基于JPEG 静态图像压缩算法的研究(数字图像)

1、基于JPEG 静态图像压缩算法的研究- 1 -摘要:本文主要论述了基本JPEG 标准的编码方法。其中包括采样、离散余弦变换、量化和熵编码等几个主要步骤,最后,用Visual C+编程实现把一幅BMP格式的图像转换为JPEG 格式图像,进一步显示JPEG 标准在图像压缩中的优越性。关键词:JPEG 标准;采样;离散余弦变换;量化;熵编码1.引言随着多媒体技术的快速发展,静态图像的应用越来越广泛,但存在一个主要问题就是数据量过于庞大。例如,一张A4(210mm297mm幅面的照片,若用中等分辨率(300dpi的扫描仪按真彩色扫描,其数据量共有(300210/25.4(300297/25.4个像素,

2、每个像素占3 个字节,其数据量为26M 字节。这样大容量的图像信息会给存储器的存储容量、通信干线信道的带宽以及计算机的处理速度增加了极大的压力。因此,图像必须进行压缩。2.图像编码压缩算法JPEG1是“联合图像专家小组”(Joint Photographic Experts Group的简称,是由ISO 和CCITT 于1986 年底联合制定的连续色调的静止图像压缩标准。它是一个适用范围广泛的通用标准,不仅适用于静止图像的压缩,也适用于电视图像序列的帧内图像的压缩。1992 年正式成为国际标准(ISO10918。JPEG 算法流程如图1 所示。 JPEG 压缩算法基本过程可分为如下几个步骤实现

3、。 颜色模式转化及取样。 离散余弦变换(DCT。 量化(quantization。 Z 字形编码(zigzag scan。 使用差分脉冲编码调制(DPCM对直流系数(DC进行编码。 使用行程长度编码(RLE对交流系数(AC进行编码。 熵编码(entropy coding。2.1 颜色模式转化及取样RGB 色彩系统是我们最常用的表示颜色的方式,JPEG 采用的是YC b Cr 色彩系统,想要用JPEG 基本压缩法处理全彩色图像,得先把RGB 颜色模式图像数据转化为YC b Cr 颜色模式数据。其中Y 代表明视度,C b 和Cr 则代表色度和饱和度。其转化公式如下: 因为JPEG 里的数据都是无符

4、号8 比特数据,因此C 值在这里都加上了128。因为人眼对图片上亮度Y 的变化远比色彩C 的变化敏感,所以采用部分取样可达到图像压缩但几乎不影响图像质量。目前在市面上支持JPEG 的应用软件,通常提供两种部分取样的方法:YUV411 和YUV422(YC b Cr 是从YUV衍生来的,它们代表的意义是Y,C b,Cr 3 个数据取样比例。比如:YUV411 取样,原来用RGB 模型,4 个点需要43=12 字节,而现在仅需要4+2=6 字节,具有50%的压缩比例。2.2 离散余弦变换(DCT离散余弦变换(discrete cosine transform简称DCT,是指将一组光强数据转化为频率

5、数据,以便得知强度变换的情形。对Y,C b,Cr 分别做DCT 变换,把整个分量图像分成88 的图像块,如果原始图片的长宽不是8 的倍数,都需要先补成8 的倍数。DCT 变换使用下式计算: 其中:u, v代表DCT 变换后矩阵内某个数值的坐标位置F(u,v代表矩阵内的(u,v位置上DCT 变换后的频率系数i, j 代表图像数据内某个数值的坐标位置f (i, j代表图像数据内的(i, j位置上的像素值u = 0且v = 0时,C(uC(v = 1 ;u 或v 时,C u C v =1/2经过DCT 变换后的矩阵数据自然数为频率系数,这些系数以F(0,0的值最大,称为DC,其余的63 个频率系数则

6、多半是一些接近于0 的正负浮点数,一概称之为AC。2.3 量化(quantization量化的作用是在保持一定图像质量的前提下,丢弃图像中对视觉效果影响不大的信息,就是减少非“0”系数的幅度以及增加“0”值系数的数目。量化是图像下降的最主要原因3。JPEG 标准中采用线性均匀量化器,对64 个DCT 系数除以量化步长并四舍五入取整,量化步长由量化表决定。JPEG 标准中使用了两种量化表:亮度量化表和色度量化表。 2.4 Z 字形编码(zigzag scan量化后的AC 系数通常会有许多零值,以Z 字形路径编排,增加了连续“0”系数的个数,这为下一步编码提供了很大方便,节省了码率。如图2 所示。

