JPEG圖像壓縮編碼算法的仿真實現(xiàn)

1、2009年6月Journal of Hunan Instit ute of Engineering J une 2009 收稿日期:2008-12-25基金項目:湖南省教育廳科學(xué)研究青年資助項目(08B015;湖南省教育廳科研資助項目(08C219.作者簡介: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.J P E G 圖像壓縮編碼算法的仿真實現(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 對標(biāo)準(zhǔn)灰度

2、圖像進(jìn)行仿真,并對同一幅Lena 圖像做不同的壓縮.實驗結(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:TP334-54文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-119X (200902-0035-030前言隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字圖像被廣泛應(yīng)用于計算機和便攜式系統(tǒng)中,但是數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)量大,不便于存儲和傳輸.例如:經(jīng)過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,那每個像素占16位,所

3、以這不加壓縮的數(shù)據(jù)量為640×480×16=614400bit (600kbyte ,所以在存儲空間和網(wǎng)絡(luò)帶寬有限之下,對圖像進(jìn)行存儲和傳輸之前先要對圖像進(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)省存儲和傳輸?shù)膸?在需要時,再對壓縮圖像進(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,數(shù)碼相機,攝像頭,拍照手機等均采用了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 對標(biāo)準(zhǔn)的灰度圖像進(jìn)行了J PEG 壓縮與重建,并分析實驗結(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,壓縮編碼過程包括圖像數(shù)據(jù)分塊、DCT 變換、量化、Huff man 編碼四個步驟.解壓縮過程剛好相反.先將原始圖像數(shù)據(jù)分成一系列的8×8塊,然后按從左到右,從上到下的順序進(jìn)行處理,當(dāng)水平或垂直方向的像素數(shù)不是8的整數(shù)倍時,采用填1的方法補齊.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

5、變換(DC T 將子塊變?yōu)?×8的DC T 系數(shù)陣列;然后用一個8×8的量化值陣列對這些系數(shù)進(jìn)行量化;最后用熵編碼器將量化后的系數(shù)編碼成一串比特數(shù)據(jù)流.經(jīng)過傳輸或存儲,比特數(shù)據(jù)流經(jīng)過熵解碼器進(jìn)行解碼,重新生成一組量化了的DCT 系數(shù),使用與編碼時相同的量化值陣列對這些量化了的系數(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)陣的組合成一幅圖像.這樣完成了一幅圖像的壓縮與解壓過程.1.1離散余弦變換(DCT 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

6、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 (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 仿真實現(xiàn)時,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實現(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 其中f (i ,j 為原圖像陣列數(shù)

7、據(jù),F (u ,v 為變換后數(shù)據(jù)陣列,A 為變換矩陣,A T 為A 轉(zhuǎn)置1.2DCT 系數(shù)的量化量化的作用是在保證一定的圖像質(zhì)量前提下,丟掉那些對視覺效果影響不大的信息.以獲得較高的壓縮比.是造成DC T 編解碼信息損失(或失真的根源.高的壓縮比.由于DC T 系數(shù)包含了空間頻率信息,可充分利用人眼對不同頻率敏感程度不同這一特性來選擇量化表中的元素值的大小.對視覺重要的系數(shù)采用細(xì)量化(量化步長較小,如低頻系數(shù)被細(xì)量化,對高頻系數(shù)采用粗量化(量化步長較大.J PEG 使用的顏色是Y 、U 、V 格式.Y 分量代表了亮度信息,U 、V 分量代表了色差信息.相比而言,Y 分量是主要信息.對Y 采用細(xì)

8、量化,對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Y 的,一張是針對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64個DC T 系數(shù)除以其量化步長,四舍五入取整,描述為:Q (u ,v =(int (F (u ,v /quantization_table (u ,v 式中:Q (u ,v 為量化后的系數(shù)幅度,quantiza 2tion_table (u ,v 為量化步長,它是由J PEG 標(biāo)準(zhǔn)提供的量化表(64個不同量化步長中的元素.1.3熵編碼經(jīng)過DC T 變換、量化,8×8的方塊的絕大部分中高頻系數(shù)變

9、成了0,據(jù)編碼經(jīng)驗知,連續(xù)的0個數(shù)越多編碼效率越高,所以J PEG 對64個系數(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 仿真過程根據(jù)J PEG 壓縮編碼算法,對一幅圖像進(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,對于DC 直流系數(shù),因為是對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;在對另外63個交流AC 系數(shù)進(jìn)行編碼時,又要考慮63個系數(shù)全是零和連

10、續(xù)出現(xiàn)16個連零這兩種特殊情況.3實驗結(jié)果對原始圖像大小為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2009年DCT 變換,得到重建圖像,實驗結(jié)果如表1所示.表14幅灰度圖像J PEG 壓縮的實驗結(jié)果Test Images測試圖像編碼比特率/bpp Compress Ratio 壓縮比PSNR /db Lena 016301681118036102由表1實驗結(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

11、得到的圖像.在比較原始圖像與重建圖像時,主觀肉眼上看不出它們之間的差別. .圖3Lena 原圖像和經(jīng)過壓縮、重建的圖像表2對Lena 圖像倍乘量化矩陣做不同壓縮的實驗結(jié)果量化矩陣Q 倍乘編碼比特率/bpp Compress Ratio 壓縮比PSNR /db Q 394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 編程實現(xiàn)了J PEG 圖像壓縮算法,對多幅標(biāo)準(zhǔn)灰度圖像進(jìn)行實驗仿真,并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.實驗結(jié)果表明,J PEG 壓縮算法實現(xiàn)簡單,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

12、此它在硬件中也很容易實現(xiàn),正是由于具有這些優(yōu)點,J PEG 壓縮編碼算法在圖像壓縮領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用.參考文獻(xiàn)1W.B.Pennebaker and J.L.Mitch1L.J PEG Still ImageData Compression Standard M .VNR 115fifth Avenue ,New Y ork ,1993.2齊美彬.基于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

13、辨率圖像采集系統(tǒng)J .數(shù)據(jù)采集與處理,2008,(23.的改進(jìn)J .計算機工程,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,2008,(2.Algorithm of JPEG Im age Compression and Its Simulation R ealizationL 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 41

14、1101,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 ve