jpeg图像压缩算法及其实现

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1、一、JEPG压缩算法（标准）          (一)JPEG压缩标准      JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)是一个由ISO/IECJTC1/SC2/WG8和CCITTVIII/NIC于1986年底联合组成的一个专家组，负责制定静态的数字图像数据压缩编码标准。迄今为止，该组织已经指定了3个静止图像编码标准，分别为JPEG、JPEG-LS和JPEG2000。这个专家组于1991年前后指定完毕第一个静止图像压缩标准JPEG标准，并且成为国际上通用的标准。JPEG标准是一个适用范围很广的静态图像数据压缩标准，既可用

2、于灰度图像又可用于彩色图像。      JPEG专家组开发了两种基本的静止图像压缩算法，一种是采用以离散余弦变换(DiscreteCosineTransform,DCT)为基础的有损压缩算法，另一种是采用以预测技术为基础的无损压缩算法。使用无损压缩算法时，其压缩比比较低，但可保证图像不失真。使用有损压缩算法时，其算法实现较为复杂，但其压缩比大，按25：1压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此得到了广泛的应用。      JPEG有4种工作模式，分别为顺序编码，渐近编码，无失真编码和分层编码，他们有各自的应用场合，

3、其中基于顺序编码工作模式的JPEG压缩系统也称为基本系统，该系统采用单遍扫描完成一个图像分量的编码，扫描次序从左到右、从上到下，基本系统要求图像像素的各个色彩分量都是8bit，并可通过量化线性地改变DCT系统的量化结果来调整图像质量和压缩比。下面介绍图像压缩采用基于DCT的顺序模式有损压缩算法，该算法下的JPEG压缩为基本系统。      (二)JPEG压缩基本系统编码器      JPEG压缩是有损压缩，它利用了人的视觉系统的特性，将量化和无损压缩编码相结合来去掉视觉的冗余信息和数据本身的冗余信息。基于基本系统的JPEG压缩编码器框图如图1所示，该

4、编码器是对单个图像分量的处理，对于多个分量的图像，则首先应将图像多分量按照一定顺序和比例组成若干个最小压缩单元（MCU），然后同样按该编码器对每个MCU各个分量进行独立编码处理，最终图像压缩数据将由多个MCU压缩数据组成。图1JPEG压缩编码器结构框图      JPEG压缩主要步骤如下：      （1）图像压缩预处理；      （2）正向离散余弦变换（FDCT）；      （3）DCT系数量化；      （4）编码。      (三)图像压缩预处理      图像压缩前进行预处理，主要包括对原图像颜色空间转换、大小的调整和采样、整理MCU单

5、元。JPEG压缩的对象是基于YUV颜色空间，对于其他颜色空间的图像数据要先应用相应的转换公式转换到YUV颜色空间。      由于后续图像分块及整理MCU单元的需要，对于原图像宽度和长度应当扩展为8的整数倍，针对YUV411、YUV420等需要降采样处理的图像则要求扩展为16的整数倍，JPEG标准建议通过复制每有一个分量最右边的列和最下面的行来进行扩展。通过对原图像的降采样，将可以减少部分图像数据，增加压缩比，由于人眼对亮度信号Y比较敏感，而对色差信号UV不敏感，因此可以对原图像色度信号进行降采样处理，而人眼却基本感觉不到图像的变化，JPEG压缩常用

6、可处理降采样处理格式为YUV422、YUV411和YUV420，本文采用YUV411格式，该格式为每个像素都提取Y分量，而UV分量在水平方向上每4个像素采样一次。JPEG压缩的最小单元为MCU，对于未降采样的图像数据（非交织数据），一个MCU就是一个数据单元，而对于降采样的图像数据（交织数据），一个MCU就是一系列在该扫描中由分量的采样因子定义的数据单元。本文采用YUV411格式，则一个MCU将由Y分量水平4个8×8图像块、水平一个U分量和一个V分量8×8图像块组成。基本系统将按照从上到下、从左到右的顺序将原图像整理为若干个MCU，后续JPEG压缩就

7、是对每个MCU中各分量的图像块分别进行压缩，所有MCU的排列顺序就是最终图像压缩数据的排列顺序。      (四)正向离散余弦变换（FDCT）      对每个8×8图像块进行FDCT之前，采样值应该先进行幅度值的位移，使之成为一个有符号的数，方法是将采样值减去，其中P为采样的精度，本文P取8位，幅度位移为128，即将每个采样点像素值减去128后再进行FDCT，FDCT的数学表达式为：            8×8图像块经过FDCT变换后得到8×8的频率系数数组，该数组位置系数称为直流系数（DC），其他63个系数称为交流系数（AC）。直接应用公式（3

8、-1）进行计算其计算量较大，许多文献提出了该公式的优化计算方法，以提高运算效率，比较常见的是将该公式分解为两