信息与计算科学专业论文09751.doc
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1、基于 SOFM 和 LVQ 神经网络的 矢量量化图像压缩 摘 要 矢量量化作为一种高效的数据压缩技术,已被广泛应用于图像压缩领域。本文在系统介绍矢量量化数据压缩理论的基础上,着重探讨了矢量量化的关键技术码书设计算法:1.回顾了经典的矢量量化码书设计算法LBG 算法,研究了基于竞争型神经网络 SOFM 和 LVQ 的矢量量化码书设计算法;2.通过仿真实验,采取将图像分块构建矢量的思想,研究了在改变码字大小等参数的情况下,这三种算法的训练过程和算法性能;3.根据 LBG 算法的特性,提出一种联合 SOFM 和 LBG 算法的码书设计改进方法,并通过实验验证了改进算法的有效性。大量的实验结果表明,L
2、BG 和 LVQ 算法对初始码书依赖性大,SOFM 算法训练时间较长。对于给定的码字大小,码书越大,压缩比越低,但重建图像质量越好;码书相同时码字较小的编码性能较优。关键词:码书设计;LBG 算法;SOFM 神经网络;LVQ 神经网络;改进算法 The Vector Quantization in Image Compression Based on SOFM and LVQ Abstract As an efficient data compression technique,vector quantization(VQ)has been widely applied to image co
3、mpression.This paper presents a systematic introduction to the theory of VQ data compression,focusing on the key technology of VQcodebook design algorithm:1.The classical algorithm of VQ codebook designLBG algorithm is reviewed.The VQ codebook design algorithm based on the competed artificial neural
4、 networkSOFM neural network and LVQ neural network are studied.2.The training process and performance of these three codebook design algorithms are studied through simulation experiments.During the experiments,image blocking is adopted in the construction of the vectors.3.An improved method for code
5、book design based on the combination of SOFM and LBG is put forward according to the characteristics of LBG algorithm and its validity is validated by the experiment.The experimental results indicate that the LBG algorithm and LVQ algorithm are sensitive dependence to initial codebook;SOFM algorithm
6、 takes a long training time.For a given size of codeword,a larger codebook will result in a lower compression ratio but a better quality of reconstructed image.When using the same codebook,the coding efficiency of less codeword performs better.Key words:Codebook design;LBG algorithm;SOFM neural netw
7、ork;LVQ neural network;Improved method 目 录 第 1 章 前 言 1 1.1 图像压缩的目的和意义 1 1.2 各种图像压缩方法介绍 2 1.3 矢量量化技术的研究现状 3 1.4 本文的研究目标和主要内容 4 第 2 章 矢量量化基础知识 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1 矢量量化的基本原理 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.1 矢量量化的理论基础 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.2 矢量量化的定义 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.3 矢量量化的特点 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2 矢量量化的相关概念 错误
8、错误!未定义书签。未定义书签。2.2.1 矢量量化器的编码速率和比特率 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2.2 失真测度 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2.3 复杂度 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3 矢量量化关键技术 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3.1 矢量量化码书设计技术 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3.2 矢量量化码字搜索技术 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3.3 矢量量化码字索引分配技术 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4 矢量量化和图像压缩 错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4.1 基于矢量量化的图像压缩技术 错误错误!未定
9、义书签。未定义书签。2.4.2 重建图像的评价 错误错误!未定义书签。未定义书签。第 3 章 基于 LBG 算法的矢量量化图像压缩 错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1 LBG 算法的理论基础 错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2 LBG 算法 错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3 LBG 算法的优缺点 错误错误!未定义书签。未定义书签。3.4 初始码书的生成 错误错误!未定义书签。未定义书签。3.5 仿真实验与结果分析 错误错误!未定义书签。未定义书签。3.5.1 LBG 算法的流程图 错误错误!未定义书签。未定义书签。3.5.2 LBG 算法的结果分析 错误错误!未定义书签。未
