畢業(yè)論文--圖像壓縮算法在視頻測井系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　圖像壓縮算法在視頻測井系統(tǒng)中的應(yīng)用研究</p><p>　　摘 要：在視頻測井系統(tǒng)中，測每一口井都要尋取成百上千的圖片，這些圖像數(shù)據(jù)要保存幾年供單位索取轉(zhuǎn)錄。為了減少實(shí)時(shí)傳輸?shù)膱D像信息量，需要對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，本文的主要工作是研究將基于JPEG圖像壓縮算法應(yīng)用到視頻測井系統(tǒng)中。文中主要分析了JPEG算法的基本原理和分類，重點(diǎn)

2、介紹了JPEG壓縮編碼的具體過程和方法，詳細(xì)介紹了編碼中DCT變換、量化、熵編碼和霍夫曼編碼等模塊的原理和數(shù)學(xué)推導(dǎo)以及各模塊的功能分析，并利用DCT算法進(jìn)行變換和壓縮，達(dá)到了較高的壓縮比，并采用Matlab軟件對(duì)JPEG算法進(jìn)行了仿真，將不同量化等級(jí)下得到的結(jié)果進(jìn)行了比較分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于JPEG的圖像壓縮法可以對(duì)視頻測井系統(tǒng)中所獲取的圖像進(jìn)行壓縮，且不影響其視覺效果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：JPEG

3、；圖像壓縮；DCT </p><p>　　Application Research of Video Logging System based on Image compression algorithm</p><p>　　Abstract: In the video logging system, test every well should research hundreds of

4、pictures, these image data to be saved a few years for unit to transcription. In order to reduce real-time transmission image information, it’s need to do image compression, this article mainly studies the work JPEG imag

5、e compression algorithm and used it to video logging system. This paper mainly analyzes the basic principle of JPEG arithmetic and classification, mainly introduces the detailed process and the met</p><p>　　

6、Keywords:JPEG;Compression;DCT</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 選題背景1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.

7、3 本課題的意義4</p><p>　　1.4 本設(shè)計(jì)的研究方法4</p><p>　　1.5 圖像壓縮的理論依據(jù)和具備的條件4</p><p>　　1.6本文的各章內(nèi)容安排5</p><p>　　2 視頻測井系統(tǒng)數(shù)字圖像壓縮原理6</p><p>　　2.1 JPEG算法綜述6</p>

8、;<p>　　2.1.1 無損壓縮編碼7</p><p>　　2.1.2 基于DCT變換有損JPEG編碼7</p><p>　　2.1.3 壓縮編碼器的主要算法及編碼方法8</p><p>　　2.2 視頻測井系統(tǒng)中應(yīng)用的 JPEG編碼系統(tǒng)編碼流程8</p><p>　　2.3 各模塊分析9</p>

9、;<p>　　2.3.1 DCT變換9</p><p>　　2.3.2 量化11</p><p>　　2.3.3 差值預(yù)測編碼13</p><p>　　2.3.4熵編碼和解碼13</p><p>　　2.4 圖像壓縮效果和質(zhì)量16</p><p>　　2.5 組成JPEG壓縮后比特

10、流格式16</p><p>　　2.6 JPEG2000壓縮算法17</p><p>　　2.6.1 JPEG2000壓縮原理18</p><p>　　2.6.2 視頻測井系統(tǒng)中應(yīng)用的 JPEG2000編碼系統(tǒng)編碼流程19</p><p>　　2.6.3 DCT電平位移20</p><p>　　2.6

11、.4 分量變換20</p><p>　　2.6.5 小波變換20</p><p>　　2.6.6 量化21</p><p>　　2.6.7 熵編碼21</p><p>　　2.7 JPEG和JPEG2000壓縮算法的比較21</p><p>　　3 JPEG和JPEG2000圖像壓縮編碼算法在視頻

12、測井系統(tǒng)中的的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用23</p><p>　　3.1 用MATLAB實(shí)現(xiàn)視頻測井圖像的JPEG壓縮23</p><p>　　3.2.1 MATLAB中圖像處理的相關(guān)函數(shù)23</p><p>　　3.2.2 JPEG圖像壓縮法的設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.2.3 JPEG2000圖像壓縮法的設(shè)計(jì)26</p>

13、<p><b>　　4結(jié)論29</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié)30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　致 謝32</b></p><p><b>　　附

14、錄 A33</b></p><p><b>　　附錄 B35</b></p><p><b>　　附錄 C38</b></p><p><b>　　附錄 D41</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>

15、<p><b>　　1.1 選題背景</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代信息社會(huì)對(duì)通信業(yè)務(wù)要求的不斷增長,圖像通信與通信網(wǎng)容量的矛盾日益突出。特別是具有龐大數(shù)據(jù)量的數(shù)字圖像通信,更難以傳輸與存儲(chǔ),極大地制約了圖像通信的發(fā)展,已成為圖像通信發(fā)展中的“瓶頸”問題。圖像壓縮編碼的目的就是要以盡量少的比特?cái)?shù)表征圖像,同時(shí)保持復(fù)原圖像的質(zhì)量,使它符合特定應(yīng)用場合的要求。</p&

16、gt;<p>　　視頻測井系統(tǒng)則是采用視頻的手段獲取井下的信息，為了減少實(shí)時(shí)傳輸?shù)膱D像信息量，需要對(duì)圖像進(jìn)行壓縮。而圖像壓縮算法就是在一定的逼真度的要求下盡可能使用最少的代碼比特?cái)?shù)來表達(dá)圖像，以壓縮圖像的儲(chǔ)存量，擴(kuò)大傳輸容量，提高傳輸速度，從圖像處理的研究中可以看到圖像的象點(diǎn)之間有很大的相關(guān)性，因此它有很大的冗余性可以進(jìn)行壓縮。為此進(jìn)行圖像的編碼與壓縮具有很大的潛力。數(shù)字圖像壓縮不但在傳輸上有其重要性，而且在圖像數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存

17、方面也越來越顯出其重要性。尤其是在視頻測井中，它獲取的信息量非常大，測每一口井都要尋取成百上千的圖片，每張圖片為1024*1024個(gè)像素，每個(gè)像素6到8 bit，這些圖像數(shù)據(jù)要保存幾年供單位索取轉(zhuǎn)錄。如果能壓縮一半，就可以少造一棟樓房，少用一半磁帶，具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。當(dāng)然信息量盡可能少丟失。</p><p>　　圖像信息壓縮的可能性存在于圖像本身之中，其中，明顯可以利用的一點(diǎn)是圖像各像素點(diǎn)之間的相關(guān)性。由于圖像

18、總是對(duì)一些物體的再現(xiàn)，而物體上的各像素的灰度值之間有著極大的相關(guān)性。如果把這些像素之間的關(guān)系信息提取出來，以一定的方法加以清除，那就可以壓縮總的信息量。從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)來說各像素之間的灰度分布遠(yuǎn)非獨(dú)立的，圖像的這種壓縮的潛力是很大的，當(dāng)前所采用的各種壓縮方法離壓縮的極限還很遠(yuǎn)。挖掘這種潛力將會(huì)給圖像的傳輸和儲(chǔ)存帶來極大的方便。而挖掘這種潛力最常用的方法是JPEG2000和JPEG，JPEG2000和JPEG相比優(yōu)勢明顯，且向下兼容，因此可取

19、代傳統(tǒng)的JPEG格式因而可以被更廣泛的應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、彩色拷貝、打印、掃描、數(shù)字?jǐn)z影、遙感、醫(yī)學(xué)圖像、數(shù)字圖書館、數(shù)字存檔以及移動(dòng)圖像通信等領(lǐng)域。</p><p>　　1991年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國際電信聯(lián)盟（ITU）制定了第一套靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG（Joint Photographic Experts Group聯(lián)合圖像專家組）[1]。該標(biāo)準(zhǔn)是基于離散余弦變換（Discrete Cosine Tra

