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1、郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 JPEG标准研究及算法实现 学生姓名 专业班级 电子信息2007级1班 学 号 院 (系) 计算机与通信工程学院 指导教师(职称) 完成时间 2011年6月1日 郑州轻工业学院毕业设计(论文)任务书题目 JPEG标准研究及算法实现 专业 电子信息科学与技术 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容：学习JPEG的标准研究及算法实现，并通过结合matlab实现图像压缩各个流程，进一步了解JPEG标准压缩模块。基本要求：1. 了解图像压缩的意义和图像压缩编码技术的发展。 2. 了解图像的压缩原理，熟悉JPEG标准压缩编码方法和分类。 3.
2、了解JPEG图像编码的各个模块及Matlab实现的流程。主要参考资料：1 吴乐南数据压缩的原理与应用M北京：电子工业出版社，1995：127143.2 王汇源数字图像原理与技术M北京：国防工业出版社，2000：75124.3 胡国荣数字视频压缩及标准M北京：北京广播学院出版社，1999：83110.4 冯玉珉，邵玉明，张星数据图像压缩编码M中国铁道出版社1993 915.5 严剑Huffman算法及在数据压缩应用J计算机与现代化1996，48：1520.完 成 期 限： 2011年 6 月 1 日 指导教师签名： 专业负责人签名： 2011年 1 月 15 日目 录摘要IABSTRACTII1
3、 绪论11.1 图像压缩的意义11.2 图像压缩编码技术的发展21.3 图像压缩编码的国际标准31.4 本文的主要工作及内容安排42 数字图像压缩原理52.1 图像压缩的必要性52.2 图像格式简单介绍52.3 图像压缩的基础62.4 JPEG图像的编码算法工作模式及压缩分类72.4.1. JPEG编码算法工作模式72.4.2. JPEG编码压缩分类82.5 图像压缩效果的评价113 JPEG标准研究133.1 JPEG编码的研究133.1.1. 色彩空间转换133.1.2. 离散余弦变换(DCT)143.1.3. 量化(Quantizafion)163.1.4. Z字形扫描(Zig-Zag
4、Stall)173.1.5. 熵编码(Entropy Encode)183.2 JPEG研究总结244 JPEG图像压缩的matlab实现264.1 编码流程264.2 DCT流程图274.3 量化流程图284.4 Zig-zag扫描流程图294.5 霍夫曼编码流程图304.6 程序运行结果315 总结33致谢34参考文献35JPEG标准研究及算法实现摘要随着人类社会的进步，科学技术的发展，人们对信息处理和信息交流的要求越来越高。而今后的信息是以图像为主的多媒体信息。由于图像具有庞大的数据量，难以存储和传输，这就要求在保证质量的前提下以较小的空间存储图像和较少的比特率传输图像，就需要采用图像压
5、缩编码技术来实现。本文首先简要介绍JPEG图像压缩的意义，图像压缩的发展，压缩编码的国际标准。然后对JPEG算法的基本原理、分类和评价标准等进行了介绍。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。并采用matlab等软件对JPEG算法进行了仿真，将不同量化等级下得到的结果进行了比较分析。关键词 JPEG；DCT；哈夫曼编码；量化；MATLAB仿真JPEG standard research and implementation of algorithm ABSTRACTWith the develo
6、pment of human society and technology, peoples demanding on processing and exchanging information are increasing. The future information is multimedia information based on image. As the image has a huge amount of data, it is difficult to store and transport, which requires image transmission the sma
7、ller and less space for storing image bit-rate in the premise of quality assurance, it requires the application of image compression coding technologyThe paper briefly introduced the Significance of standardized JPEG, the development of image compression, the international standard compression first
