毕业论文算术编码算法及其应用(含外文翻译) .doc
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1、 题目: 算术编码算法及其应用 学 院 信息科学与工程学院 专 业 电子信息工程 年 级 2009级 学 号 0915212003 姓 名 李文玉 指导老师 周林 2013年05月摘 要在现今的电子信息技术领域,由于需要处理的数字化的信息(尤其是多媒体信息)通常会特别庞大,如果不对其进行有效压缩就难以得到实际应用,数据压缩的目的即是通过有效减少数据文件的冗余信息而使数据文件可以以更快的速度传输或在更少的空间储存。因此数据压缩技术已成为当今数字通信、存储和多媒体娱乐的一项关键的共性技术。本文由香农熵理论和统计编码的原理开始,逐步展开对基于算术编码的数据、图像压缩的研究与应用的讨论:从算术编码的产
2、生条件、原理、以及研究算术编码的目的意义等,到具体算术编码方案的分析比较以及其MATLAB语言的实现方案,有重点的对算术编码的编码过程进行了分析和阐述。最后通过对算术算法特点和应用方向的研究,阐明其编码原理及其在图像、数据压缩领域不可取代的地位及在处理流片段数据所具有的在压缩比和灵活性方面的优势,展示出算术编码的强大生命力和独特优势。利用MATLAB软件对仿真程序进行了调试,验证算术编码对数据压缩的可行性。利用Visual C+软件进行仿真,应用自适应算术编码压缩图像,验证了自适应算术编码压缩图像的可行性。关键词: 算术编码算法;图像、数据压缩;MATLAB仿真ABSTRACT Nowaday
3、s, as the digital information (especially the multimedia information) becomes more voluminous in the telegraphy field, the information should be compressed availably. the purpose of data compression is by effectively reducing the redundant information data file and data file to speed faster transmis
4、sion or storage in less space. Therefore, the data compression technology has become a key common technology in the digital communication, storage and multimedia entertainment.From Shannon entropy theory and the statistics coding theory, this paper sets forth the research and application of the data
5、 compression which based on Arithmetic Coding, including the arithmetic coding producing conditions,the theory, and research the having conditions and the purpose of arithmetic coding and then the research of the specific implementation plan with MATLAB language of arithmetic coding. Against the poi
6、nt of arithmetic coding, this paper analysis and expounds its coding process about it . Finally,through the study of arithmetic algorithm characteristics and application direction, advantage and clarify the position can not be replaced in the image, data compression field and in terms of the compres
7、sion ratio and flexibility in dealing with data stream segments, showing a strong vitality and unique advantage of arithmetic coding. The simulation program was debugged using MATLAB software, verify the feasibility of arithmetic coding for data compression.Simulation using Visual C+ software,applic
8、ation of adaptive arithmetic coding for image compression,and verifies the feasibility of adaptive arithmetic coding image compression. Keywords: arithmetic coding algorithm,image data compression,MATLAB simulation目 录第1章 绪 论11.1 算术编码研究的意义及目的11.2 算术编码算法的发展历程11.3 算术编码国内外研究现状和发展趋势21.4 毕业设计的内容3第2章 算术编码算
9、法52.1 信息冗余和信息熵的概念52.2 算术编码算法基本原理52.3 算术编码的编码过程62.4 算术编码的特点8第3章 基于算术编码的MATLAB实现93.1 MATLAB7.1仿真程序实现93.1.1 运行环境说明93.1.2 MATLAB7.1的简介93.2 基于算术编码算法的MATLAB仿真103.3 二元序列算术编码算法的MATLAB实现13第4章 基于算术编码压缩的应用154.1 数据压缩174.2 基于改进的算术编码算法的应用174.2.1 WNC算法算术编码174.2.2 基于算术编码算法的数据压缩MATLAB实现18第5章 自适应算术编码的图像压缩215.1 图像压缩21