20、nsform，DCT）的方法，在中高碼率（碼率大于0.25比特/像素）對(duì)于連續(xù)色調(diào)的靜態(tài)灰度或彩色圖像取得了較好的壓縮性能。在目前多媒體通信采用的技術(shù)中，JPEG標(biāo)準(zhǔn)以其顯著的壓縮效率和較低的圖像質(zhì)量損失而獲得了廣泛應(yīng)用，成為國際通用的標(biāo)準(zhǔn)。JPEG使用有損壓縮時(shí)，在壓縮比25:1的情況下，壓縮后得到的圖像與原始圖像相比較，非圖像專家難以找出它們之間的差別。JPEG能夠適用于任何種類的連續(xù)色調(diào)的圖像，且長寬比不受限制，同時(shí)也不受限于景物

21、內(nèi)容，圖像得復(fù)雜度和統(tǒng)計(jì)特性等。</p><p>　　鑒于JPEG其優(yōu)良的品質(zhì)，在標(biāo)準(zhǔn)提出后短短的幾年間就獲得了巨大的成功，目前網(wǎng)站上百分之80%的圖像都是采用JPEG的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。雖然最近更高壓縮率以及更多新功能的新一代圖像壓縮技術(shù)JPEG2000己經(jīng)誕生[2]。其目標(biāo)是進(jìn)一步改進(jìn)目前壓縮算法的性能，以適應(yīng)低帶寬，高噪聲的環(huán)境，及醫(yī)療圖像，電子圖書館，傳真，Internet網(wǎng)上服務(wù)和保安等方面的應(yīng)用。對(duì)于有較好的

22、圖像質(zhì)量，較低的比特率或者是一些特殊功能的要求（比如漸進(jìn)傳輸和感興趣區(qū)域編碼等）時(shí)，JPEG2000將是較好的選擇。但是事實(shí)表明，隨著JPEG系統(tǒng)產(chǎn)品的不斷優(yōu)化，在大多數(shù)場合下，JPEGyasuo就可以滿足要求了。而且，JPEG 的低復(fù)雜度，低成本的優(yōu)點(diǎn)也是別的標(biāo)準(zhǔn)所無法取代的。因此，JPEG2000不可能完全替代JPEG。在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，JPEG仍然將是主流的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　可以這

23、樣認(rèn)為，沒有編碼壓縮技術(shù)的發(fā)展，大容量圖像信息的存儲(chǔ)與傳輸是難以實(shí)現(xiàn)的，多媒體等新技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用也會(huì)碰到困難。因此，研究圖像的編碼壓縮技術(shù)成為當(dāng)前熱門的課題之一。由于圖像編碼壓縮技術(shù)存在著巨大的應(yīng)用市場和經(jīng)濟(jì)利益，我們有必要掌握J(rèn)PEG這種主流編碼技術(shù)的核心算法，也是對(duì)后續(xù)的圖像處理研究做一個(gè)基礎(chǔ)工作。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 </p><p><b>

24、　　圖像壓縮的發(fā)展史</b></p><p>　　1948年提出電視信號(hào)數(shù)字化后，圖像壓縮編碼的研究工作就宣告開始了。在這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的早期，限于客觀條件，僅對(duì)幀內(nèi)預(yù)測法和亞取樣內(nèi)查復(fù)原法進(jìn)行研究，對(duì)視覺特性也做了一些極為有限但可貴的研究工作。1966年J.B.O Neal對(duì)比分析了DPCM和PCM并提出了用于電視的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。1969年進(jìn)行了線性預(yù)測編碼的實(shí)際實(shí)驗(yàn)。1969年舉行首屆圖像編碼會(huì)議。70年

25、代開始進(jìn)行了幀間預(yù)測編碼的研究。80年代開始對(duì)運(yùn)動(dòng)估值和模型編碼進(jìn)行研究。進(jìn)入90年代，ITU-T和ISO制定了一系列圖像編碼國際建議，如H.261、JPEG、MPEG-1、H.262、H.263、MPEG-4等。變換編碼是1968年H.C.Andrews等人提出的，采用的是二維離散傅立葉變換，此后相繼出現(xiàn)用其他變換方法的變換編碼，其中包括二維離散余弦變換。雖然jpeg有很多優(yōu)點(diǎn)，但是其他的數(shù)據(jù)格式也有他們各自的優(yōu)點(diǎn)。比如說如果要打印圖

26、像，特別是打印高質(zhì)量的圖像，TIFF格式是更為合適的選擇。</p><p>　　JPEG壓縮技術(shù)可以說是所有圖像壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)。如MJPEG(Motion JPEG)就是在JPEG基礎(chǔ)發(fā)展起來的動(dòng)態(tài)圖像壓縮技術(shù)，它只單獨(dú)的對(duì)某一幀進(jìn)行壓縮，而基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化。使得可獲取清晰度很高的視頻圖像，而且可靈活設(shè)置每路的視頻清晰度和壓縮幀數(shù)。其壓縮后的畫面還可任意剪接。但它的缺陷也非常明顯，其一，丟幀現(xiàn)象

27、嚴(yán)重、實(shí)時(shí)性差，在保證每路都必 須是高清晰的前提下，很難完成實(shí)時(shí)壓縮；其二，壓縮效率低，存儲(chǔ)占用空間較大。后來又出現(xiàn)了多層式JPEG（ML-JPEG）壓縮技術(shù)，它采取漸層式技術(shù)，先傳輸?shù)徒馕龅膱D檔，然后再補(bǔ)送更細(xì)節(jié)的壓縮資料，使畫面品質(zhì)改善。這種方式所需的時(shí)間雖然與原先的方式一樣。但由于可以先看到畫面，所以使用者會(huì)覺得這種方式較好。</p><p>　　而在靜止圖像壓縮中，還有其他不少的標(biāo)準(zhǔn)正在發(fā)展。如微軟今年3

28、月份透露，該公司不久將向國際標(biāo)準(zhǔn)組織提交一個(gè)新的圖片格式，并表示其新格式可以提供更高的圖像質(zhì)量和更好的壓縮能力，即HD Photo格式[3]。微軟希望能用它的格式來取代現(xiàn)在通用的JPEG格式。微軟稱，HD Photo簡潔的運(yùn)算法則可以減少圖像在壓縮過程中受到的損失，即便圖片大小僅有JPEG的一半，也將具有更高的質(zhì)量。這種格式此外還能夠同時(shí)支持“無損”和“有損”兩種圖片數(shù)據(jù)壓縮方法，這兩種方法可以對(duì)圖像質(zhì)量的產(chǎn)生不同的效果。微軟稱，HD

29、Photo可以對(duì)色平衡和曝光設(shè)置進(jìn)行調(diào)節(jié)，且不會(huì)像發(fā)生其它位圖格式經(jīng)常遇到的數(shù)據(jù)丟失或減少現(xiàn)象。無論HD是否可以取代JPEG，而JPEG在數(shù)字圖像壓縮發(fā)展中所做出的貢獻(xiàn)是舉足重輕的 </p><p>　　經(jīng)過幾十年的發(fā)展，圖像編碼技術(shù)業(yè)已成熟，一些國際建議的制定極大地推動(dòng)了圖像編碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化，從而推動(dòng)圖像編碼技術(shù)以更快的速度發(fā)展，目前的研究方向有兩個(gè)： 1.更好地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的圖像編碼國際建議研制出集成度更高

30、、性能更好的圖像編碼專用芯片，使編碼系統(tǒng)成本更低、可靠性更高。解決好現(xiàn)有的圖像編碼系統(tǒng)開發(fā)中的技術(shù)問題。例如：提高圖像質(zhì)量、提高抗碼能力等。 2.對(duì)圖像編碼理論和其他圖像編碼方法的研究目前已經(jīng)提出和正在進(jìn)行研究的圖像編碼方法有：多分辨率編碼、基于表面描述的編碼、模型編碼、利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編碼、利用分形幾何的編碼、利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的編碼等等。目前靜止圖像的壓縮算法以JPEG（Joint Photographic Experts Group

