基于Matlab的JPEG圖像壓縮編碼仿真實現(xiàn)

1、第24卷第10期2007年10月機(jī)電工程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作者簡介:趙文俊(1968-,男,河南鶴壁人,主要從事計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的教育教研工作?；贛 a tl ab 的JPEG 圖像壓縮編碼仿真實現(xiàn)趙文俊,董慧敏,朱智民(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,河南鶴壁458030摘要:首先介紹了基于離散余弦變換的JPEG 圖像壓縮編碼算法,接著用Matlab 6.5對標(biāo)準(zhǔn)灰度圖像進(jìn)行仿真,并對同一幅Lena 圖像作不同的壓縮,

2、繪制了率失真曲線。實驗結(jié)果表明,在很大的壓縮范圍內(nèi),在不同的壓縮比和編碼比特率下,重建圖像的峰值信噪比都在30db 以上,仍然能滿足人們的視覺需要。對圖像作不同的壓縮,滿足了不同的場合、不同的控制碼率下要求不同的圖像質(zhì)量的實際需要。用Matlab 做仿真實驗,方法簡單而且誤差小,大大提高了圖像壓縮的效率和精度。關(guān)鍵詞:聯(lián)合圖像專家組;圖像壓縮算法;離散余弦變換;Huff man 編碼;峰值信噪比中圖分類號:TP312文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號: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前言隨著信息技術(shù)的發(fā)展,圖像信息被廣泛應(yīng)用于多媒體通信和計算機(jī)

7、系統(tǒng)中。但是圖像具有龐大的數(shù)據(jù)量,不便于存儲和傳輸,必須采用合適的方法對其進(jìn)行壓縮,因此有必要對圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。在眾多的圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)中,JPEG 標(biāo)準(zhǔn)是一個適用范圍很廣的靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)字圖像壓縮領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用1,2。本研究在介紹JPEG 圖像壓縮原理的基礎(chǔ)上,用Matlab 6.5對標(biāo)準(zhǔn)灰度圖像進(jìn)行JPEG 壓縮與重建,并分析實驗結(jié)果,得出結(jié)論。1JPEG 壓縮編碼算法JPEG 專家組開發(fā)了兩種基本的壓縮算法:以離散余弦變換(DCT 為基礎(chǔ)的有損壓縮算法;以預(yù)測技術(shù)為基礎(chǔ)的無損壓縮算法。有損JPEG 壓縮算法框圖,如圖1所示。圖1JPEG 算法框圖在有損壓縮算法中,主要采

8、用基于塊的離散余弦變換消除圖像的空間冗余,利用人的視覺系統(tǒng)特性對變換系數(shù)進(jìn)行量化,最后通過無損變字長熵編碼消除 視覺冗余和數(shù)據(jù)統(tǒng)計冗余,實現(xiàn)圖像壓縮。譯碼(或者叫做解壓縮的過程與壓縮編碼過程正好相反。2M a tl ab仿真實現(xiàn)根據(jù)上面所述的JPEG壓縮編碼算法,要將一幅灰度圖像進(jìn)行壓縮編碼,首先把圖像分成8×8的像素塊,分塊進(jìn)行DCT變換后,根據(jù)JPEG標(biāo)準(zhǔn)量化表3對變換系數(shù)進(jìn)行量化,再對直流系數(shù)(DC進(jìn)行預(yù)測編碼,對交流系數(shù)(AC進(jìn)行Zig2Zag掃描和可變長編碼,然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的Huff man碼表427進(jìn)行熵編碼,輸出壓縮圖像的比特序列,實現(xiàn)了圖像壓縮。在接收端,則經(jīng)過Huff

9、 man熵解碼、DC系數(shù)和AC系數(shù)可變長解碼、反量化后,再進(jìn)行反DCT變換,得到重建圖像。對一幅圖像進(jìn)行JPEG編、解碼的Matlab程序流程圖,如圖2所示 。圖2JPEG編解碼M a tl ab程序流程圖在圖2所示的程序流程圖中,在進(jìn)行Huff man編碼時,由于是對相鄰圖像塊之間的差值進(jìn)行編碼,在量化后掃描之前要先對DC系數(shù)進(jìn)行預(yù)處理。將量化后DC的原始值替換成相鄰圖像塊之間的差值;在對AC系數(shù)進(jìn)行編碼時,又要考慮“63個系數(shù)全是零”和“連續(xù)出現(xiàn)16個零”這兩種特殊情況。3實驗結(jié)果用上述Matlab程序?qū)υ紙D像大小為512×512,8bits/p ixel的6幅灰度圖像分別作J

