第12章 JPEG圖像的壓縮編碼

第十二章JPEG圖像的壓縮編碼12.1JPEG算法概要12.2JPEG壓縮過程分析12.3JPEG解壓縮過程分析112.1JPEG算法概要圖像壓縮編碼方法有許多種，從不同的角度出發(fā)有不同的分類方法，從信息論角度出發(fā)可分為兩大類：

(1)冗余度壓縮方法，也稱無損壓縮，信息保持編碼或熵編碼。就是解碼圖像和壓縮編碼前的圖像嚴格相同，沒有失真。(2)信息量壓縮方法，也稱有損壓縮、失真度編碼或熵壓縮編碼，即解碼圖像和壓縮編碼前的圖像是有差別的，允許有一定的失真。應(yīng)用在多媒體中的圖像壓縮編碼方法有多種，從壓縮編碼算法原理上可以分類為：無損壓縮編碼、有損壓縮編碼和混合編碼。無損壓縮編碼種類有：哈夫曼編碼、算術(shù)編碼、行程編碼等；有損壓縮編碼種類有：采用DPCM及運動補償?shù)念A(yù)測編碼、采用正交變換編碼(如DCT)的頻率域方法等；混合編碼種類包括H261，JPEG，MPEG等技術(shù)標準。

212.1JPEG算法概要

衡量一個壓縮編碼方法優(yōu)劣的重要指標是：

(1)壓縮比要高，有幾倍、幾十倍，也有幾百乃至幾千倍；

(2)壓縮與解壓縮要快，算法要簡單，硬件實現(xiàn)容易；(3)解壓縮的圖像質(zhì)量要好。

JPEG壓縮是有損壓縮，它利用了人的視覺系統(tǒng)的特性，使用量化和無損壓縮編碼相結(jié)合來去掉視覺的冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息。基本JPEG算法操作可分成以下三個步驟：（1）使用正向離散余弦變換(forwarddiscretecosinetransform，F(xiàn)DCT)把空間域表示的圖變換成頻率域表示的圖，離散余弦變換把8*8的象素矩陣變成8*8的頻率（也就是顏色改變的速度）矩陣。

312.2JPEG壓縮過程分析色彩系統(tǒng)變換離散余弦變換量化Z字形編碼游程編碼Huffman編碼4色彩系統(tǒng)變換JPEG的圖片使用的是YCrCb顏色模型，這里只是說明YCrCb模型更適合圖像壓縮。其中Y代表明視度，Cr、Cb代表色調(diào)。因為人眼對圖片上亮度Y的變化遠比色度C的變化敏感。因此，以每個點保存一個8bit的Y值，每2x2個點保存一個CrCb值,而圖像在肉眼中的感覺不會起太大的變化。所以,原來用RGB模型，4個點需要4x3=12字節(jié)。而現(xiàn)在僅需要4+2=6字節(jié)，平均每個點占12bit。目前在市面上支持JPEG的應(yīng)用軟件，通常提供兩種部分取樣的方式：YUV411和YUV422(YCrCb是從YUV衍生來的)，它們代表的意義是Y、Cb、Cr三個的數(shù)據(jù)取樣比例。YUV411在尚未編碼之前具有50%的壓縮比例，而YUV422為33%。

5離散余弦變換離散余弦變換(DiscretecosineTransform)簡稱DCT，是指將一組光強數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻率數(shù)據(jù)，以便得知強度變化的情形。1.對YCrCb各分量分成8×8的圖像塊JPEG對Y、Cr、Cb分別做DCT變換。把整個分量圖像分成8×8的圖像塊，如圖12-2所示，如果原始圖片的長寬不是8的倍數(shù),都需要先補成8的倍數(shù)。另外,Cr、Cb都是2x2記錄一次，所以大多數(shù)情況,是要補成16x16的整數(shù)塊。按從左到右,從上到下的次序排列。把8×8的圖像塊作為兩維離散余弦變換DCT的輸入。二維數(shù)據(jù)塊經(jīng)DCT后變成8×8個變換系數(shù)，U代表水平像素號，V代表垂直像素號。如當U=0，V=0時，F(xiàn)(0，0)是原64個樣值的平均，相當于直流分量，隨著U、V值增加，相應(yīng)系數(shù)分別代表逐步增加的水平空間頻率分量和垂直空間頻率分量的大小。在8x8圖像塊中，像素值一般變化較平緩，因此具有較低的空間頻率。6量化嚴格說DCT本身并不能進行碼率壓縮，因為64個樣值仍然得到64個系數(shù)，如圖12-2所示。經(jīng)DCT變換后，比特數(shù)增加了，直流分量的最大值是原來256的64/8倍，即0~2047，交流分量的范圍是-1024~1023。量化是對經(jīng)過FDCT變換后的頻率系數(shù)進行量化，將DCT系數(shù)按比例縮小，并取其最接近的整數(shù)值的處理過程成為量化。量化的作用是在保持一定質(zhì)量前提下，丟棄圖像中對視覺效果影響不入的信息。量化的目的是減小非“0”系數(shù)的幅度以及增加“0”值系數(shù)的數(shù)目。量化是圖像質(zhì)量下降的最主要原因。JPEG標準中采用線性均勻量化器，量化過程為對64個DCT系數(shù)除以量化步長并四舍五入取整，量化步長由量化表決定。量化表元素因DCT系數(shù)位置和彩色分量的不同而取不同值。量化表為8x8矩陣，與DCT變換系數(shù)一一對應(yīng)。量化表一般由用戶規(guī)定（JPEG標準中給出了參考值），并作為編碼器的一個輸入。量化表中元素為1到255之間的任意整數(shù)，其值規(guī)定了其所對應(yīng)DCT系數(shù)的量化步長。DCT變換系數(shù)除以量化表中對應(yīng)位置的量化步長并合入小數(shù)部分后。多數(shù)變?yōu)榱?，從而達到了壓縮的目的。7Z字形編碼

量化后的系數(shù)要重新編排，目的是為了增加連續(xù)的“0”系數(shù)的個數(shù)，就是“0”的游程長度，方法是按照Z字形的式樣編排，如圖12