31、）和JPEG2000為主。</p><p>　　JPEG是第一個(gè)被廣泛接受的單色和彩色靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它的名字源于“Joint Photographic Experts Group(聯(lián)合圖像專家組)”，它是由ISO/和CCITT協(xié)同工作的機(jī)構(gòu)，這個(gè)機(jī)構(gòu)的工作成果是ISO的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC10918-1（連續(xù)色調(diào)靜止圖像的數(shù)字壓縮和編碼，digital compression and coding of c

32、ontinuous tone still images）和ITU-T的建議T.81。JPEG標(biāo)準(zhǔn)草案于1991年公布，1992年正式批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)，以后這個(gè)工作組的進(jìn)一步增強(qiáng)和擴(kuò)展形成了ISO 10918-3和ITU-T建議T.81。</p><p>　　JPEG的核心算法是DCT變換編碼，其壓縮性能基本反映了20世紀(jì)80年代末圖像壓縮的技術(shù)水平。但自從JPEG制定后的近10年，許多更有效的圖像壓縮技術(shù)已經(jīng)得到發(fā)

33、展，如小波變換方法、分形方法、區(qū)域劃分方法等。其中，發(fā)展最成熟和性能及通用性最好的靜止圖像壓縮方法是小波變換方法[4]。正因如此，制定了第二代靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，即JPEG2000，它的核心技術(shù)正是小波變換編碼。其核心編解碼器采用小波變換、算術(shù)編碼及嵌入式分層組織，較以往的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，它在同一個(gè)碼流中實(shí)現(xiàn)了無損和有損壓縮、分辨率和信噪比的累進(jìn)性以及隨機(jī)訪問等優(yōu)良特性。JPEG2000作為JPEG的升級(jí)版，其壓縮率比JPEG高約3

34、0％左右，同時(shí)支持有損和無損壓縮。JPEG2000格式有一個(gè)極其重要的特征在于它能實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)傳輸，即先傳輸圖像的輪廓，然后逐步傳輸數(shù)據(jù)，不斷提高圖像質(zhì)量，讓圖像由朦朧到清晰顯示。此外，JPEG2000還支持所謂的“感興趣區(qū)域”特性，可以任意指定影像上感興趣區(qū)域的壓縮質(zhì)量，還可以選擇指定的部分先解壓縮。</p><p>　　1.3 本課題的意義</p><p>　　在視頻測井系統(tǒng)中獲取的圖像

35、數(shù)據(jù)的特點(diǎn)之一就是信息量較大。計(jì)算機(jī)圖像處理中的數(shù)字圖像其灰度多數(shù)用8bit來量化并用普通PCM編碼，而在視頻測井系統(tǒng)中獲取的圖像和其他科研應(yīng)用的圖像的灰度量化可用到12bit以上，因而所需要的數(shù)據(jù)量太大。以1024*1024的圖像為例，用8bit量化的圖像需要1MB以上的存儲(chǔ)空間。這對(duì)圖像的存儲(chǔ)、處理、傳送帶來很大的困難。若使量化比特減少，又必然帶來圖像量化噪聲增大的缺點(diǎn)，且丟失灰度細(xì)節(jié)的信息。而且處理圖像的龐大數(shù)據(jù)量必然對(duì)計(jì)算機(jī)的處

36、理速度、存儲(chǔ)容量都有很高的要求，因此壓縮圖像是圖像處理的一項(xiàng)重要內(nèi)容。</p><p>　　若從圖像傳送的角度來看則更要求數(shù)據(jù)量壓縮。首先，某些視頻測井系統(tǒng)中的圖像采集具有時(shí)間性，例如在視頻測井系統(tǒng)中獲取的圖像傳回地面有一定限制時(shí)間，測井儀經(jīng)過某地層就無法再得到其數(shù)據(jù)，否則就要增加測井的次數(shù)，圖像存儲(chǔ)體的存儲(chǔ)時(shí)間也有限制，它取決于存儲(chǔ)器件的最短存儲(chǔ)時(shí)間，若單位時(shí)間內(nèi)大量圖像數(shù)據(jù)則來不及存儲(chǔ)，就會(huì)丟失信息。視頻的傳

37、送能體現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的重要性，我國的PAL制彩色電視傳送用3倍副載波取樣。若用8bit量化約需要100MB，若數(shù)字話路為64kbit，傳送彩色電視需要1600個(gè)數(shù)字話路，即使黑白電視用數(shù)字微波接力通信也占用近900個(gè)話路，這些數(shù)據(jù)明顯說明傳送數(shù)字圖像若能壓縮數(shù)據(jù)則可節(jié)約通信話路。圖像數(shù)據(jù)壓縮實(shí)時(shí)傳輸是必須解決的技術(shù)關(guān)鍵，而在視頻測井系統(tǒng)中獲取的圖像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)之一就是信息量較大，因此在視頻測井系統(tǒng)中圖像數(shù)據(jù)壓縮實(shí)時(shí)傳輸更是必須解決的技術(shù)關(guān)鍵。

38、</p><p>　　1.4 本設(shè)計(jì)的研究方法</p><p>　　本設(shè)計(jì)是在matlab軟件上，利用matlab軟件的圖像處理工具和數(shù)字圖像壓縮的知識(shí)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻測井圖片的壓縮。</p><p>　　1.5 圖像壓縮的理論依據(jù)和具備的條件</p><p>　　視頻測井系統(tǒng)中圖像壓縮的出發(fā)點(diǎn)就是其圖像信息存在著很大的冗余度，數(shù)據(jù)之間

39、存在著相關(guān)性，如相鄰像素之間色彩的相關(guān)性等。常見的冗余信息主要有以下幾種形式：</p><p>　?。?）空間冗余：空間冗余是指圖像中相鄰像素、相鄰行之間存在較強(qiáng)的空間域的相關(guān)性（幀內(nèi)相關(guān)性）。通常在一幅圖像中總有大小不等的均勻著色區(qū)域，除邊界點(diǎn)以外，相鄰像素點(diǎn)間的灰度差異不大，而且變化有規(guī)律可循。</p><p>　?。?）時(shí)間冗余：時(shí)間冗余是指視頻序列中相鄰幀圖像之間存在較強(qiáng)時(shí)間域的相

40、關(guān)特性。因?yàn)橐曨l圖像每秒25幀，相鄰圖像時(shí)間間隔很小，加之圖像背景多為靜止的，所以相鄰圖像之間差別極小。</p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)冗余：在有些圖像的部分區(qū)域內(nèi)存在著非常強(qiáng)的紋理結(jié)構(gòu)，或是圖像的各個(gè)部分之間存在某種關(guān)系，如自相似性等，稱為結(jié)構(gòu)冗余。</p><p>　　（4）知識(shí)冗余：在某些圖像中包含的信息與某些先驗(yàn)知識(shí)有關(guān)，如特定的背景環(huán)境、所壓縮圖像的結(jié)構(gòu)等信息是事先已知的，故稱之

41、為知識(shí)冗余。</p><p>　?。?）信息熵冗余（編碼冗余）：通常，圖像各像素點(diǎn)灰度值并不是等概率分布的，即各灰度值數(shù)據(jù)的信息熵是不同的。由信息論有關(guān)原理可知，為表示圖像數(shù)據(jù)的一個(gè)像素點(diǎn)，只要按其信息熵的大小分配相應(yīng)的比特?cái)?shù)即可。但是對(duì)于實(shí)際圖像數(shù)據(jù)的每個(gè)像素，很難得到它的信息熵，所以在數(shù)字化一幅圖像時(shí)，對(duì)每個(gè)像素都用相同的比特?cái)?shù)表示，這樣必然導(dǎo)致冗余存在。</p><p>　　（6）視

42、覺冗余：人類的視覺系統(tǒng)對(duì)圖像的處理是非均勻和非線性的，人眼對(duì)一般像中的許多信息并不敏感，特別是人類的視覺系統(tǒng)并不是對(duì)圖像中的任何變化都能感知，這些人眼不敏感的和不能感知的信息就是視覺冗余信息。因此，在處理圖像時(shí)我們就可以去掉或減弱這些視覺冗余信息，從而達(dá)到壓縮的目的。</p><p>　　圖像壓縮編碼的可能性就在于圖像信息的基本特性、圖像信息理論（信源）</p><p>　　和人眼視覺特性

