JPEG圖像壓縮與編碼

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1、JPEG圖像壓縮與編碼張成電子與通信工程電子信息學(xué)院2021年10月5日J(rèn)PEG圖像壓縮與編碼目錄1JPEG算法概要1.1JPEG是什么1.2JPEG算法概要2JPEG算法的主要計(jì)算步驟2.1離散余弦變換2.2量化2.3Z字形編排2.4熵編碼3JPEG文件格式JPEG圖像壓縮與編碼2021年10月5日J(rèn)PEG圖像壓縮與編碼1JPEG算法概要1.1JPEG是什么JointPhotographicExpertsGroup的縮寫，聯(lián)合圖像專家組由ISO和IEC兩個(gè)組織機(jī)構(gòu)聯(lián)合組成的專家組，負(fù)責(zé)制定靜態(tài)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，用于壓縮灰度圖

2、像和彩色圖像。兩種基本壓縮算法：有損壓縮算法：以離散余弦變換(DCT)為基礎(chǔ)，在壓縮比為25∶1的情況下，壓縮后還原得到的圖像與原始圖像相比，非圖像專家難于找出它們之間的區(qū)別采用以預(yù)測技術(shù)為基礎(chǔ)的無損壓縮算法JPEG格式存放使用JPEG壓縮的圖像文件交換格式大多數(shù)瀏覽器都支持這種格式的文件。以這種格式存放的圖像文件的后綴是.JPG或.JFF。也稱JFIF2021年10月5日J(rèn)PEG圖像壓縮與編碼1JPEG算法概要1.2JPEG算法概要利用視覺系統(tǒng)特性，使用變換、量化和熵編碼相結(jié)合的方法，以去掉或減少視覺的冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息JPEG標(biāo)準(zhǔn)的壓縮算法大致分成三個(gè)步

3、驟：使用正向離散余弦變換(FDCT)把空間域表示的圖變換成頻率域表示的圖使用加權(quán)函數(shù)對DCT系數(shù)進(jìn)行量化，加權(quán)函數(shù)對人的視覺系統(tǒng)是最佳的使用霍夫曼編碼器對量化系數(shù)進(jìn)行編碼2021年10月5日J(rèn)PEG圖像壓縮與編碼1JPEG算法概要JPEG壓縮編碼流程圖2021年10月5日J(rèn)PEG圖像壓縮與編碼1JPEG算法概要JPEG算法與顏色空間無關(guān)RGB和YUV之間的變換不包含在JPEG算法中JPEG算法處理單獨(dú)的圖像彩色分量，因此可壓縮來自不同顏色空間的數(shù)據(jù)，如RGB,YCbCr,CMYK。色彩變換公式2021年10月5日J(rèn)PEG圖像壓縮與編碼2JPEG算法的主要計(jì)算步驟2.1

4、離散余弦變換(DCT)discretecosinetransform的縮寫用余弦函數(shù)的離散值構(gòu)成的變換矩陣對信號的一系列樣本值進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)學(xué)變換可將能量集中到頻率較低的系數(shù)上將分量圖像分成8×8的圖塊，如圖5-2所示離散余弦變換2021年10月5日J(rèn)PEG圖像壓縮與編碼2JPEG算法的主要計(jì)算步驟DCT變換使用下式計(jì)算逆變換使用下式計(jì)算當(dāng)u,v=0；其他其中，2021年10月5日J(rèn)PEG圖像壓縮與編碼2JPEG算法的主要計(jì)算步驟二維DCT的計(jì)算將二維DCT變成一維DCT，如圖5-3所示實(shí)際的快速計(jì)算方法可參看參考文獻(xiàn)[C.Loeffler]當(dāng)計(jì)算精度足夠高時(shí)，DCT變

5、換不會(huì)損失圖像質(zhì)量二維DCT變換方法2021年10月5日J(rèn)PEG圖像壓縮與編碼2JPEG算法的主要計(jì)算步驟2.2量化對FDCT變換后的(頻率的)系數(shù)進(jìn)行量化量化目的是降低非“0”系數(shù)的幅度以及增加“0”值系數(shù)的數(shù)目用圖5-4所示的均勻量化器量化量化是造成圖像質(zhì)量下降的最主要原因量化用右式計(jì)算均勻量化器2021年10月5日J(rèn)PEG圖像壓縮與編碼2JPEG算法的主要計(jì)算步驟量化步距按照系數(shù)所在的位置和每種顏色分量的色調(diào)值來確定的因?yàn)槿搜蹖α炼刃盘柋葘ι钚盘柛舾?，因此使用兩種量化表：如表4-6所示的亮度量化表和表4-7所示的色差量化表由于人眼對低頻分量的圖像比對高頻分量

6、的圖像更敏感，因此表中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小表4-6和表4-7中的數(shù)值對CCIR601標(biāo)準(zhǔn)電視圖像已經(jīng)是最佳的如果不使用這兩種表，用戶也可以用自己的量化表替換它們2021年10月5日J(rèn)PEG圖像壓縮與編碼2JPEG算法的主要計(jì)算步驟亮度量化表色差量化表2021年10月5日J(rèn)PEG圖像壓縮與編碼2JPEG算法的主要計(jì)算步驟2.3Z字形編排為增加連續(xù)的“0”值系數(shù)的個(gè)數(shù)，即“0”的游程長度，如圖5-5所示DCT系數(shù)的序號如圖5-6所示，序號小的位置表示頻率較低，把一個(gè)8?8的矩陣變成一個(gè)1?64的矢量量化DCT系數(shù)的編排DCT系數(shù)序號2021年10月5日

7、JPEG圖像壓縮與編碼2JPEG算法的主要計(jì)算步驟2.4熵編碼用于進(jìn)一步壓縮采用DPCM編碼后的DC系數(shù)差值和RLE編碼后的AC系數(shù)先將8×8圖像塊的DC系數(shù)和63個(gè)AC系數(shù)用中間符號表示，中間符號由兩個(gè)符號組成一個(gè)符號是表示數(shù)據(jù)大小的可變長度碼(variable-lengthcode，VLC)，用的代碼是霍夫曼碼一個(gè)符號是直接表達(dá)實(shí)際幅度的可變長度整數(shù)(variable-lengthinteger，VLI)由于DC系數(shù)和AC系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性不同，因此在熵編碼時(shí)需要對DC系數(shù)和AC系數(shù)分別處理行程編碼利用相同的內(nèi)容會(huì)重復(fù)出現(xiàn)很多次，那么就可以用一種簡化