變換編碼中消除方塊效應(yīng)

1、變換編碼中消除方塊效應(yīng)的一個最優(yōu)化方法實現(xiàn)作 者：陳 萍 專 業(yè)：電子信息工程指導(dǎo)教師：胡 棟 指導(dǎo)單位：南京郵電大學(xué)摘 要：由于壓縮特性好、相對執(zhí)行簡單，基于塊的離散余弦變換（DCT）已成為目前最流行的圖象處理變換技術(shù)之一。然而它存在一個缺點，即對DCT系數(shù)的粗糙量化，尤其是直流及低頻分量的粗糙量化時，會導(dǎo)致明顯的方塊效應(yīng)，造成嚴(yán)重的視覺降質(zhì)。參考論文提出了一種消除方塊效應(yīng)的新方法。這種方法建立在一種新的方?jīng)Q效應(yīng)的度量斜率均方差值（MSDS），即兩個相鄰塊之間的斜率和這兩個塊各自邊界的斜率之間的均方差值。算法通過優(yōu)化算法調(diào)節(jié)一定數(shù)量的DCT系數(shù)值使MSDS值最小，減弱方塊效應(yīng)。本文課題的重點

2、正是用MATLAB實現(xiàn)這個優(yōu)化算法，并且通過實驗結(jié)果與傳統(tǒng)的去方塊效應(yīng)方法比較，驗證這種方法的優(yōu)勢所在。本文最后還給出了一些改進方案。關(guān)鍵詞：方塊效應(yīng)；DCT變換；斜率均方差（MSDS）；最優(yōu)化；量化一、緒論在圖象處理變換技術(shù)中，消除方塊效應(yīng)一直以來都是一個很辣手的問題。因此，人們提出了許多消除方塊效應(yīng)的方法，其中有些正被實際應(yīng)用在圖象編碼系統(tǒng)中。然而這些方法總存在一些不盡如人意之處，或者消除方塊效應(yīng)的效果不佳又或者需要傳輸許多額外的信息，更有一些給圖像引入了噪聲，使圖像變得模糊。鑒于這種情況本文課題使用MATLAB實現(xiàn)了一種消除方塊效應(yīng)的新方法，通過實驗證明了其可行性及優(yōu)勢所在。課題最終實現(xiàn)

3、的功能如下：中文菜單圖像顯示界面。DCT變換及反向DCT變換。使用多種量化表對圖像的DCT系數(shù)進行量化。計算各個圖像的MSDS值，并顯示在界面進行比較。用最優(yōu)化MSDS方法對DCT變換后圖像進行處理，并顯示處理后圖像。使上述方法調(diào)整的DCT系數(shù)的數(shù)量可界面化選擇，以得出不同的處理效果。用傳統(tǒng)低通濾波器方法對變換后圖像進行處理，并顯示處理后圖像等。二、最優(yōu)化MSDS值消除方塊效應(yīng)的設(shè)計方案本課題的設(shè)計方案從讀取一幅原始的lenna圖像開始，首先對其進行DCT變換和量化，然后根據(jù)MSDS值的定義計算圖像的MSDS值，接下來便是本課題的關(guān)鍵，也就是對一幅量化后的圖像進行MSDS值最優(yōu)化處理。若按照原

4、始定義來進行顯然計算復(fù)雜度太高，于是將原始定義的MSDS值經(jīng)過推導(dǎo)轉(zhuǎn)變成一個簡單的二次方程，從而將MSDS值最優(yōu)化處理轉(zhuǎn)變成一個二次方程最小化問題，而其中的變參正是我們得以替換優(yōu)化的一定數(shù)量的DCT系數(shù)。因此這一部分的設(shè)計就分成兩步：第一步求解這個由定義推導(dǎo)出的二次方程，第二步最小化這個方程。本設(shè)計的最后一部分就是處理結(jié)果的得出及圖像的顯示。當(dāng)然，為了使實驗結(jié)論更加明顯，更加富有說服力，在此設(shè)計過程中還做了以下三點工作：1）量化表可選2）最優(yōu)化的DCT系數(shù)數(shù)量可選3）對量化后的圖像同時進行直接反向DCT和用傳統(tǒng)低通濾波器處理后反向DCT，兩種方法得出對比圖像。圖1是本設(shè)計的功能模型及流程。三、

