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(gè)最優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)作 者：陳 萍 專(zhuān) 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(duì)執(zhí)行簡(jiǎn)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(gè)缺點(diǎn)，即對(duì)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(shí)，會(huì)導(dǎo)致明顯的方塊效應(yīng)，造成嚴(yán)重的視覺(jué)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(gè)相鄰塊之間的斜率和這兩個(gè)塊各自邊界的斜率之間的均方差值。算法通過(guò)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(diǎn)

2、正是用MATLAB實(shí)現(xiàn)這個(gè)優(yōu)化算法，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)的去方塊效應(yīng)方法比較，驗(yàn)證這種方法的優(yōu)勢(shì)所在。本文最后還給出了一些改進(jìn)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(lái)都是一個(gè)很辣手的問(wèn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了一種消除方塊效應(yīng)的新方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了其可行性及優(yōu)勢(shì)所在。課題最終實(shí)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(duì)圖像的DCT系數(shù)進(jìn)行量化。計(jì)算各個(gè)圖像的MSDS值，并顯示在界面進(jìn)行比較。用最優(yōu)化MSDS方法對(duì)DCT變換后圖像進(jìn)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(duì)變換后圖像進(jìn)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(jì)方案本課題的設(shè)計(jì)方案從讀取一幅原始的lenna圖像開(kāi)始，首先對(duì)其進(jìn)行DCT變換和量化，然后根據(jù)MSDS值的定義計(jì)算圖像的MSDS值，接下來(lái)便是本課題的關(guān)鍵，也就是對(duì)一幅量化后的圖像進(jìn)行MSDS值最優(yōu)化處理。若按照原

4、始定義來(lái)進(jìn)行顯然計(jì)算復(fù)雜度太高，于是將原始定義的MSDS值經(jīng)過(guò)推導(dǎo)轉(zhuǎn)變成一個(gè)簡(jiǎn)單的二次方程，從而將MSDS值最優(yōu)化處理轉(zhuǎn)變成一個(gè)二次方程最小化問(wèn)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(jì)就分成兩步：第一步求解這個(gè)由定義推導(dǎo)出的二次方程，第二步最小化這個(gè)方程。本設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)論更加明顯，更加富有說(shuō)服力，在此設(shè)計(jì)過(guò)程中還做了以下三點(diǎn)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(duì)量化后的圖像同時(shí)進(jìn)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(duì)比圖像。圖1是本設(shè)計(jì)的功能模型及流程。三、

5、軟件設(shè)計(jì)整個(gè)設(shè)計(jì)使用MATLAB完成，主要涉及其圖像處理及矩陣運(yùn)算等方面的技術(shù)，其重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)功能模塊：1、使用guide設(shè)計(jì)用戶(hù)界面，并用生成的函數(shù)作為主函數(shù)，它實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）圖像讀取與顯示；（2）從用戶(hù)界面讀取數(shù)據(jù)及向用戶(hù)界面輸出數(shù)據(jù)；（3）串聯(lián)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，調(diào)用各個(gè)子函數(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)具體功能。2、value函數(shù)根據(jù)定義計(jì)算各個(gè)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(jì)算MSDS值并輸出在界面上用以比較。3、Opt函數(shù)實(shí)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(yùn)算實(shí)現(xiàn)由定義推導(dǎo)出來(lái)的一個(gè)二次方程；（3）在參數(shù)變化范圍內(nèi)最小化這個(gè)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(jì)算出來(lái)的一定數(shù)量的DCT系數(shù)的最優(yōu)化取值替換原來(lái)的DCT系數(shù)值；（5）反向DCT得出處理后圖像。4LPF函數(shù)實(shí)現(xiàn)使用傳統(tǒng)低通濾波器方法處理圖像四、關(guān)鍵問(wèn)題和難點(diǎn)1復(fù)雜的矩陣運(yùn)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(kuò)邊3之字形掃描4反向DCT變換分段實(shí)現(xiàn)5友好的用戶(hù)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(jìn)度條（5）Help文檔五、結(jié)束語(yǔ)本課題使用MATLA

7、B實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了參考論文提出的一個(gè)通過(guò)優(yōu)化MSDS值實(shí)現(xiàn)去方塊的新方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了參考論文所提出的方法的可行性，也驗(yàn)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(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中還取得了以下一些收獲：1MATLAB用戶(hù)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(jì)算其MSDS值：3熟悉了軟件開(kāi)發(fā)的一個(gè)主要過(guò)程，得到了很多開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)；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(xiàn)，了解到多種消除方塊效應(yīng)的方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及其優(yōu)勢(shì)與弊端。盡管如此，通過(guò)在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)圖象壓縮編解碼系統(tǒng)的進(jìn)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(hù)接收?qǐng)D像的用戶(hù)端的系統(tǒng)盡可能的簡(jiǎn)單且統(tǒng)一，這樣才能從總體上節(jié)省資源，簡(jiǎn)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(duì)其為廣大用戶(hù)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(guò)程執(zhí)行在解碼端，這個(gè)系統(tǒng)將變的更為完美。參考文獻(xiàn)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