基于matlab的jpeg图像压缩编解码的设计与实现（论文） .pdf

中国信息化技术与应用 139 0 引言 图像在采集后未经压缩时所包含的数据量很大 因此 在获得 更清晰的画质同时 也要兼顾减少冗余的数据 jpeg 图像压缩技术 以其具备的兼容性和实现的方便性 以及压缩率高 质量好的特点 赢得了人们的认可 因此 jpeg 编码的应用非常广 它适用于不同 类型 不同分辨率的彩色和黑白静止图像 本文所介绍的 jpeg 压 缩编解码具有速度快 方法直观等优点 大大的提高了图像压缩的 效率和精度 1 jpeg 工作原理 基于 dct 的 jpeg 图像压缩编码过程中压缩分为 4 个步骤执行 子图像提取 dct 计算 量化以及熵编码 其解压缩也包括其逆过程 jpeg 压缩处理的第一步将整体图像分为不重叠的 8 8 像素子 块 接着对各个子块进行 dct 变换 得到的系数然后根据式 1 被归一化和量化 1 式中 round x 是对小数部分的四舍五入 去掉小数部分 t u v 是图像 f x y 的一个 8 8 块的 dct 系数 z u v 是量化表 量化表可以采用推荐的量化表如下表 1 也可以根据具体应用场合 自行决定 或者在编码过程中根据需要进行调整 满足不同要求的 压缩率 量化之后 对 进行从低频到高频按照 zigzag 扫描使其重 新排序 其 zigzag 的系数排列顺序表如下表 2 最后对重新排序 的 量化系数进行熵编码 进一步压缩码率 在本文用使用的 是 huffman 编码 2 系统设计 根据 jpeg 工作原理设计了 jpeg 算法全流程框图如图 1 所示 该流程框图中包含了原始图像读取 dct 变换 量化 zigzag 扫描 熵编码 及其解压缩的逆过程 图1 jpeg算法全流程框图 2 1 二维 dct 变换 离散余弦变换的特点是变换后图像大部分能量集中在左上角 因为左上放映原图像低频部分数据 右下反映原图像高频部分数据 而图像的能量通常集中在低频部分 二维 dct 的定义是 设 f i j 是 m n 的数字图像矩阵 则正变换 逆变换 其中 2 2 量化器 通过量化可以降低变换值的精度 从而减少图像的数据量 采 用如表 1 标准量化表制作量化矩阵 使用此矩阵阵对 dct 变换后的 矩阵表进行量化 量化后的矩阵 只有左上角部分还有非零数存在 2 3 编码 64 个变换数经量化后 左上角系数是直流分量 dc 系数 即 空间域中 64 个图像采样值的均值 相邻 8 8 块之间的 dc 系数具 有一定的相关性 jpeg 标准对 dc 系数采用 dpcm 编码 差分编码 方法 其余 63 个交流分量 ac 系数 使用游程编码 接下来分别 对 dc 系数和 ac 系数进行熵编码 2 3 1 zigzag 扫描 以 右 图 2 为 例 采 用 表 2 zigzag 系数排列顺序制作的矩阵进 行之字扫描后 得到一维的一串含 很多零的一维序列数据 20 0 1 0 0 0 0 0 0 当剩下的所有系数都是零 对 于过早退出的串行 jpeg 有一个 特别的霍夫曼码字 使用这个特殊 的编码用词 eob 使该串行变为 非常短的一行 20 0 1 eob 2 3 2 huffman 编码 霍夫曼编码完全根据信息源字符出现的概率大小来构造码字 这种编码方法形成的平均码字长度最短 实现霍夫曼编码的基本步 骤如下 1 将信源符号出现的概率由大到小的顺序排列 2 将两处最小的概率进行组合相加 形成一个新概率 并按 1 步方法重排 如此重复进行到只有两个概率为止 3 分配码字 码字分配从最后一步开始反向进行 对最后两 个概率一个赋予 0 码字 一个赋 1 码字 如此反向进行到开 始的概率排列 在此过程中 若概率不变 采用原码字 由于在 z 形模式下生成的一维重新排序阵列是根据递增的空间 频率定性地排列的 所以 jpeg 编码程序设计可以充分利用重新排 序得到长零行程 特别的 非零 ac 系数使用定义系数值和前面零 的个数的一种变长码来进行编码 dc 系数是相对于一幅子图像的 dc 系数的差值编码 因此采用 huffman 查表法对 dc ac 编码 3 系统实现 根据流程框图 画出了 jpeg 的程序算法流程如图 3 图3 基于jpeg编解码的算法流程 在程序演示过程中以图片 lena tif 为例 使用分块函数将图像矩 阵分成 8 8 像素块 然后对每个 8 8 的矩阵推移 128 使其范围 变为 128 127 后二维 dct 变换 原始数据矩阵就从图 4 变为图 5 的结果 程序如下 其中 dct2 功能为二维 dct 变换 对图 4 中的矩阵二维 dct 变换后生成新的矩阵后 低频分量就 集中在左上角 如图 5 中所示 其中数据为 double 类型 由于字节 基于matlab的jpeg图像压缩编解码的设计与实现 李金泉 臧 淼 李 亮 邢 路 北方工业大学 信息工程学院 北京 100041 摘 要 jpeg图像压缩技术以其具备的兼容性 实现的方便性以及压缩率高 质量好的特点广泛应用的多媒体信息处理当中 本文基于 matlab设计和实现了jpeg图像压缩仿真程序 包括dct变换 量化 之字扫描 huffman编码等模块 系统基于gui界面 可分步骤输出结 果 便于用户操作 仿真结果表明jpeg编码效率高 图像信息损失小 本系统可应用于图像处理 电视原理等课程的教学演示和实验中 关键词 jpeg 图像压缩 matlab 中图分类号 tp317 4 文献标识码 a 文章编号 1672 5158 2012 09 0139 02 u v u v round u v t t z u v t u v t 图2 一个量化后的矩阵 140 中国信息化技术与应用 长度的问题 在此以整型类型给出 接下来是对 dct 变换后的数据使用表 1 