通信工程毕业设计(论文)数字图像压缩编码方法的研究.doc
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1、本 科 生 毕 业 设 计 论 文 数字图像压缩编码方法的研究院 系: 电子信息工程学系 专 业: 通信工程 班 级: 学 号: 指导教师: 职称(或学位): 讲师 2011年04月原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文(设计),是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文(设计)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本论文(设计)的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学生签名: 年 月 日 指导声明本人指导的 同学的毕业论文(设计)题目大小、难度适当,且符合该同学所学专业的培
2、养目标的要求。本人在指导过程中,通过网上文献搜索及文献比对等方式,对其毕业论文(设计)内容进行了检查,未发现抄袭现象,特此声明。指导教师签名: 年 月 日目 录1 绪论21.1 引言21.2 数字图像压缩编码的分类21.3 图像压缩技术的性能指标21.4 研究内容32 无损压缩编码的研究和实现32.1 行程编码32.2 哈弗曼编码52.3 线性预测编码63 有损压缩编码研究和实现73.1 基于DCT的图像压缩编码83.2 基于哈达玛变换(HT)的图像压缩编码103.3 小波编码124 JPEG部分压缩算法的研究和实现145 总体设计156 结论17致 谢18参考文献18附录19数字图像压缩编码
3、方法的研究(电子信息工程学系 指导教师:XXX)摘要:随着各种技术地不断发展,数字图像的数据压缩在数字图像传输中发挥着关键性的作用。将数字图像编码分为有损压缩和无损压缩两类。设计以matlab为仿真工具,利用图像信息源不均匀的概率分布来去掉图像的冗余,并用变长编码来对信源进行无损压缩编码。而利用数字图像在空间和时间上的相关性,运用某种变换去掉其相关性对信源进行有损压缩编码。利用DCT变换和huffman编码对图像的信源进行JEPG编码。同时为了将各种压缩方法运用于教学和锻炼编程能力,设计了以matlab为仿真工具的GUI界面。仿真结果表明,采用以上方法可以很好的研究和比较各种压缩方法。关键词:
4、数字图像; 压缩编码; 有损压缩; 无损压缩; JPEG压缩Abstract: With the development of various technologies, data compression plays a key role in digital image transmission. Digital image coding has two types: lossy compression and lossless compression. MATLAB is used as simulation tool, next image sources uneven probabil
5、ity distribution is used to remove the image redundancy and variable length coding is used to make the source achieve a lossless compression coding. According to the correlation between space and time of digital image, A certain transformation is used to remove the relevance of signal source thus th
6、e lossy coding is carried on. DCT transformation and Huffman coding is used to have JEPG coding with image source. Also, to apply all sorts of compression methods to teaching and exercise programming ability, matlab simulation tool is used to design a GUI. Simulation results show that using the meth
7、ods above can help study and compare various compression methods very well.字典 - 查看字典详细内容朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典 - 查看字典详细内容朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典 - 查看字典详细内容Keywords: digital image; compression coding; lossy image compression; JPEG Compression; wavelet image coding1绪论1.1 引言随着各种现代化技术的不断发展,图像信息已变为众多领域重要的处理对象,怎样充分利用信
