圖像有損壓縮應(yīng)用與實(shí)例

1、目錄圖像有損壓縮基本知識(shí)介紹圖像有損壓縮基本知識(shí)介紹圖像有損壓縮技術(shù)圖像有損壓縮技術(shù)靜止圖像有損壓縮實(shí)例1.有損圖像壓縮基本知識(shí)介紹 所謂有損壓縮是利用了人類(lèi)對(duì)圖像或聲波中的某些頻率成分不敏感的特性，允許壓縮過(guò)程中損失一定的信息；雖然不能完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，但是所損失的部分對(duì)理解原始圖像的影響縮小，卻換來(lái)了大得多的壓縮比。有損壓縮廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音，圖像和視頻數(shù)據(jù)的壓縮。 有損壓縮編碼不具有可恢復(fù)性和可逆性，該編碼在壓縮時(shí)舍棄冗余的數(shù)據(jù)。 例如：人眼較難分辨的顏色或人耳難以分辨的方向源信號(hào)，實(shí)際取決于初始信號(hào)的類(lèi)型、信號(hào)的相關(guān)性以及語(yǔ)義等內(nèi)容。這些被舍去的信息值是無(wú)法再找回的，所以還原后的數(shù)據(jù)與原始

2、數(shù)據(jù)存在差異。 比如：我們對(duì)一幅圖像的亮度的敏感度遠(yuǎn)比顏色的敏感度要強(qiáng)，所以我們可以對(duì)顏色進(jìn)行壓縮，進(jìn)而達(dá)到存儲(chǔ)，傳輸?shù)囊蟆?.圖像有損壓縮技術(shù) 2. 1常見(jiàn)有損壓縮技術(shù) 預(yù)測(cè)編碼 變換編碼 基于模型編碼 分形編碼 2.1.1預(yù)測(cè)編碼 預(yù)測(cè)編碼是根據(jù)離散信號(hào)之間存在著一定關(guān)聯(lián)性的特點(diǎn)，利用前面一個(gè)或多個(gè)信號(hào)預(yù)測(cè)下一個(gè)信號(hào)進(jìn)行，然后對(duì)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的差（預(yù)測(cè)誤差）進(jìn)行編碼。如果預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確，誤差就會(huì)很小。在同等精度要求的條件下，就可以用比較少的比特進(jìn)行編碼，達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的。 預(yù)測(cè)編碼中典型的壓縮方法有脈沖編碼調(diào)制（PCM Pulse Code Modulation）、差分脈沖編碼調(diào)制（DP

3、CM，Differential Pulse Code Modulation）、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM，Adaptive Differential Pulse Code Modulation）等，它們較適合于聲音、圖像數(shù)據(jù)的壓縮，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)由采樣得到，相鄰樣值之間的差相差不會(huì)很大，可以用較少位來(lái)表示。 變換編碼的原理變換編碼是指先對(duì)信號(hào)進(jìn)行某種函數(shù)變換，從一種信號(hào)（空間）變換到另一種（空間），然后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼。如將時(shí)域信號(hào)變換到頻域，因?yàn)槁曇?、圖像大部分信號(hào)都是低頻信號(hào)，在頻域中信號(hào)的能量較集中，再進(jìn)行采樣、編碼，那么可以肯定能夠壓縮數(shù)據(jù)。 變換編碼系統(tǒng)中壓縮數(shù)據(jù)有變換、變換域

4、采樣和量化三個(gè)步驟。變換本身并不進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，它只把信號(hào)映射到另一個(gè)域，使信號(hào)在變換域里容易進(jìn)行壓縮，變換后的樣值更獨(dú)立和有序。這樣，量化操作通過(guò)比特分配可以有效地壓縮數(shù)據(jù)。 在變換編碼系統(tǒng)中，用于量化一組變換樣值的比特總數(shù)是固定的，它總是小于對(duì)所有變換樣值用固定長(zhǎng)度均勻量化進(jìn)行編碼所需的總數(shù)，所以量化使數(shù)據(jù)得到壓縮，是變換編碼中不可缺少的一步。在對(duì)量化后的變換樣值進(jìn)行比特分配時(shí)，要考慮使整個(gè)量化失真最小。 變換編碼是一種間接編碼方法。它是將原始信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)上的正交變換后，得到一系列的變換系數(shù)，再對(duì)這些系數(shù)進(jìn)行量化、編碼、傳輸。圖3是變換編碼系統(tǒng)方框圖。 圖中接收端輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的誤差是因

