基于DCT的图像压缩编码算法的MATLAB实现.doc

摘要随着科学技术的发展图像压缩技术越来越引起人们的关注。为此从众多的图像压缩编码标准中选取了基于DCT变换的JPEG图像压缩编码算法进行研究并通过对比分析各种软件特性选取了MATLAB进行实验仿真。首先说明了图像压缩在现代通信中的必要性和可行性然后讲述了MATLAB及其图像处理工具箱的相关知识并对基于DCT变换的JPEG图像压缩算法进行了详细的研究重点介绍了JPEG压缩编码的具体过程和方法详细介绍了编码中DCT变换、量化、熵编码和霍夫曼编码等模块的原理和数学推导以及各模块的功能分析。最后应用MATLAB进行了实验仿真并分析结果得出结论。实验结果表明基于DCT变换的JPEG图像压缩方法简单、方便既能保证有较高的压缩比又能保证有较好的图像质量应用MATLAB仿真出来的结果较好的反应了其编码算法原理。关键词JPEG图像压缩；DCT；MATLAB；图像处理工具箱目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1课题背景11.1.1离散余弦变换21.1.2预测技术31.2图像压缩技术的发展和现状31.2.1图像编码技术发展历史31.2.2图像编码技术的现状41.3MATLAB及其图像处理工具箱41.4论文组织结构5第2章图像压缩编码理论算法62.1DCT变换的思想来源62.2基于DCT的JPEG图像压缩编码步骤82.2.1颜色空间的转换和采样82.2.2二维离散余弦变换92.2.3DCT系数的量化122.2.4量化系数的编排132.2.5DC系数的编码142.2.6AC系数的编码152.2.7组成位数据流162.2.8DCT变换在图像压缩中的应用192.3JPEG2000压缩算法192.3.1小波变换202.3.2量化202.3.3熵编码212.3.4位流组织212.4JPEG与JPEG2000的区别212.5本章小结23第3章基于DCT的图像压缩MATLAB仿真实现243.1数字图像文件的读写243.2程序流程图263.3DCT变换的编程实现273.4MATLAB仿真结果273.5实验结果分析293.6本章小结30结论31第1章绪论1.1课题背景随着信息技术的发展图像信息被广泛应用于多媒体通信和计算机系统中但是图像数据的一个显著特点就是信息量大。具有庞大的数据量如果不经过压缩不仅超出了计算机的存储和处理能力而且在现有的通信信道的传输速率下是无法完成大量多媒体信息实时传输的因此为了更有效的存储、处理和传输这些图像数据必须对其进行压缩因此有必要对图像压缩编码进行研究。由于组成图像的各像素之间无论是在水平方向还是在垂直方向上都存在着一定的相关性因此只要应用某种图像压缩编码方法提取或者减少这种相关性就可以达到压缩数据的目的[1]。数字图像的冗余主要表现在以下几种形式：空间冗余：规则物体和规则背景的表面物理特性都具有相关性数字化后表现为数字冗余。例如：某图片的画面中有一个规则物体其表面颜色均匀各部分的亮度、饱和度相近把该图片作数字化处理生成位图后很大数量的相邻像素的数据是完全一样或十分接近的完全一样的数据当然可以压缩而十分接近的数据也可以压缩因为恢复后人亦分辨不出它与原图有什么区别这种压缩就是对空间冗余的压缩。时间冗余：序列图像(如电视图像和运动图像)和语音数据的前后有着很强的相关性经常包含着冗余。在播出该序列图像时时间发生了推移但若干幅画面的同一部位没有变化变化的只是其中某些地方这就形成了时间冗余。统计冗余：空间冗余和时间冗余是把图像信号看作概率信号时所反应出的统计特性因此这两种冗余也被称为统计冗余。编码冗余：同样长度的编码可以表示不同的信息。结构冗余：相似的对称的结构如果都加以记录就出现结构冗余。知识冗余：由图像的记录方式与人对图像的知识差异而产生的冗余。人对许多图像的理解与某些基础知识有很大的相关性。许多规律性的结构人可以由先验知识和背景知识得到。而计算机存储图像时还得把一个个像素信息存入这就形成冗余。视觉冗余：视觉系统对于图像场的注意是非均匀和非线性的视觉系统不是对图像的任何变化都能感知。所谓的图像压缩编码技术就是对要处理的图像数据按一定的规则进行变换和组合从而达到以尽可能少的数据流(代码)来表示尽可能多的数据信息。在众多的图像压缩编码标准中JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)格式是一种称为联合图像专家组的图像压缩格式它适用于不同类型、不同分辨率的彩色和黑白静止图像[2]。在JPEG图像压缩算法中一种是以离散余弦变换(DCTDiscreteCosineTransform)为基础的有损压缩算法另一种是以预测技术为基础的无损压缩算法。1.1.1离散余弦变换DCT变换