8、道和具有一定带宽的信道下传输有用的图像信息的问题就出现了。对原始图像进行存储、记录和传输为其提供了可能,那么必须对数字图像的信息进行有效的压缩。因此,对图像压缩技术的研究和实现在数字图像传输中发挥着关键性的作用。1.2 数字图像压缩编码的分类为了方便对各种压缩方法的研究和比较,根据图像的信息在编码中是否有损失将数字图像编码分为有损压缩和无损压缩1。分类如图1所示:图1 图像压缩的分类图无损压缩就是主要是利用信源概率不相等的特性来去掉图像的冗余以及用不等长的码字来对信源进行编码。有些失真是人眼所不能察觉的,有损压缩就是利用人眼的这一视觉特性来进行压缩的。有损压缩是运用某种变换去掉数字图像在空间和
9、时间上的相关性对信源进行编码。为了解决如何从各种图像压缩算法中选择正确的算法处理实际的压缩问题,就必须对各种压缩方法的性能进行评价。1.3 图像压缩技术的性能指标这里主要用均方根误差和压缩比的大小来比较各种压缩编码方法的性能。也可用编码效率、平均码字长度、冗余度。(1)均方根误差erms主要是通过计算原始图像数据和解码后图像数据之间的差异,来体现经压缩编码方法的准确性,其计算公式如(1)如下: (1)其中,和分别表示原始图像和解码后的图像。(i=1,2,3,4.,N,j=1,2,3,4.,M)(2)压缩比cr:其计算式如公式(2)所示: (2)用其大小来反映压缩编码方法的压缩效果。其中,(压缩
10、后图像数据大小)小于(压缩后图像数据大小)的压缩编码方法才是有意义的,则cr要小于1。1.4 研究内容这里主要是对有损压缩和无损压缩编码方法进行分类研究。并设计以matlab为仿真工具,利用信源概率不相等的特性来去掉图像的冗余以及用不等长的码字来对信源进行无损压缩编码。而运用某种变换去掉数字图像在空间和时间上的相关性对信源进行有损压缩编码。利用DCT变换和huffman编码对图像进行JEPG编码。在仿真软件matlab中用相应的函数计算均方根误差erms、原始图像数据大小和压缩后数据大小,通过利用公式计算cr以便衡量压缩编码的性能。将各种数据绘制成表格加以比较,总结出不同图像所适合的压缩编码。
11、为了将各种压缩编码的方法应用于教学和锻炼自己对GUI的认识及编程能力,又创建了一个GUI界面将各种压缩编码的实现集合此。2 无损压缩编码的研究和实现 2.1 行程编码RLE(Run Length Encoding)行程是指具有相同灰度值的像素序列,其编码思想就是去除掉像素空间冗余,即用行程的行程和灰度的长度来替换行程本身2。例如:编码前:hhhhhbbmmmmmm 编码后:h5b2m6行程编码如图2所示:图2 行程编码系统图对于行程编码的研究,这里选用大小为像素、灰度级为256的cameraman图像,对其进行行程编码来实现图像压缩的目的。其中采用RLEncode函数对图像进行压缩,而用RLE
12、decode函数对压缩图像进行复原。显示原始图像和解压后的图像、用size函数计算的原始图像数据和压缩后数据大小、均方根误差erms,通过利用公式计算cr。对大小为像素、灰度级为256的cameraman图像进行行程编解码结果如图3所示,在其编码的程序中,添加display(e)语句使其显示cameraman图像的压缩编码,可得部分编码如下:(1 150),(1 153),(1 152),(1 151),(1 150),(1 151),(1 156),(1 154),(2 151),(1 149),(1 154),(1 152),(1 153),(1 152),(3 149),(2 151)此
13、处是对灰度图进行行程编码的,由于灰度图的灰度值不像二值化图像只有0和1,而cameraman图像没有白色的部分就没有灰度值为0,则其编码中含除了1以外的灰度值。其编解码结果如图3所示图3 cameraman图像进行行程编码结果图由图3可得:=112224,=65536,则压缩比cr=1.7127。对大小为像素、灰度级为256的cameraman图像先进行黑白二值化再行程编解码结果如图4所示,在其编码的程序中,添加display(e)语句使其显示二值化cameraman的压缩编码,可得部分编码如下: (1 158),( 0 8),( 1 2),( 0 1),(1 1),( 0 3),(1 1),
14、(0 1),( 1 2),( 0 1),( 1 40),( 0 1),( 1 14),( 0 1),( 1 12),( 0 1)此处是将灰度图转换为黑白二值化图像再进行行程编码的,由于黑白二值化的灰度值只有0和1,则其编码只含有0和1的灰度值。图4 黑白二值化cameraman图像进行行程编码结果图由图4可得:=6802,=65536,则压缩比cr=0.10379。为了方便比较两种行程编码,将以上两种结果的数据列在表1中,表1如下所示:表1 对灰度图像和二值化图像进行行程编码结果的数据比较表图像原始图像数据大小压缩后数据大小均方根误差erms压缩比cr灰度图6553611222401.7124
15、二值化图像65536680200.10379由表1可以明显看出:均方根误差erms =0,则行程编码是一种无损压缩编码。对灰度图像进行行程编码后图像的大小与原始图像大小相比,其需要更大的存储空间,没不到压缩图像的目的。而对二值化图像进行行程编码后图像的大小比原始图像小将近10倍,这样更有利于图像的存储和传输。则说明行程编码更适合于二值化图像和那些连续出现灰度级相同的图像。2.2 哈弗曼编码(Huffman)哈弗曼(Huffman)编码步骤可概括为大到小排列、相加(到只有一个信源符号为止)、赋码字、得huffman编码,以上均是对于信源符号概率而言的。Huffman编码,这里选用大小为像素、灰度
