【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 種類(lèi)型圖像開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的壓縮算法是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。當(dāng)對(duì)其有損壓縮 (大壓縮比 )后發(fā)到地面后，有些細(xì)節(jié)就丟失了，而這些細(xì)節(jié)往往正是我們關(guān)心的，因此在對(duì)這類(lèi)圖像壓縮時(shí)，必須采用特殊的算法以保證在壓縮后能保留這些細(xì)節(jié)。另外，對(duì)于指紋這樣的特殊圖像如何在壓縮后保存其完整特征也是一個(gè)重要的研究方向。因此，在圖像壓縮方面投入一定的資金和人力，進(jìn)行深入的研究，將有助于提高我國(guó)在高科技領(lǐng)域方面的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力 [5]。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 本文結(jié)構(gòu) 本文基于 DCT 算法，對(duì) JPEG 進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹，并對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)。同時(shí)圖象經(jīng)過(guò) JPEG 壓縮之后，會(huì)產(chǎn)生一定的塊效應(yīng)，當(dāng)壓縮比很大的時(shí)候這種效應(yīng)由為突出。本文后半部分著重對(duì)塊效應(yīng)的處理進(jìn)行了研究，利用一種均值算法有效的去除了壓縮后所產(chǎn)生的塊效應(yīng)，并與其他的去除塊效應(yīng)算法進(jìn)行了比較，得到了較好的效果。 本文寫(xiě)作結(jié)構(gòu)為： 第一章 緒論：介紹國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，研究圖象技術(shù)的意義。 第二章 主要闡述 基于 DCT 變化的 JPEG 系統(tǒng) ： DCT 變換原理，量化與反量化，熵編碼及解碼， JPEG 算法的實(shí)現(xiàn)和 CXIMAGE 函數(shù)庫(kù)。 第三章 研究了 JPEG 算法的缺陷，主要是塊效應(yīng)的產(chǎn)生原理，近年來(lái)國(guó)際上解決塊效應(yīng)的各種算法，及本文解決塊效應(yīng)的算法的思路和具體實(shí)現(xiàn)。 第四章 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢驗(yàn)，在不同壓縮比的情況下，算法的效果及與幾種主流算法的比較。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章 JPEG 標(biāo)準(zhǔn) JPEG 標(biāo)準(zhǔn)是靜態(tài)圖像的壓縮編碼和譯碼標(biāo)準(zhǔn)。它是第一個(gè)壓縮靜態(tài)數(shù)字圖像的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，既可以用于灰度圖像，又可以用于彩色圖像。為了適應(yīng)各種應(yīng)用的不同要求，它支持兩種圖像的建立模式 :順序型、漸進(jìn)型。同時(shí)它包括有兩種基本的壓縮算法。一種算法是基于 DCT(離散余弦變換 )的有損壓縮算法，另一種是基于預(yù)測(cè)方法的無(wú)損壓縮算法。 綜合以上 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)的圖像建立模式和基本壓縮算法， JPEG 總共有四個(gè)工作模式 [1]: 順序型編碼工作模式 :圖像的所有 8x8 像素的圖像子塊從左到右、從上到下依次輸入。圖像子塊經(jīng)離散余弦變換 (DCT)后形成 8x8DCT 系數(shù)陣列，每一個(gè)系數(shù)陣列被量化后立即進(jìn)行 熵 編碼并作為壓縮圖像數(shù)據(jù)的一部分輸出，從而盡可能地降低了對(duì)系數(shù)存儲(chǔ)的要求。 漸進(jìn)型編碼工作模式 :所有 8x8 圖像子塊仍然按照上述順序編碼，但對(duì)圖像需要進(jìn)行多次掃描。這通過(guò)在量化和 熵 編碼 之間加一個(gè)與圖像一樣大小的系數(shù)緩存來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)一個(gè) 8x8DCT 系數(shù)陣列被量化后，它的系數(shù)存入該緩存。