5、為輸入端采用量化器的量化誤差所致。當(dāng)經(jīng)過(guò)正交變換后的協(xié)方差矩陣為一對(duì)角矩陣，且具有最小均方誤差時(shí)，該變換稱(chēng)為最佳變換，也稱(chēng)Karhunen-Loeve變換（K-L變換）。如果變換后的協(xié)方差矩陣接近對(duì)角矩陣，該類(lèi)變換稱(chēng)為準(zhǔn)最佳變換，典型的有DCT（離散余弦變換）、DFT（離散傅立葉變換）、WHT等。 離散余弦變換（DCT）離散余弦變換（Discrete Cosine Tranform，簡(jiǎn)稱(chēng)DCT）是一種與傅立葉變換緊密相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算。在傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中，如果被展開(kāi)的函數(shù)式是偶函數(shù)，那么其傅立葉級(jí)數(shù)中只包含余弦項(xiàng)，再將其離散化可導(dǎo)出余弦變換，因此稱(chēng)之為離散余弦變換。時(shí)間域中信號(hào)需要許多數(shù)據(jù)點(diǎn)表示

6、；在x軸表示時(shí)間，在y軸表示幅度。信號(hào)一旦用傅立葉變換轉(zhuǎn)換到頻率域，就只需要幾點(diǎn)就可以表示這個(gè)相同的信號(hào)。如我們已經(jīng)看到的那樣，原因就是信號(hào)只含有少量的頻率成分。這允許在頻率域中只用幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)就可以表示信號(hào)，而在時(shí)間域中表示則需要大量數(shù)據(jù)點(diǎn) 這一技術(shù)可以應(yīng)用到彩色圖像上。彩色圖像有像素組成，這些像素具有RGB彩色值。每個(gè)像素都帶有x，y坐標(biāo)，對(duì)每種原色使用8x8或者16x16矩陣。在灰度圖像中像素具有灰度值，它的x，y坐標(biāo)由灰色的幅度組成。為了在JPEG中壓縮灰度圖像，每個(gè)像素被翻譯為亮度或灰度值。為了壓縮RGB彩色圖像，這項(xiàng)工作必須進(jìn)行三遍，因?yàn)镴PEG分別得處理每個(gè)顏色成分，R成分第一個(gè)被

7、壓縮，然后是G成分，最后是B成分。而一個(gè)8x8矩陣的64個(gè)值，每個(gè)值都帶有各自的x，y坐標(biāo)，這樣我們就有了一個(gè)像素的三維表示法，稱(chēng)作控件表達(dá)式或空間域。通過(guò)DCT變換，空間表達(dá)式就轉(zhuǎn)化為頻譜表達(dá)式或頻率域。從而達(dá)到了數(shù)據(jù)壓縮的目的。DCT式目前最佳的圖像變換，它有很多優(yōu)點(diǎn)。DCT是正交變換，它可以將8x8圖像空間表達(dá)式轉(zhuǎn)換為頻率域，只需要用少量的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示圖像；DCT產(chǎn)生的系數(shù)很容易被量化，因此能獲得好的塊壓縮；DCT算法的性能很好，它有快速算法，如采用快速傅立葉變換可以進(jìn)行高效的運(yùn)算，因此它在硬件和軟件中都容易實(shí)現(xiàn)；而且DCT算法是對(duì)稱(chēng)的，所以利用逆DCT算法可以用來(lái)解壓縮圖像。有損壓縮的優(yōu)

8、缺點(diǎn) 有損方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在有些情況下能夠獲得比任何已知無(wú)損方法小得多的文件大小，同時(shí)又能滿(mǎn)足系統(tǒng)的需要。當(dāng)用戶(hù)得到有損壓縮文件的時(shí)候，譬如為了節(jié)省下載時(shí)間，解壓文件與原始文件在數(shù)據(jù)位的層面上看可能會(huì)大相徑庭，但是對(duì)于多數(shù)實(shí)用目的來(lái)說(shuō)，人耳或者人眼并不能分辨出二者之間的區(qū)別。有損方法經(jīng)常用于壓縮聲音、圖像以及視頻。有損視頻編解碼幾乎總能達(dá)到比音頻或者靜態(tài)圖像好得多的壓縮率（壓縮率是壓縮文件與未壓縮文件的比值）音頻能夠在沒(méi)有察覺(jué)的質(zhì)量下降情況下實(shí)現(xiàn)10：1的壓縮比，視頻能夠在稍微觀察質(zhì)量下降的情況下實(shí)現(xiàn)如300：1這樣非常大的壓縮比。 有損壓縮的特點(diǎn)是保持顏色的逐漸變化，刪除圖像中顏色的突然變

