基于JPEG標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)圖像壓縮算法概述

1、基于 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)圖像壓縮算法概述 張元偉 1,劉彥隆 2太原理工大學(xué)信息學(xué)院,太原(030024E-mail:摘 要 :本文主要論述了基本 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)的編碼方法。其中包括采樣、離散余弦變換、量化 和熵編碼等幾個主要步驟, 最后, 用 Visual C+編程實現(xiàn)把一幅 BMP 格式的圖像轉(zhuǎn)換為 JPEG 格式圖像,進(jìn)一步顯示 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)在圖像壓縮中的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞 :JPEG 標(biāo)準(zhǔn);采樣;離散余弦變換;量化;熵編碼中圖分類號 :TN9191.引言隨著多媒體技術(shù)的快速發(fā)展, 靜態(tài)圖像的應(yīng)用越來越廣泛, 但存在一個主要問題就是數(shù) 據(jù)量過于龐大。例如,一張 A4(210mm297mm

2、幅面的照片,若用中等分辨率 (300dpi的掃 描儀按真彩色掃描,其數(shù)據(jù)量共有(300210/25.4 (300297/25.4個像素,每個像素占 3個字節(jié),其數(shù)據(jù)量為 26M 字節(jié)。這樣大容量的圖像信息會給存儲器的存儲容量、通信干線 信道的帶寬以及計算機的處理速度增加了極大的壓力。因此,圖像必須進(jìn)行壓縮。2.圖像編碼壓縮算法JPEG 1是 “ 聯(lián)合圖像專家小組 ” (Joint Photographic Experts Group的簡稱,是由 ISO 和 CCITT 于 1986年底聯(lián)合制定的連續(xù)色調(diào)的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。它是一個適用范圍廣泛的通 用標(biāo)準(zhǔn),不僅適用于靜止圖像的壓縮,也適用于電視

3、圖像序列的幀內(nèi)圖像的壓縮。 1992年 正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO10918。JPEG 算法流程如圖 1所示。 JPEG 壓縮算法基本過程可分為如下幾個步驟實現(xiàn)。 顏色模式轉(zhuǎn)化及取樣。 離散余弦變換(DCT 。 量化(quantization 。 Z字形編碼 (zigzag scan。 使用差分脈沖編碼調(diào)制 (DPCM對直流系數(shù) (DC進(jìn)行編碼。 使用行程長度編碼 (RLE對交流系數(shù) (AC進(jìn)行編碼。 熵編碼 (entropy coding。2.1 顏色模式轉(zhuǎn)化及取樣RGB 色彩系統(tǒng)是我們最常用的表示顏色的方式, JPEG 采用的是 YC b Cr 色彩系統(tǒng), 想要 用 JPEG 基本壓縮法處理

4、全彩色圖像,得先把 RGB 顏色模式圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 YC b Cr 顏色模 式數(shù)據(jù)。其中 Y 代表明視度, C b 和 Cr 則代表色度和飽和度。其轉(zhuǎn)化公式如下: 因為 JPEG 里的數(shù)據(jù)都是無符號 8比特數(shù)據(jù),因此 C 值在這里都加上了 128。因為人眼對圖片上亮度 Y 的變化遠(yuǎn)比色彩 C 的變化敏感,所以采用部分取樣可達(dá)到圖 像壓縮但幾乎不影響圖像質(zhì)量。目前在市面上支持 JPEG 的應(yīng)用軟件,通常提供兩種部分取樣的方法:YUV411和 YUV422(YCb Cr 是從 YUV 2衍生來的 ,它們代表的意義是 Y , C b , Cr 3個數(shù)據(jù)取樣比例。 比如:YUV411取樣,原來用 RG

5、B 模型, 4個點需要 43=12字節(jié),而現(xiàn)在僅需要 4+2=6字節(jié),具有 50%的壓縮比例。2.2離散余弦變換(DCT 離散余弦變換(discrete cosine transform簡稱 DCT ,是指將一組光強數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻率 數(shù)據(jù),以便得知強度變換的情形。對 Y , C b , Cr 分別做 DCT 變換,把整個分量圖像分成 88的圖像塊,如果原始圖片的 長寬不是 8的倍數(shù),都需要先補成 8的倍數(shù)。DCT 變換使用下式計算:1612(cos1612(cos, (41,(77viuijifvCuCvuFi j+=其中:vu , 代表 DCT 變換后矩陣內(nèi)某個數(shù)值的坐標(biāo)位置,(vuF 代表矩

6、陣內(nèi)的 , (vu 位置上 DCT 變換后的頻率系數(shù)ji , 代表圖像數(shù)據(jù)內(nèi)某個數(shù)值的坐標(biāo)位置, (jif 代表圖像數(shù)據(jù)內(nèi)的 , (ji 位置上的像素值1 ( (0021( (00=v C u C v u v C u C v u 時, 或 時, 且經(jīng)過 DCT 變換后的矩陣數(shù)據(jù)自然數(shù)為頻率系數(shù),這些系數(shù)以 0, 0(F 的值最大,稱為 DC ,其余的 63個頻率系數(shù)則多半是一些接近于 0的正負(fù)浮點數(shù),一概稱之為 AC 。2.3量化(quantization 量化的作用是在保持一定圖像質(zhì)量的前提下,丟棄圖像中對視覺效果影響不大的信息, 就是減少非 “0” 系數(shù)的幅度以及增加 “0” 值系數(shù)的數(shù)目