进行量化 量化程序如 下 其中 ff 为 dct 变换后系数 q 为量化矩阵 fq round blkproc ff 8 8 divq q 例如 在每个 8 8 矩阵中开始第一个数据的值相对很大 把这 个系数称作 dc 系数 其中 dc 系数计算如下 对图 5 中的矩阵量化后结果如图 6 中矩阵所示 量化后 对每个 8 8 矩阵中的 dc 系数进行差分编码 dpcm 然后 huffman 编码 对直流系数直接进行 huffman 编码 程序如下 其中 mf nf 表示矩阵行列 矩阵 z 为表 1 zigzag 系数排序顺序 dccof total fdc reshape fq 1 8 mf 1 8 nf mb nb 1 提 取直流系数 fdpcm dpcm fdc 1 直流系数差分编码 dccof jdcenc fdpcm i 直流系数 huffman 编码 dccof total dccof total dccof 将直流系数 huffman 编码矩 阵延长 用于统计位数 acseq index 0 mb mf 8 nb nf 8 for i 1 mb for j 1 nb tmp z fq 8 i 1 1 8 i 8 j 1 1 8 j zigzag 扫描 eobi find tmp 1 last 找到最后一个不为 0 的系数序号 index index 1 zigzag tmp 2 eobi 999 999 表示霍夫曼码字 acseq acseq zigzag 将矩阵延长 end end accof jacenc acseq 交流系数 huffman 编码 4 系统设计结果 从 lena tif 图像中的提取到图 4 中的矩阵为例 dc 系数为 14 假设前一个矩阵中 dc 系数为 17 则 该矩阵 dc 系数差分编码后为值为 3 huffman 编码后为 01111 矩阵中 ac 系数 zigzag 扫描结果为 38 2 0 2 6 5 2 1 0 1 0 0 1 2 eob 对这些 ac 系数 huffman 编码 后为 1110 0010 0110 0101 1110 0110 1000 0110 0010 0110 0011 1001 1101 1001 1010 10 编码及压缩 matlab 的输出结果如图 7 所示 图7 对一个8 8矩阵jpeg编码结果 以 lena tif 整张图像为例 matlab 的输出结果如图 8 所示 图8 对lena tif图像jpeg编码结果 从前面给出测试结果中显示 对图像的某一 8 8 矩阵压缩得到 的压缩比与整张图像得到的压缩比不一样 从中可以看出对图像进 行压缩 其压缩比是根据图像亮度情况而不同 对 lena tif 图像压缩前和解压后图像进行比较如图 7 所示 图像 重构后整体仍然画质清晰 但图像所包含的数据量却减少许多 5 结论 本文首先介绍了 jpeg 编解码系统的相关流程 并对系统流程 中每个关键步骤给出对应说明 根据系统流程图的步骤将系统中每 个步骤一一实现 并通过一个矩阵和一张图像的举例 说明 jpeg 编码过程和对应输出结果及原因 最后在系统设计中加入 gui 界面 让 jpeg 编码的操作可以显示在一个界面中 操作直观 这样的好 处是 在教学演示环节中方便教师教学和学生理解 6 致谢 本课题受到 2012 年北京市大学生创业计划 和 2009 年北方工 业大学电视原理教改课题 的资助 参考文献 reference 1 syed ali khayam the discrete cosine transform theory and application j information theory and coding ece 802 602 2 杨洁 基于 matlab 的通信原理仿真平台设计 j 中国现 代教育装备 2009 14 29 32 3 美 冈萨雷斯 gonzalez r c 美 伍兹 woods r e 数 字图像处理 第 3 版 m 阮秋琦 阮宇智等译 北京 电子工业出 版社 2011 6 547 643 4 朱孔亮 基于 matlab 的 jpeg 压缩编码 j 科学咨询导报 2007 29 4 7 5 杨杰 数字图像处理及 matlab 实现 m 北京 电子工业 出版社 2010 2 123 125 图4 取自lena图片的一个原始数据矩阵 图5 dct变换后的一 个系数矩阵及图像 0 0 225 0 0 14 0 0 16 t troundround z 上接 138 页 二级单位和项目组织架构的调研 梳理 提炼 明确 了公司 二级单位及项目部管控要素 管理职责和管控流程 明确 业务执行层 管理控制层及决策规划层三个层面的责 权 利 2 为企业节约了管理成本 通过广泛推广社会保险管理系统 提高了公司 五险一金 征缴数据的准确率 准确率从原来的 85 提高到 100 减少了帐户记帐错误率 避免了缴费没记帐 记帐未 缴费的情况 个人帐户记帐准确率 100 据测算每年可节省利息费 帐户补缴费和管理人员人工费等费用 200 多万元 大大降低了公司 日常管理成本 3 提高了全员的信息化水平和企业知名度 通过系统的推广 规范了企业基础管理和业务流程 提高了工作效率和信息资源共享 水平 通过系统的应用 提高了全员的信息化应用水平 该系统的 成功运行 多次受到了上级单位和部门的表扬 公司自 2009 年以来 已连续三年被评为省级 社会保险先进单位 称号 大大提升了公 司的社会知名度 4 结束语 社会保险管理系统的应用 切实解决了公司在管理工作中出现 的新问题 以信息系统研发和业务流程的整合为抓手 在企业社会 保险管理 服务的信息化 规范化方面取得了显著成效 借助社会保险管理系统平台 运用现代信息技术手段管理 必 将有效的缩短大量的业