基于Matlab的JPEG图像压缩编码仿真实现

1、第24卷第10期2007年10月机电工程MECHAN I CAL &E LECTR I CAL E NGI N EER I N GMAG AZI N EVol .24No .10Oct .2007 收稿日期:2007-04-12作者简介:赵文俊(1968-,男,河南鹤壁人,主要从事计算机技术应用的教育教研工作。基于M a tl ab 的JPEG 图像压缩编码仿真实现赵文俊,董慧敏,朱智民(鹤壁职业技术学院机电工程学院,河南鹤壁458030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Matlab 6.5对标准灰度图像进行仿真,并对同一幅Lena 图像作不同的压缩,

2、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。对图像作不同的压缩,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,方法简单而且误差小,大大提高了图像压缩的效率和精度。关键词:联合图像专家组;图像压缩算法;离散余弦变换;Huff man 编码;峰值信噪比中图分类号:TP312文献标识码:A 文章编号:1001-4551(200710-0097-03S i m ul a ti on i m ple m en t a ti on of JPEG i m a

3、ge co m pressi on ba sed on M a tl abZ HAO W en 2jun,DONG Hui 2m in,ZHU Zhi 2m in(College of M echanical and Electrical Engineering,Hebi College of V ocation and Technology,Hebi 458030,China Abstract:The algorith m of the JPEG i m age comp ressi on based on DCT was discussed .Then si m ulati on expe

4、ri m ents were done with Matlab 6.5and rate dist orti on curve was dra wn with different comp ressi on t o the sa me i m age Lena .Si m ulati on experi m ents show that the reconstructed i m ages are of good quality satisfying peop le s visual requirementwith PS NR above 30db under the cir 2cu m sta

5、nces of very large comp ressi on range at vari ous comp ressi on rati o and bit rate .D ifferent types of comp ressi on of the i m ages satisfy the de mands of different i m age quality on vari ous occasi on and rate contr ol .The method doing experi m ents with Matlab is si m p le and with little e

6、rr or .It can i m p r ove the efficiency and p recisi on of the i m age comp ressi on greatly .Key words:j oint phot ographie experts gr oup (JPEG ;i m age comp ressi on algorithm;discrete cosine transfor m (DCT ;Huff 2man encoding;peak signal t o noise rati o (PS NR 0前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

7、系统中。但是图像具有庞大的数据量,不便于存储和传输,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 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1,2。本研究在介绍JPEG 图像压缩原理的基础上,用Matlab 6.5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。1JPEG 压缩编码算法JPEG 专家组开发了两种基本的压缩算法:以离散余弦变换(DCT 为基础的有损压缩算法;以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。图1JPEG 算法框图在有损压缩算法中,主要采

8、用基于块的离散余弦变换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。2M a tl ab仿真实现根据上面所述的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3对变换系数进行量化,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Huff man码表427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,则经过Huff

9、 man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,如图2所示 。图2JPEG编解码M a tl ab程序流程图在图2所示的程序流程图中,在进行Huff man编码时,由于是对相邻图像块之间的差值进行编码,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个零”这两种特殊情况。3实验结果用上述Matlab程序对原始图像大小为512×512,8bits/p ixel的6幅灰度图像分别作J

10、PEG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Test I m ages测试图像编码比特率/bppComp ress Rati o压缩比PS NR/db1.Lena0.6312.8035.812.peppers0.6312.6134.783.air p lane0.6811.8236.024.yacht0.7111.3237.725.m ilkdr op0.4916.2538.086.cablecar0.7410.8036.52由表1的实验结果可以看出,在很大的压缩比下,仍然得到了比较高的峰值信噪比,并且重建图像的主观质

11、量也很好。Lena和yacht的原始图像,如图3所示。经JPEG压缩、重建得到的图像,如图4所示。比较原始图像与重建图像,主观上看不出它们之间的差别 。图3 原始图像图4重建图像改变量化矩阵,对Lena图像作不同的量化,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图像作不同压缩的实验结果量化矩阵Q倍乘编码比特率/bppComp ress Rati o压缩比PS NR/dbQ390.1845.0427.85Q340.2729.6931.25Q32.50.3522.5832.97Q320.4019.8133.70Q310.6312.8035.81Q30.50.98

12、8.1337.87Q338.56Q30.31.365.8739.47(下转第109页89机电工程第24卷 图10M PEG2视频捕获链路图程序运行时可以看到,采集到的图像画面清晰、流畅,具有DVD 画质。而且程序的通用性比较强,能够正确解析不同种类视频采集卡输出的不同格式的图像信号。5结束语视频捕获模块在无人机图像处理系统中占有很重要的地位,本研究提出了一种针对MPEG2视频流的视频捕获实现方法,显著提高了捕获图像质量,实验证明其在目标检测及地标识别等场合取得了良好的效果。这种方法具有很好的应用前景,笔者所参与的 UAV 研究项目正是采用了这种方案,不仅在实时地面监控时的

13、画面清晰度得到了大幅提高,同时也提高了基于图像进行目标识别的正确率,如图11所示。未来计划将其应用于飞机视觉伺服、视觉导航等领域。图11微型UAV 在线识别场景图参考文献(Reference:1刘祎玮.V isual C +视频/音频开发实用工程案例精选M .北京:人民邮电出版社,2004.2(美罗杰森.COM 技术内幕微软组件对象模型M .杨秀章,译.北京:清华大学出版社,1999.3陆其明.D irectShow 开发指南:2版M .北京:清华大学出版社,2003.4陆其明.D irectShow 实务精选:1版M .北京:科学出版社,2004.5M icr os oft Cor pora

14、ti on .M icr os oft D irect X 9.0S DK &UpdateSu mmer 2003M .Ne w York:M icr os oft Cor porati on,1975.6任沁源,韩波,李平.微型UAV 视觉识别系统的研究J .计算机工程与应用,2004,40(36:112-114.编辑:李辉(上接第98页由表2数据,作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。对图像作不同的压缩,满足了在不同的场合下要求不同的图像质量的实际需要。图5L ena 图像

15、的率失真曲线4结束语本研究首先介绍了JPEG 压缩编码算法,接着通过使用Matlab6.5编程实现了JPEG 图像压缩算法,对多幅标准灰度图像进行了实验仿真,并对实验数据进行分析,给出了经典测试图像Lena 的率失真曲线。实验结果表明,JPEG 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。利用Matlab 做仿真实验,方法简单且误差小,大大提高了图像压缩的效率和精度。DCT 变换是在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8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(Reference:1林福宗.多媒体技术基础M .北京:清华大学出版社,2002.2罗倩玲.JPEG 编码与矢量量化编码方法比较J .电子测量技术,2005(4:35-37.3WALLACE G K .The JPEG still p icture comp ressi on stand 2ard J .Co mm un i ca ti on s of the ACM