10、5.2 自适应算术编码的图像压缩215.2.1 自适应算术编码215.2.2 程序运行结果显示:225.3 图像数据压缩的意义24结论与展望25参 考 文 献27致 谢29附录A 源程序31附录B 外文参考文献45第1章 绪 论1.1 算术编码研究的意义及目的随着多媒体和互联网技术的不断发展,数据压缩技术获得了空前的进步,数码相机、数码摄像机等手持式设备的普及应用,要求图像数据压缩技术能够在够高的压缩比下实现较好的图像质量,以满足存储空间有限条件下的海量数据压缩问题。各种媒体信息(特别是图像和动态视频)数据量非常之大,就要求与之相应的有较好的压缩技术。而算术编码作为一种高效的数据编码方法在文本
11、,图像,音频等压缩中有广泛的应用。所以,研究算术编码有非常好的前景与实用价值。不论是活动图像还是静止图像,采用算术编码得到的码流都比用霍夫曼编码得到的码流要短,编码效率高。但是到目前为止,算术编码还没有完全取代霍夫曼编码。在许多图像压缩编码标准里,算术编码仅是一个选项。这除了知识产权方面的原因外,算术编码复杂度较高,不论是软件还是硬件实现起来都比较困难是一个主要因素。可以预见,随着超大规模集成电路技术的发展,高速高性能处理器的大量涌现,复杂度较高的算法也有可能实时实现。另一方面,快速的算术编码算法也不断被发现提出,比如IBM公司的Qcoder,PaulGHoward等提出的准算术编码器等。这些
12、快速算法以损失一定的编码效率为代价,采用近似的方法,加快了编码速度。此外,更加有效的概率估计模型的提出也会进一步提高算术编码的效率。随着以上几方面的的进展,算术编码在图像压缩编码内的应用将会越来越广,它比著名的Huffman编码效率提高5%10左右,最终必将取代霍夫曼编码方法。所以,研究算术编码以更好的利用它是非常必要的。1.2 算术编码算法的发展历程1948年,Shannon(香农)在提出信息熵理论的同时,也给出了一种简单的编码方法Shannon编码。Shannon提出将信源符号依其出现的概率进行降序排列,用符号序列累计概率的二进制作为对信源的编码,并从理论上论证的了它的优越性1。1952年
13、,R.M.Fano(法诺)又进一步提出了Fano编码。这些早期的编码方法揭示了变长编码的基本规律,也确实可以取得一定的压缩效果,但离真正实用的压缩算法还相去甚远。1968年前后,P.Elias(伊莱亚斯)发展了Shannon和Fano的编码方法,构造出从数学角度看来更为完美的Shannon-Fano-Elias编码。沿着这一编码方法的思路,1976年,J.Rissanen(瑞萨尼恩)提出了一种可以成功地逼近信息熵极限的编码方法算术编码。1979年,瑞萨尼恩和兰顿(G.G.Langdon)一起将算术编码系统化,并于1981年实现了二进制编码。1982年,Rissanen和G.G.Langdon一
14、起改进了算术编码。之后,人们又将算术编码与J.G.Cleary和I.H.Witten于1984年提出的部分匹配预测模型(PPM)相结合,开发出了压缩效果近乎完美的算法。1987年,威滕(Witten)等人发表了一个实用的算术编码程序。同期,IBM公司发表了著名的Q编码器(后用于JPEG和JBIG图像压缩标准)。从此,算术编码迅速得到了广泛的注意。1.3 算术编码国内外研究现状和发展趋势随着计算机技术的发展,图像编码与压缩技术的研究受到人们越来越多的关注。编码在数字化过程中占有非常重要的地位。在满足一定图像质量要求的前提下,能获得减少数据量的编码成为编码压缩。研究最佳的编码压缩的数学模型和方法是
15、人们追求的目标。由于算术编码技术不像哈弗曼编码方法那样要求将每个信源符号都编码成整数个二进制比特,所以这种技术达到了无噪声编码准则所设定的界限。因此,在JEPG压缩标准的改进版本中(如JEPG2000)已经采用算术编码来代替哈弗曼编码了。 数字视频技术广泛应用于通信、计算机、广播电视等领域,带来了会议电视、可视电话、数字电视和媒体存储等一系列应用,促使了许多视频编码标准的产生2。ITU-T与ISO/IEC是制定视频编码标准的两大组织,ITU-T的标准包括H.261、H.263、H.264,主要应用于实时视频通信领域,如会议电视;MPEG系列标准是由ISO/IEC制定的,主要应用于视频存储(DV
16、D)、广播电视、因特网或无线网上的流媒体等。目前,H.261与H.263在视频通信中广泛应用,成熟的产品已经很多。H.263与H.261相比,增加了若干选项,提供了更灵活的编码方式-算术编码算法,压缩效率大大提高,更适应网络传输。H.264标准的推出,是视频编码标准的一次重要进步,它与现有的MPEG-2、MPEG-4 SP及H.263相比,具有明显的优越性,特别是在编码效率上的提高,使之能用于许多新的领域。尽管H.264的算法复杂度是现有编码压缩标准的4倍以上,随着集成电路技术的快速发展,H.264的应用将成为现实。两个组织也共同制定了一些标准,H.262标准等同于MPEG-2的视频编码标准,
17、而最新的H.264标准则被纳入MPEG-4的第10部分。H.264是由ISO/IEC与ITU-T组成的联合视频组(JVT)制定的新一代视频压缩编码标准3。H.264标准采用的熵编码有两种:一种是基于内容的自适应变长编码(CAVLC)与统一的变长编码(UVLC)结合;另一种是基于内容的自适应二进制算术编码(CABAC)。CAVLC与CABAC根据相临块的情况进行当前块的编码,以达到更好的编码效率。CABAC比CAVLC压缩效率高,但要复杂一些。H.264的主要优点如下:在相同的重建图像质量下,H.264比H.263+和MPEG-4(SP)减小50%码率。在编/解码器中采用复杂度可分级设计,在图像
18、质量和编码处理之间可分级,以适应不同复杂度的应用。除上述ITU-T的视频压缩标准外,还有一些标准也比较流行,如MPEG-4、AVS、WM9 也称为MPEG-4 AVC,而目前业内所说的MPEG-4一般是指SP(简级)或ASP(先进的简级),主要针对低码率应用,如因特网上的流媒体、无线网的视频传输及视频存储等,其核心类似于H.263。MPEG-4 ASP较SP增加了一些技术,主要有:1/4象素精度的运动估计、B帧、全局运动矢量(GMV),因而压缩效率得以提高。AVS是由我国自主制定的音/视频编码技术标准,主要面向高清晰度电视、高密度光存储媒体等应用。AVS标准以当前国际上最先进的MPEG-4 A
19、VC/H.264框架为基础,强调自主知识产权,同时充分考虑了实现的复杂度。相对于H.264,AVS的主要特点有:(1)88的整数变换与64级量化;(2)亮度和色度帧内预测都是以88块为单位,亮度块采用5种预测模式,色度块采用4种预测模式;(3)采用1616、168、816和88 4种块模式进行运动补偿;(4)在1/4象素运动估计方面,采用不同的四抽头滤波器进行半象素插值和1/4象素插值;(5)P帧可以利用最多2帧的前向参考帧,而B帧采用前后各一个参考帧。Window Meida 9(WM9)是微软公司开发的新一代数字媒体技术。一些测试表明,WM9的视频压缩效率比MPEG-2、MPEG-4 SP
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