axes命令设定当前操作的坐标轴是axes_src fpath=pathname filename;%将文件名和目录名组合成一个完整的路径 img_src=imread(fpath); imshow(img_src);%用imread读入图片，并用imshow在axes_src上显示 setappdata(handles.figure_yc,img_src,img_src); title(原图); 20 % - - function m_file_save_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to m_file_save (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) filename, pathname = uigetfile( . *.bmp;*.jpg;*.png;*.jpeg, Image Files (*.bmp, *.jpg