JPEG图像压缩编码及其MATLAB仿真实现

1、信息技术电子测量技术ELECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGY第30卷第1期20071JPEG图像压缩编码及其MATLAB仿真实现王成优侯正信(天津大学天津300072)摘要:首先介绍了基于离散余弦变换的JPEG图像压缩编码算法,接着用MATLAB6.5对标准灰度图像进行仿真,并对同一幅Lena图像做不同的压缩,绘制了率失真曲线。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,重建图像的峰值信噪比都在30dB以上,仍然能满足人们的视觉需要。对图像做不同的压缩,满足了不同的场合、不同的控制码率下要求不同的图像质量的实际需要。用MATLAB做仿真实验,方法简单而

2、且误差小,大大提高了图像压缩的效率和精度。关键词:JPEG图像压缩算法;离散余弦变换(DCT);Huffman编码;峰值信噪比中图分类号:TP391141文献标识码:AAlgorithmofJPEGimagecompressionandsimulationrealizationWangChengyou(,Abstract:ThethebasedonDCTwasdiscussed.ThensimulationexperimentsweredonewithMA5ratedistortioncurvewasdrawnwithdifferentcompressiontothesameimageLena

3、.SimulationexperimentsshowthatthereconstructedimagesareofgoodqualitysatisfyingpeoplesvisualrequirementwithPSNRabove30dBunderthecircumstancesofverylargecompressionrangeatvariouscompressionratioandbitrate.Differenttypesofcompressionoftheimagessatisfythedemandsofdifferentimagequalityonvariousoccasionan

4、dratecontrol.ThemethoddoingexperimentswithMATLABissimpleandwithlittleerror,anditcanimprovetheefficiencyandprecisionoftheimagecompressiongreatly.Keywords:JPEGimagecompressionalgorithm;discretecosinetransform(DCT);Huffmanencoding;peaksignaltonoiseratio(PSNR)0引言随着信息技术的发展,图像信息被广泛应用于多媒体通信和计算机系统中。但是图像具有庞大

5、的数据量,不便于存储和传输,所以必须采用合适的方法对其进行压缩,因此有必要对图像压缩编码标准进行研究。在众多的图像编码标准中,JPEG(jointphotographicexpertsgroup)标准是一个适用范围很广的静态图像压缩标准,在数字图像压缩领域得到了广泛应用122。本文在研究JPEG图像压缩原理的基础上,用MATLAB6.5对标准灰度图像进行JPEG压缩与重建,并分析实验结果得出结论。预测技术为基础的无损压缩算法。有损JPEG压缩算法框图如图1所示。1JPEG压缩编码算法124图1JPEG算法框图JPEG专家组开发了2种基本的压缩算法,一种是以离散余弦变换(DCT)为基础的有损压缩

6、算法,另一种是以在有损压缩算法中,主要采用基于块的离散余弦变换135第30卷电子测量技术3实验结果用上述MATLAB程序对原始图像大小为512×512,8bit/pixel的6幅灰度图像分别做JPEG压缩编解码,然后进行反量化和逆DCT变换,得到重建图像,实验结果如表1所示。表16幅图像JPEG压缩的实验结果TestImagesbpp测试图像Lenapeppersairplaneyachtmilkdropcablecar0.630.630.680.710.490.74CompressRatio压缩比12.8012.6111.8211.3216.2510.80dB35.8134.783

7、6.0237.7238.0836.52消除图像的空间冗余,利用人的视觉系统特性对变换系数进行量化,最后通过无损变字长熵编码消除视觉冗余和数据统计冗余,实现图像压缩。译码或者叫做解压缩的过程与压缩编码过程正好相反。2MATLAB仿真实现527根据上面所述的JPEG压缩编码算法,要将一幅灰度图像进行压缩编码,首先把图像分成8×8的像素块,分块进行DCT变换后,根据JPEG标准量化表8对变换系数进行量化后,再对直流系数(DC)进行预测编码,对交流系数(AC)进行Zig2Zag扫描和可变长编码,然后根据标准的425Huffman码表进行熵编码,输出压缩图像的比特序列,实现了图像压缩。在接收端

8、,则经过Huffman熵解码、DC系数和AC系数可变长解码、反量化后,再进行反DCT变换得到重建图像。对一幅图像进行JPEG编解码的MATLAB程序流程图如2所示。由表1,仍然得到,的原始图像,图4是经JPEG压,主观上看不出它们之间的差别。图2JPEG编译MATLAB程序流程图改变量化矩阵,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。表2对Lena图像做不同压缩的实验结果量化矩阵Q倍乘Q9Q4Q2.5在图2的程序流程图中,在进行Huffman编码时,对于DC系数,因为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。

9、将量化后DC的原始值替换成相邻图像块之间的差值;在对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2种特殊情况。编码比特率bpp0.180.270.35CompressRatio压缩比45.0429.6922.58dB27.8531.2532.97136王成优等:JPEG图像压缩编码及其MATLAB仿真实现续表2量化矩阵Q倍乘Q2Q1Q0.5Q0.4Q0.3第1期JPEG压缩算法实现简单,在很大的压缩范围内,都能得到编码比特率bpp0.400.630.981.141.36CompressRatio压缩比19.8112.808.137.035.87dB33.7035.8137

10、.8738.5639.47很好的重建图像质量。用MATLAB做仿真实验,方法简单而且误差小,大大提高了图像压缩的效率和精度。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,JPEG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123由表2数据做Lena图像的率失真曲线如图5所示。由图5可以看出,在很大的压缩范围内,在不同的压缩比和编码比特率下,重建图像的峰值信噪比都在30dB以上。对图像做不同的压缩,满足了不同的场合要求不同的图像质量的实际需要。林福宗.多媒体技术基础M.2版.北京:清华大学出版社,2002.罗倩

11、玲.JPEG编码与矢量量化编码方法比较J.电子测量技术,2005(4):35237.WALLACEGK.TheJPEGstillpicturecompressionstandardJ.IEEETransactionsonConsumerElectronics,1992,38:18234.4ISO/IEC1091821|ITU2TRec.T.81(JPEG),Digitalcompressionand2tonestillimagesS.7宗.M.北京:机械工业出SALOMOND.数据压缩原理与应用M.2版.吴乐南,译.北京:电子工业出版社,2003.张益贞,刘滔.VisualC+实现MPEG/JPEG编解码技术M.北京:人民邮电出版社,2002.8图5Lena图像的率失真曲线张志涌.精通Matlab6.5版M.北京:北京航空航天大学出版社,20