5、軟件設(shè)計整個設(shè)計使用MATLAB完成，主要涉及其圖像處理及矩陣運算等方面的技術(shù)，其重點實現(xiàn)了以下幾個功能模塊：1、使用guide設(shè)計用戶界面，并用生成的函數(shù)作為主函數(shù)，它實現(xiàn)以下功能：（1）圖像讀取與顯示；（2）從用戶界面讀取數(shù)據(jù)及向用戶界面輸出數(shù)據(jù)；（3）串聯(lián)整個設(shè)計過程，調(diào)用各個子函數(shù)實現(xiàn)各個具體功能。2、value函數(shù)根據(jù)定義計算各個圖像的MSDS值；（1）由主函數(shù)調(diào)用，輸入一幅圖像，輸出此圖像的MSDS值；（2）主函數(shù)多次調(diào)用value函數(shù)為原始圖像及各種處理后圖像計算MSDS值并輸出在界面上用以比較。3、Opt函數(shù)實現(xiàn)使用最優(yōu)化方法處理圖像：（1）由主函數(shù)調(diào)用輸入為一幅經(jīng)DCT和量化

6、處理后的圖像，返回一幅處理后的圖像；（2）使用矩陣運算實現(xiàn)由定義推導(dǎo)出來的一個二次方程；（3）在參數(shù)變化范圍內(nèi)最小化這個二次方程，得出變參即一定數(shù)量的DCT系數(shù)的最優(yōu)化取值；（4）用計算出來的一定數(shù)量的DCT系數(shù)的最優(yōu)化取值替換原來的DCT系數(shù)值；（5）反向DCT得出處理后圖像。4LPF函數(shù)實現(xiàn)使用傳統(tǒng)低通濾波器方法處理圖像四、關(guān)鍵問題和難點1復(fù)雜的矩陣運算（l）矩陣的拆分（2）矩陣的變形（3）矩陣的維數(shù)變換處理等2圖像的擴邊3之字形掃描4反向DCT變換分段實現(xiàn)5友好的用戶界面（1）圖像讀取顯示（2）圖像的可放大顯示（3）數(shù)據(jù)輸入輸出（4）進度條（5）Help文檔五、結(jié)束語本課題使用MATLA

7、B實驗實現(xiàn)了參考論文提出的一個通過優(yōu)化MSDS值實現(xiàn)去方塊的新方法。實驗結(jié)果驗證了參考論文所提出的方法的可行性，也驗證了參考論文給出的參考數(shù)據(jù)的正確性。此外在本次設(shè)計開發(fā)過程中還取得了以下一些收獲：1MATLAB用戶界面的靈活使用2掌握了一種值得推廣使用的方塊效應(yīng)的度量方法（在以后學(xué)習(xí)研究中）即計算其MSDS值：3熟悉了軟件開發(fā)的一個主要過程，得到了很多開發(fā)經(jīng)驗；4閱讀了大量的有關(guān)圖像變換處理技術(shù)方面的中英文文獻，了解到多種消除方塊效應(yīng)的方法的實現(xiàn)過程及其優(yōu)勢與弊端。盡管如此，通過在本次設(shè)計過程中對圖象壓縮編解碼系統(tǒng)的進一步理解，本人也發(fā)現(xiàn)了MSDS最優(yōu)化方法去方塊這一方案的不太完美之處。在圖

8、像通信系統(tǒng)中，好的做法是應(yīng)該將各種處理技術(shù)應(yīng)用在編碼端，就像JPEG使用DPCM降低碼率一樣，主要處理放在編碼端，而使得解碼端即眾多用戶接收圖像的用戶端的系統(tǒng)盡可能的簡單且統(tǒng)一，這樣才能從總體上節(jié)省資源，簡化系統(tǒng)。而本課題使用的方法恰恰相反是應(yīng)用在解碼端的，這對其為廣大用戶所普遍接受造成了困難。如果能在不提高碼率的情況下將MSDS最優(yōu)化過程執(zhí)行在解碼端，這個系統(tǒng)將變的更為完美。參考文獻1JPEG Committee Draft of the ISO/IEC JTCL COM VR.242W.D.Pennebaker and J.I.Mitchell, JPEG Still lmage Compression Standard.New York:Van Nostrand Reinhold,19923N.Ahmed, T.Natarajan, and R.Rao, “Discrete cosine transform,”IEEE Trsnsactions on Computers, vol, C-23, pp.90-93, Jan.19744H. Reeve a