43、（信宿）。圖像壓縮的目的就是要除去這些冗余信息，在有些場</p><p>　　合，一定限度的失真是允許的，因此可以對(duì)圖像信源作一定程度有時(shí)甚至是很大</p><p><b>　　程度的壓縮。</b></p><p>　　1.6本文的各章內(nèi)容安排</p><p>　　第1章閾述了本課題的選題背景、國內(nèi)外研究狀況和相關(guān)領(lǐng)域中

44、已有的研究成果、本課題的意義、研究方法、理論依據(jù)和具備的條件、本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）構(gòu)成及主要研究內(nèi)容等。</p><p>　　第2章對(duì)JPEG和JPEG2000壓縮算法的原理及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析了各類編碼的數(shù)學(xué)原理，并通過實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比了JPEG和JPEG2000兩種編碼方法。</p><p>　　第3章主要是對(duì)JPEG和JPEG2000圖像壓縮算法的程序設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。</p>

45、;<p>　　第4章對(duì)全文的工作做了總結(jié)。</p><p>　　2 視頻測井系統(tǒng)數(shù)字圖像壓縮原理</p><p>　　2.1 JPEG算法綜述</p><p>　　JPEG是以實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)庫、彩色傳真、印刷等方面的彩色靜止圖像編碼的標(biāo)準(zhǔn)方式為目標(biāo)而制定的，JPEG標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)適用范圍廣泛的通用標(biāo)準(zhǔn)。該壓縮標(biāo)準(zhǔn)適用于彩色和單色、多灰度連續(xù)色調(diào)的靜態(tài)圖像

46、的數(shù)字圖像壓縮和編碼，和相同圖像質(zhì)量的其它常用文件格式（如GIF，TIFF，PCX）相比，JPEG是目前靜態(tài)圖像壓縮算方法中中壓縮比最高的。例圖采用Windows95目錄下的Clouds.bmp，原圖大小為640*480，256色。用工具ACDSee將其分別轉(zhuǎn)成24位色BMP，24位色JPEG，GIF（只能轉(zhuǎn)成256色）壓縮格式，24位色TIFF壓縮格式，24位色TGA壓縮格式，得到的文件大?。ㄒ宰止?jié)為單位）分別為：921.654；17

47、.707；177.153；923.044；768.137?？梢奐PEG比其它幾種壓縮比要高得多，而圖像質(zhì)量都差不多（JPEG處理的顏色只有真彩和灰度圖）。正是由于其高壓縮比，使得JPEG被廣泛地應(yīng)用于多媒體和網(wǎng)絡(luò)程序中，例如HTML語法中選用的圖像格式之一就是JPEG（另一種是GIF），因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的帶寬是非常寶貴的，選用一種高壓縮比的文件格式是必要的。</p><p>　　JPEG是假想為適用范圍非常廣泛，通用性很

48、強(qiáng)的技術(shù)，所以把算法的功能分為四種運(yùn)行方式[5]，用戶只要從中選擇需要的功能即可。這四種運(yùn)行方式是：</p><p>　　（1）基本DCT順序：由8*8像素組成的像塊，按照從左到右、從上到下對(duì)圖像進(jìn)行掃描和編碼，順序運(yùn)行需要的緩沖條件最小，因而實(shí)現(xiàn)的費(fèi)用最低。</p><p>　?。?）基于DCT的擴(kuò)展：處理的順序及編碼處理的基本構(gòu)成是與基本DCT順序相同的，但有多次處理掃描。對(duì)圖像按照由

49、粗到細(xì)進(jìn)行編碼，圖像重現(xiàn)時(shí)由粗糙到清晰。適用于傳輸時(shí)間長，低速率通訊頻道上的人機(jī)交互。</p><p>　?。?）無失真：不使用DCT變換，使用二維差分脈沖編碼調(diào)制技術(shù)，對(duì)接近像素間的差別進(jìn)行編碼，可處理較大范圍的輸入像素精度，可以保證重建圖像與原始圖像完全相同，沒有失真。</p><p>　?。?）分層：以多種分辨率對(duì)圖像進(jìn)行編碼，按照不同的要求，可以獲得不同分辨率和質(zhì)量的圖像。<

50、/p><p>　　JPEG定義了兩種基本的算法[6]：一種是基于DCT的有失真的壓縮算法，包括基本（Baseline）系統(tǒng)（順序方式）和擴(kuò)展系統(tǒng)（遞增模式、分層編碼）；另一種是基于DPCM的無失真壓縮算法，又稱Spatial方式。DCT型算法可以實(shí)現(xiàn)較高的壓縮，但較為復(fù)雜；空間預(yù)測算法可實(shí)現(xiàn)低到中等程度的壓縮。選擇使用哪種過程取決于特定的應(yīng)用要求和價(jià)格性能考慮。在JPEG標(biāo)準(zhǔn)（ISO-10918）中包括三個(gè)部分：編碼

51、器、譯碼器和交換格式。編碼器是將輸入圖像信源變成圖像壓縮數(shù)據(jù)，譯碼器是將圖像壓縮數(shù)據(jù)還原成重建圖像。圖像壓縮數(shù)據(jù)組成一定的比特流（Bitstream）格式，格式中包括編碼過程中采用的碼表等。這四種運(yùn)行模式中，最常用的是基本系統(tǒng)，即基本DCT順序型方式。以下針對(duì)這種格式進(jìn)行討論和研究的。首先介紹Spatial方式無失真JPEG壓縮編碼算法。</p><p>　　2.1.1 無損壓縮編碼</p>&l

52、t;p>　　圖2-1是無失真編碼的原理圖，由無失真編碼器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，它由預(yù)測器和熵編碼器組成。預(yù)測器采用的是基于DPCM預(yù)測編碼[7]方法，像素點(diǎn)Y的預(yù)測值Y’，由之前的像素點(diǎn)的值通過確定的算法得出。熵編碼器是對(duì)(Y-Y’)的差進(jìn)行無失真的熵編碼，比如算術(shù)編碼或哈夫曼編碼。其壓縮比可達(dá)2：1。這種方法由于壓縮比并不是很高，所以應(yīng)用的也不是十分廣泛，只是作一下大概介紹，下面將詳細(xì)介紹JPEG有失真的壓縮過程。</p>

53、<p>　　圖2-1 Spatial方式的JPEG編碼器的構(gòu)成</p><p>　　2.1.2 基于DCT變換有損JPEG編碼</p><p>　　基于DCT的有失真編碼處理過程如圖2-2所示，JPEG基線系統(tǒng)是一種順序DCT算法[8]，這類算法在量化過程中引入誤差，壓縮是失真的。利用人的視覺系統(tǒng)的生理特性，使用量化和無損壓縮編碼去掉視覺的冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息。圖2

54、-2可以看出JPEG編碼的處理過程，總的來說是這樣的：對(duì)于一幅圖像首先將其分成許多個(gè)8*8的小塊，也就是每個(gè)小塊有8*8=64個(gè)像素；分成多少個(gè)小塊要看圖像的分辨率，分辨率高，分的塊就越多，分辨率小，分的塊就越少。然后對(duì)每一個(gè)8*8的塊進(jìn)行二維DCT變換，經(jīng)過DCT變換后就得到頻域的64個(gè)離散余弦變換系數(shù)，然后要對(duì)這64個(gè)系數(shù)進(jìn)行量化，DCT系數(shù)量化中所必需的量化表及熵編碼中所必需的表的具體值，根據(jù)進(jìn)行編碼的圖像不同而不同，一般取JPE

