JPEG圖像壓縮編碼算法的仿真實(shí)現(xiàn)

1、2009年6月Journal of Hunan Instit ute of Engineering J une 2009 收稿日期:2008-12-25基金項(xiàng)目:湖南省教育廳科學(xué)研究青年資助項(xiàng)目(08B015;湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(08C219.作者簡(jiǎn)介:李世軍(1982-,男,碩士,助教,研究方向:圖像處理、DSP 與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì).J P E G 圖像壓縮編碼算法的仿真實(shí)現(xiàn)李世軍1,李鑫2,黃鋒1,郭照南1,劉俊1(11湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院,湘潭411101;21株洲市電業(yè)局,株洲412000摘要:介紹了基于離散余弦變換的J PEG 圖像壓縮編碼算法,采用MA TLAB 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)灰度

2、圖像進(jìn)行仿真,并對(duì)同一幅Lena 圖像做不同的壓縮.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在很大的壓縮范圍內(nèi),在不同的壓縮比和編碼比特率下,重建圖像的PSN R 都在34db 以上.關(guān)鍵詞:J PEG;DC T 變換;Huff man 編碼;PSNR 中圖分類號(hào):TP334-54文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-119X (200902-0035-030前言隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字圖像被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和便攜式系統(tǒng)中,但是數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)量大,不便于存儲(chǔ)和傳輸.例如:經(jīng)過(guò)采集得到一幅圖像數(shù)字化的圖像,假設(shè)分辯率為6403480,按Y U V 為422進(jìn)行采集,若以8比特表示Y 信號(hào),那每個(gè)像素占16位,所

3、以這不加壓縮的數(shù)據(jù)量為640×480×16=614400bit (600kbyte ,所以在存儲(chǔ)空間和網(wǎng)絡(luò)帶寬有限之下,對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸之前先要對(duì)圖像進(jìn)行壓縮編碼.在保證質(zhì)量要求的前提下,減少或消除圖像中的冗余,達(dá)到節(jié)省存儲(chǔ)和傳輸?shù)膸?在需要時(shí),再對(duì)壓縮圖像進(jìn)行解碼和重構(gòu).J PEG 壓縮算法標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)靜止圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn),它采用了DC T 變換編碼為核心算法,具有很高的壓縮比,可達(dá)到(1/20,1/25;目前大多數(shù)圖像都采用了J PEG 壓縮標(biāo)準(zhǔn),各類瀏覽器,圖片瀏覽處理品工具都采用了J PEG 圖像格式,同時(shí),數(shù)碼相機(jī),攝像頭,拍照手機(jī)等均采用了J PEG 標(biāo)準(zhǔn).本

4、論文在介紹J PEG 圖像壓縮算法原理基礎(chǔ)上,采用MA TL AB 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的灰度圖像進(jìn)行了J PEG 壓縮與重建,并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論.1J PE G 壓縮編碼算法J PEG 壓縮算法基本系統(tǒng)流程如圖1所示,壓圖1基于DCT/IDCT 的J PEG 壓縮、解壓算法框圖即首先將要壓縮的圖像分割成一定的8像素×8像素的圖像子塊,再用離散余弦變換(DC T 將子塊變?yōu)?×8的DC T 系數(shù)陣列;然后用一個(gè)8×8的量化值陣列對(duì)這些系數(shù)進(jìn)行量化;最后用熵編碼器將量化后的系數(shù)編碼成一串比特?cái)?shù)據(jù)流.經(jīng)過(guò)傳輸或存儲(chǔ),比特?cái)?shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)熵解碼器進(jìn)行解碼,重新生成一組量化了的DCT 系

5、數(shù),使用與編碼時(shí)相同的量化值陣列對(duì)這些量化了的系數(shù)進(jìn)行反量化,利用反向離散余弦變換(IDCT 將此8×8DCT 系數(shù)陣列變換成空間域的8×8圖像子塊.最后將反變換后二維DC T 正變換和逆變換公式如下(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(其他情況f (

6、i ,j 原始8×8圖像數(shù)據(jù)F (u ,v 變換后二維8×8數(shù)據(jù)在MA TL AB 仿真實(shí)現(xiàn)時(shí),是在以上解析式基礎(chǔ)上采用二維DC T 變換的矩陣式定義來(lái)實(shí)現(xiàn).矩陣式定義如下: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.對(duì)Y 采用細(xì)量化,對(duì)U 、V 采用粗量化,可以進(jìn)一步提高壓縮比.所以量化表J PEG 推薦有兩張,一張是針對(duì)Y 的,一張是針對(duì)U 、V 的.在J PEG 壓縮算法中采用均勻量化器,量化定義可以表述為:對(duì)64個(gè)DC T 系數(shù)除以其量化步長(zhǎng),四舍五入取整,描述為:Q (u ,v =(int (

