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目 录 引言... 1 内容来自www.paper51.com 一、JPEG压缩标准... 1 paper51.com 1.1 JPEG 图像压缩简介... 1 copyright paper51.com 1.2 JPEG算法概述... 2 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 二、JPEG算法的实现... 2 http://www.paper51.com 2.1 离散余弦变换（DCT）... 2 http://www.paper51.com 2.2 量化（Quantization）... 2 内容来自www.paper51.com 2.3 直流系数编码... 4 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 2.4 交流（AC）系数的之字形编码编码... 4 copyright paper51.com 2.5 哈夫曼编码... 6 内容来自www.paper51.com 三、程序流程... 6 copyright paper51.com 四、JPEG 2000图像数据压缩技术简介... 8 paper51.com 五、总结... 8 http://www.paper51.com
paper51.com 引言 copyright paper51.com 进入信息时代，人们将越来越来依靠计算机获取和利用信息，这使得多媒体处理迅速发展。多媒体数据处理已经成为工程学、计算机科学、信息科学、医学、刑事侦察、娱乐、视频会议等各学科和个领域的研究对象。视频会议比文档会议更进一步，使人们在讨论时能在监视器上以全运动视频相互看到对方。在信息社会中，多媒体数据处理无论是在理论上还在实践上都存在着巨大的潜力。数字化后的图象、视频和音频等媒体信息具有数据海量性，与当前的硬件技术所提供的计算机存储资源和网络带宽之间有很大差距。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。 http://www.paper51.com
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)。数字图像处理及数据压缩在社会各领域越来越显示出重要地位。图像数据压缩满足一定的图像质量的条件下，用尽可能少的数据量表示图像。数字图像一般表示为f(i ，j)，i，j =0,1,2……N-1，它是对二维图象f（x，y）进行抽样量化过程而得到。 http://www.paper51.com 由于在实际中传输带宽是很宝贵的，所以压缩和解压缩技术非常重要。像二维图像、灰度图像、彩色图像、视频图像、音频、全运动视频数据这样的数字化对象的压缩技术已经标准化。这些压缩的对象通过LAN（局域网）和WAN（广域网）来存储、检索和传输，并在显示之前解压缩。 paper51.com 随着屏幕的增大和分辨率的提高，高分辨率图像要求越来越高。打开复杂网络功能系统的关键是系统的能力和具有好的压缩、解压缩能力。压缩技术对应其他多媒体技术也是很关键的。视频会议只是一种。JPEG图像压缩是适合一个使用范围广的静态图像数据压缩标准，可用于灰度图像和彩色图像，也可用于电视图像系列的帧内图像压缩。本小组主要研究基于DCT的JPEG图像压缩。 copyright paper51.com 一、JPEG压缩标准 http://www.paper51.com 1.1 JPEG 图像压缩简介 paper51.com JPEG是联合照片专家组（Joint Photographic Experts Group）的英文缩写，其中“联合”的含义是指国际电信电报咨询委员会（Consultative Committee of theInternational Telephone and Telegraph,CCITT）和国际标准化组织（International StandardizationOrganization,ISO）联合组成的一个图片专家小组。JPEG算法是国际上彩色、灰度、静止的第一个国际标准。它不仅适用静态图像压缩，也适用电视图像系列的帧内图像的压缩。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
JPEG已经作为ISO标准公布，它分为两个部分： paper51.com
第一部分详细规定了操作模式、格式转换和这些模式的编码器/解码器（编码解码器）以及具体的实现指导。 copyright paper51.com 第二部分描述了符合测试，符合测试可确定编码器或者解码器的实现是否符合第一部分的标准细则，以便确保与遵守JPEG标准的系统互操作性。 paper51.com JPEG实际上定义了三种编码系统： copyright paper51.com
第一，基于DCT的有损编码基本系统，适用于绝大多数压缩应用场合，叫做基本系统。 paper51.com
其二，用高压缩比、高清晰度或者渐进重建应用扩展编码系统，叫扩展系统。 paper51.com
其三，用于无失真应用场合的无损系统，叫做信息保持系统。 http://www.paper51.com
每个编码器必须实现一个必备的基本系统，基本系统必须合理地解压缩彩色图像，保持高压缩率，并能处理4bit/像素到16bit/像素的图像。JPEG标准应能确保JPEG标准的软件实现。 内容来自www.paper51.com