55、G標(biāo)準(zhǔn)推薦的量化表，量化是根據(jù)量化表進(jìn)行的，量化表是JPEG組織根據(jù)人的眼睛視覺的特性規(guī)定好的，直接用量化表去除得到的64個(gè)系數(shù)就是量化，量化后得到的仍是一個(gè)（8*8）64的系數(shù)，而這一系數(shù)己是低頻集中在左上角的一個(gè)8*8的系數(shù)了。最后再利用熵編碼表對(duì)其進(jìn)行熵編碼，熵編碼后得到的就是己壓縮的圖像數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖2-2 JPEG基本系統(tǒng)壓縮編碼處理框圖</p><p>　　2

56、.1.3 壓縮編碼器的主要算法及編碼方法</p><p>　　基本系統(tǒng)中涉及到的主要算法和編碼方法如下：</p><p>　?。?）色彩空間轉(zhuǎn)換（像素的RGB分量表示轉(zhuǎn)換成YCrCb分量）</p><p>　?。?）二維正向離散余弦變換（2DDCT）；</p><p>　?。?）根據(jù)量化表進(jìn)行均勻量化；</p><p&g

57、t;　?。?）DCT系數(shù)差值脈沖編碼（Differential Pulse Code Modulation，DPCM）；</p><p>　　（5）AC系數(shù)Zig-Zag掃描編碼（Zig-zag Scan）；</p><p>　?。?）AC系數(shù)行程長度編碼（Run Length Coding）；</p><p>　?。?）霍夫曼編碼（Huffman Coding）；

58、</p><p>　?。?）組成位數(shù)據(jù)流，以形成幀圖像。</p><p>　　2.2 視頻測井系統(tǒng)中應(yīng)用的 JPEG編碼系統(tǒng)編碼流程</p><p>　　在視頻測井系統(tǒng)中使用JPEG編碼系統(tǒng)模塊原理流程圖圖如圖2-3所示[9]，在視頻測井系統(tǒng)中獲取的原始圖像輸入后經(jīng)過緩沖進(jìn)行DCT編碼，將編碼結(jié)果進(jìn)行ZZ掃描，然后量化，經(jīng)過碼流脈沖后進(jìn)行霍夫曼編碼，最后輸出壓縮圖

59、像。</p><p>　　圖2-3 在視頻測井系統(tǒng)中應(yīng)用的 JPEG編碼系統(tǒng)模塊圖</p><p>　　首先將在視頻測井系統(tǒng)中獲取的圖像分為不重疊的8*8像素子塊（共有Y、U、V三幅數(shù)字圖像），接著對(duì)各個(gè)子塊進(jìn)行DCT變換，然后對(duì)所有的系數(shù)進(jìn)行線性量化。量化的過程是對(duì)系數(shù)值的量化間距劃分后的歸整運(yùn)算，量化步長取決于一個(gè)“視覺閾值矩陣”它隨系數(shù)的位置變化而變化，并且對(duì)Y和UV分量也不相同。

60、其次，對(duì)DCT量化系數(shù)進(jìn)行熵編碼，進(jìn)一步壓縮碼率。這里可以采用算術(shù)編碼或霍夫曼編碼。</p><p>　　2.3 各模塊分析</p><p>　　將JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)基本系統(tǒng)的算法分成色彩空間轉(zhuǎn)換、DCT變換、量化、Z字掃描和熵編碼五大模塊，具體進(jìn)行研究分析。是硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　2.3.1 DCT變換</p><

61、;p>　　變換編碼是利用正交變換來實(shí)現(xiàn)圖像壓縮編碼的方法。模擬圖像采樣后，稱為離散化的亮度值。離散化的像素點(diǎn)可以是256點(diǎn)*256或512點(diǎn)*512點(diǎn)或者其他尺寸。假如把整幅圖像一次進(jìn)行變換，則運(yùn)算比較復(fù)雜，所需時(shí)間也較長。通常把圖像在水平方向和垂直方向上分為若干子區(qū)，每個(gè)子區(qū)有4*4，8*8或16*16點(diǎn)，以子區(qū)為單位進(jìn)行變換，每個(gè)子區(qū)的全部像素值構(gòu)成一個(gè)空間域矩陣。</p><p>　?。?-4）

62、 </p><p>　　矩陣中元素f(i,j)表示子區(qū)中第i行、第j列像素的亮度值。對(duì)N*N階空間矩陣作變換的也是N*N階，變換就是在空間矩陣兩邊乘以變換矩陣[T]得到變換域矩陣[F]：</p><p>　　[F ]=[T ]*[F ]*[T] （2-5）</p><p>　　由于正交

63、矩陣[T]是滿秩的，它們有逆矩陣，設(shè)[T]的逆陣為,在式3-5兩端都乘以，得到： </p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　以上兩個(gè)式子就概括了變換編碼的中變換的基本思想和基本操作。</p><p>　　

64、變換編碼中變換的目的何在呢?首先，假如變換矩陣是歸一化正交變換矩陣，則經(jīng)變換后，空間域中的總能量在變換域中得到保持，即滿足：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中f(m,n)為空間域矩陣中元素，F(xiàn)(i,j)為變換域矩陣中元素。公式（2-7）的意義在于：</p><p>　　空間域中能量全部轉(zhuǎn)移到變換域中，而在

65、反變換中，變換域的能量又能全部轉(zhuǎn)移到空間域中。</p><p>　　經(jīng)過變換之后，變換域中總的能量不變，但能量將會(huì)重新分布，在空間域中，能量分布具有一定的隨機(jī)性[10]。由于圖像有一定的相關(guān)性，變換域中能量在大部分情況下，集中于零空間頻率或低空間頻率對(duì)應(yīng)的變換系數(shù)，從而使具有相關(guān)性圖像的相關(guān)性減少。同時(shí)由于能量集中于零空間頻率和低空間頻率所對(duì)應(yīng)的變換域矩陣元素中，我們對(duì)這些元素分配較多的比特?cái)?shù)，而對(duì)能量較少的元素

66、分配較少的比特?cái)?shù)或不分配比特?cái)?shù)，由于相關(guān)性的減少，變換域中分配的總比特?cái)?shù)可以比原圖像的總比特?cái)?shù)少，這樣就可以使圖像所需傳送的比特?cái)?shù)減少，達(dá)到壓縮的目的。</p><p>　　我們知道離散傅氏變換DFT及其快速算法FFT是頻譜分析的有力工具。DFT的定義如公式（2-8）、公式（2-9）所示：</p><p>　　m=0,1,2……，N-1 (2-8)</

67、p><p>　　n=0,1, 2……，N-1 (2-9) </p><p>　　上述一對(duì)變換式是由傅氏變換經(jīng)過時(shí)（空）域離散和頻域離散后推導(dǎo)所得。式中X（n）表示在時(shí)域中的N個(gè)（離散）值。X(m)表示在頻域中的N個(gè)頻域系數(shù)（應(yīng)于頻譜）。</p><p>　　為什么圖像處理中不用DFT而用DCT呢？原因一是實(shí)時(shí)圖像處理時(shí)，每秒鐘要處理數(shù)百萬

68、乃至數(shù)千萬的數(shù)據(jù)，而DFT要求復(fù)數(shù)運(yùn)算，所以運(yùn)算量大，難以滿足實(shí)時(shí)圖像處理的要求。但是DCT是一種實(shí)數(shù)域的變換，運(yùn)算量比DFT少。原因二是DCT的變換矩陣的基向量很接近托波列茲（Toeplitz）矩陣的特征向量，而語音信號(hào)和圖像信號(hào)的協(xié)方差矩陣都是托波列茲矩陣，就這是為什么DCT變換接近最佳變換，即KLH（Karhunen loeveHoteling）變換，這種變換產(chǎn)生非相關(guān)變換系數(shù)（即頻率系數(shù)），非相關(guān)變換系數(shù)對(duì)壓縮極為重要。<

69、/p><p>　　下面從一維DFT推導(dǎo)一維DCT。</p><p>　　設(shè)x(0)，x(1)，……x(N-2)，x(N-1)為N點(diǎn)實(shí)數(shù)據(jù)序列。令x(-1)=x(0)……x(-N+1)=x(N-2)，x(-N)=x(N-1)。于是得到一個(gè)2N點(diǎn)的序列x(n)。下面給出對(duì)稱點(diǎn)n=-1/2的2N點(diǎn)序列x(n)的DFT變換公式（2-10）。</p><p><b>　

