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基于matlab的jpeg基本系统编码-毕业论文.doc
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2023-07-10
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基于matlab的jpeg基本系统编码-毕业论文.doc
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摘要
摘 要
本文介绍了基于 MATLAB 的 JPEG 基本系统编码。在图像传送过程中,经常采用
JPEG 格式对静止图像进行压缩编码。
JPEG 基本系统编码首先把灰度图像分成 8×8 的像素块,然后对各个像素块进行离散
余弦变换得到变换系数后再进行量化。其次,对量化后的变换系数采用 Z 形扫描,得到直
流系数和交流系数。接着,对直流系数采用预测编码,对交流系数采用可变长编码。最后,
根据标准的 Huffman 编码进行熵编码,输出压缩图像的比特序列,从而实现图像压缩。在
接收端,经过 Huffman 解码、直流系数和交流系数可变长解码以及反量化后,再进行离散
余弦逆变换后得到重建图像。
MATLAB 仿真结果表明:重建图像与原始图像几乎没有任何差异,能够满足人们的视
觉需求。另外,数据压缩比在 10 倍左右且峰值信噪比均在 30dB 以上。因此,采用 MATLAB
实现 JPEG 基本系统编码具有方法简单、速度快、误差小等优点,能够大大提高图像压缩
的效率和精度。
关键词:JPEG;离散余弦变换; MATLAB;图形用户界面
Abstract
I
ABSTRACT
The JPEG basic system coding based on MATLAB is introduced in this paper. The JPEG
format is usually used to compress static image during the process of image transmission.
The JPEG basic system coding divides the gray image into several sub-images of size 8×8
firstly. Discrete cosine transform is used to get the transform coefficient of sub-image and then
the transform coefficient is quantized. Secondly, Z type scan is adopted to get direct current (DC)
coefficient and alternate current (AC) coefficient of the quantized transform coefficient. Thirdly,
predictive coding and variable-length coding is used for DC and AC coefficient respectively.
Finally, bit sequences of the compressed image are outputted by using entropy coding according
to standard Huffman coding. Then image compression is realized. The user gets the
reconstructed image by Huffman decoding, variable-length decoding of DC and AC coefficient,
dequantization and reverse discrete cosine transform sequentially.
MATLAB results of simulation demonstrate that there is no difference between reconstructed
image and original image and reconstructed image can satisfy human visual requirements.
Additionally, compression ratio is about 10 and peak signal-to-noise ratio is all over than 30dB.
Therefore, the realization of JPEG basic system coding using MATLAB is of such advantages as
simple method, fast speed, small error and it can enhance the efficiency and accuracy of image
compression greatly.
Key words: JPEG; discrete cosine transform; MATLAB; graphical user interface
目录
目 录
第 1 章 绪 论 .........................................................................................................1
1.1 图像变换编码概述及目前状况 ...........................................................................................1
1.2 论文结构 ...............................................................................................................................2
第 2 章 MATLAB 简介 ...........................................................................................3
2.1 MATLAB 的发展简史 ..........................................................................................................3
2.2 MATLAB 的特点 ..................................................................................................................3
2.2.1 MATLAB 的功能.................................................................................................................................3
2.2.2 MATLAB 的技术特点.........................................................................................................................4
2.3 MATLAB 图像类型 ..............................................................................................................5
2.4 GUI.........................................................................................................................................5
第 3 章 变换编码 .....................................................................................................7
3.1 变换编码的一般形式与意义 ...............................................................................................7
3.2 基本原理 ...............................................................................................................................7
3.2.1 正交变换的去相关性..........................................................................................................................8
3.2.2 变换编码性能判断..............................................................................................................................9
