JPEG压缩算法的研究

1、在过去的十几年间，计算机、通信及其他多媒体消费电子产品取得了的迅猛发展，高质量图像的应该越来越广泛。图像时多媒体中携带信息很重要的媒体，据统计资料表明，人们获取的信息70%来自视觉系统。图像数据的主要特点是信息量大，一幅512*512灰度等级为8比特的图像，数据量为256K字节。以4通道卫星遥感探测器为例。每传输一次图像数据量可达1M字节。实际上，卫星遥感探测时，视窗远大与此，通道也远多于此。如地球同步卫星，探测范围达全球面积的三分之一。可想象，要保存这些图像数据需要巨大的存储空间。在多媒体中，海量图像数据的存储和处理是难点之一。根据计算，一张600M字节的光盘，仅能存放20秒左右的640*4

2、80像素的图像画面信息。所以如果不进行编码压缩处理，那么在多媒体信息保存中的困难和成本之高是难以接受的。现代通信中，图像传输已经成为重要的内容。在工作中除了要求设备可靠图像保真高外，实时性将是重要指标之一。很显然，在信道带宽通信链路容量一定的前提下，采用编码压缩技术，减少传输的数据，是提高通信速度的重要手段之一。1991年，国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）制定了第一套静态图像压缩标准JPEG（Joint Photographic Experts Group联合图像专家组）。JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法，一种是采用以离散余弦变换（Discrete Cosine Tran

3、sform，DCT）为基础的有损压缩算法，另一种是采用以预测技术为基础的无损压缩算法。使用有损压缩算法时，在压缩比为25:1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此得到了广泛的应用。例如，在VCD和DVD-Video电视图像压缩技术中，就使用JPEG的有损压缩算法来取消空间方向上的冗余数据。为了在保证图像质量的前提下进一步提高压缩比，近年来JPEG专家组正在制定JPEG2000标准，这个标准中将采用小波变换（Wavelet）算法。JPEG压缩是有损压缩，它利用了人的视角系统的特性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余信息

4、。 鉴于JPEG其优良的品质，在标准提出短短的几年间就获得了巨大的成功，目前网站上80%的图像都是采用JPEG的压缩标准。虽然最近更高压缩率以及更多新功能的新一代图像压缩技术JPEG2000已经诞生。其目标是进一步改进目前压缩算法的性能，以适应低带宽，高噪声的环境，及医疗图像，电子图书馆，传真，Internet网上服务和保安等方面的应用。对于有较好的图像质量，较低的比特率或者是一些特殊功能的要求（比如渐进传输和感兴趣区域编码等）时，JPEG2000将是较好的选择。但是事实证明，随着JPEG系统产品的不断优化，在大多数场合下，JPEG压缩就可以满足要求了。而且，JPEG的低复杂度，低成本的优点也

5、是别的标准所无法取代的。因此，JPEG2000不可能完全替代JPEG。在未来很长一段时间内，JPEG仍然将是主流的静止图像压缩标准。 可以这样认为，没有编码压缩技术的发展，大容量图像信息的存储与传输时难以实现的，多媒体等新技术在实际中的应用也会碰见困难。因此，研究图像的编码压缩技术成为当前热门的课题之一。由于图像编码压缩技术存在着巨大的应用市场的经济利益，我们有必要掌握JPEG这种主流编码技术核心算法，也是对后续的图像处理研究做一个基础工作。 如今在Internet上，传统基于字符界面的应用逐渐被能够浏览图像信息的WWW(World Wide Web)方式所取代。WWW尽管漂亮，但是也带来了一

6、个问题：图像信息的数据量太大了，本来就已经非常紧张的网络带宽变得更加不堪重负，使得World Wide Web变成了World Wide Wait。总之，大数据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极大的压力。单纯靠增加存储器容量，提高信道带宽以及计算机的处理速度等方法来解决这个问题是不现实的，这时就要考虑压缩。 压缩的理论基础是信息论。从信息论的角度来看，压缩就是去掉信息中的冗余，即保留不确定的信息，去掉确定的信息(可推知的)，也就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有冗余的描述。这个本质的东西就是信息量(即不确定因素)。图像压缩一般通过改变图像的表示

7、方式来达到，因此压缩和编码是分不开的。图像压缩的主要应用是图像信息的传输和存储，可广泛地应用于广播电视、电视会议、计算机通讯、传真、多媒体系统、医学图像、卫星图像等领域。 1.JPEG图像压缩意义和现状.2.JPEG压缩方法的原理及实现的具体步骤。3.通过试验，主要观察JPEG有损压缩方法对图像的压缩效果。4.哈夫曼编码是种常用的熵编码方法，分析了它的原理和在图像压缩中应用。 根据论文要求，拟采用VC+语言编写实现算法的源程序，同时因为JPEG有几种模式，其中最常用的是基于DCT变换的顺序型模式，又称为基线系统(Baseline)，所以我准备根据它的实现步骤来编写程序的模块的。 1)BMP图像