10、PEG壓縮編、解碼,然后進(jìn)行反量化和逆DCT變換,得到重建圖像,實驗結(jié)果,如表1所示。表16幅圖像JPEG壓縮的實驗結(jié)果Test I m ages測試圖像編碼比特率/bppComp ress Rati o壓縮比PS NR/db5.m ilkdr op0.491由表1的實驗結(jié)果可以看出,在很大的壓縮比下,仍然得到了比較高的峰值信噪比,并且重建圖像的主觀質(zhì)量也很好。Lena和yacht的原始圖像,如圖3所示。經(jīng)JPEG壓縮、重建得到的圖像,如圖4所示。比較原始圖像與重建圖像,主觀上看不出它們之間的差別 。圖3 原始圖像圖4重建圖像改變量化矩陣,對Lena圖像作不同的量化,在不同的壓縮比下,得到質(zhì)量

11、不同的重建圖像。實驗數(shù)據(jù),如表2所示。表2對Lena圖像作不同壓縮的實驗結(jié)果量化矩陣Q倍乘編碼比特率/bppComp ress Rati o壓縮比PS NR/db(下轉(zhuǎn)第109頁89機(jī)電工程第24卷 圖10M PEG2視頻捕獲鏈路圖程序運(yùn)行時可以看到,采集到的圖像畫面清晰、流暢,具有DVD 畫質(zhì)。而且程序的通用性比較強(qiáng),能夠正確解析不同種類視頻采集卡輸出的不同格式的圖像信號。5結(jié)束語視頻捕獲模塊在無人機(jī)圖像處理系統(tǒng)中占有很重要的地位,本研究提出了一種針對MPEG2視頻流的視頻捕獲實現(xiàn)方法,顯著提高了捕獲圖像質(zhì)量,實驗證明其在目標(biāo)檢測及地標(biāo)識別等場合取得了良好的效果。這種方法具有很好的應(yīng)用前景,

12、筆者所參與的 UAV 研究項目正是采用了這種方案,不僅在實時地面監(jiān)控時的畫面清晰度得到了大幅提高,同時也提高了基于圖像進(jìn)行目標(biāo)識別的正確率,如圖11所示。未來計劃將其應(yīng)用于飛機(jī)視覺伺服、視覺導(dǎo)航等領(lǐng)域。圖11微型UAV 在線識別場景圖參考文獻(xiàn)(Reference:1劉祎瑋.V isual C +視頻/音頻開發(fā)實用工程案例精選M .北京:人民郵電出版社,2004.2(美羅杰森.COM 技術(shù)內(nèi)幕微軟組件對象模型M .楊秀章,譯.北京:清華大學(xué)出版社,1999.3陸其明.D irectShow 開發(fā)指南:2版M .北京:清華大學(xué)出版社,2003.4陸其明.D irectShow 實務(wù)精選:1版M .

13、北京:科學(xué)出版社,2004.5M icr os oft Cor porati 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,韓波,李平.微型UAV 視覺識別系統(tǒng)的研究J .計算機(jī)工程與應(yīng)用,2004,40(36:112-114.編輯:李輝(上接第98頁由表2數(shù)據(jù),作Lena 圖像的率失真曲線,如圖5所示。由圖5可以看出,在很大的壓縮范圍內(nèi),在不同的壓縮比和編碼比特率下,重建圖像的峰值信噪比都在30db 以上。對圖像作不同的壓縮

14、,滿足了在不同的場合下要求不同的圖像質(zhì)量的實際需要。圖5L ena 圖像的率失真曲線4結(jié)束語本研究首先介紹了JPEG 壓縮編碼算法,接著通過使用Matlab6.5編程實現(xiàn)了JPEG 圖像壓縮算法,對多幅標(biāo)準(zhǔn)灰度圖像進(jìn)行了實驗仿真,并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,給出了經(jīng)典測試圖像Lena 的率失真曲線。實驗結(jié)果表明,JPEG 壓縮算法實現(xiàn)簡單,在很大的壓縮范圍內(nèi),都能得到很好的重建圖像質(zhì)量。利用Matlab 做仿真實驗,方法簡單且誤差小,大大提高了圖像壓縮的效率和精度。DCT 變換是在最小均方誤差準(zhǔn)則下得出的次最佳正交變換,并且有快速算法,因此它在硬件8中也很容易實現(xiàn),正是由于具有這些優(yōu)點(diǎn),JPEG 壓縮編碼算法在圖像壓縮領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)(Reference:1林福宗.多媒體技術(shù)基礎(chǔ)M .北京:清華大學(xué)出版社,2002.2羅倩玲.JPEG 編碼與矢量量化編碼方法比較J .電子測量技術(shù),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 ,1991,34(4:30