扩展系统包括了各种编码方式，如，可变长度编码、渐进编码，以及分层模式的编码。在此，所有的这些编码方法都是基本顺序列编码的扩展。 内容来自www.paper51.com 特殊无损功能（也称为预测无损编码法）确保了图像被压缩的分辨率下，解压缩没有造成初始图像（即图像的数字化形式）中任何细节的损失。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 1.2 JPEG算法概述 内容来自www.paper51.com
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（Discrete Cosine Transform,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。 copyright paper51.com 特殊无损系统确保了图像在压缩和解压缩过程中没有任何损失，也就是说解压缩之后的数字与原始数字图像完全一样，没有任何差别，哪怕是细节上的差别。 copyright paper51.com 使用有损压缩算法时，在压缩比很高的情况下，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，因此得到广泛的应用。这中基于DCT顺序型模式也就是我们本次设计的算法。 paper51.com
二、JPEG算法的实现 内容来自www.paper51.com 量化（Quantization）、DC系数编码和AC系数的之字形编码是我在本次设计中的重点部分，在本节中将作为重点。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
2.1 离散余弦变换（DCT） copyright paper51.com 离散余弦变换（DiscreteCosine Transform，DCT）是一种与傅里叶变换紧密相关的数学运算。其起到的作用是将一组光强数据转换成频率数据，以便得知强度变化的情形。若对高频的数据做些修饰，再转回原来形式的数据时，显然与原始数据有些差异，但是人类的眼睛却是不容易辨认出来。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
在JPEG的压缩标准中，DCT运算是运用在8×8子块上的。当图像数据分成一个8×8矩阵后，还必须将每个数值减去128，然后一一代入DCT变换公式中，即可达到DCT变换的目的。图像数据值必须减去128，是因为DCT转换公式所接受的数字范围是在-128到+127之间。 copyright paper51.com DCT变换公式： 内容来自论文无忧网 www.paper51.com copyright paper51.com ∑是i,j分别从0到7。 内容来自www.paper51.com
i,j代表图像数据矩阵内某个数值的坐标位置 内容来自论文无忧网 www.paper51.com f(i,j)代表图像数据矩阵内的数个数值 http://www.paper51.com u,v代表DCT变换后矩阵内某个数值的坐标位置 内容来自www.paper51.com F(u,v)代表DCT变换后矩阵内的某个数值 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
u=0 且 v=0c(u)c(v)=1/1.414 copyright paper51.com
u>0 或 v>0c(u)c(v)=1 内容来自www.paper51.com 2.2 量化（Quantization） copyright paper51.com 量化是对经过正向DCT后的频率系数进行量化，即量化是一种降低整数精度，以便减少存储所需的位数，增加“0”值系数的数目，从而达到数据压缩的目的。量化的作用是在一定的主观保真度图像质量前提下，丢掉那些视觉效果影响不大的信息，不同频率的余弦函数对视觉影响不同，所以根据不同频率的视觉值来选择量化表中的元素大小。量化误差是图像质量下降的主要原因。 内容来自www.paper51.com 由于在JPEG压缩中，横轴是输入的待量化的DCT系数，纵轴是量化之后的DCT系数。量化步长是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值来确定。DCT输出矩阵通过量化来减少系数精度，从而提高压缩率。在压缩工程中，删除了离DCT系数较远的值，即AC系数。因此，随着删除掉的AC系数的增多，DCT系数精度降低了。在JPEG压缩的目的就是以不超过达到期望图像质量所必须的精度来表示DCT系数。 内容来自www.paper51.com 图1表示出量化特性： http://www.paper51.com
paper51.com 图 1线性均匀标量量化器的特色曲线 内容来自www.paper51.com JPEG基本算法包括一套量化表，它们是从大量的试验中得出的。量化就是将64个DCT系数除以量化表中对应的值，在四舍五入取整。量化表左上角的值较小，右上角的值较大，这说明左上角（低频部分）的量化步长小，量化精度高，右上角（高频部分）的量化步长大，量化精度低。这样就起到了保持低频分量，抑制高频分量的目的。 copyright paper51.com JPEG使用的颜色是YCrCb格式。Y分量代表了高亮信息，Cr、Cb分量代表了色差信息。因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，Y分量更重要一些。我们可以对Y采用细量化，对Cr、Cb采用粗量化，可进一步提高压缩比。所以JPEG中使用了两种量化表，一张是针对Y的；一张是针对Cr、Cb的。这里的量化表尺寸为8×8象素，与64个DCT变换系数一一对应，其系数随DCT系数的位置和彩色分量不同有不同的值。在本毕业设计中所用到的量化表跟ACDSee一致。表1和表2所示的分别是亮度量化和色差量化表。 http://www.paper51.com |