信息论与编码课程设计-预测编码的分析与实现.doc

课程设计任务书20112012学年第一学期专业： 通信工程 学号： 080110022 姓名： 课程设计名称： 信息论与编码课程设计 设计题目： 预测编码的分析与实现 完成期限：自 2011 年 12 月 19 日至 2011 年 12 月 25 日共 1 周一设计目的1、深刻理解信源编码的基本思想与目的；2、理解预测编码方法的基本过程与特点；3、提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力；4、使用MATLAB或其他语言进行编程。二设计内容 读入一幅图像，用以下预测公式，对图像进行预测编码和解码。三设计要求比较编解码后的图像与原始图像。四设计条件计算机、MATLAB或其他语言环境五参考资料1曹雪虹，张宗橙.信息论与编码.北京：清华大学出版社，2007.2王慧琴.数字图像处理.北京：北京邮电大学出版社，2007.指导教师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期： 年 月 日摘要通信的数字化是它能与计算机技术和数字信号处理技术相结合的基础，而实现通信数字化的前提是信源能提供的各种用于传递的消息，例如语音、图像、数据、文字等都必须以数字化形式表示。对图像数据压缩来说，预测编码基本思想是这样的：模型利用以往的样本数据对下一个新的样本值进行预测 将预测所得的值与实际值的差值进行编码由于差值很小，可以减少编码的码位。本课题通过利用MATLAB这一种科学的计算软件，来完成对图像的编码和解码处理，通过比较原始图像和编码解码后的图像，来深刻理解掌握预测编码的方法。关键词：编码；MATLAB；预测编码目录1 设计原理12 DPCM编码解码32.1 DPCM编码及解码原理33 MATLAB简介43.1 软件介绍43.2 应用43.3 特点53.4 优势5（1）友好的工作平台和编程环境5（2）简单易用的程序语言5（3）强大的科学计算机数据处理能力64 设计过程64.1设计原理64.2 MATLAB程序64.3 运行结果及分析8总结9参考资料10 课程设计 1 设计原理1.1预测编码原理 基本思想是这样的：模型利用以往的样本数据对下一个新的样本值进行预测 将预测所得的值与实际值的差值进行编码由于差值很小，可以减少编码的码位。 预测编码：就是根据过去的信号样值预测下一个样值，并仅把预测值与现实的样值之差（预测误差）加以量化、编码以后进行传输的方式，如下图所示，在接收端，经过和发信端的预测完全相同的操作，可以得到量化的原信号，然后再通过低通滤波便可恢复与原信号近似的波形。进一步，若变换是线性的则预测变换器可按下列原理进行分解，得如你图2.2所示： 图2.2 线性变换预测编码原理图 从上述预测编码原理可以看出，实现预测编码要进一步考虑下列3个方面的问题：(1) 预测误差准则的选取；(2) 预测函数的选取；(3) 预测器输入数据的选取。 预测误差准则的选取： 关于预测误差准则的选取，它是指预测误差所依据的标准，目前大致可采用下列4种类型准则：a. 最小均方误差（MMSE）准则最基本、最常用。b. 功率包络匹配（PSEM）准则仅次于MMSE。 c. 预测系数不变性（PCIV）准则预测系数与输入信号统计特性无关，因而能对多种混合信号进行有效的预测。d. 最大误差（ME）准则主要用于遥控数据压缩。 预测函数的选取a. 一般采用工程上比较容易实现的线性预测，预测精度与K值大小有直接关系，K越大，精度越高，但设备越复杂。 所以要根据设计要求及实际效果来确。 预测器输入数据的选取指选取何处的原始数据作为预测器的依据。一般可分为三类:a. 直接从信源输出选取待测瞬间I的前K位，作为预测器的依据（PCM）。b. 误差函数的输出端反馈到预测器中的待测瞬间i位以前的K位（DPCM） c. 将a、b相结合的噪声反馈型编码（NFC）。 2 DPCM编码解码DPCM预测压缩算法DPCM是差分脉冲编码调制算法，主要用于图象压缩。DPCM的基本工作原理如下：比较相邻的两个像素，如果两个像素之间存在差异，将差异之处的差值传送出去，若比较的像素之间没有差异，则不传送差值。 2.1 DPCM编码及解码原理图2-1 DPCM编码原理图系统包括，发送、接收和信道传输三个部分。发送端由编码器、量化器、预测器和加减法器组成；接收端包括解码器和预测器等；信道传送以虚线表示。由图可见DPCM系统具有结构简单，容易用硬件实现（接收端的预测器和发送端的预测器完全相同）的优点。图中输入信号f(i,j)是坐标为像素点的实际灰度值，是由已出现先前相邻像素点的灰度值对该像素点的预测灰度值。是预测误差。假如发送端不带量化器，直接对预测误差进行编码、传送，接收端可以无误差地恢复。