基于JPEG標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮技術(shù)的研究

戴微微 楊銘

（吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132021）

1 研究的背景與目的

隨著多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，靜止圖像的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。它的應(yīng)用主要集中在圖像的存儲(chǔ)和圖像的傳輸兩方面，從具體應(yīng)用中我們可以發(fā)現(xiàn)靜止圖像占用了越來(lái)越多的資源。在這樣的背景條件下，靜止圖像的壓縮成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)。目前靜止圖像的壓縮算法以JPEG（Joint Photographic Experts Group）和JPE G2000為主。JPEG壓縮格式是目前圖像處理領(lǐng)域里面用得最廣泛的一種圖像壓縮方式，本文主要就JPEG標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圖像進(jìn)行編、解碼的研究。主要應(yīng)用是圖像信息的傳輸和存儲(chǔ)，可廣泛地應(yīng)用于廣播電視、電視會(huì)議、計(jì)算機(jī)通訊、傳真、多媒體系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)圖像、衛(wèi)星圖像等領(lǐng)域。壓縮編碼的方法有很多，主要分成以下四大類(lèi)：(1)象素編碼；(2)預(yù)測(cè)編碼；(3)變換編碼；(4)其它方法。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，可將系統(tǒng)分解成幾個(gè)功能模塊來(lái)分別設(shè)計(jì)。JPEG的壓縮原理其實(shí)上面介紹的那些原理的綜合，博采眾家之長(zhǎng)，這也正是JPEG有高壓縮比的原因。其編碼器的流程如下。

圖JPEG編碼器流程

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用VC++來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各個(gè)步驟如下。

3.1 讀取BMP圖像信息，獲取圖像行像素和列像素?cái)?shù)值，在BMP圖像中，圖像數(shù)據(jù)是以倒序存放的。亦即實(shí)際圖像第一行資料存放在BMP圖像數(shù)據(jù)矩陣的最后一行，依次類(lèi)推，所以取資料的時(shí)候要從BMP圖像數(shù)據(jù)矩陣的最后一行開(kāi)始讀起，把數(shù)據(jù)存放在新建數(shù)組(或稱矩陣)的第一行，一直取完。BMP圖像行像素和列像素的數(shù)值分別存于文件頭信息的第18和22字節(jié)。從Cimage類(lèi)中可得到Width(圖像寬度)和hight(圖像高度)的數(shù)值。

3.2 得到Pwidth*Phight后便得知BMP圖像的像素點(diǎn)大小，而數(shù)據(jù)矩陣（三基色，RGB矩陣）的大小是Pwidth*Phight*3，因?yàn)槊恳粋€(gè)像素點(diǎn)都含有RGB三個(gè)數(shù)據(jù)，我們要處理的是數(shù)據(jù)矩陣而不是像素點(diǎn)矩陣。所以，新建數(shù)組的大小是(Pwidth*3)*Phight。

3.3 接下來(lái)，把這一個(gè)矩陣(包含BGR)拆分成三個(gè)獨(dú)立的B、G、R矩陣，得到三個(gè)新的矩陣(只包含B的矩陣，只包含G的矩陣，只包含R的矩陣)，簡(jiǎn)稱為B矩陣、G矩陣、R矩陣(大小為Pwidth*Phight)，用程序?qū)崿F(xiàn)拆分，只要依次取原矩陣的第1、4、7、10、13......個(gè)資料即得到B矩陣，依次讀取第2、5、8、11......個(gè)數(shù)據(jù)即得到G矩陣，依次讀第3、6、9、12......個(gè)資料即得到R矩陣。得到B、G、R矩陣后再利用顏色轉(zhuǎn)換公式很容易就可得到Y(jié)CbCr矩陣。

Y(n)=0.114B(n)+0.587G(n)+0.299R(n)

Cb(n)=0.5B(n)-0.3313G(n)-0.1687R(n)

Cr(n)=0.0813B(n)-0.14187G(n)+0.5R(n)

(For n=1 To PW*PH)，其中PW為Pwidth的簡(jiǎn)寫(xiě)，PH為Phight的簡(jiǎn)寫(xiě)。

3.4 二維DCT變換

由于VC中無(wú)法實(shí)現(xiàn)二維DCT計(jì)算公式，所以只有把二維的變換變成先做一維，再做另一維的變換，俗稱快速DCT變換。快速DCT變換方法如下：設(shè)一個(gè)大小為8的數(shù)組SL(8)，先讀取一個(gè)8*8塊的第一行資料值，賦給SL(8),對(duì)SL (8)進(jìn)行一維DCT變換后得到一個(gè)新的SL(8)數(shù)組，再把SL(8)數(shù)組覆蓋到原來(lái)的8*8塊中相應(yīng)的地方去。做完第一行后再做第二行，一直做完8行，一個(gè)8*8塊的一維DC即告完成，然后再做列方向的第二維DCT變換，變換公式一樣，只是由SL(8)取8*8塊的行資料變成取列數(shù)值。做完后覆蓋回原值，即得到一個(gè)8*8塊的DFT系數(shù)塊，再重復(fù)這兩個(gè)過(guò)程做第二個(gè)8*8塊......一直到做完全部8*8塊（Y，Cb，Cr）。這樣就得到Y(jié)、Cb、Cr的DFT系數(shù)矩陣。

3.5 量化

讀取Y矩陣中第一個(gè)8*8塊，與量化系數(shù)矩陣中對(duì)應(yīng)的相乘，得到的值覆蓋回原矩陣，然后做第二個(gè)8*8塊，一直到做完全部8*8塊，然后做CbCr矩陣的量化，用另外一個(gè)系數(shù)矩陣。

3.6 “之”字形掃描

3.7 哈夫曼編碼

哈夫曼編碼時(shí)必須判斷一個(gè)個(gè)DC（AC）的值，以及轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼后的碼長(zhǎng)，再去對(duì)照哈夫曼編碼表進(jìn)行編碼，比如對(duì)一個(gè)DC值編碼，首先得先判斷該DC的值在哪段范圍內(nèi)，在某一段范圍內(nèi)的數(shù)值，其二進(jìn)制代碼長(zhǎng)相等。并要讓程序知道該DC的值到底為多少，然后才能進(jìn)行編碼。

壓縮過(guò)程完成以后，接下去要做的工作便是碼串存貯，存貯時(shí)需要注意的——點(diǎn)是在抽樣過(guò)程中得到1個(gè)Y塊對(duì)應(yīng)1個(gè)Cb塊合一個(gè)Cr塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在存貯時(shí)也要按這種對(duì)應(yīng)關(guān)系存貯，即1個(gè)Y塊的碼串后面緊接著存放與其對(duì)應(yīng)的一個(gè)Cb塊的碼串及一個(gè)Cr塊的碼串，循環(huán)往復(fù)，存完所有串。這樣的1個(gè)Y8*8塊+1個(gè)Cb塊+1個(gè)Cr簡(jiǎn)稱為MCU，是JPEG格式的最小存貯處理單元。

[1]張旭東,盧國(guó)棟,馮健.圖像編碼基礎(chǔ)和小波壓縮技術(shù)——原理、算法和標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004。

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[4]林福宗.圖象文件格式大全[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

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