JPEG图像压缩编码算法的仿真实现

1、2009年6月Journal of Hunan Instit ute of Engineering J une 2009 收稿日期:2008-12-25基金项目:湖南省教育厅科学研究青年资助项目(08B015;湖南省教育厅科研资助项目(08C219.作者简介:李世军(1982-,男,硕士,助教,研究方向:图像处理、DSP 与嵌入式系统设计.J P E G 图像压缩编码算法的仿真实现李世军1,李鑫2,黄锋1,郭照南1,刘俊1(11湖南工程学院电气信息学院,湘潭411101;21株洲市电业局,株洲412000摘要:介绍了基于离散余弦变换的J PEG 图像压缩编码算法,采用MA TLAB 对标准灰度

2、图像进行仿真,并对同一幅Lena 图像做不同的压缩.实验结果表明,在很大的压缩范围内,在不同的压缩比和编码比特率下,重建图像的PSN R 都在34db 以上.关键词:J PEG;DC T 变换;Huff man 编码;PSNR 中图分类号:TP334-54文献标识码:A 文章编号:1671-119X (200902-0035-030前言随着计算机和互联网技术的发展,数字图像被广泛应用于计算机和便携式系统中,但是数字化的图像数据量大,不便于存储和传输.例如:经过采集得到一幅图像数字化的图像,假设分辩率为6403480,按Y U V 为422进行采集,若以8比特表示Y 信号,那每个像素占16位,所

3、以这不加压缩的数据量为640×480×16=614400bit (600kbyte ,所以在存储空间和网络带宽有限之下,对图像进行存储和传输之前先要对图像进行压缩编码.在保证质量要求的前提下,减少或消除图像中的冗余,达到节省存储和传输的带宽.在需要时,再对压缩图像进行解码和重构.J PEG 压缩算法标准是针对静止图像的压缩标准,它采用了DC T 变换编码为核心算法,具有很高的压缩比,可达到(1/20,1/25;目前大多数图像都采用了J PEG 压缩标准,各类浏览器,图片浏览处理品工具都采用了J PEG 图像格式,同时,数码相机,摄像头,拍照手机等均采用了J PEG 标准.本

4、论文在介绍J PEG 图像压缩算法原理基础上,采用MA TL AB 对标准的灰度图像进行了J PEG 压缩与重建,并分析实验结果得出结论.1J PE G 压缩编码算法J PEG 压缩算法基本系统流程如图1所示,压图1基于DCT/IDCT 的J PEG 压缩、解压算法框图即首先将要压缩的图像分割成一定的8像素×8像素的图像子块,再用离散余弦变换(DC T 将子块变为8×8的DC T 系数阵列;然后用一个8×8的量化值阵列对这些系数进行量化;最后用熵编码器将量化后的系数编码成一串比特数据流.经过传输或存储,比特数据流经过熵解码器进行解码,重新生成一组量化了的DCT 系

5、数,使用与编码时相同的量化值阵列对这些量化了的系数进行反量化,利用反向离散余弦变换(IDCT 将此8×8DCT 系数阵列变换成空间域的8×8图像子块.最后将反变换后二维DC T 正变换和逆变换公式如下(8×8:F (u ,v =14C (u C (v 7i =07j =7f (i ,j co s(2i +1u 16cos (2j +1v 16f (i ,j =14C (u C (v 7u =07v =0F (u ,v co s(2i +1u 16cos (2j +1v 16式中:C (u ,C (v =12(u ,v =0C (u ,C (v =1(其他情况f (

6、i ,j 原始8×8图像数据F (u ,v 变换后二维8×8数据在MA TL AB 仿真实现时,是在以上解析式基础上采用二维DC T 变换的矩阵式定义来实现.矩阵式定义如下:F (u ,v =A .f (i ,j .A T,f (i ,j =A T F (u ,v A Y 分量是主要信息.对Y 采用细量化,对U 、V 采用粗量化,可以进一步提高压缩比.所以量化表J PEG 推荐有两张,一张是针对Y 的,一张是针对U 、V 的.在J PEG 压缩算法中采用均匀量化器,量化定义可以表述为:对64个DC T 系数除以其量化步长,四舍五入取整,描述为:Q (u ,v =(int (