这是可逆的无失真的DPCM编码，是信息保持编码；但是，如果包含量化器，这时编码器对编码，量化器导致了不可逆的信息损失，这时接收端，经解码恢复出的灰度信号，不是真正的，以表示这时的输出。可见引入量化器会引起一定程度的信息损失，使图像质量受损。但是，为了压缩比特数，利用人眼的视觉特性，对图像信息丢失不易觉察的特点，带有量化器有失真的DPCM编码系统还是普遍被采用。3 MATLAB简介3.1 软件介绍MATLAB是很实用的数学软件它在数学类科技应用软件中在数值运算方面首屈一指。MATLAB可以进行运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。3.2 应用MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作： 数值分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与仿真 图像处理技术 数字信号处理技术 通讯系统设计与仿真 3.3 特点此高级语言可用于技术计算 此开发环境可对代码、文件和数据进行管理 交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题 二维和三维图形函数可用于可视化数据 各种工具可用于构建自定义的图形用户界面 3.4 优势（1）友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。 （2）简单易用的程序语言MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。 （3）强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。4 设计过程4.1设计原理预测的理论基础主要是估计理论。估计就是用实验数据组成一个统计量作为一物理量的估值或预测值。本课程设计要是通过简化预测公式对输入图像进行线性编码，即 （2.2.1）这里以灰度图像为例，通过使用Matlab的文件读写函数 fopen ，fwrite和 fclose，将计算所得的误差以最小的位深度写入文件中。4.2 MATLAB程序I2=imread(cell.tif);I=double(I2);fid=fopen(mydata.dat,w);m,n=size(I);J=ones(m,n);J(1:m,1)=I(1:m,1);J(1,1:n)=I(1,1:n);J(1:m,n)=I(1:m,n);J(m,1:n)=I(m,1:n);for k=2:m-1 for 1=2:n-1 J(k,1)=I(k,1)-(J(k,1-1)/2+J(k-1,1)/4+J(k-1,1-1)/8+J(k-1,1+1)/8); endendJ=round(J);cont=fwrite(fid,J,int8);cc=fclose(fid);可以看出，上面代码实现的压缩比是4:1。调用下边的代码对以上编码文件进行解码，并通过显示原始文件和解压后的文件比较压缩效果。fid=fopen(mydata.dat,r); I1=fread(fid,cont,int8); tt=1;for 1=1:n for k=1:m I(k,1)=I1(tt); tt=tt+1; endendI=double(I);J=ones(m,n);J(1:m,1)=I(1:m,1);J(1,1:n)=I(1,1:n);J(1:m,n)=I(1:m,n);J(m,1:n)=I(m,1:n);for k=2:m-1 for 1=2:n-1 J(k,1)=I(k,1)-(J(k,1-1)/2+J(k-1,1)/4+J(k-1,1-1)/8+J(k-1,1+1)/8); endendcc=fclose(fid);J=uint8(J);subplot(1,2,1),imshow(I2); subplot(1,2,2),imshow(J);4.3 运行结果及分析（a）编码前（b）编码后通过比较发现原始图像和编码后的解码图像稍有差别。虽然编码后图像稍微有些变化，但影响不大。总结通过这次课程设计，我学到了很多东西，加深了我对信息论与编码这门课的理解，同时也加深了我对预测编码的理解以及对书本知识的进一步了解。提高了自己分析和解决问题的能力。预测编码是先进行预测，得出预测值然后与实际值进行比较。在做本次课程设计的过程中，通过翻阅各种资料。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之前的课程设计对我们的作用是非常大的。但这一周之后，我对编码技术有了更深的理解，知道了自己的