3.2.3 变换编码的特点................................................................................................................................11
3.3 最佳正交变换——K-L 变换..............................................................................................11
第 4 章 JPEG 图像压缩.........................................................................................13
4.1 JPEG 概述............................................................................................................................13
4.2 JPEG 图像编码算法的实现................................................................................................14
4.2.1 离散余弦编码.....................................................................................................................................14
4.2.2 量化....................................................................................................................................................15
4.2.3 编码.....................................................................................................................................................16
4.2.4 JPEG 图像数据压缩发展 ..................................................................................................................19
第 5 章 MATLAB 仿真 .........................................................................................21
5.1 系统模块图 .........................................................................................................................21
5.2 JPEG 压缩编码的设计流程................................................................................................21
目录
i
5.2.1 扫描顺序变换....................................................................................................................................22
5.2.2 量化部分程序流程图........................................................................................................................22
5.2.3 霍夫曼编码部分程序流程图............................................................................................................22
5.3 图形用户界面设计 .............................................................................................................25
第 6 章 结论与展望 .............................................................................................29
6.1 结论 .....................................................................................................................................29
6.2 不足之处及未来展望 .........................................................................................................29
参考文献 .................................................................................................................31
致 谢 .................................................................................................................32
附 录 .................................................................................................................33
XX 大学学士学位论文
0
第1章 绪 论
1.1 图像变换编码概述及目前状况
现实世界中的图像多为模拟图像,但是计算机只能处理数字信息,因此,必须将其数
字化,转换成适合计算机存储和表示的形式,才能由计算机进行处理。为了便于信息交换
和方便使用,数字图像必须以一定的格式存储,如常用的 BMP、JPEG、GIF 等图像文件
格式。从颜色来看,数字图像又有线画稿、灰度图像、彩色图像、真彩色图像等种类。
随着信息技术的发展,对静止图像和视频序列图像的压缩编码技术的应用越来越广泛,
从家庭娱乐到专业的通信设备、从廉价的消费电子产品到昂贵的专业级专用设备,应用的
例子举不胜举,如 VCD、DVD、可视电话、视频会议、IP 上的视频服务、数字图书馆、
数字电视、高清晰电视、数码照相机、数字图像监控等因此工业界对图像压缩专业人员的
需求在不断地增长。
长期以来,人们在自然界感受到的最主要的信息是视觉信息,但与此不同,在早期计
算机和通信领域,能够处理和传输的主要是文字和声音。因此,早期的计算机和通信设备
的处理能力跟人类的需求有相当大的差距。随着通信信道及计算机容量和速度的提高,图
像信息已经成为通信和计算机系统的一种重要的处理对象。
与文字信息不同,图像信息需要大的存储容量和宽的传输信道,尤其是在需要实现大
规模图像数据库或传输高分辨率实时图像序列的场合,即使以现在的技术,仍然难以满足
原始数字图像存储和传输的需要(表 1.1 是几种常见视频图像源未经压缩的原始数据率)。正
由于这种需求,使得图像压缩(编码)算法和技术成为近 30 年来非常活跃的一个研究领域。
图像压缩的基本理论起源于 20 世纪 40 年代末香农(Shannon)的信息理论。香农的编码
定理告诉我们,在不产生任何失真的前提下,通过合理的编码,对每一个信源符合分配不
等长的码字,平均码长可以任意接近于信源的熵。在这个理论框架下,出现了几种不同的
无失真信源编码方法,如 Huffman 编码、算术编码、字典编码等,这些方法可以应用于一
幅数字图像,能获得一定的码率压缩。但无失真编码的压缩率是很有限的,对较复杂的自
然图像,压缩率一般不超过 2。
由于无失真信源编码压缩率的限制,使其难以满足大多数图像存储和传输的需要。根
据应用的需求,人们对有失真压缩进行了广泛的研究。有失真压缩的目的是去除图像数据
中的冗余信息和对视觉不重要的细节分量,以尽可能少的码字来表示所处理的图像。给定
一幅数字图像,它的原始表示一般是空间像素阵列,这是它的空间域表示。在空间域表示
中,相邻的像素之间存在很强的相关性,冗余信息分布在较大范围的空间像素集中,直接
处理比较困难。最常用的处理方法是通过一种变换,将图像从空间域映射到变换域中,在
变换域可以进行简捷和有效的处理。对于变换的第一种要求是:将强相关的空间像素阵映
射成完全不相关的、能量分布紧凑的变换系数阵,占少数的大的变换系数代表了图像中最
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