所有系數(shù)陣列均完成量化并存入緩存后分幾次掃描來(lái)編碼，每次只有部分被編碼。因此解碼時(shí)輸出的圖像也是分幾次完成的。緩存中的量化后的 DCT 系數(shù)被分批掃描處理的方式有兩種 :一種是頻譜選擇法 。另一種是逐次逼近法。在頻譜選擇法中，每次掃描 Z 形序列中的指定段并進(jìn)行編碼，每一段位于 8x8DCT 系數(shù)陣列頻譜的高頻或低部分。在逐次逼近法中，每一次掃描的系數(shù)的各個(gè)位不全部參與編碼，而是從高到低按指定的位數(shù)逐次編碼。兩種過(guò)程可以單獨(dú)使 用，也可以是靈活地組成使用。 無(wú)失真編碼工作模式 :被編碼的圖像可以保證恢復(fù)到與源圖像數(shù)據(jù)完全一致。 分層編碼工作模式 :一幅圖像被編碼成一些幀的序列。這些幀給出參考重建分用作后續(xù)幀的預(yù)測(cè)。對(duì)于給定分量，除了第一幀外，差分幀是對(duì)源分量和參考重建分量的差值編碼的結(jié)果。差值的編碼可以使用基于 DCT 的處理，或使用無(wú)失真處理，或使用基于 DCT 的對(duì)每一分量進(jìn)行無(wú)失真處理。 可見(jiàn) JPEG 提供了多種工具，以應(yīng)付各種應(yīng)用場(chǎng)合，這樣的通用系統(tǒng)成本較高。為此，將 JPEG 系統(tǒng)分成基本系統(tǒng)和擴(kuò)展系統(tǒng) :基本系統(tǒng)由 DCT 的順序型工作模式及 Huffman 編碼組成，所有符合 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備必須具燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 備基本系統(tǒng) :擴(kuò)展系統(tǒng)提供不同的選項(xiàng)，即除基本系統(tǒng)外的其他編碼方式，如漸進(jìn)型編碼、算術(shù)編碼、無(wú)失真編碼、分層編碼等等。 JPEG 基本系統(tǒng) 上圖是 JPEG 建議的基本系統(tǒng)框架圖。 首先將要壓縮的圖像分割成一定的 8x8 像素的圖像子塊，再用前向余弦變換 (FDCT)將個(gè)子塊變?yōu)?8x8 的 DCT 系數(shù)陣列；然后用一個(gè) 8x8 的量化值陣列對(duì)這些系數(shù)進(jìn)行量化；最后用熵編碼器將量化后的系數(shù)編碼成一串比特?cái)?shù)據(jù)流 。經(jīng)過(guò)傳輸或存儲(chǔ)，比特?cái)?shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)熵解碼器進(jìn)行解碼，重新生成一組量化了的 DCT 系數(shù)，使用與編碼時(shí)相同的量化值陣列對(duì)這些量化了的系數(shù)進(jìn)行反量化，最后利用反向余弦變換 (IDCT)將此 8x8DCT 系數(shù)陣列變換成空間域的 8x8 圖像子塊。 一般來(lái)說(shuō)輸入圖像和輸出圖像之間存在有誤差，這個(gè)誤差是由量化、反量化過(guò)程引起的，熵編碼、解碼過(guò)程沒(méi)有信息損失。 以上介紹的是 JPEG 的基本系統(tǒng)。由于 JPEG 用途廣泛，因此，需要在基本系統(tǒng)之上擴(kuò)充一些其他的編碼方法，提高編碼效率，滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。限于篇幅，這里將不再做詳細(xì)介紹。 原始圖 映射變換 F(m,n) 量化器 熵編碼器 信道 熵解碼器 反量化器 反映射 復(fù)原后 F(m,n) 圖 21 基于 DCT 的編解碼示意圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 JPEG 基本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 前向余弦變換（ FDCT）和反向余弦變換（ IDCT） JPEG 采用 8x8 子塊的二維離散余弦變換算法。在編碼器的輸入端，把原始圖像 (對(duì)彩色圖像是每個(gè)顏色成分 )順序地分割成一系列 8x8 的子塊。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。實(shí)施三維 8x8 離散余弦變換可以將圖像塊的能量集中在極少數(shù)系數(shù)上，其它系數(shù)的值與這些系數(shù)相比，絕對(duì)值要小得多。對(duì)于高度相關(guān)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行這樣變換的效果使能量高度集中，便于后續(xù)的壓縮處理。通過(guò)離散余弦變換(DCT)去除數(shù)據(jù)冗 余。 