第12单元 jpeg图像的压缩编码.pptVIP

计算机科学与工程系 * 第十二章 JPEG图像的压缩编码 12.1 JPEG算法概要 12.2 JPEG压缩过程分析 12.3 JPEG解压缩过程分析 * 12.1 JPEG算法概要 图像压缩编码方法有许多种，从不同的角度出发有不同的分类方法，从信息论角度出发可分为两大类： (1)冗余度压缩方法，也称无损压缩，信息保持编码或熵编码。就是解码图像和压缩编码前的图像严格相同，没有失真。(2)信息量压缩方法，也称有损压缩、失真度编码或熵压缩编码，即解码图像和压缩编码前的图像是有差别的，允许有一定的失真。 应用在多媒体中的图像压缩编码方法有多种，从压缩编码算法原理上可以分类为：无损压缩编码、有损压缩编码和混合编码。无损压缩编码种类有：哈夫曼编码、算术编码、行程编码等；有损压缩编码种类有：采用DPCM及运动补偿的预测编码、采用正交变换编码(如DCT)的频率域方法等；混合编码种类包括H261，JPEG，MPEG等技术标准。 * 12.1 JPEG算法概要 衡量一个压缩编码方法优劣的重要指标是：(1)压缩比要高，有几倍、几十倍，也有几百乃至几千倍；(2)压缩与解压缩要快，算法要简单，硬件实现容易； (3)解压缩的图像质量要好。 JPEG压缩是有损压缩，它利用了人的视觉系统的特性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视觉的冗余信息和数据本身的冗余信息。基本JPEG算法操作可分成以下三个步骤： （1）使用正向离散余弦变换(forward discrete cosine transform，FDCT)把空间域表示的图变换成频率域表示的图，离散余弦变换把8*8的象素矩阵变成8*8的频率（也就是颜色改变的速度）矩阵。 * 12.2 JPEG压缩过程分析 色彩系统变换 离散余弦变换 量化 Z字形编码 游程编码 Huffman编码 * 色彩系统变换 JPEG 的图片使用的是 YCrCb 颜色模型，这里只是说明 YCrCb 模型更适合图像压缩。其中Y代表明视度，Cr、Cb代表色调。因为人眼对图片上亮度 Y 的变化远比色度 C 的变化敏感。因此，以每个点保存一个 8bit 的Y值，每 2x2 个点保存一个 Cr Cb 值, 而图像在肉眼中的感觉不会起太大的变化。所以, 原来用 RGB 模型，4 个点需要 4x3=12 字节。而现在仅需要 4+2=6 字节，平均每个点占 12bit。 目前在市面上支持JPEG的应用软件，通常提供两种部分取样的方式：YUV411和YUV422(Y CrCb是从YUV衍生来的)，它们代表的意义是Y、Cb、Cr三个的数据取样比例。YUV411在尚未编码之前具有50%的压缩比例，而YUV422为33%。 * 离散余弦变换 离散余弦变换(Discrete cosine Transform)简称DCT，是指将一组光强数据转化为频率数据，以便得知强度变化的情形。 1.对YCrCb各分量分成8×8的图像块 JPEG对 Y、Cr、Cb分别做 DCT 变换。把整个分量图像分成8×8的图像块，如图12-2所示，如果原始图片的长宽不是 8 的倍数, 都需要先补成 8 的倍数。另外, Cr、Cb 都是 2x2 记录一次，所以大多数情况, 是要补成 16x16 的整数块。按从左到右, 从上到下的次序排列。 把8×8的图像块作为两维离散余弦变换DCT的输入。二维数据块经DCT后变成8×8个变换系数，U代表水平像素号，V代表垂直像素号。如当U=0，V=0时，F(0，0)是原 64个 样值的平均，相当于直流分量，随着U、V值增加，相应系数分别代表逐步增加的水平空间频率分量和垂直空间频率分量的大小。在8x8图像块中，像素值一般变化较平缓，因此具有较低的空间频率。 * 量化 严格说DCT本身并不能进行码率压缩，因为64个样值仍然得到64个系数，如图12-2所示。经DCT变换后，比特数增加了，直流分量的最大值是原来256的64/8倍，即0~2047，交流分量的范围是-1024~1023。量化是对经过FDCT变换后的频率系数进行量化，将DCT系数按比例缩小，并取其最接近的整数值的处理过程成为量化。量化的作用是在保持一定质量前提下，丢弃图像中对视觉效果影响不入的信息。量化的目的是减小非“0”系数的幅度以及增加“0”值系数的数目。量化是图像质量下降的最主要原因。 JPEG标准中采用线性均匀量化器，量化过程为对64个DCT系数除以量化步长并四舍五入取整，量化步长由量化表决定。量化表元素因DCT系数位置和彩色分量的不同而取不同值。量化表为8x8矩阵，与D