JPEG图像的编解码实现

I毕业论文论文题目（中文）JPEG图像的编解码实现论文题目（外文）EncodinganddecodingofJPEGimageII摘要JPEG是一种十分先进的图像压缩技术，它用有损压缩方式去除冗余的图像数据，在获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像。本文设计和实现一个JPEG图像编解码器来进行图像转换，利用离散余弦变换、熵编码、Huffman编码等图像压缩技术将BMP图像转换成JPEG图像，即进行图像的压缩。验证JPEG压缩编码算法的可行性。通过比对图像压缩前后实际效果，探讨压缩比，峰值信噪比等评价图像数据压缩程度及压缩质量的关键参数，对JPEG压缩编码算法的实用性和优越性进行研究。关键词：JPEG；编码；解码；图像压缩IIIAbstractJPEGisaveryadvancedimagecompressiontechnology,ituseslossycompressiontoremoveredundantimagedata,inobtainingaveryhighcompressionratecanshowaveryrichandvividimage.Inthisproject,aJPEGimagecodecisdesignedandimplementedtotransformimage,usingdiscretecosinetransform,entropycoding,HuffmancodingandotherimagecompressiontechniquestoconvertBMPimagesintoJPEGimages.VerifiesthefeasibilityofJPEGcompressioncodingalgorithm.Throughthecomparisonoftheactualeffectofimagecompression,thekeyparametersofcompressionratio,peakSnr,andthecompressionqualityofimagedataarediscussed,andthepracticabilityandsuperiorityofJPEGcompressioncodingalgorithmareresearched.Keywords:JPEG;encoding;decoding;imagecompressionIV目录摘要..............................................................................................................................................................IIAbstract..........................................................................................................................................................III目录............................................................................................................................................................IV第一章绪论..............................................................................................................................................1第二章JPEG图像编码压缩原理................................................................................................................3第三章实验过程与结论............................................................................................................................10致谢............................................................................................................................................................14本科生毕业论文JPEG图像的编解码实现1第一章绪论1.1研究背景和意义在如今这个信息化社会里，计算机网络飞速发展，信息交流成为了人们生活中必不可少的部分，近年来随着自媒体的兴起，大量的信息更是充斥着人们的日常生活，而图像作为日常信息交流中最常用的信息传递媒介之一，充满着各个信息平台和设备终端。随着生活节奏的加快，人们对信息交流的质量和速度也有着越来越高的要求，但是由于图像和视频本身的数据量非常大，给存储和传输带来了很多不便，尤其在网络中传递图形图像时对传输速度有着很高的要求，这就使得图像压缩和视频压缩成为网络技术中的基础性技术。所以图像压缩和视频压缩得到了非常广泛的应用。图像压缩是一种减少描绘一幅图像所需数据量的技术和科学，它是数字图像处理领域中最有用和商业上最成功的技术之一。每天被压缩和解压缩的图像的数量是惊人的。为了理解图像压缩的需要，考虑使用720×480×24比特像素阵列来描绘2小时的标准清晰度（SD）电视电影所需的数据量。