7、F (u ,v /quantization_table (u ,v 式中:Q (u ,v 为量化后的系数幅度,quantiza 2经过DC T 变换、量化,8×8的方块的绝大部分中高频系数变成了0,据编码经验知,连续的0个数越多编码效率越高,所以J PEG 对64个系数采用了Z 字形扫描的方式,熵编码采纳了平均压缩比最高的编码Huff man 编码.2MA TL AB 仿真过程根据J PEG 压缩编码算法,对一幅图像进行J PEG 编、解码的Matlab 程序流程图,如图2所示.图2J PEG 编码,解码的Matlab 程序流程图在进行Huffnan 编码时,对于DC 直流系数,因为

8、是对相邻图像块之间的差值进行编码,所以在量化后扫描之前要先对DC 系数进行预处理.将量化后DC 的原始值替换成相邻图像块之间的差值;在对另外63个交流AC 系数进行编码时,又要考虑63个系数全是零和连续出现16个连零这两种特殊情况.3实验结果对原始图像大小为64×64,8bit/pixel 的4幅灰度图像分别做J PEG 压缩编解码,然后进行反量化和逆63湖南工程学院学报2009年DCT 变换,得到重建图像,实验结果如表1所示.表14幅灰度图像J PEG 压缩的实验结果Test Images测试图像编码比特率/bpp Compress Ratio 压缩比PSNR /db Lena 0

9、16301681118036102由表1实验结果可以看出,在较大的压缩比下,仍然可以得到了比较高的峰值信噪比,并且重建图像的主观质量也很好.图3是Lena 的原始图像,图4是经J PEG 压缩、重建后得到的图像.在比较原始图像与重建图像时,主观肉眼上看不出它们之间的差别.改变量化矩阵,对Lena 图像做不同的量化,在不同的压缩比下,得到质量不同的重建图像.实验数据如表2所示 .图3Lena 原图像和经过压缩、重建的图像表2对Lena 图像倍乘量化矩阵做不同压缩的实验结果量化矩阵Q 倍乘编码比特率/bpp Compress Ratio 压缩比PSNR /db Q 390.181.365.8839

10、.484结论本文首先介绍了J PEG 压缩编码、解压算法,接着使用MA TL AB 编程实现了J PEG 图像压缩算法,对多幅标准灰度图像进行实验仿真,并对实验数据进行分析.实验结果表明,J PEG 压缩算法实现简单,在很大的压缩范围内,都能得到很好的重建图像质量.DCT 变换是最小均方误差准则下得出的次最佳正交变换,并且有快速算法,因此它在硬件中也很容易实现,正是由于具有这些优点,J PEG 压缩编码算法在图像压缩领域得到了越来越广泛的应用.参考文献Data Compression Standard M .VNR 115fifth Avenue ,New Y ork ,1993.2齐美彬.基

11、于DSP 的视频图象压缩系统的研究D .合肥工业大学硕士学位论文,2001.3李秀敏,万里青.基于MA TL AB 的DCT 变换在J PEG图象压缩中的应用J .电光与控制,2005,(4.4李立,金华标.基于FP GA 和DSP 的高分辨率图像采集系统J .数据采集与处理,2008,(23.5路锦正,赵太飞,赵柯.一种静态图像压缩编码算法的改进J .计算机工程,2003,(29.6汪超,黄锋,李世军.现代图像加密技术J .湖南工程学院学报,2008,(2.Algorithm of JPEG Im age Compression and Its Simulation R ealization

12、L I Shi 2jun 1,L I Xin 2,HUAN G Feng 1,GUO Zhao 2nan 1,L IU J un 1(College of Elect.and Information ,Hunan Institute of Engineering ,Xiangtan 411101,China ;2.Electric Power Bureau of Zhuzhou ,Zhuzhou 412000,China Abstract :The algorit hm of J PEG image comp ression based on DC T is discussed.Then simulation experi 2ment s are done wit h MA TL AB and t he image Lena is co mpressed wit h different ways.Simulation experi 2ment s show t hat t he reconst ructed images have PSNR above 34db under t he circumstance of very large comp ression