70、?。?-10）</b></p><p>　　利用代換式n’=-n-1對(duì)上式中的第一項(xiàng)進(jìn)行代換后，設(shè)n=n’可得：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　利用公式2cos=，上式可化為：</p><p><b>　　（2-12）</b></p>

71、<p>　　這就是一維離散余弦變換的一種形式。</p><p>　　設(shè)圖像信號(hào)為二維函數(shù)F(x，y)，二維DCT變換對(duì)定義如下：</p><p>　　其中 （2-13）</p><p>　　上述第二式為DCT的反變換IDCT，他將二維頻譜系數(shù)G(u,v)變換為二維空間圖像數(shù)</p>&

72、lt;p>　　F(x,y)。為了方便起見，將上式中的變量平移，從而改寫成如下形式：</p><p>　　上述第二式為DCT的反變換IDCT，他將二維頻譜系數(shù)G(u,v)變換為二維空間圖像數(shù)</p><p>　　據(jù)F(x,y)。為了方便起見，將上式中的變量平移，從而改寫成如下形式：</p><p>　　令x，=x+1，y，=y+1，u，=u+1，v，=v+1得到

73、如下公式（2-14）：</p><p>　　其中 （2-14）</p><p>　　將上式用于圖像數(shù)據(jù)單元，即8*8方塊。則N=8得到公式（2-15）：</p><p>　　其中 （2-15）</p><p>　　若圖像數(shù)據(jù)F(x,y)為8

74、*8矩陣時(shí)，經(jīng)DCT變換的頻率系數(shù)G(u,v)也是8*8矩陣，G(u,v)也稱DCT系數(shù)。</p><p><b>　　2.3.2 量化</b></p><p>　　量化是對(duì)經(jīng)DCT變換后的頻率系數(shù)進(jìn)行處理以增加零系數(shù)的數(shù)目。量化是對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行壓縮的關(guān)鍵一步，方法是通過降低DCT系數(shù)精度的方法，去除掉圖像中相對(duì)不重要的表示圖像細(xì)節(jié)[11]的AC系數(shù)，從而減少圖像

75、數(shù)據(jù)量，達(dá)到壓縮目的，所以說量化是圖像質(zhì)量下降的最重要原因。</p><p>　　將DCT系數(shù)按比例縮小，取其最接近的整數(shù)值，量化過程就是每個(gè)DCT系數(shù)除以各自的量化步距并按四舍五入取整得到量化系數(shù)。</p><p>　　在JPEG標(biāo)準(zhǔn)中采用線性均勻量化器，均勻量化的定義為，對(duì)64個(gè)DCT變換系數(shù)，除以對(duì)應(yīng)的量化步長，四舍五入取整。如公式（2-16）所示。</p><p

76、><b>　　（2-16）</b></p><p>　　式中S(u,v)是量化步距。量化是通過量化表對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化的，也就是對(duì)DCT系數(shù)8*8的塊依次以8*8的量化表為模板進(jìn)行求模運(yùn)算，結(jié)果是量化后的系數(shù)。</p><p>　　用不同的量化表，提高壓縮比同時(shí)減少圖像失真。量化器步長是量化的關(guān)鍵，量化步長的最佳值是由輸入圖像及圖像顯示設(shè)備的特性來決定的，JP

77、EG標(biāo)準(zhǔn)給出了一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)量化表，如表2-1和表2-2[12]所示。量化表就是給出了量化步長。它利用了人類視覺難以感覺高空間頻率失真的特點(diǎn)，量化步長隨空間頻率的增高而變大。而且由于人的眼睛對(duì)</p><p>　　表2-1 亮度分量量化表</p><p>　　亮度比較敏感，對(duì)色差不敏感，對(duì)亮度和色差采用不同的量化步長。從這兩張表可以看出，對(duì)亮度的量化步長劃分的細(xì)一些，對(duì)色度的量化步長劃分的

78、粗一些；兩張表都是在低頻部分（左上角）的步長小一些，在高頻部分的（右下角）步長大。</p><p>　　表2-2 色度分量量化表</p><p>　　因?yàn)榇蠖鄶?shù)的圖像經(jīng)過DCT變換后能量大部分集中在左上角，所以其量化步長也比較小。8*8的DCT系數(shù)量化后高頻部分會(huì)出現(xiàn)一些0，這樣就實(shí)現(xiàn)了壓縮，而同時(shí)失真也主要就是在此時(shí)發(fā)生的。而由于人眼對(duì)高頻分量并不敏感，因而高頻部分的失真也不容被人眼發(fā)

79、覺。JPEG對(duì)圖像的壓縮主要就是在量化部分完成的。對(duì)于圖像壓縮而言，這種間濾波去掉右下角，取左上角，相當(dāng)于一個(gè)空間的低通濾波器。量化后得到的仍是8*8的64個(gè)系數(shù)Q(u,v)，量化并沒有改變系數(shù)的性質(zhì)，同樣Q(0,0)為DC系數(shù)，其他63個(gè)系數(shù)Q(u,v)為AC系數(shù)。</p><p>　　2.3.3 差值預(yù)測編碼</p><p>　　量化過后，要進(jìn)行熵編碼（無失真壓縮）。對(duì)于DC系數(shù)和A

80、C系數(shù)的編碼，由于兩者的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)上有很大的不同，所以要分開進(jìn)行。8*8矩陣塊的左上角第一個(gè)元素是直流DC系數(shù)，即圖像子塊平均值，由于相鄰8*8塊之間的DC系數(shù)之間的相關(guān)性很強(qiáng)，JPE對(duì)DC系數(shù)采用差值脈沖編碼（DPCM），即對(duì)相鄰塊之間的DC系數(shù)的差值Diff=DCi-DCi進(jìn)行編碼。例如，兩個(gè)相鄰DC系數(shù)分別為1001和1002，直接傳輸分別需要10bit和10bit采用DPCM后傳輸僅需10bit和1bit，從而達(dá)到壓縮的效果。&l

81、t;/p><p>　　8*8矩陣塊的其它63個(gè)元素是交流（AC）系數(shù)，經(jīng)壓縮后多為0分量，考慮進(jìn)行零值行程（Run Length）的哈夫曼編碼。為了保證低頻分量先出現(xiàn)，高頻分量后出現(xiàn)，以增加行程中連續(xù)“0”的個(gè)數(shù)，這63個(gè)元素采用了“之”字型（Zig-Zag）的排列方法，如圖3.3所示：按箭頭方向存儲(chǔ)，從Q(0，0)開始，指向Q(0，1)，再指向Q(1，0)，這樣使AC系數(shù)中的“0”集中，可以有效地壓縮數(shù)據(jù)。<

82、/p><p>　　圖2-4 矩陣8*8的DCT系數(shù)的Zig-zag掃描</p><p>　　2.3.4熵編碼和解碼</p><p>　　為了進(jìn)一步壓縮數(shù)據(jù)，需要對(duì)量化后的DC系數(shù)和行程編碼后的AC系數(shù)再進(jìn)行基于統(tǒng)計(jì)特性的熵編碼。</p><p>　　1.直流分量的編碼和解碼。</p><p>　　對(duì)直流分量，并不直接進(jìn)行

83、編碼，而是利用差分編碼的方法，對(duì)本塊和前一塊的直流分量之差Diff=DCi-DCi-1（i為塊號(hào)）編碼。同時(shí)，由于亮度分量和灰度分量的統(tǒng)計(jì)特性不同，它們的霍夫曼編碼表也不同，其碼字結(jié)構(gòu)為：C=（SSSS，附加位）其中4bits二進(jìn)制碼“SSSS”用來將DC差值的幅度范圍分為255。其后的附加位用以唯一地規(guī)定該類中一個(gè)具體的差值幅度。將附加位用霍夫曼碼變長編碼，其碼表也由JPEG預(yù)先給出。其霍夫曼編碼表如表2-3。直流分量在解碼時(shí)，只需要

