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多媒体技术与应用
论文题目：图像压缩编码班
级：姓
名：学
号：
2010-12-09
摘要：
多媒体信息中视频、音频的数据量非常大，数据的传输、提高处理速度和节约存储空间成为多媒体的重点课题。因此数据压缩成了多媒体技术的关键技术之一。图象和视频通常在计算机中表示后会占用非常大的空间，而出于节省硬盘空间的考虑，往往要进行压缩。同时，传输过程中，为了节省珍贵的带宽资源和节省时间，也迫切要求压缩。压缩之后，传输过程中的误码率也会相应地减少
关键字：图像、压缩、编码
正文：
1、图像压缩编码技术概述
图像的数据量非常大。为了有效地传输和存储图像，有必要压缩图像的数据量。随着现代通信技术的发展，要求传输的图像信息的种类和数据量愈来愈大。若不对此进行数据压缩，便难以推广应用。
图像数据可以进行压缩有几方面的原因。首先，原始图像数据是高度相关的，存在很大的冗余。数据冗余造成比特数浪费，消除这些冗余可以节约码字，也就是达到了数据压缩的目的。大多数图像内相邻像素之间有较大的相关性，这称为空间冗余。序列图像前后帧内相邻之间有较大的相关性，这称为时间冗余。其次，若用相同码长来表示不同出现概率的符号也会造成比特数的浪费，这种浪费称为符号编码冗余。如果采用可变长编码技术，对出现概率高的符号用短码字表示，对出现概率低的符号用长码字表示，这样就可大大消除符号编码冗余。再次，有些图像信息（如色度信息、高频信息）在通常的视感觉过程中与另外一些信息相比来说不那么重要，这些信息可以认为是心里视觉冗余，去除这些信息并不会明显地降低人眼所感受到的图像质量，因此在压缩的过程中可以去除这些人眼不敏感的信息，从而实现数据压缩。
在满足一定保真度的要求下，对图像数据的进行变换、编码和压缩,去除多余数据减少表示数字图像时需要的数据量，以便于图像的存储和传输。即以较少的数据量有损或无损地表示原来的像素矩阵的技术,也称图像编码。图像压缩编码可分为两类:一类压缩是可逆的 ,即从压缩后的数据可以完全恢复原来的图像 ,信息没有损失 ,称为无损压缩编码;另一类压缩是不可逆的 ,即从压缩后的数据无法完全恢复原来的图像 ,信息有一定损失 ,称为有损压缩编码。
2、常用图像压缩编码算法简介
图像压缩编码技术从不同的角度出发，有不同的分类方法。根据压缩过程有无信息损失，可分为有损编码和无损编码。根据压缩原理进行划分，可以分为预测编码、变换编码、统计编码等。
有损编码：有损编码又称为不可逆编码，是指对图像进行有损压缩，致使解码重新构造的图像与原始图像存在一定的失真，即丢失了了部分信息。由于允许一定的失真，这类方法能够达到较高的压缩比。有损压缩多用于数字电视、静止图像通信等领域 无损编码：无损压缩又称可逆编码，是指解压后的还原图像与原始图像完全相同，没有任何信息的损失。这类方法能够获得较高的图像质量，但所能达到的压缩比不高，常用于工业检测、医学图像、存档图像等领域的图像压缩中。
预测编码：预测编码是利用图像信号在局部空间和时间范围内的高度相关性，以已经传出的近邻像素值作为参考，预测当前像素值，然后量化、编码预测误差。预测编码广泛应用于运动图像、视频编码如数字电视、视频电话中。
变换编码：变换编码是将空域中描述的图像数据经过某种正交变换（如离散傅里叶变换DFT、离散余弦变换DCT、离散小波变换DWT等）转换到另一个变换域（频率域）中进行描述，变换后的结果是一批变换系数，然后对这些变换系数进行编码处理，从而达到压缩图像数据的目的。
统计编码：统计编码也称为熵编码，它是一类根据信息熵原理进行的信息保持型变字长编码。编码时对出现概率高的事件（被编码的符号）用短码表示，对出现概率低的事件用长码表示。在目前图像编码国际标准中，常见的熵编码方法有哈夫曼（Huffman）编码和算术编码。
3、本文实现的图像压缩编码介绍
本文运用DCT变换编码算法进行图像。
说明：以上给出的是单个彩色分量的编码、解码过程，对于彩色图像，可将多个分量分别处理 编码步骤： DCT变换
JPEG采用8X8像素的二维DCT变换，在编码器输入端把原始图像顺序分割成8X8的子块。如原始图像的采样精度为P位，是无符号整数，则将[0,2P-1]转换为[-2P-1,2P-1]的有符号整数，作为CT的输入。
解码时，经DCT逆变换后得到8X8的图像数据块，在将[-2P-1,2P-1]变回[0,2P-1]，获得重构的图像
原始图像数据块经过DCT变换后，输出64个DCT变换系数，形成一个8X8矩阵，其中包含一个代表直流分量的DC系数（矩阵的左上角，代表此块的彩色分量的平均值）和63个代表交流分量的AC系数（代表该块的彩色分量的起伏变化的剧烈程度）
DCT逆变换通过这64个DCT变换系数重建这8X8图像，由于计算过程中的精度损失和量化，不可能完全恢复原始图像——有损压缩 量化：
为达到压缩数据的目的，对DCT变换系数F(u,v)进行量化处理。量化是造成图像质量下降的最主要原因。利用人的视觉特性，经过大量实验，获得了一下的量化表Q(u,v)。量化公式为