7、经过Z 字形编排后,就把一个88 的矩阵变成一个164 的矢量,频率较低的系数放在矢量的顶部。2.5 使用差分脉冲编码调制(DPCM对直流系数(DC进行编码在同一个图像分量中取得每一个DC 值与前一个DC 值的差值来编码。如图3 所示。 原因是由于在连续色调的图像中,其差值多半比原值小,对差值进行编码所需的位数,会比对原值进行编码所需的位数少许多。2.6 使用行程长度编码(RLE对交流系数(AC进行编码量化AC 系数的特点是164 矢量中包含有许多“0”系数,并且许多“0”是连续的,因此使用非常简单和直观的游程长度编码(RLE对它们进行编码。JPEG 使用一个字节的高4 位来表示连续“0”的个

8、数,而使用它的低4 位来表示编码下一个非“0”系数所需要的位数,跟在它后面的是量化AC 系数的数值。如下图4 所示 格式为(符号1(符号2符号1 表示了两条信息,称为“行程”和“长度”。“行程”是在Z 字形矩阵中位于非零AC系数前的连续零值AC 系数的个数,“长度”是对AC 系数的幅度进行编码所用的位数。符号2 表示了AC 系数幅度值。2.7 熵编码(entropy codingJPEG 标准具体规定了Huffman 编码4和算术编码两种熵编码方式。JPEG 基本顺序编码解码器具体规定用Huffman 编码,但JPEG 并没有限制对任何JPEG 算法用Huffman 编码方式或算术编码方式。熵

9、编码可以分成两步进行,首先把DC 码和行程码转换成中间序列(2.5 和2.6 已做,然后给这些符号赋以变长码字。霍夫曼编码器可以使用很简单的查表方法进行编码。编码时,每个矩阵数据的DC 值与63 个AC 值,将分别使用不同的Huffman 编码表,而亮度与色度也需要不同的Huffman 编码表,所以一共需要4 个编码表,才能顺利地完成JPEG 编码工作。实现上述几个步骤,即完成一幅图像的JPEG 压缩。3.Visual C+下BMP 转换为JPEG 算法实现用Visual C+编写了一个把BMP5图像转换为JPEG 图像的程序,该程序名称为RWJpegExp,步骤为:打开程序,加载一幅BMP

10、图片,利用“文件”/“另存为”菜单,可以将此BMP 文件存储为JPEG 文件,并能通过对话框控制JPEG 文件的压缩图像质量和色彩。3.1 程序实现的主要代码CRWJpegExpDocOnOpenDocument(LPCTSTR lpszPathName/显示要打开的文件; CRWJpegExpDocOnSaveDocument(LPCTSTR lpszPathName/保存变换后的图像; CFormatJpeg JpegDlg/创建Dialog 对话框;CJpeg jpeg/创建CJpeg 类,实现JPEG 文件转换;Jpeg.Save(lpszPathName.m_pDib,JpegDlg

11、.m_bColor,JpegDlg.m_nQuality/将文件存储为JPEG 格式。3.2 程序结果及分析RWJpegExp 程序实现对JPEG 文件压缩编码的过程如图5 所示 图5 对JPEG文件压缩编码的过程图本文通过实验,如果选择75%的图像质量,可得到20:1 的压缩率;选择55%的图像质量,可得到30:1 的压缩率;选择35%的图像质量,可得到40:1 的压缩率,只要压缩率不大于40 倍,图像压缩后的效果质量用肉眼无法区别。可见JPEG 标准的优越性(限于篇幅,这里就不给出压缩后的效果图。从以上测试结果看,设计实现的JPEG 压缩算法较好地实现了对于24 位bmp 图像的压缩,压缩比较高,且压缩图像与原始图像相比差异几乎无法察觉。4.结束语本文系统的对JPEG 编码的基本原理进行了阐述,并给出了BMP 格式图像与JPEG 格式图像之间转换的软件实现,使读者对JPEG 的压缩效果有了一个更直观的了解。虽然图像压缩了很多,但图像视觉效果没有什么差异。JPEG 标准的优点是在自然景观与再现图片方面表现很出色,且其图像文件比较小,目前WEB 上80%的图像都是JPEG 格式。缺点是只能处理静态图像,不能处理活动景物。随着技术的进步,JPEG 标准将会得到更进一步的发展和应用。参考文献1 张益贞,刘滔. Visual C+实现MPEG/JPEG 编解码技术M. 北京