9、化。生物學(xué)中的大量實(shí)驗(yàn)證明，人類(lèi)大腦會(huì)利用與附近最接近的顏色來(lái)填補(bǔ)所丟失的顏色。例如，對(duì)于藍(lán)色天空背景上的一朵白云，有損壓縮的方法就是刪除圖像中景物邊緣的某些顏色部分。當(dāng)在屏幕上看這幅圖時(shí)，大腦會(huì)利用在景物上看到的顏色填補(bǔ)所丟失的顏色部分。利用有損壓縮技術(shù)，某些數(shù)據(jù)被有意地刪除了，而被取消的數(shù)據(jù)也不再恢復(fù)。無(wú)可否認(rèn)，利用有損壓縮技術(shù)可以大大地壓縮文件的數(shù)據(jù)，但是會(huì)影響圖像質(zhì)量。如果使用了有損壓縮的圖像僅在屏幕上顯示，可能對(duì)圖像質(zhì)量影響不太大，至少對(duì)于人類(lèi)眼睛的識(shí)別程度來(lái)說(shuō)區(qū)別不大?？墒牵绻岩环?jīng)過(guò)有損壓縮技術(shù)處理的圖像用高分辨率打印機(jī)打印出來(lái)，那么圖像質(zhì)量就會(huì)有明顯的受損痕跡。圖像處理步

10、驟1. RGB to YUV圖像的轉(zhuǎn)化圖像的轉(zhuǎn)化2. 對(duì)于對(duì)于Y，U，V分別進(jìn)行處理分別進(jìn)行處理3. 對(duì)原始對(duì)原始8*8塊亮度值進(jìn)行預(yù)測(cè)塊亮度值進(jìn)行預(yù)測(cè)4. 對(duì)圖像進(jìn)行對(duì)圖像進(jìn)行DCT變換并且量化變換并且量化 11. RGB to YUV圖像的轉(zhuǎn)化圖像的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)程序：程序結(jié)果2對(duì)對(duì)Y，U，V分別進(jìn)行處理分別進(jìn)行處理.實(shí)驗(yàn)程序：此步產(chǎn)生Y，U，V三個(gè)分量的直方圖，方便與量化后的圖像進(jìn)行比較從而了解失真產(chǎn)生的情況。程序結(jié)果3對(duì)原始對(duì)原始8*8塊亮度值進(jìn)行預(yù)測(cè)塊亮度值進(jìn)行預(yù)測(cè)由于接下來(lái)的DCT變化只能處理-128+127的數(shù)據(jù)，而圖像矩陣的數(shù)值為0256，故采用減去128的方法以便產(chǎn)生的圖像矩陣可以

11、方面進(jìn)行DCT變換。實(shí)驗(yàn)程序：44. 對(duì)圖像進(jìn)行對(duì)圖像進(jìn)行DCT變換并且量化變換并且量化圖像的量化從量化表來(lái)看，按斜對(duì)角線(xiàn)分割成兩從量化表來(lái)看，按斜對(duì)角線(xiàn)分割成兩部分，左上角主要為低頻部分，右下角主部分，左上角主要為低頻部分，右下角主要為高頻部分。要為高頻部分。圖像的量化是造成圖像像素細(xì)節(jié)損失的一圖像的量化是造成圖像像素細(xì)節(jié)損失的一步。經(jīng)過(guò)量化的圖像，會(huì)出現(xiàn)細(xì)節(jié)的減少，步。經(jīng)過(guò)量化的圖像，會(huì)出現(xiàn)細(xì)節(jié)的減少，但是會(huì)大大減少圖像所攜帶的信息，從而但是會(huì)大大減少圖像所攜帶的信息，從而實(shí)現(xiàn)壓縮。實(shí)現(xiàn)壓縮。量化表主要的作用是損失掉一部分圖像的量化表主要的作用是損失掉一部分圖像的高頻部分，而保留低頻的部分。所以從原高頻部分，而保留