多媒体信息处理综合课程设计--JPEG编解码方法设计与实现.doc

《课程设计》 JPEG编解码 学院 专业： 班级： 姓名： 2014年1月 1. 设计目的 3 2. 实验设备及材料 3 3. 设计要求 3 4. 原理 3 4.1 JPEG 3 4.2 JPEG压缩中图像文件的格式 4 5 4.3.1离散余弦变换 6 4.3.2量化 6 4.3.3行程编码和熵编码 7 5. 程序设计 9 6. 实验结果 18 7. 总结 20 设计目的 1．JPEG编解码。 2．学习使用程序设计环境。 3．使用设计框架构造应用程序。 4．JPEG编码、解码实现。 PEG压缩中图像文件的格式 由于图像数据文件的格式有很多，如GIF、TIFF、PCX、TGA、BMP、JPEG等。而现在实现的是BMP和JPEG的相互转换，所以要具体介绍BMP和JPEG文件的格式。 BMP图像采用RGB（Red Green Blue）色彩模型，将各种颜色视为为红，绿，蓝（R，G，B）三个部分的组合。由于一幅图像中许多像素对应的颜色是相同的，BMP图像中采用了一个表：表中的每一行记录一种颜色的R，G，B值。这样，当表示一个象素的颜色时，只需要指出该颜色是在第几行，即该颜色在表中的索引值，这个表在BMP图像中称为调色板。有一种图，它的颜色数高达256×256×256种，也就是说包含上述提到的R，G，B颜色表示方法中所有的颜色，这种图叫做真彩色图(True Color)。真彩色图并不是说一幅图包含了所有的颜色，而是说它具有显示所有颜色的能力，即最多可以包含所有的颜色。表示真彩色图时，每个象素直接用R，G，B三个分量字节表示，而不采用调色板技术。 4.3JPEG编码原理 JPEG的压缩编码过程大致分成三个步骤：1、使用正向离散余弦变换把空间域表示的图变换成频率域表示的图；2、使用加权函数对DCT系数进行量化，这个加权函数对于人的视觉系统是最佳的；3、使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。下面依次介绍压缩过程中应用到的技术。 4.3.1离散余弦变换 离散余弦变换是压缩编码的基础。在JPEG中，首先将图像分割成8x8像素的小块，然后进行余弦变换，其变换式为(M=N=8)： 对于每个8×8二维原图像采样数据块， 64点阵的离散函数FDCT把它们作为输入信号，然后分解成64个正交基信号，每个正交基信号对应于64个二维空间频率中的一个，这些空间频率是由输入信号的频谱组成。FDCT的输出是64个基信号的幅值（即DCT系数），每个系数值由64点阵输入信号唯一地确定，即离散余弦变换的变换系数。在频域平面上变换系数是二维频域变量u和v的函数。 因为在一幅图像中像素之间的灰度或色差信号变化缓慢，在8×8子块中像素之间的相关性很强，所以通过离散余弦正变换处理后，在空间频率低频范围内集中了数值大的系数，这就为数据压缩提供了可能。 4.3.2量化 为了达到压缩数据的目的，对经过FDCT变换后的频率系数进行量化处理。量化处理是一个多到一的映射,它是造成DCT编/解码信息损失的根源,是图像质量下降的最主要原因。在JPEG标准中采用线性均匀量化器。 量化定义为，对64个DCT变换系数除以量化步长，然后四舍五入取整。量化步长是量化表的元素，量化表元素随DCT变换系数的位置而改变。 不同频率的余弦函数对视觉的影响不同，量化处理是在一定的主观保真度图像质量的前提下，可据不同频率的视觉阈值来选择量化表中元素值的大小。 4.3.3行程编码和熵编码 JPEG 压缩的最后一步是对量化后的系数进行熵编码。这一步采用通用的无损数据压缩技术，对图像质量没有影响。 在熵编码之前，需要把64 个DCT 系数转换为一串中间符号。其中直流系数和交流系数的编码方式不同。 坐标u=v=0的值是直流分量（即DC系数）。直流系数表示当前分块中64 个象素的平均值，相邻分块的直流系数具有很强的相关性，因此在编码时只需记录与前一分块的直流系数的差值，即直流系数的“中间符号”采用差分脉冲编码(DPCM)，它是64个图像的采样平均值。 DC系数的编码方法： 第1块图像的DC系数是“真值”，以后各块的DC是与前1块DC系数的“差值”： Diff = DC(i) - DC(i-1) 其余63个AC系数编码是从左上方开始，沿箭头方向，对63 个交流系数用“之” 字型扫描，让它变成一维数组。这样做的目的是将低频系数放在前面，高频系数放在后面。因为高频系数中有很多0，为了节约空间，所以交流系数的“中间符号”用零行程码表示。 接下来对中间符号进行熵编码，这一步的目的是利用符号的统计特性，进一步提高压缩率。JPEG 标准规定的熵编码方式有两种：Huffman 编码和自适应二进制算术编码。这两种编码各有优劣： “正宗”的Huffman 编码过程要对输入序列进行两遍扫描，第一遍统计各个