8、, the basic situation of this stage，classification and evaluation standards of JPEG algorithm in detail. Focuses on process and method of compression of JPEG, describes theory and mathematical derivation the DCT transform coding, quantization, entropy coding and Huffman coding module, as well as the
9、 functional analysis of each module. Simulating JPEG algorithm with Matlab, and comparative analysis the results from different quantify levelsKEY WORDS JPEG,DCT,Huffman coding module,quantization,Matlab simulation1 绪论1.1 图像压缩的意义人类社会已经进入信息时代了，在这个时代，人们每天都可以通过各种手段（如PDA、网络、电视、广播等等）获得大量的信息，而信息的本质，就要求交流和
10、传播，在有必要的时候还要进行储存。在大量信息给人们生活增加了更多色彩的同时，随之而来的问题就是，如何利用有限的传输和储存资源来传输和保存更多的信息,这就要用到压缩数据的方法。具体的说，数据压缩的意义有以下几个方面：首先是为了减少存储容量，以利信息的保存。如果说数据库是一个桶，那么单位数据的体积越小，同一数据库存储的信息也就越多。其次是有利于数据传输。由于数据压缩是一种“去伪存真，去粗取精”的筛选，又由于可以用“代码”表示一组数据，所以压缩后的数据非常“精干”，这样就可以极大地减少必须传输的数据量，以满足人眼和机器分析的要求。第三是便于特征提取，以利计算机模式识别。如用计算机对卫星图像中不同类型
11、的农作物进行分类时，使用图像压缩方法，只要考虑区分植物与非植物的特征以及区分植物类型特征即可，从而减少了数据量又满足了实际需要。数据压缩技术经过几十年的发展，现在来说还是比较成熟的。如今在Internet上，传统基于字符界面的应用逐渐被能够浏览图像信息的WWW(World Wide Web)方式所取代。WWW尽管漂亮，但是也带来了一个问题：图像信息的数据量太大了，本来就已经非常紧张的网络带宽变得更加不堪重负。总之，大数据量的图像信息会给存储器的存储容量，通信干线信道的带宽，以及计算机的处理速度增加极大的压力。单纯靠增加存储器容量，提高信道带宽以及计算机的处理速度等方法来解决这个问题是不现实的，
12、这时就要考虑压缩。压缩的理论基础是信息论。图像压缩是指以较少的比特率无损或者有损压缩的表示原来的像素矩阵的技术。从信息论的角度来看，压缩就是去掉信息中的冗余，即保留不确定的信息，去掉确定的信息(可推知的)，也就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有冗余的描述。这个本质的东西就是信息量(即不确定因素)。数据压缩是信源编码的目的和手段。从广义上讲，数据压缩就是减少必须分配给指定消息集合或数据采样集合的信号空间的数值。这一信号空间可以是一个物理容积；也可以是时间间隔，还可以是带宽。数据压缩的目的是为了现有系统特性的限制条件下满足工作的要求，或者在系统设计中降低成本。图像压缩一般通过改变图像的表示方式
13、来达到，因此压缩和编码是分不开的。图像压缩的主要应用是图像信息的传输和存储，可广泛地应用于广播电视、电视会议、计算机通讯、传真、多媒体系统、医学图像、卫星图像等领域。1.2 图像压缩编码技术的发展从20世纪60年代起，随着电子技术和计算机技术的不断提高和普及，应用数字方法进行图像处理（数字图像处理）进入了高速发展时期。图像的数字化处理表示使得图像信号可以高质量地传输，并便于图像的检索、分析、处理和存储。但是，数字图像的表示需要大量的数据空间，因而必须进行数据压缩编码。图像压缩编码从20世纪40年代末开始进行系统研究以来，迄今已有60多年的历史。很早出版的名为图像频带压缩的会议论文集，至今这会议
14、仍在研究。进入20世纪70年代后，有关图像压缩编码的文献日益增多。其中有纯理论的，大量的是计算机模拟实验研究，也有各种类型的硬件系统。图像压缩编码硬件系统的研制随着数字通信系统的迅猛发展而相应地发展，进在1948年，Oliver即提出电视信号的线性PCM编码理论。在50年代初发表的电视编码的早期工作中，已提出线性预测理论，测量了亮度信号和差值信号的概率分布。1958年，Graham首次采用计算机模拟实验的方法，研究静止图像的前值预测DPCM编码法，获得34比特/像素图像质量优良的结果。1966年，ONeal继续图像压缩编码的计算机模拟实验，为DPCM预测编码法作了初步的理论工作。1969年举行了首届图像编码会议,并随后入20世纪80年代后，图像压缩编码研究与开发又有突出的进展。二进制图像传真机已成为办公室的重要通信设备。地球资源卫星所获得的遥感图像，已经大量地应用到国民经济的各个方面。而在彩色广播电视、会议电视和电视电话的编码方面，已经研制出几十种帧内编码和帧间编码的硬件系统。图像压缩编码的各类应用已出现稳定发展的趋势。与此同时，各类学术会议上有关图像压缩编码的文献报告连接不断。各国（美、西德、日、英、法、中）先后编辑了论文专辑。经过30多年的基础研究，图像压缩编
