JPEG圖像壓縮實(shí)驗(yàn)

JPEG靜態(tài)圖像壓縮實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私舛嗝襟w通信中圖像壓縮技術(shù)熟悉JPEG圖像壓縮編碼過程掌握二維DCT變換算法實(shí)驗(yàn)原理JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)是一個(gè)由ISO和ITU-T兩個(gè)組織機(jī)構(gòu)聯(lián)合組成的一個(gè)圖像專家小組，負(fù)責(zé)制定靜態(tài)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)專家組開發(fā)的算法稱為JPEG算法，并且成為國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)。JPEG是一個(gè)適用范圍很廣的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，既可用于灰度圖像又可用于彩色圖像。JPEG不僅適于靜止圖像的壓縮，電視圖像的幀內(nèi)圖像的壓縮編碼，也常采用此算法。JPEG標(biāo)準(zhǔn)定義了多種工作模式，其中最基本的是基于8×8塊的DCT順序編碼，將一幀圖像分為8×8的塊，然后按照從左至右、自上而下的順序，對(duì)塊進(jìn)行DCT、量化和熵編碼。其編、解碼框圖如下：FDCTFDCT熵編碼器量化表熵編碼表壓縮圖像數(shù)據(jù)源圖像數(shù)據(jù)基于DCT的編碼器圖像子塊量化器圖1基于DCT的順序編碼框圖DCTDCT解碼器IDCT逆量化器熵解碼器量化表熵編碼表壓縮圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)圖像數(shù)據(jù)圖2基于DCT的順序解壓縮框圖JPEG壓縮編碼算法的主要計(jì)算步驟：正向離散余弦變換(FDCT)。量化(quantization)。Z字形編碼(zigzagscan)。使用差分脈沖編碼調(diào)制(differentialpulsecodemodulation，DPCM)對(duì)直流系數(shù)(DC)進(jìn)行編碼。使用行程長(zhǎng)度編碼(run-lengthencoding，RLE)對(duì)交流系數(shù)(AC)進(jìn)行編碼。熵編碼(entropycoding)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照上述壓縮過程實(shí)現(xiàn)一幅圖像的壓縮，生成符合JPEG標(biāo)準(zhǔn)的圖像文件JPEG圖像編碼流程如下：輸入原圖像輸入原圖像8×8二維FDCT變換量化DC系數(shù)差分編碼AC系數(shù)游程編碼熵編碼生成JPEG壓縮文件文件保存輸入原圖像8×8二維IDCT變換逆量化DC系數(shù)解碼AC系數(shù)解碼碼熵解碼讀取JEPG文件JIEPEIGJPEGWENJIAN表說明量化表圖3JPEG圖像編碼流程DCT變換對(duì)8×8的圖像數(shù)據(jù)塊進(jìn)行二維DCT的變換，把能量集中在少數(shù)幾個(gè)系數(shù)上，從而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。：DCT變換公式:DCT反變換公式：其中：二維DCT變換可以分解為行和列的一維DCT變換的組合運(yùn)算，也可將8×8的塊分為更小的子塊，直接對(duì)二維數(shù)據(jù)進(jìn)行2維快速余弦變換。量化量化表達(dá)式為：其中T(u，v)是推薦的量化矩陣，詳見附錄1量化矩陣表熵編碼JPEG標(biāo)準(zhǔn)中熵編碼對(duì)直流DC系數(shù)和交流AC系數(shù)分別采用不同的壓縮編碼算法DC系數(shù)編碼：JEPG把所有子塊的DC系數(shù)集合在一起，采用差分編碼的方法表示。編碼步驟為：將初始值設(shè)為128，對(duì)相鄰塊的DC系數(shù)F(0,0)進(jìn)行差分運(yùn)算將差分值改寫為[size,value](尺寸，幅值)的符號(hào)對(duì)。尺寸取2的對(duì)數(shù)加1按照表2、3對(duì)該符號(hào)對(duì)進(jìn)行編碼AC系數(shù)編碼AC系數(shù)編碼步驟為：以塊為單位，從AC01開始對(duì)塊內(nèi)的量化數(shù)據(jù)進(jìn)行Z形行程掃描，記錄兩個(gè)非零值的大小和其間連續(xù)零的個(gè)數(shù)將掃描結(jié)果改寫為[RunLength，level](行程、幅度)的符號(hào)對(duì)，其中RunLength代表該非零值和它前一個(gè)值之間0的個(gè)數(shù)，以(EOB)表示塊結(jié)束。按照表3對(duì)上述的符號(hào)對(duì)進(jìn)行編碼。若符號(hào)在表中查不到對(duì)應(yīng)碼字，用ESC碼表示，然后按表4，5對(duì)RunLength和level進(jìn)行編碼。對(duì)編碼后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，與原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求編寫編解碼程序，所用編程語言自選。可以參考實(shí)驗(yàn)室提供的范例程序，并充分發(fā)揮你的創(chuàng)造性，寫出有自己特色的程序。生成JPEG格式的壓縮文件，可用第三方軟件打開，由指導(dǎo)教師驗(yàn)證通過實(shí)驗(yàn)完成后提交完整源程序，并在關(guān)鍵處加上詳細(xì)批注。撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求詳細(xì)介紹你實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)思想，并根據(jù)思考題進(jìn)行分析。樣本程序說明實(shí)驗(yàn)室提供一個(gè)BC編寫的樣本程序，供大家參考。見“JPEG實(shí)驗(yàn)”文件夾，各文件功能說明如下：JPEG壓縮程序：gendat.exe為壓縮后的數(shù)據(jù)加上JPEG文件頭的程序genjpg.exe解JEPG壓縮程序extrdat.exe其中：（1）的輸入?yún)⒘渴切枰傻膲嚎s文件的名字。主程序流程為：程序初始化，讀取文件名稱、原始圖像數(shù)據(jù)等基本數(shù)據(jù)；從AC.TAB和DC.TAB兩個(gè)文件生成AC表和DC表，存入數(shù)組以8×8為樣本單位進(jìn)行DCT變換以8×8為樣本單位進(jìn)行量化以8×8為樣本單位進(jìn)行Z形掃描以8×8為樣本單位進(jìn)行熵編碼以8×8為樣本單位進(jìn)行解量化以8×8為樣本單位進(jìn)行IDCT變換請(qǐng)大家在參考上述程序的基礎(chǔ)上，編寫自己的JPEG壓縮程序，利用（2）、（3）程序檢查自己的程序是否正確。