7、F (u ,v /quantization_table (u ,v 式中:Q (u ,v 為量化后的系數(shù)幅度,quantiza 2經(jīng)過(guò)DC T 變換、量化,8×8的方塊的絕大部分中高頻系數(shù)變成了0,據(jù)編碼經(jīng)驗(yàn)知,連續(xù)的0個(gè)數(shù)越多編碼效率越高,所以J PEG 對(duì)64個(gè)系數(shù)采用了Z 字形掃描的方式,熵編碼采納了平均壓縮比最高的編碼Huff man 編碼.2MA TL AB 仿真過(guò)程根據(jù)J PEG 壓縮編碼算法,對(duì)一幅圖像進(jìn)行J PEG 編、解碼的Matlab 程序流程圖,如圖2所示.圖2J PEG 編碼,解碼的Matlab 程序流程圖在進(jìn)行Huffnan 編碼時(shí),對(duì)于DC 直流系數(shù),因?yàn)?/p>

8、是對(duì)相鄰圖像塊之間的差值進(jìn)行編碼,所以在量化后掃描之前要先對(duì)DC 系數(shù)進(jìn)行預(yù)處理.將量化后DC 的原始值替換成相鄰圖像塊之間的差值;在對(duì)另外63個(gè)交流AC 系數(shù)進(jìn)行編碼時(shí),又要考慮63個(gè)系數(shù)全是零和連續(xù)出現(xiàn)16個(gè)連零這兩種特殊情況.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)原始圖像大小為64×64,8bit/pixel 的4幅灰度圖像分別做J PEG 壓縮編解碼,然后進(jìn)行反量化和逆63湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)2009年DCT 變換,得到重建圖像,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.表14幅灰度圖像J PEG 壓縮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Test Images測(cè)試圖像編碼比特率/bpp Compress Ratio 壓縮比PSNR /db Lena 0

9、16301681118036102由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在較大的壓縮比下,仍然可以得到了比較高的峰值信噪比,并且重建圖像的主觀質(zhì)量也很好.圖3是Lena 的原始圖像,圖4是經(jīng)J PEG 壓縮、重建后得到的圖像.在比較原始圖像與重建圖像時(shí),主觀肉眼上看不出它們之間的差別.改變量化矩陣,對(duì)Lena 圖像做不同的量化,在不同的壓縮比下,得到質(zhì)量不同的重建圖像.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示 .圖3Lena 原圖像和經(jīng)過(guò)壓縮、重建的圖像表2對(duì)Lena 圖像倍乘量化矩陣做不同壓縮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果量化矩陣Q 倍乘編碼比特率/bpp Compress Ratio 壓縮比PSNR /db Q 390.181.365.8839

10、.484結(jié)論本文首先介紹了J PEG 壓縮編碼、解壓算法,接著使用MA TL AB 編程實(shí)現(xiàn)了J PEG 圖像壓縮算法,對(duì)多幅標(biāo)準(zhǔn)灰度圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真,并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,J PEG 壓縮算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,在很大的壓縮范圍內(nèi),都能得到很好的重建圖像質(zhì)量.DCT 變換是最小均方誤差準(zhǔn)則下得出的次最佳正交變換,并且有快速算法,因此它在硬件中也很容易實(shí)現(xiàn),正是由于具有這些優(yōu)點(diǎn),J PEG 壓縮編碼算法在圖像壓縮領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.參考文獻(xiàn)Data Compression Standard M .VNR 115fifth Avenue ,New Y ork ,1993.2齊美彬.基

11、于DSP 的視頻圖象壓縮系統(tǒng)的研究D .合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2001.3李秀敏,萬(wàn)里青.基于MA TL AB 的DCT 變換在J PEG圖象壓縮中的應(yīng)用J .電光與控制,2005,(4.4李立,金華標(biāo).基于FP GA 和DSP 的高分辨率圖像采集系統(tǒng)J .數(shù)據(jù)采集與處理,2008,(23.5路錦正,趙太飛,趙柯.一種靜態(tài)圖像壓縮編碼算法的改進(jìn)J .計(jì)算機(jī)工程,2003,(29.6汪超,黃鋒,李世軍.現(xiàn)代圖像加密技術(shù)J .湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào),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