84、用在編碼過程過程中相同的這張霍夫曼解碼就可以了，其過程比較簡單，所以在這里不再詳細(xì)論述。</p><p>　　2.交流分量的編碼。</p><p>　　JPEG用Z形掃描的方法將二維DCT系數(shù)展開成一維，其碼字結(jié)構(gòu)為:C=((NNNN，SSSS)，尾數(shù))。其中低4位“SSSS”，同直流分量的含義一樣，表示尾數(shù)的位數(shù)，高4位“NNNN”給出了當(dāng)前這個(gè)非零系數(shù)相對(duì)于前一個(gè)非零系數(shù)的位置。JPE

85、G對(duì)“NNNNSSSS”采用二維霍夫曼碼編碼，這有利于提高編碼效率，同樣，這張二維碼表也由JPEG預(yù)先給定。64個(gè)變換數(shù)經(jīng)量化后，左上角系數(shù)是直流分量（DC系數(shù)），即空間域中64個(gè)圖像采樣值的均值。相鄰8*8塊之間的DC系數(shù)一般有很強(qiáng)的相關(guān)性，JPEG標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DC系數(shù)采用DPCM編碼（差分編碼）方法，即對(duì)相鄰像素塊之間的L系數(shù)的差值進(jìn)行編碼。其余63個(gè)交流分量（AC系數(shù)）使用游程編碼，從左上角開始沿對(duì)角線方向，以Z字形（Zig-Zag）進(jìn)

86、行掃描直至結(jié)束。量化后的AC系數(shù)通常會(huì)有許多零值，以Z字形路徑進(jìn)行游程編碼有效地增加了連續(xù)出現(xiàn)的零值個(gè)數(shù)[13]。為了進(jìn)一步壓縮數(shù)據(jù)，對(duì)DC碼和AC行程編碼的碼字再作基于統(tǒng)計(jì)特性的熵編碼。JPEG標(biāo)準(zhǔn)建議使用的熵編碼方法有霍夫曼編碼和自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼。</p><p>　　表2-3 直流分量霍夫曼表</p><p>　　以上過程主要是基于數(shù)據(jù)的自身特點(diǎn)及其統(tǒng)計(jì)特性，整個(gè)過程以達(dá)到最大

87、壓縮里比為目的，其中又考慮到圖像數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性。以上過程已經(jīng)有相應(yīng)的軟件證明這個(gè)壓縮編碼系統(tǒng)的可行性，同時(shí)根據(jù)shannon（香農(nóng)）無噪聲編碼定理，定義如果對(duì)熵為某個(gè)特定值的信號(hào)源做無失真編碼，計(jì)算所得的平均碼長為一個(gè)圍繞熵值向上波動(dòng)的某個(gè)比特值，因此</p><p>　　可能達(dá)到的最大壓縮比為：</p><p><b>　?。?-17）</b></p>

88、<p><b>　　即可定義壓縮比為：</b></p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　通過分析JPEG壓縮的過程，認(rèn)識(shí)到JPEG的目的是為了給出一個(gè)適用于連續(xù)色調(diào)圖像的壓縮方法，使之滿足以下三個(gè)要求：</p><p>　　1.達(dá)到或接近當(dāng)前壓縮比與圖像保真度的技術(shù)水平，能覆蓋一個(gè)

89、較寬的圖像質(zhì)量等級(jí)范圍，能達(dá)到“很好”到“極好”的評(píng)估，于原始圖像相比，人的視覺難以區(qū)分。</p><p>　　2.能適用于任何種類的連續(xù)色調(diào)的圖像，且長寬比都不受限制，同時(shí)也不受限于景物內(nèi)容、圖像復(fù)雜度。</p><p>　　3.計(jì)算機(jī)復(fù)雜性是可控制的，其軟件可在各種CPU上完成算法也可用硬件實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證使用JPEG壓縮系統(tǒng)可以將壓縮比達(dá)到100：1，這樣的壓縮比可以說是基本上

90、可以解決我們?cè)谇懊嫠撌鲞^的由于圖像數(shù)據(jù)量大而產(chǎn)生的多種問題。</p><p>　　經(jīng)過以上四個(gè)過程，原始圖像得到很大程度的壓縮。壓縮以后的數(shù)據(jù)，對(duì)于圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)來說，節(jié)省了存儲(chǔ)空間，使得原有的存儲(chǔ)設(shè)備，能夠用米存儲(chǔ)更多的信息。而對(duì)圖像的傳輸而言，則減少了傳輸率，節(jié)省了傳輸時(shí)間，解決了數(shù)據(jù)量大和帶寬有限的問題。</p><p>　　由于JPEG壓縮算法是個(gè)對(duì)稱算法，以上在JPEG的編碼過

91、程中已經(jīng)詳細(xì)說明了JPEG的編碼過程并說明了解碼過程的各個(gè)算法，所以這里只對(duì)JPEG的解碼過程做簡單說明。</p><p>　　首先，待解碼的數(shù)據(jù)送入熵解碼器，如果熵編碼時(shí)采用的是霍夫曼編碼方法，則解碼需要根據(jù)相應(yīng)的碼表對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，這種熵編碼的解碼過程是無失真的過程，所以解碼器的輸出能夠完全恢復(fù)編碼前的數(shù)據(jù)。由熵解碼器輸出的數(shù)據(jù)送入反量化器中，在反量化器中圖像模塊的每一個(gè)系數(shù)與相應(yīng)的量化階相乘，以恢復(fù)量化

92、前的系數(shù)值。由于在量化過程中采用了四舍五入的方法，且根據(jù)碼表設(shè)計(jì)原則對(duì)各個(gè)系數(shù)采用不同的量化間隔，所以在反量化過程中必然存在失真。因而不可能精確地恢復(fù)量化前的系數(shù)值相應(yīng)的恢復(fù)出的最終圖像也會(huì)因此而引入失真。正是由于這個(gè)過程，使得JPEG算法具有對(duì)圖像有較大的壓縮比.。量化器的設(shè)施是整個(gè)壓縮算法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。</p><p>　　解碼的最后一個(gè)過程就是反向離散余弦變換，即FDCT過程。由反量化器輸出的數(shù)據(jù)通過在編碼過

93、程中算出的離散余弦變換表做反向的離散余弦變換，就得到了最終恢復(fù)的圖像數(shù)據(jù)。</p><p>　　2.4 圖像壓縮效果和質(zhì)量</p><p>　　顯而易見，壓縮比和圖像質(zhì)量是呈反比的，對(duì)于中等復(fù)雜程度的彩色圖像，使用基于DCT運(yùn)行模式，其壓縮效率與圖像質(zhì)量之間的大致關(guān)系見表2-4，可以根據(jù)你的需要，選擇合適的壓縮比。</p><p>　　表2-4 壓縮效率與圖像

94、質(zhì)量</p><p>　　2.5 組成JPEG壓縮后比特流格式</p><p>　　JPEG委員會(huì)在指定JPEG標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，定義了許多標(biāo)記用來區(qū)分和識(shí)別圖像數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息。目前，使用比較廣泛的1992年9月由Eric Hamilton提出的JPEG文件交換格式JFIF（JPEG File Interchange Format）1.02版本。大多數(shù)應(yīng)用都支持JFIF文件交換格式，成為了事實(shí)上

95、的JPEG文件交換格式，JPEG編碼的最后一個(gè)步驟就是把各種標(biāo)記代碼和編碼后的圖像數(shù)據(jù)組成一幀一幀的位比特流，這樣就方便傳輸、存儲(chǔ)和解碼器譯碼。這里做一個(gè)簡單介紹。</p><p>　　JFIF文件格式大體上可以分成以下兩個(gè)部分：標(biāo)記碼（Tag）加壓縮數(shù)據(jù)。JPEG的每個(gè)標(biāo)記都是由2個(gè)字節(jié)組成，其前一個(gè)字節(jié)是固定值0xFF。每個(gè)標(biāo)記之前還可以添加數(shù)目不限的0xFF填充字節(jié)（Fill Byte）。下面是其中的主要的