数字电影是由一帧一帧的全彩色静止图像排列起来而组成的，为了能让人眼感觉到流畅的视频画面，视频播放时必须以30帧每秒的速率连续地显示这些帧，因此必须以30720480331104000/帧像素字节字节秒秒帧像素的速率读取SD数字电影数据。可以计算得2小时电影的数据量为211311040006022.2410字节秒小时字节秒小时假设用传统的12cm，容量为8.5GB双层光盘的话，这么多的数据需要27张才能存储完。这很明显是不现实的，所以为了能把这部2小时的电影存放在单张光盘上，视频的每一帧应该以平均26.3的系数进行压缩。除此之外，为了减少存储空间和传输时间，网页图像和高分辨率数字摄像机图片也需要进行数据压缩。例如，利用宽带发送数据的速率为12Mbps（兆比特每秒）。以该速率传输一幅128×128×24比特全彩色小图像需要的时间为0.03秒。而经过压缩后再传输，这个时间可以减少2~10倍，甚至更多。同理，考虑大小为本科生毕业论文JPEG图像的编解码实现21GB的闪存卡中可存储的8兆像素数字摄像机所拍摄的未压缩全彩色照片数量约为41幅（每幅约24MB），而经过压缩后，该数量也以2~10倍的数量增加。除了这些应用外，图像压缩在视频会议、遥感、文本和医学图像处理、传真传输等诸多领域也扮演者重要的角色。1.2发展历史与现状JPEG的全称为JointPhotographicExpertsGroup（联合照片专家小组），它是一个在国际标准组织(ISO)下从事静态图像压缩标准制定的委员会。它是CCITT于1992年正式通过的用来处理连续色调静止图象的压缩标准。JPEG既可以进行有损压缩，也可以进行无损压缩，最常见也最常用的就是有损压缩的方法，其压缩过程可分为颜色模式转换及采样、DCT变换、量化、编码等几部分。联合照片专家小组制定出了第一套国标静态图像压缩标准：ISO10918-1，也就是我们俗称的JPEG。因为JPEG压缩编码拥有数据量小且兼容性好的优良品质，所以它在短短的几年内就获得了巨大的成功，目前网络媒体上大约百分之八十的图形图像都采用的是JPEG压缩标准。也正是由于JPEG格式可以对扫描或自然图像进行大幅度的压缩，使它成为迅速显示图像并保存较好分辨率的理想格式，这样利于存储和传输，所以在Internet上得到了广泛的应用。随后，在诸多媒体应用领域的大量激增下，原始JPEG压缩技术已经不能满足人们对多媒体图形图像资料的要求。在此条件下，催生了更高压缩率以及更多新功能的新一代静态图像压缩技术——JPEG2000。JPEG2000同样是由JPEG组织负责制定的，命名为“ISO15444”。该小组自1997年三月开始筹划，经过三年的艰苦努力，终于在2000年3月东京的一个会议上，提前出台了规定基本编码系统的最终协议草案。这比人们预计2000年12月才能制定完成要早，没有出现人们担心的改名为JPEG2001的情况。近年来，有关图像编码技术对的研究也成果百出，图像编码技术已经发展到一种很成熟的状态，人们开始突破了传统的信源编码理论，开发出了小波变换编码、分形理论、人工神经网络理论以及视觉仿真理论，这些编码技术的特点是：充分考虑了人的视觉特性，使用了人工神经元网络的压缩编码技术。这些现代编码技术的出现与发展推动着图像编码技术走向繁荣。本科生毕业论文JPEG图像的编解码实现31.3课题研究目标和内容本课题对图像压缩编码的相关基础理论与技术进行学习研究，对BMP和JPEG两种图像文件格式也做针对性的理解和认识，在此基础上进行JPEG图像压缩编码算法的研究，结合实际情况，探索高效的JPEG图像编解码方法，从而在一定意义上实现图形的压缩编码和解码处理，程序采用C++环境，对图像压缩算法进行实现，并能做出一个可视化界面来处理图片，从而能更好地实现两种格式之间的转换，最后通过计算压缩比和峰值信噪比进行算法性能的分析比较。本课题的研究内容包括：图形图像压缩编码原理技术，BMP、JPEG的图像格式，JPEG图像的压缩编码算法，C++编程环境实现图像处理，matlab工具计算峰值信噪比。实现BMP和JPEG图像文件的相互转换，同时研究图像压缩处理算法，对图像处理的未来进行探讨与展望。第二章JPEG图像编码压缩原理2.1图像编码方法JPEG专家组研究和开发了两种基本的压缩算法、两种熵编码方法、四种编码模式来实现JPEG图像的编解码。如下所示：压缩算法：（1）有损的离散余弦变换DCT（2）无损的预测压缩技术；熵编码方法：（1）Huffman编码；（2）算术编码；编码模式：（1）基于DCT的顺序模式：通过一次扫描完成编解码；（2）基于DCT的渐进模式：编码、解码需要经过多次扫描才能完成，扫描程度从粗略到精细，逐级递增；（3）无损模式：基于DPCM，这种方法保证解码后图像能完全并精确地恢复到原图采样值；本科生毕业论文JPEG图像的编解码实现4（4）层次模式：图像编码在多个空间分辨率中进行，并可以选择放弃高分辨率信息，只对低分辨率数据做解码；由于在实际应用中JPEG图像的编码算法大多使用的是离散余弦变换、Huffman编码、顺序编码的模式，因此这样的方式也被人们称为JPEG图像压缩的基本系统。2.2JPEG压缩步骤JPEG压缩是有信息损失的，它的基本原理是针对人的视角系统的某种特性，采用量化以及无损压缩编码相结合的方式，消除视角的冗余信息，并去掉数据本身的冗余信息。如下所列的是JPEG压缩编码算法的主要计算步骤：（1）色彩模式转换及采样（2）离散余弦变换（3）量化（4）Z字形编排（5）直流系数编码（6）交流系数编码（7）熵编码具体过程如图3-1所示图2-1JPEG的压缩过程2.3JPEG压缩编码原理2.3.1色彩模式转换及采样YCrCb颜色空间中，Y代表亮度，Cr，Cb则代表色度和饱和度，有时也将Cb，Cr两者统称为色度，三者通常以Y，U，V来表示，即用U代表Cb，用V代表Cr。YUV表示法的好处是它利用了人的眼睛的某种特性,来降低图像中彩