7、。量化是圖像下降的最主要原因 3。 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)中采用線性均勻量化器,對 64個 DCT 系數(shù)除以量化步長并四舍五入取整, 量化步長由量化表決定。 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)中使用了兩種量化表:亮度量化表和色度量化表。2.4 Z字形編碼(zigzag scan 2.5 使用差分脈沖編碼調(diào)制 (DPCM對直流系數(shù) (DC進(jìn)行編碼 在同一個圖像分量中取得每一個 DC 值與前一個 DC 值的差值來編碼。如圖 3所示。 原因是由于在連續(xù)色調(diào)的圖像中,其差值多半比原值小,對差值進(jìn)行編碼所需的位數(shù), 會比對原值進(jìn)行編碼所需的位數(shù)少許多。量化后的 AC 系數(shù)通常會有許多零值, 以Z 字形路徑編排,增加了連續(xù)“ 0”系

8、數(shù)的個數(shù),這為下一步編碼提供了很大方便,節(jié)省了碼率。如圖 2所示。經(jīng)過 Z 字形編排后, 就把一個 88的矩陣變成一個 164的矢量,頻率較低的系數(shù)放在矢量的頂部。 2.6 使用行程長度編碼 (RLE對交流系數(shù) (AC進(jìn)行編碼 量化 AC 系數(shù)的特點是 164矢量中包含有許多 “0” 系數(shù),并且許多 “0” 是連續(xù)的,因此 使用非常簡單和直觀的游程長度編碼(RLE 對它們進(jìn)行編碼。JPEG 使用一個字節(jié)的高 4位來表示連續(xù) “0” 的個數(shù), 而使用它的低 4位來表示編碼下一 個非 “0” 系數(shù)所需要的位數(shù),跟在它后面的是量化 AC 系數(shù)的數(shù)值。如下圖 4所示 格式為 (符號 1(符號 2 符號

9、 1表示了兩條信息,稱為 “ 行程 ” 和 “ 長度 ” 。 “ 行程 ” 是在 Z 字形矩陣中位于非零 AC 系數(shù)前的連續(xù)零值 AC 系數(shù)的個數(shù), “ 長度 ” 是對 AC 系數(shù)的幅度進(jìn)行編碼所用的位數(shù)。 符號 2表示了 AC 系數(shù)幅度值。2.7 熵編碼 (entropy codingJPEG 標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)定了 Huffman 編碼 4和算術(shù)編碼兩種熵編碼方式。 JPEG 基本順序編碼 解碼器具體規(guī)定用 Huffman 編碼, 但 JPEG 并沒有限制對任何 JPEG 算法用 Huffman 編碼方 式或算術(shù)編碼方式。 熵編碼可以分成兩步進(jìn)行, 首先把 DC 碼和行程碼轉(zhuǎn)換成中間序列 (2.5

10、和 2.6已做,然后給這些符號賦以變長碼字。霍夫曼編碼器可以使用很簡單的查表方法進(jìn)行編碼。 編碼時, 每個矩陣數(shù)據(jù)的 DC 值與 63個 AC 值,將分別使用不同的 Huffman 編碼表,而亮度與色度也需要不同的 Huffman 編 碼表,所以一共需要 4個編碼表,才能順利地完成 JPEG 編碼工作。實現(xiàn)上述幾個步驟,即完成一幅圖像的 JPEG 壓縮。3. Visual C+下 BMP 轉(zhuǎn)換為 JPEG 算法實現(xiàn)用 Visual C+編寫了一個把 BMP 5圖像轉(zhuǎn)換為 JPEG 圖像的程序,該程序名稱為 RWJpegExp, 步驟為:打開程序,加載一幅 BMP 圖片,利用 “ 文件 ”/“

11、另存為 ” 菜單,可以將此 BMP 文件存儲為 JPEG 文件,并能通過對話框控制 JPEG 文件的壓縮圖像質(zhì)量和色彩。3.1 程序?qū)崿F(xiàn)的主要代碼CRWJpegExpDoc OnOpenDocument(LPCTSTR lpszPathName/ 顯示要打開的文件; CRWJpegExpDoc OnSaveDocument(LPCTSTR lpszPathName/ 保存變換后的圖像; CFormatJpeg JpegDlg/創(chuàng)建 Dialog 對話框;CJpeg jpeg/創(chuàng)建 CJpeg 類,實現(xiàn) JPEG 文件轉(zhuǎn)換;Jpeg.Save(lpszPathName.m_pDib,JpegDl

12、g.m_bColor,JpegDlg.m_nQuality/將文件存儲為 JPEG 格式。3.2 程序結(jié)果及分析RWJpegExp 程序?qū)崿F(xiàn)對 JPEG 文件壓縮編碼的過程如圖 5所示 圖 5 對 JPEG 文件壓縮編碼的過程圖本文通過實驗,如果選擇 75%的圖像質(zhì)量,可得到 20:1的壓縮率;選擇 55%的圖像質(zhì) 量,可得到 30:1的壓縮率;選擇 35%的圖像質(zhì)量,可得到 40:1的壓縮率,只要壓縮率不大 于 40倍,圖像壓縮后的效果質(zhì)量用肉眼無法區(qū)別。可見 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)越性(限于篇幅, 這里就不給出壓縮后的效果圖。從以上測試結(jié)果看,設(shè)計實現(xiàn)的 JPEG 壓縮算法較好地實現(xiàn)了對于 24位 bmp 圖像的壓 縮,壓縮比較高,且壓縮圖像與原始圖像相比差異幾乎無法察覺。4.結(jié)束語本文系統(tǒng)的對 JPEG 編碼的基本原理進(jìn)行了闡述,并給出了 BMP 格式圖像與