10、定义书签。3.5.3 实验结论 错误错误!未定义书签。未定义书签。第 4 章 基于 SOFM 网络的矢量量化图像压缩 错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1 SOFM 网络的理论基础 错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1.1 SOFM 网络的基本思想 错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1.2 基本 SOFM 算法 错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1.3 SOFM 网络邻域函数和学习率函数的选择 错误错误!未定义书签。未定义书签。4.2 SOFM 算法的优缺点 错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3 SOFM 算法的改进 错误错误!未定义书签。未定义书签。4.4 基于 SOFM
11、 的矢量量化 错误错误!未定义书签。未定义书签。4.5 仿真实验与效果分析 错误错误!未定义书签。未定义书签。4.5.1 SOFM 矢量量化图像压缩的流程图 错误错误!未定义书签。未定义书签。4.5.2 SOFM 矢量量化图像压缩的效果分析 错误错误!未定义书签。未定义书签。4.5.3 实验结论 错误错误!未定义书签。未定义书签。第 5 章 基于 LVQ 网络的矢量量化图像压缩 错误错误!未定义书签。未定义书签。5.1 LVQ 网络的理论基础 错误错误!未定义书签。未定义书签。5.1.1 LVQ 网络的基本思想与网络结构 错误错误!未定义书签。未定义书签。5.1.2 基本 LVQ 算法 错误错
12、误!未定义书签。未定义书签。5.2 LVQ 算法的优缺点 错误错误!未定义书签。未定义书签。5.3 LVQ 算法的改进 错误错误!未定义书签。未定义书签。5.4 基于 LVQ 的矢量量化 错误错误!未定义书签。未定义书签。5.5 仿真试验与效果分析 错误错误!未定义书签。未定义书签。5.5.1 LVQ 矢量量化图像压缩流程图 错误错误!未定义书签。未定义书签。5.5.2 LVQ 矢量量化图像压缩的结果分析 错误错误!未定义书签。未定义书签。5.5.3 实验结论 错误错误!未定义书签。未定义书签。第 6 章 联合 SOFM 与 LBG 的改进算法 错误错误!未定义书签。未定义书签。6.1 改进算
13、法的提出 错误错误!未定义书签。未定义书签。6.2 改进算法矢量量化图像压缩的结果分析 错误错误!未定义书签。未定义书签。6.3 四种算法矢量量化图像压缩的效果比较 错误错误!未定义书签。未定义书签。结 论 7 致 谢 9 参考文献 10 第 1 章 前 言 1.1 图像压缩的目的和意义 人类获取到的信息 80%来源于图像媒体,15%来源于语音5。这说明图像是人类生活中信息交流一种极为重要的载体,也是蕴含信息量最大的载体。信息数字化处理是现代信息社会的一个重要标志,但图像信息数字化所面临的最大难题是海量数据的存储和传输问题。面对当前人们对图像信息交流的需求,如果不进行数据压缩,现有的计算机设备
14、和低速网络基本上不能处理、传输和存储视频以及图像信号,因此,图像数据的压缩是必须的3。数字图像压缩的目的是减少表示图像所需的比特数,更有效地表示图像,以便于图像的处理、存储和传输。由文献3可了解到:通过时间域的压缩,可较快地传输各种信源(降低信道占用费用);通过频率域的压缩,可在现有通信干线上开通更多的并行业务(如电视、传真、电话、可视图文等);通过能量域的压缩,可降低发射机功率;通过空间域的压缩,可紧缩数据存储容量(降低存储费用)。在图像数据内部存在着大量冗余,包括空间冗余、结构冗余、知识冗余、信息熵冗余和视觉冗余等,这使得将一个大的数据图像数据文件转换成小的数据图像文件成为可能26,由图像
15、冗余数据的减少可以达到图像压缩的目的。通过充分利用人眼的视觉特性和图像本身的统计特性来减小图像信息的冗余度,可以在保证图像质量的条件下实现图像压缩。正是由于图像压缩的必要性和可行性,许多致力于减少数据量和降低比特率,同时又尽量保持图像信号原有质量的压缩编码方案应运而生3,4,5,26,29。目前,图像编码的方法繁多3-7,发展也相当迅速,根据不同应用目的而制定的图像压缩国际标准(CCITT H.26X,JPEG,JBIG,MPEG)4,5相继推出,使得图像编码的理论和技术得到了前所未有的发展,关于图像压缩编码的国际标准在第 2 节有较为详细的介绍。自从 Y.Linde,A.Buzo 与 R.M
16、.Gray 在 1980 年给出矢量量化(vector quantization)码书设计的 LBG 算法以来17,19,22,矢量量化作为图像压缩中的一种重要编码技术得到广泛的关注和研究10。同时,随着数学、物理学、脑成像技术和计算机科学的发展,使得人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)理论的研究再一次成为人工智能领域研究的热点1,2。作为和第一代电子计算机同时代产物的人工神经网络,具有大规模并行处理和分布式信息存储的优势,并有良好的自适应性、自组织性和容错性,以及强大的学习功能、联想记忆功能1,2,6,8。这都促使人们去寻找神经网络理论和图像压缩技术的结
17、合点,克服传统图像压缩方法存在的问题,从而在理论和技术上开辟图像压缩的新途径。其中,Kohonen 于 1981 年提出的自组织特征映射网络(SOFM)是一种具有侧向联想能力的两层网络结构,是一种非监督的聚类方法。而学习矢量量化网络(LVQ)的基本思想源于 SOFM 网络,区别在于 LVQ 是一种有监督的网络18,20,21。这两种神经网络都可用在矢量量化中的关键步骤码书设计中,用于训练并生成码书。因此,研究基于人工神经网络的矢量量化图像压缩理论与方法在学术价值和实际应用方面都具有极其重要的意义。同时,这项十分新颖且处于探索阶段的技术,也给研究者带来了更大的挑战和更广阔的研究空间。1.2 各种
18、图像压缩方法介绍 1.2.1 1.2.1 城地大概地大概地城地大概地大概地 在开始进行图像压缩的工作之前,有必要先了解已有的图像压缩方法及其分类。图像压缩方法的研究已经经历了历代研究者的努力,有人称 1948 年1988年主要研究的图像编码方法为经典方法,同时把有重要发展前景的图像编码方法称为现代方法3。1)根据解码后图像与原始图像的比较,图像压缩编码的方法一般可以分为两大类型:无损压缩和有损压缩3,5,7,23。无损压缩是利用数据的统计特性来进行数据压缩的,典型的无损压缩方法有:行程编码(Run-Length)法、霍夫曼(Huffman)编码法、字典压缩方法23和算术编码方法等。有损压缩不能
19、完全恢复数据,而是利用人的视觉特性使解压缩后的图像看起来和原始图像一样。典型的有损压缩方法有:预测编码、变换编码23、矢量量化编码4等。1.2.2 1.2.2 城地大概地大概地城地大概地大概地 伴随着数学理论,如小波变换、分形几何理论、数学形态学等以及相关学科,如模式识别、人工智能、神经网络、感知心理学等的深入发展,新颖高效的现代压缩方法相继产生。其中主要包括小波变换编码、分形编码、模型基编码、神经网络编码等。图像压缩编码技术的发展和广泛应用促进了有关标准的制定,这些标准的制定工作主要是由 ISO(国际标准化组织)和 ITU(国际电信联盟,其前身为 CCITT)进行3,5,7。这些标准根据需要
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