图像压缩技术文档

J P E G 标准是由国际标准化组织ISO和国际电话电报咨询委员会CCITT为静止图像所建立的第一个国际数字图像压缩标准，它是一个适用范围很广的通用标准，既可以用于灰度图像，又可以用于彩色图像，可以支持各种应用。例如在计算机技术中，基于JPEG 有损压缩的数字水印算法，和嵌入式系统中的JPEG 分层压缩等。在JPEG 各类图像压缩算法中，基于离散余弦变换的图像压缩编码过程称为基本顺序过程，它应用于绝大多数图像压缩场合，并且它能在图像的压缩操作中获得较高的压缩比，并且重构图像与源图像的视觉效果基本相同。

基本原理

基于DCT 顺序型工作模式的JPEG 压缩算法系统的编码器与解码器的结构如图1 所示，量化编码是在进行了二元D C T 的系数量化后，且熵编码部分使用Huffman 编码方法。

图1 系统结构图

1 色彩变换与部分数据取样

色彩变换将计算机屏幕显示使用的RGB 色彩数据按照（1 ）式给定的关系，转换成JPEG

中使用的YCbCr 数据，其中Y 是颜色的亮度，CbCr 是色调。

Y=0.2999R+0.5870G+0.1140B

Cb = -0.1687R-0.3313G+0.5000B+128 (1)

Cr = 0.5000R-0.4187G-0.0813B+128

在取样部分，考虑到人眼对图像的亮度变化敏感，而对颜色的变化迟钝。因此，对反映颜色变化的色调信息只取其部分数据进行处理。本文的JPEG 格式采用的部分取样方式为Yuv411，即每取4 个Y 数据，只取一个Cb 数据和一个Cr 数据。因此，原数据在尚未编码时，已获得50% 的压缩。

2 利用DCT 对空间频率的变换

离散余弦变换(DCT)实现将一组光强数据转换成频率数据。在压缩时，将源图像数据分成8*8 像素构成的像块的集合。经过零偏置将每一取样值从0～255 转为-128～+127,再做DCT 处理。DCT 将每个数据单元的值转换为64 个DCT 系数Svu,其中S00 称为直流系数,其余63 个系数称为交流系数。解压缩是正向变换的反过程。D C T 和IDCT 分别由公式(2）和公式（3）实现。

770

01(21)(21)(,)()()(,)cos cos 41616i j i u j v F u v C u C v f i j ππ==++⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦∑∑ (2) 7700

1(21)(21)(,)()()(,)cos cos 422u v x u y v f i j C u C v F u v N N ππ==++⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦∑∑ (3)

上式中(),()C u C v = (当u ，v=0时) (),()1C u C v = (其他情况)

3 量化和熵编码

直流分量和各交流分量可用不同量化间隔量化，低频分量量化得细，高频分量量化得粗。Y 、U 、V 也可用不同的量化表，Y 细量化，U 、V 粗量化。JPEG 规范中，Y 数据和Cb 、Cr 数据各有一个8 × 8 的推荐量化表，根据具体要求可以构造专用的量化表，但量化过程和逆量化过程应使用同样的量化表。量化是在图像文件品质与压缩比例之间做一选择的重要过程，而这也就是JPEG 所谓的失真压缩方式。经量化处理后的数据，应用平均压缩比最高的Huffman 码进行熵编码。

经过上述过程后可得到压缩图像。