16、级为256的coin图像,对其进行huffman编码来实现图像压缩的目的。其中采用huffncode函数对图像进行压缩,而用huffdecode函数对压缩图像进行复原,显示原始图像和解压后的图像、用size函数计算的原始图像数据和压缩后数据大小、均方根误差erms,通过利用公式计算cr。对大小为像素、灰度级为256的boat图像进行huffman编解码可得5个概率最大的灰度值及其概率大小:M1(145,0.0213), M2(144,0.0209), M3(147,0.0208), M4(146,0.0207), M5(149,0.0195),用其对huffman编码的步骤进行说明,其编码过程
17、如图5所示:图5 huffman编码过程图由图5可得:经过huffman编码后信源M1、M2、M3、M4、M5的码字分别为:01、10、00、111、011。由经过编码的码字可得到huffman编码的特点:用短的码字对概率大的信源进行编码,而用较长的码字对概率小的信源进行编码。其运行结果如图6所示:图6 对boat图像进行huffman编解码结果图由图6可得:=58986,=65536,则压缩比cr=0.90005。由huffman编解码的运行结果数据可得表2如下所示:表2 对boat图像进行huffman编解码结果数据表编码原始图像数据大小压缩后数据大小均方根误差erms=压缩比crHuff
18、man编码655365898600.90005由上表可得:均方根误差erms =0,则huffman编码为无损压缩编码。对boat进行huffman编码后的图像大小与原始图像差不多,其压缩比接近于1,则huffman编码对图像没有很好的压缩效果。如信源M1、M2、M3、M4、M5经过huffman编码的码字分别为:01、10、00、111、011,是由近似的整数来对其进行编码的,没有达到预期的效果。2.3 线性预测编码(DPCM,Different Pulse Code Modulation)差值脉冲编码调制(Different Pulse Code Modulation),即线性预测编码(D
19、PCM)是对图像的预测误差进行编码的一种无损压缩编码。预测误差是当前信号的实际值和根据前面的信号对当前信号进行预测得到的预测值的之差。其编解码系统如图7所示:图7 线性预测编码编解码系统图线性预测编码,这里选用大小为像素、灰度级为256的yun图像,对其进行行程编码来实现图像压缩的目的。其中采用LPCencode函数对图像进行压缩,而用LPCdecode函数对压缩图像进行复原,用size函数计算的原始图像数据和压缩后数据大小、均方根误差erms并在静态文本框中显示出来。由于线性预测编码是对图像的预测误差进行编码的一种无损压缩编码,也通过显示原始图像和预测误差的直方图,来反映经过预测编码去除图像
20、冗余的情况。对大小为像素、灰度级为256的yun图像进行DPCM编码的运行结果如图8、9所示:图8 对circuit图像进行DPCM编解码结果图图9 原始图像和预测误差直方图由图8可得:均方根误差erms =0,则线性预测编码是对图像的预测误差进行编码的一种无损压缩编码。由图9可得:预测误差的概率分布在零处的峰值很大,则线性预测编码通过预测和差分消除了大量像素间的冗余。将以上几种无损压缩编码方法运行结果数据汇总在表3中进行比较,表3如下所示:表3 无损压缩编码比较表图像编码原始数据大小压缩后数据大小均方根误差erms压缩比cr灰度图RLERLEHuffmanDPCM6553611222401.
21、7124二值化图像灰度图灰度图655366553616384680258986163840000.103790.90005由于线性预测编码是对预测误差进行编码的,其要与RLE和huffman编码比较得通过预测误差直方图的概率分布来进行。由表3可得:要对黑白二值化图像进行编码,最好选择RLE编码。而对于灰度图,进行RLE编码后图像数据(112224)比原始数据(65536)大很多;进行huffman编码后的图像大小与原始图像差不多,均没达到好的压缩效果;进行线性预测编码其预测误差的概率分布在零处的峰值很大,说明消去了很多的冗余。因此,灰度图像要进行无损压缩编码,最好的选择是进行线性预测编码。3
22、有损压缩编码研究和实现有损压缩主要是对变换编码进行研究的。变换编码是一种基于某种变换的编码方法,其只对变换域上有用的低频信息进行量化、编码、传输,而丢弃那些没用的高频分量。变换编码是先将图像分割为个子图像再分别进行变换、量化和编码处理,而非一次性对图像进行变换和编码。其编解码系统如图10所示:图10 变换编码编解码系统图3.1 基于DCT的图像压缩编码由于在空间域里进行DCT变换编码比在变换域里较复杂,因此DCT变换编码选择在变换域里进行。经过DCT变换后信号的能量积聚到少量的系数上,使其图像的相关性下降了和抗干扰能力增加了,更利于压缩图像的传输。因而,被图像压缩领域广泛的运用。关于基于DCT
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- 关 键 词:
- 通信工程 毕业设计 论文 数字图像 压缩 编码 方法 研究
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