FQ(u,v)=Integer(Round(F(u,v)/Q(u,v))DCT系数的编码： DCT变化系数经过量化后，直流分量DC数值比大，而且相邻的两个8X8块的DC系数有很强的相关性，变化不大，因此采用DPCM对相邻两块的DC的差值Delta进行编码
Delta＝DCi－DCi-1 DCT变换系数经过量化之后，有大量AC会变成0，采用游程编码进一步进行数据压缩。为增加编码效率，采用“Z”字形的次序来进行游程编码，可以增加连续0的个数。
4、程序实现过程中所遇压缩编码到的问题，及其解决方法
在程序实现过程中，遇到了一系列的压缩编码问题。发现在解压中出现大量异常，调试后发现输出字节中出现大量负数，分析知是读取文件字节类型时转换到整数时出错，将读到的char型强制转化为int时出错，故将其先转化为无符号char后再转为int后问题得到解决。遇到很多解压缩串码的问题，调试发现在压缩/解压缩多处有误，改正后程序运行正确。遇到程序解码时程序卡死情况，分析出出错位置后得到解决。遇到解压文件提前结束情况，分析得遇到1A结束，查询知：1A就是EOF。打开文件的时候指定为二进制方式后问题得到解决。
5、总结：
1、程序设计难点：
本程序的难点在于字典算法的实现及生成文件规则的制定。
2、程序设计中的不足：
本程序功能上实现了对文件的压缩，但是在物理、及时间复杂性上还有待优化。同时，还需将其进一步使用在网络通信上。
3、训练体会：
这次训练我最大的收获有两个：
其一、设计软件前一定要将核心的算法用伪代码写出来，这样会极大的避免一些在程序调试过程中的麻烦，可以省不少时间。
其二、调试软件时，遇到程序跑死情况，可以使用对程序分段标记来查找问题出处。此外，多写信息记录点也是一个良好的习惯。
参考文献：
1.高志坚主编.多媒体技术及其应用.同济大学出版社.2009年8月.2.朱学芳著.多媒体信息处理与检索技术.电子工业出版社.2002.11 3.曲建民主编.多媒体计算机技术.清华大学出版社.2005年4月.4.雷运发编著.多媒体技术与应用教程.清华大学出版社.2009年1月
附程序设计代码：
////////////////////////////////////////////////////////////////////// //函数名称： BmpToDCT //完成功能： 对位图文件进行压缩(用DCT变换压缩)//输入参数： 文件名 filename //输出参数： 压缩后数据的长度nTotal，压缩后数据指针lpDst //返回参数： 是否成功
////////////////////////////////////////////////////////////////////// int CDib::BmpToDCT(LPCSTR filename,LONG &nTotal,char *lpDst){ //量化参数
static BYTE Q_table[64] = {16,11,10,16,24,40,51,61,12,12,14,19,26,58,60,55,14,13,16,24,40,57,69,56,14,17,22,29,51,87,80,62,18,22,37,56,68,109,103,77,24,35,55,64,81,104,113,92,49,64,78,87,103,121,120,101,72,92,95,98,112,100,103,99};//用数组实现获取图像数据
int nWidth,nHeight,i,j,k,i_start,j_start;BYTE Gray[GraySize][GraySize];LoadBmp(filename);Read_Imagedata(nWidth,nHeight,Gray);//将图像数据分成若干个8×8的子块，获取子块数据,共4096个子分块
BYTE FkGray[4096][8][8];DWORD dwBuffUsed=0;// 缓冲区已使用的字节数
// 中间变量
char bChar1;char bChar2;// 重复像素计数
BYTE iCount=0;//lpDst = new BYTE[nWidth*nHeight];for(k=0;k
i_start =(k/64)*8;//整数商×8
for(i=0;i
{
j_start =(k%64)*8;//整余数×8
for(j=0;j
{
FkGray[k][i][j]=Gray[i_start][j_start];
j_start++;
}
i_start++;
} } // double *f = new double[64];//存放DCT系数缓冲区
char *f1 = new char[64];//量化后的系数
char *temp_f1;int m;for(k=0;k
m=0;
for(i=0;i
{
for(j=0;j
{
f[m]=(double)FkGray[k][i][j];
m++;
}
}
fdct_2D(f,3,3);//二维DCT变换
for(i=0;i
f1[i]=(char)((f[i]/Q_table[i]));