8、文件的读取和JPEG图像文件的存储(2)正向离散余弦变换对每个单独的彩色图像分量，把整个分量图像分成8*8的图像块，并作为二维离散余弦变换DCT的输入。通过DCT变换，把能量集中在少数几个系数上。(3)量化量化是对经过DCT变换后的频率系数进行量化。量化的目的是减小非“0”系数的幅度以及增加“0”值系数的数目。量化是图像质量下降的最主要原因。对于有损压缩算法，JPEG算法使用均匀量化器进行量化，量化步距是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值来确定。因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，因此使用了亮度量化值和色差量化值两种量化表，我们实际使用的是后者。 (4)Z形编排量化后的DCT系数要重新

9、编排，目的是为了增加连续的“0”系数的个数，就是“0”的游程长度，方法是按照Z形的式样编排，这样就把一个8*8的矩阵变成一个1*64的矢量，频率较低的系数放在矢量的顶部。(5)直流系数的编码8*8图像块经过DCT变换之后得到的DC直流系数有两个特点：一是系数的数值比较大，二是相邻8*8图像块的DC系数数值变化不大。根据这个特点，算法使用了技术，对相邻图像块之间的DC系数的差值进行编码。 (6)交流系数的编码量化AC系数的特点是1*64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对他们进行编码。JPEG使用了1个字节的高4位来表示连续“0”的个数，而使用它的低4位

10、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。 7)熵编码使用熵编码还可以对DPCM编码后的直流DC系数和RLE编码后的交流AC系数作进一步的压缩。在JPEG有损压缩算法中，使用霍夫曼编码器来减少熵。使用霍夫曼编码器的理由是可以使用很简单的查表方法进行编码。压缩数据符号时，霍夫曼编码器对出现频度较高的符号分配比较短的代码，而对出现频度较低的符号分配比较长的代码。(8)组成位数据流JPEG编码的最后一个步骤是把各种标记代码和编码后的图像数据组成一帧一帧的数据，这样做的目的是为了便于传输、存储和译码器进行译码，这样的组织的数据通常称为JPEG位数据流（JPEG bits

11、tream） (1)BMP图像的读入、显示模块图像的读入、显示模块进行压缩前，必须要有源图像，这里，选择了BMP图像作来获取图像数据，之所以选择BMP图像，一是它比较常见，图像格式较为简单；二是一般情况下不对存储的BMP图像数据进行压缩。 (2)DCT量化编码模块量化编码模块JPEG标准中规定了4种压缩模式：顺序编码（Sequential encoding），渐进编码（Progressive encoding），等级编码（Hierarchical encoding），无损编码（Lossless encoding）。应用最为广泛的为基于DCT变换的顺序编码，也称之为基准模式(Baseline m

12、ode)，其它几种模式都以此为基础。这里，采用了JPEG基准模式对图像进行压缩，在基准模式中，熵编码采用哈夫曼编码方法。 (3)JPEG图像存储模块图像存储模块压缩后的图像数据存成标准的JPEG文件格式。在处理 JPEG 文件时, 如果碰到一个0XFF, 而它后面的字节不是0, 并且这个字节没有意义. 那么你遇到的0XFF字节必须被忽略。 (4)解压缩模块解压缩模块这个模块按压缩时的压缩率来显示图像，用户可以设定解码图像的位色，并在此条件下解码图像。 1 田晓侠，刘帅，王劲松等.JPEG基线压缩算法的研究与优化J 机械电子2005(4) 2 廖天康，刘峰，董培良，洪志良 基于输入图像内容的比特

13、率控制 期刊论文 小型微型计算机系统2002 (3) 3 高丙坤，姜春雷，张佳 一种新的数字视频压缩方法的设计 期刊论文 大庆石油学院学报2005 (5) 4 徐盛，曾永慧，樊士伟，张天序 基于JPEG-LS帧间扩展的图像无损压缩算法 期刊论文 计算机与数字工程2006 (3) 5 张益贞Visual C+实现MPEG/JPEG 编解码技术M人民邮电出版社 2002(11) 6 阮秋琦 数字图像处理学M 电子工业出版社 2001 (3) 7 刘玮，王红星 图像的无损压缩编码方法及JPEG标准模式J 现代电子技术 2002 (5) 8 文富忠 扩频通信系统相位的捕获与跟踪技术 电讯技术 2002(3) 9 严剑 Huffman算法及其在数据压缩中的应用J 计算机与现代化 1996（4） （1）2月1日，用VC+语言编写实现算法。 （2）2月2日3月15日，查阅该课题相关的资料，熟悉VC+语言编写，掌握该软件的使用。 （3）3月16日3月20日，复习曾经学习过的知识了解JPEG的原理与VC+语言。 （4）3月21日3月25日，查阅与JPEG压缩编码算法有关资料，掌握JPEG压缩编码算法设计原理，并初步设计。 （5）3月26日