96、8個(gè)標(biāo)記：</p><p>　　1）S O I 　　 0xD8　　　　　　圖像開始</p><p>　　2）APP0　　　 0xE0 　　　　　JFIF應(yīng)用數(shù)據(jù)塊</p><p>　　3）APPn 　　　0xE1-0xEF　　　其他的應(yīng)用數(shù)據(jù)塊（n，1～15）</p><p>　　4）D Q T 　　　0xDB　　　　　量化表</p&

97、gt;<p>　　5）SOF0　　　 0xC0　　　　　幀開始</p><p>　　6）D H T　　　 0xC4　　　　　霍夫曼（Huffman）表</p><p>　　7）S O S　　　 0xDA　　　　　掃描線開始</p><p>　　8）E O I　　　 0xD9　　　　　圖像結(jié)束</p><p>　　以SOF0標(biāo)記

98、碼作為例子，說明標(biāo)記碼的構(gòu)成，其他的標(biāo)記碼的具體構(gòu)成可以查看相關(guān)文檔。</p><p>　　幀圖像開始標(biāo)記碼SOF0（Start of Frame）由以下幾個(gè)部分構(gòu)成。</p><p>　　1.幀開始長度2字節(jié)，標(biāo)記碼長度，不包括前兩個(gè)字節(jié)FFC0；</p><p>　　2.精度，每個(gè)顏色分量每個(gè)像素的位數(shù)1字節(jié)，基本系統(tǒng)中，為0x08；</p>&l

99、t;p>　　3.圖像高度2字節(jié)；</p><p>　　4.圖像寬度2字節(jié)；</p><p>　　5.顏色分量數(shù)1字節(jié)，F(xiàn)rame中的成分個(gè)數(shù)，一般為1或3，1代表灰度圖3代表真彩圖；</p><p>　　6.對(duì)每個(gè)顏色分量ID成分編號(hào)，1字節(jié)垂直方向的樣本因子，水平方向的樣本因子，量化表號(hào)。</p><p>　　例如，某幅圖像的SOF標(biāo)

100、記碼為：FF C0 00 0B 08 01 E0 02 80 01 01 11 00</p><p>　　FFC0表示SOF0字段開始。</p><p>　　000B表示標(biāo)記碼占11個(gè)字節(jié)。</p><p>　　08表示每個(gè)像素的每個(gè)顏色分量用8位表示。</p><p>　　01E0表示圖像高度為480像素。</p><p

101、>　　0280表示圖像寬度為640像素。</p><p><b>　　01表示為灰度圖。</b></p><p>　　01表示對(duì)亮度分量編號(hào)為1。</p><p>　　11表示水平和垂直方向采樣頻率都是1，即每個(gè)像素采樣一次。</p><p>　　00表示使用編號(hào)為00的哈夫曼編碼表對(duì)亮度分量進(jìn)行編碼。有關(guān)JPEG

102、算法更詳細(xì)的資料，參看JPEG標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC10918。</p><p>　　2.6 JPEG2000壓縮算法</p><p>　　目前的JPEG靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在中高比特率上壓縮效果較好，然而在低比特速率的情況下，重構(gòu)圖像存在嚴(yán)重的方塊效應(yīng)，不能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳描圖像的需要。盡管目前的JPEG標(biāo)準(zhǔn)有44種操作模式，但是其中的大部分模式是針對(duì)不同的應(yīng)用提出的，不具有通用性，這給交換

103、、傳輸?shù)膲嚎s圖像帶來很大的麻煩。</p><p>　　為了彌補(bǔ)目前標(biāo)準(zhǔn)的不足，適應(yīng)21世紀(jì)圖像壓縮的需要，早在1997年ISO/ITU-T組織下的IEC JTC1/SC29/WG1小組便開始著手制定新的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)——JPEG2000[14]。與JPEG不同，JPEG2000基于小波變換，采用當(dāng)前最新的嵌入式編碼技術(shù)，在獲得優(yōu)于目前JPEG標(biāo)準(zhǔn)壓縮效果的同時(shí)，生成的碼流有較強(qiáng)的功能，可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。<

104、/p><p>　　JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)可分為7大部分：</p><p>　?。?）JPEG2000圖像編碼系統(tǒng)，是JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的核心系統(tǒng)。</p><p>　?。?）擴(kuò)展系統(tǒng)，在核心系統(tǒng)上添加了一些功能。</p><p>　?。?）Motion JPEG2000（JPEG2000用于壓縮活動(dòng)視頻序列）。</p><p&

105、gt;　?。?）一致性（測試用不同方法實(shí)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)的一致性）。</p><p><b>　?。?）參考軟件。</b></p><p>　　（6）復(fù)合圖像文件格式，主要針對(duì)印刷和傳真應(yīng)用。</p><p>　?。?）技術(shù)報(bào)告，介紹實(shí)現(xiàn)第1部分所需要的最小支持環(huán)境。</p><p>　　2.6.1 JPEG2000壓縮原理&

106、lt;/p><p>　　JPEG2000作為一種圖像壓縮格式，算法是它的核心。JPEG2000與傳統(tǒng)JPEG最大的不同，在于它放棄了JPEG所采用的以離散余弦變換為主的區(qū)塊編碼方式的多分辨率編碼方式，而改用以離散小波變換為主。</p><p>　　余弦變換是經(jīng)典譜分析的工具，它考察的是整個(gè)時(shí)域過程的頻域特征，或整個(gè)頻域過程的時(shí)域特征，因此對(duì)于平穩(wěn)過程有很好的效果，但在非平穩(wěn)的圖像數(shù)據(jù)壓縮中，并

107、在空域/時(shí)域內(nèi)將其以較緊密的方式進(jìn)行表達(dá)。如果圖像中的重要信息可用一個(gè)相對(duì)窄小的頻段表示的話，DCT算法可得到較好的結(jié)果。但大多數(shù)圖像的細(xì)節(jié)是非平穩(wěn)的，因而需要較寬的頻帶來表達(dá)，即需要許多變換系數(shù)的表述。如果不仔細(xì)量化這些系數(shù)，解碼后的圖像會(huì)有平行于邊際的條紋。另外，分塊變換結(jié)構(gòu)會(huì)在重建圖像中表現(xiàn)出塊狀偽跡，特別是在解碼后需要用到邊緣增強(qiáng)[15]的情況下。這種算法以丟棄高頻信息達(dá)到壓縮目的，每一次壓縮都需要舍棄若干高頻信息，圖像壓縮率越

108、高，則高頻信息被丟棄的越多。在極端情況下，JPEG圖像只保留了反映圖像外貌的基本信息，精細(xì)的圖像細(xì)節(jié)都損失了。這樣的壓縮過程在圖像細(xì)節(jié)方面必然有所損失。</p><p>　　小波變換[16]是現(xiàn)代譜分析的工具，其主要目的是要將影像的頻率成分抽取出來，它具有良好的空間一頻率局部化特性，因此特別適合于非平穩(wěn)信號(hào)的分析。子帶編碼和二進(jìn)小波變換快速算法的提出導(dǎo)致了研究基于小波變換的靜態(tài)圖像壓縮算法的高潮，并獲得了較好的壓

109、縮性能。小波變換由于使信號(hào)的低頻長時(shí)特性和高頻短時(shí)特性同時(shí)得到了處理，有效地克服了傅立葉變換在處理非平穩(wěn)的復(fù)雜圖像信號(hào)時(shí)存在的局限性。與傳統(tǒng)的DCT編碼相比，小波的粗略邊緣可以更好地表現(xiàn)圖像，因?yàn)樗薉CT壓縮所具有的方塊效應(yīng)，在低比特率下就能夠獲得較好的圖像主觀質(zhì)量。小波在空間和頻率域上的局域性，是統(tǒng)計(jì)意義上的局域性。這里說的局域性，指的是一個(gè)變換系數(shù)實(shí)際牽涉到的圖像空間范圍是局部的。因而，要完全恢復(fù)圖像中的某個(gè)局部，并不需要所有