//对子分块进行游程编码 temp_f1 = f1;
bChar1 = *temp_f1;// 给bChar1赋值
iCount = 1;// 设置iCount为1
temp_f1++;// 读取下一个像素
bChar2 = *temp_f1;
for(i =0;i
{
if(bChar1 == bChar2)// 判断是否和bChar1相同
{
iCount ++;// 相同，计数加1,继续读下一个
temp_f1++;
bChar2 = *temp_f1;
}
else
{ // 不同，写入缓冲区
if(iCount > 1)
{
lpDst[dwBuffUsed] = iCount;// 保存码长信息
}
else
{
lpDst[dwBuffUsed] = 1;// 保存码长信息
}
lpDst[dwBuffUsed + 1] = bChar1;// 保存bChar1
dwBuffUsed += 2;// 更新dwBuffUsed
bChar1 = bChar2;// 重新给bChar1赋值
temp_f1++;// 重新给bChar2赋值
bChar2 = *temp_f1;
iCount = 1;
}
}
}
nTotal = dwBuffUsed;//返回编码后的图像字节数
return 1;
}
////////////////////////////////////////////////////////////////////// //函数名称： DCTToBmp //完成功能： 对DCT文件进行解压缩 //输入参数： 文件名 filename //输出参数： 解压缩后数据的长度nTotal，解压缩后数据指针lpDst //返回参数： 是否成功
////////////////////////////////////////////////////////////////////// int CDib::DCTToBmp(LPCSTR filename,LONG &nTotal,BYTE *lpDst){ //量化参数 static BYTE Q_table[64] = {16,11,10,16,24,40,51,61,12,12,14,19,26,58,60,55,14,13,16,24,40,57,69,56,14,17,22,29,51,87,80,62,18,22,37,56,68,109,103,77,24,35,55,64,81,104,113,92,49,64,78,87,103,121,120,101,72,92,95,98,112,100,103,99};
//定义DCT文件的指针
CFile file;char *lpDCTfile = new char[512*512];DWORD DCTDataSize;//打开文件
if(!file.Open(filename,CFile::modeRead|CFile::shareDenyNone)){
AfxMeageBox(“Can not open the file!”);
return-1;} DCTDataSize = file.GetLength();//获取文件的长度
file.Read(lpDCTfile,DCTDataSize);//读文件
lpDCTfile=lpDCTfile+14+40+256*4;//将文件指针移到DCT数据区域
BYTE Gray[GraySize][GraySize];//存放BMP数据
char FkGray[4096][8][8];//存放8*8子块数据 int i,j,k,i_start,j_start;char bchar1,bchar2;char *lptemp = new char[512*512];i=0;int ff;//test while(i
{
bchar1=*lpDCTfile;
lpDCTfile++;
bchar2=*lpDCTfile;
lpDCTfile++;
while(bchar1!=0)
{
lptemp[i] = bchar2;
i++;
bchar1--;
}
if(i>252550)ff++;} //将数据放到各个子块
for(k=0;k
for(i=0;i
for(j=0;j
{
FkGray[k][i][j] = *lptemp;
lptemp++;
} } // double *f1 = new double[64];//还原量化前的系数（即DCT系数）
//int *f = new int[64];//存放DCT系数反变换后的数据缓冲区
int m;for(k=0;k
m=0;
for(i=0;i
{
for(j=0;j
{
f1[m]=(double)(FkGray[k][i][j]*Q_table[m]);
m++;
}
}
fidct_2D(f1,3,3);//二维DCT反变换
m=0;
i_start =(k/64)*8;//整数商×8
for(i=0;i
{
j_start =(k%64)*8;//整余数×8
for(j=0;j
{
