信息技术 　　电 　子 　测 　量 　技 　术 　　EL ECTRONIC M EASUREM EN T TEC HNOLO GY 第 30 卷 第 1 期 2007 年 1 月 　 JPEG图像压缩编码及其 MATLAB 仿真实现 王成优 　侯正信 (天津大学 　天津 　300072) 2 2 摘 　要 : 首先介绍了基于离散余弦变换的 J PEG 图像压缩编码算法 ,接着用 MA TL AB6. 5 对标准灰度图像进行仿真 , 并对同一幅 Lena 图像做不同的压缩 ,绘制了率失真曲线 。实验结果表明 ,在很大的压缩范围内 ,在不同的压缩比和编 码比特率下 ,重建图像的峰值信噪比都在 30 dB 以上 ,仍然能满足人们的视觉需要 。对图像做不同的压缩 ,满足了不 同的场合 、不同的控制码率下要求不同的图像质量的实际需要 。用 MA TL AB 做仿真实验 ,方法简单而且误差小 ,大 大提高了图像压缩的效率和精度 。 关键词 : J PEG 图像压缩算法 ; 离散余弦变换 (DCT) ; Huff man 编码 ; 峰值信噪比 中图分类号 : TP391 41 　　　　　　文献标识码 : A Algorithm of JPEG image compression and its simulation realization based on MATLAB Wang Chengyou 　Hou Zhengxin ( Tianjin University , Tianjin 300072) Abstract :The algorithm of the J PEG image compression based on DCT was discussed. Then simulation experiment s were done with MA TL AB 6. 5 and rate distortion curve was drawn with different compression to the same image Lena. Simulation experiment s show that the reconstructed images are of good quality satisfying people s visual requirement with PSNR above 30 dB under the circumstances of very large comp ression range at various comp ression ratio and bit rate. Different types of comp ression of the images satisfy the demands of different image quality on various occasion and rate control. The method doing experiment s with MA TL AB is simple and with little error , and it can improve the efficiency and precision of the image compression greatly. Keywords :J PEG image compression algorithm ; discrete co sine transform (DCT) ; Huff man encoding ; peak signal to noise ratio ( PSNR) 0 　引 　言 随着信息技术的发展 ,图像信息被广泛应用于多媒体 通信和计算机系统中 。但是图像具有庞大的数据量 ,不便 于存储和传输 ,所以必须采用合适的方法对其进行压缩 , 因此有必要对图像压缩编码标准进行研究 。在众多的图 像编码标准中 ,J PEG(joint photographic expert s group) 标 准是一个适用范围很广的静态图像压缩标准 ,在数字图像 压缩领域得到了广泛应用[ 1 2 ] 。 本文在研究J PEG图像压缩原理的基础上 ,用 MATLAB 6. 5 对标准灰度图像进行J PEG 压缩与重建 ,并分析实验结 果得出结论 。 1 　JPEG压缩编码算法[ 1 4] J PEG 专家组开发了 2 种基本的压缩算法 ,一种是以 离散余弦变换(DCT) 为基础的有损压缩算法 ,另一种是以 预测技术为基础的无损压缩算法 。有损 J PEG 压缩算法框 图如图 1 所示 。 图 1 　J PEG 算法框图 在有损压缩算法中 ,主要采用基于块的离散余弦变换 ·531· 