思考題計(jì)算圖像的壓縮比，并比較原圖像的效果DCT變換、量化后，數(shù)據(jù)的范圍是多少？有沒有可能超出碼表所給出的幅值范圍。附錄：JPEG圖像壓縮方法相關(guān)數(shù)據(jù)表1：量化矩陣T(U,V)亮度量化矩陣T(u,v)1611101624405161121214192658605514131624405769561417222951878062182237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399色差量化矩陣T(u,v)17182447999999991821266699999999242656999999999947669999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999表2：DC系數(shù)碼表SizeCode0100100201310141105111061111,071111,1081111,110表3：DC系數(shù)碼表ValueCode128～2551000,0000～1111,111164～1271000,000～1111,11132～631000,00～1111,1116～311000,0～1111,18～151000～11114～7100～1112～310～11110—-10-2～-301～00-4～-7011～000-8～-150111～0000-16～-3101111～00000-32～-63011111～000000-64～-1270111111～0000000-128～-25501111111～00000000表4：RunlengthLevelCode0111S20100S30010,1S40000,110S50010,0110S60010,0001S70000,0010,10S80000,0001,1110S90000,0001,1000S100000,0001,0011S110000,0001,0000S120000,0000,1110S130000,0000,1100,1S140000,0000,1100,0S150000,0000,1011,1S160000,0000,0111,11S170000,0000,0111,01S180000,0000,0111,00S190000,0000,0110,11S200000,0000,0110,10S210000,0000,0110,01S220000,0000,0110,00S230000,0000,0101,11S240000,0000,0101,10S250000,0000,0101,01S260000,0000,0101,00S270000,0000,0100,11S280000,0000,0100,10S290000,0000,0100,01S300000,0000,0100,00S310000,0000,0011,000S320000,0000,0010,111S330000,0000,0010,110S340000,0000,0010,101S350000,0000,0010,100S360000,0000,0010,010S370000,0000,0010,010S380000,0000,0010,001S390000,0000,0010,000S11011S20001,10S30010,1010S40000,0011,00S50000,0001,1011S60000,0000,1011,0S70000,0000,1010,1S80000,0000,0011,111S90000,0000,0011,110S100000,0000,0011,101S110000,0000,0011,100S120000,0000,0011,011S130000,0000,0011,010S140000,0000,0011,001S150000,0000,0001,0011S160000,0000,0001,0010S170000,0000,0001,0001S180000,0000,0001,0000S210101S20000,100S30000,0010,11S40000,0001,0100S50000,0000,1010,0S310011,1S20010,0100S30000,0001,1100S40000,0000,1001,1S410011,0S20000,0011,11S30000,0001,0010S510001,11S20000,0010,01S30000,0000,1001,0S610001,01S20000,0001,1110S30000,0000,0001,0100S710001,00S20000,0001,0101S810000,111S20000,0001,0001S910000,110S20000,0000,1000,1S1010010,0111S20000,0000,1000,0S1110010,0011S20000,0000,0001,1010S1210010,0010S20000,0000,0001,1001S1310010,0000S20000,0000,0001,1000S1410000,0011,10S20000,0000,0001,0110S1510000,0011,01S20000,0000,0001,0110S1610000,0010,00S20000,0000,0001,0101S1710000,0001,1111S1810000,0001,1010S1910000,0001,1001S2010000,0001,0111S2110000,0001,0110S2210000,0000,1111,1S2310000,0000,1111,0S2410000,0000,1110,1S2510000,0000,1110,0S2610000,0000,1101,1S2710000,0000,0001,1111S2810000,0000,0001,1110S2910000,0000,0001,1101S3010000,0000,0001,1100S3110000,0000,0001,1011SEOB10esc0000,10注：S表示，當(dāng)Level為正值時(shí)S=0，Level為負(fù)值時(shí)S=1。表5：esc標(biāo)識(shí)下的Runlength碼表RunlengthCode00000,0010000,0120000,10631111，11表6：esc標(biāo)識(shí)下的Level碼表LevelCode-2551000,0000,00000000,00000000,10000000,10000001-1261000,0010-21111,1110