一維離散余弦變換（ FDCT 和 IDCT）： 設(shè) {x(m)}是 M 個(gè)有限值的一維實(shí)數(shù)序列集合， m=0,1,2,....M1，余弦變化的完備正交函數(shù)系是： ?????????????1. .. ,3,2,1,0),0(,2 )12(c o s2),(1),0(MkttTkMtkMt??? (21) 對(duì)這些函數(shù)在 (0， T)內(nèi)取 M 個(gè)樣值，即得離散余弦變： ??????????????1. . . ,3,2,1。1. . .3,2,1,2 )12(c o s2),0(1),0(00MmMkT kmMtMtmm??? (22) 離散余弦變換 (DCT)形式為： ?????????????????????????????????????????????????? 110110. . .2)1)(12(c o s. . .2)1(3c o s2)1(c o s. . .. . .. . .. . .2)12(c o s. . . .23c o s2c o s21. . .21212. . .MM xxxMMMMMMMMMMMMyyy?????? (23) 其矢量形式為 ： TXY? (24) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 其中 1...,2,1,0,]2 )12(c os)([2 ???? ? MmkM kmkCMT MM? (25) 以求和形式表示的一維 DCT 為： ??? ?? 10 2 )12(c os)()(2)( Mm M kmmxkCMky ? (26) ?????????1...2,1,0,10,22)(MkkkC (27) DCT 的反變換 IDCT 的形式為： ?????????????????????????????????????????????????? 110110. ..2)1)(12(c o s. ..2)12(c o s21. ... ... ... ..2)1(3c o s. ..23c o s212)1(c o s. ..2c o s212. ..MM yyyMMMMMMMMMMMMxxx?????? (28) 二維離散余弦變換（ FDCT 和 IDCT）： 二維 DCT 主要用于圖像數(shù)據(jù)的壓縮編碼。設(shè)圖像數(shù)據(jù)是一個(gè) mxn 的矩陣，每個(gè)數(shù)據(jù)用 x(m， n)表示。為了減弱或去除圖像數(shù) 據(jù) 的相關(guān)性，用二維DCT 將圖像從空間域，即 mn 平面，轉(zhuǎn)換為 DCT 變換域，即 KL平面。同一維 DCT 一樣，二維 mxn 階 DCT 的分量表示 形式也可寫(xiě)成求和形式，即 ： N lnM kmnxmxlCkCMNlky Mm Nn 2 )12(c os2 )12(c os)()()()(2),( 10 10 ?? ??? ? ??? ??，1. . .2,1,0。1. . .2,1,0 ???? NlMk (29) ?????????1...2,1,0,10,22)(MkkkC (210) ?????????1...2,1,0,10,22)(MlllC (211) N knM kmlCkClknmg 2 )12(c os2 )12(c os)()(),( ?? ??? (212) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 。2 )12(c os)(),( M kmkCkmU ??? (213) N lnlClnV 2 )12(c os)(),( ???。 (214) ),(),(),( lnVkmUlknmg ? (215) 所以可將二維 DCT 變換公式改為： M kmN lnmnxlCNkCMlkyMmNn 2)12(c os2 )12(c os),()(2)(2),( 1010?? ??????? ?? ? ????? 1. . .2,1,0。1. . .2,1,0 ???? NlMk ???? 10 ),(),()(2),( Nn lnVmnxlCNlmx (216) 則 ???? 10 ),(),(2),( Mm kmUlmxMlky (217) 這樣二維 DCT 實(shí)際上己分解成雙重一維 DCT： 先解 x(m， l)，得到一個(gè)中間結(jié)果，再以中間結(jié)果為變量，進(jìn)行第二次一維 DCT，最終得到變換結(jié)果為 y(k， l)。通過(guò)以上論證可以將 y(k,l)簡(jiǎn)化為 ： TTXTY? (218) 其中 1...2,1,0,2 )12(c os)(2 ???????? ?? ? MmkM kmkCMT MM? (219) 而 1...,2,1,0,2 )12(c os)(21 ???????? ??? ?? NmlN lnlCNTT NNT ? (220) 原始圖像通過(guò)硬件采樣后，成為要處理的離散采樣值。首先通過(guò)離散余弦變換，將采樣