Gray[i_start][j_start]=(BYTE)(f1[m]);
m++;
j_start++;
}
i_start++;
} } // for(i=511;i>0;i--)
for(j=0;j
{
*lpDst=Gray[i][j];
lpDst++;
} ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
nTotal = 512*512;//返回编码后的图像字节数
return 1;
}
/////////////////////////////////////// //BOOL BMPToMyPcx(BYTE *lpDIBBits,LONG lSrcBytes,BYTE *lpDst,LONG lDstBytes)//完成功能：将原BMP图像数据通过游程编码进行压缩
//输入参数：位图源图像象素的指针lpDIBBits，原图像数据长度lSrcBytes // 压缩后图像象素的指针lpDst，压缩后数据长度lDstBytes //返回参数：是否成功
/////////////////////////////////////// BOOL CDib::BMPToMyPcx(BYTE *lpDIBBits,LONG lSrcBytes,BYTE *lpDst,LONG &lpDstBytes){
// 循环变量
LONG i;LONG j;
// DIB高度
WORD wHeight = 512;
// DIB宽度
WORD wWidth = 512;
// 中间变量
BYTE bChar1;BYTE bChar2;
// 图像每行的字节数
LONG lLineBytes = wWidth * 3;// 重复像素计数
int iCount;
// 缓冲区已使用的字节数
DWORD dwBuffUsed;
// BYTE *lpSrc;
//******************************************************************************* // 开始编码
// 开辟一片缓冲区(2被原始图像大小)以保存编码结果
lpDst = new BYTE[wHeight * wWidth * 2];
// 指明当前已经用了多少缓冲区（字节数）
dwBuffUsed = 0;
// 每行
for(i = 0;i
// 指向DIB第i行，第0个象素的指针
lpSrc = lpDIBBits + lLineBytes *(wHeighti);
// 给bChar1赋值
bChar1 = *lpSrc;
// 设置iCount为1
iCount = 1;
// 剩余列
for(j = 1;j
{
// 指向DIB第i行，第j个象素的指针
lpSrc++;
// 读取下一个像素
bChar2 = *lpSrc;
// 判断是否和bChar1相同并且iCount
if((bChar1 == bChar2)&&(iCount
{
// 相同，计数加1
iCount ++;
// 继续读下一个
} else {
// 不同，或者iCount = 63
// 写入缓冲区
if((iCount > 1)||(bChar1 >= 0xC0))
{
// 保存码长信息
lpDst[dwBuffUsed] = iCount | 0xC0;
// 保存bChar1
lpDst[dwBuffUsed + 1] = bChar1;
// 更新dwBuffUsed
dwBuffUsed += 2;
}
else
{
// 直接保存该值
lpDst[dwBuffUsed] = bChar1;
// 更新dwBuffUsed
dwBuffUsed ++;
}
// 重新给bChar1赋值
bChar1 = bChar2;
// 设置iCount为1
iCount = 1;} }
// 保存每行最后一部分编码
if((iCount > 1)||(bChar1 >= 0xC0)){ // 保存码长信息
lpDst[dwBuffUsed] = iCount | 0xC0;
// 保存bChar1
lpDst[dwBuffUsed + 1] = bChar1;
// 更新dwBuffUsed
dwBuffUsed += 2;
}
else
{
// 直接保存该值
lpDst[dwBuffUsed] = bChar1;
// 更新dwBuffUsed
dwBuffUsed ++;
} }
lpDstBytes = dwBuffUsed;//返回编码后的图像字节数
// 写入编码结果
//file.WriteHuge((LPSTR)lpDst, dwBuffUsed);
// 释放内存
//delete lpDst;
//**************************************************************************
return true;}
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