　第 30 卷 电 　子 　测 　量 　技 　术 消除图像的空间冗余 ,利用人的视觉系统特性对变换系数 进行量化 ,最后通过无损变字长熵编码消除视觉冗余和数 据统计冗余 ,实现图像压缩。译码或者叫做解压缩的过程 与压缩编码过程正好相反 。 2 　MATLAB 仿真实现[ 5 7] 根据上面所述的 J PEG 压缩编码算法 ,要将一幅灰度 图像进行压缩编码 ,首先把图像分成 8 ×8 的像素块 ,分块 进行 DCT 变换后 ,根据 J PEG 标准量化表[ 8 ] 对变换系数进 行量化后 ,再对直流系数 (DC) 进行预测编码 ,对交流系数 (AC) 进行 Zig Zag 扫描和可变长编码 ,然后根据标准的 Huff man 码表[ 4 5 ] 进行熵编码 ,输出压缩图像的比特序列 , 实现了图像压缩。在接收端 ,则经过 Huff man 熵解码、DC 系数和 AC 系数可变长解码 、反量化后 ,再进行反 DCT 变 换得 到 重 建 图 像 。对 一 幅 图 像 进 行 J PEG 编 解 码 的 MA TL AB 程序流程图如 2 所示。 3 　实验结果 用上述 MA TL AB 程序对原始图像大小为 512 ×512 , 8 bit/ pixel的 6 幅灰度图像分别做 J PEG 压缩编解码 ,然后 进行反量化和逆 DCT 变换 ,得到重建图像 ,实验结果如表 1 所示。 表 1 　6 幅图像 JPEG压缩的实验结果 Test Images 测试图像 编码比特率 Comp ress Ratio bpp 压缩比 PSNR dB Lena peppers airplane yacht milkdrop cablecar 0. 63 0. 63 0. 68 0. 71 0. 49 0. 74 12. 80 12. 61 11. 82 11. 32 16. 25 10. 80 35. 81 34. 78 36. 02 37. 72 38. 08 36. 52 　　由表 1 实验结果可以看出 ,在很大的压缩比下 ,仍然得到 了比较高的峰值信噪比 ,并且重建图像的主观质量也很好。 图 3 是 Lena 和 yacht 的原始图像 ,图 4 是经 J PEG 压 缩、重建得到的图像。在比较原始图像与重建图像时 ,主 观上看不出它们之间的差别 。 图 2 　J PEG 编译 MA TL AB 程序流程图 在图 2 的程序流程图中 ,在进行 Huff man 编码时 ,对 于 DC 系数 ,因为是对相邻图像块之间的差值进行编码 ,所 以在量化后扫描之前要先对 DC 系数进行预处理 。将量化 后 DC 的原始值替换成相邻图像块之间的差值 ; 在对 AC 系数进行编码时 ,又要考虑 63 个系数全是零和连续出现 16 个连零这 2 种特殊情况。 ·631· 　　改变量化矩阵 ,对 Lena 图像做不同的量化 ,在不同的压 缩比下 ,得到质量不同的重建图像。实验数据如表 2 所示。 表 2 　对 Lena 图像做不同压缩的实验结果 量化矩阵 Q 倍乘 Q ·9 Q ·4 Q ·2. 5 编码比特率 Comp ress Ratio bpp 0. 18 0. 27 0. 35 压缩比 45. 04 29. 69 22. 58 PSNR dB 27. 85 31. 25 32. 97 

　　　　　　　　王成优 等 :J PE G 图像压缩编码及其 MA TL AB 仿真实现 第 1 期 量化矩阵 Q 倍乘 Q ·2 Q ·1 Q ·0. 5 Q ·0. 4 Q ·0. 3 编码比特率 Compress Ratio bpp 0. 40 0. 63 0. 98 1. 14 1. 36 压缩比 19. 81 12. 80 8. 13 7. 03 5. 87 续表 2 PSNR dB 33. 70 35. 81 37. 87 38. 56 39. 47 由表 2 数据做 Lena 图像的率失真曲线如图 5 所示。 由图 5 可以看出 ,在很大的压缩范围内 ,在不同的压缩比 和编码比特率下 ,重建图像的峰值信噪比都在 30 dB 以上。 对图像做不同的压缩 ,满足了不同的场合要求不同的图像 质量的实际需要。 J PEG 压缩算法实现简单 ,在很大的压缩范围内 ,都能得到 很好的重建图像质量 。用 MA TL AB 做仿真实验 ,方法简 单而且误差小 ,大大提高了图像压缩的效率和精度。DCT 变换是最小均方误差准则下得出的次最佳正交变换 ,并且 有快速算法 ,因此它在硬件中也很容易实现 ,正是由于具 有这些优点 ,J PEG 压缩编码算法在图像压缩领域得到了 越来越广泛的应用 。 参 考 文 献 [ 1 ] 林福宗. 多媒体技术基础 [ M ]. 2 版. 北京 :清华大学出 版社 ,2002. [ 2 ] 罗倩玲. J PEG 编码与矢量量化编码方法比较 [J ]. 电 子测量技术 ,2005 (4) :35 37. [ 3 ] WALL ACE G K. The J PEG still picture comp ression IEEE Transactions on Consumer [ 4 ] standard [ J ]. Electronics ,1992 ,38 :18 ISO/ IEC 10918 1 | ITU compression and coding of continuous [ S]. 34. T Rec. T. 81 (J PEG) , Digital tone still images 图 5 　Lena 图像的率失真曲线 4 　结 　论 本文 首 先 介 绍 了 J PEG 压 缩 编 码 算 法 , 接 着 使 用 MA TL AB 6. 5 编程实现了 J PEG 图像压缩算法 ,对多幅标 准灰度图像进行实验仿真 ,并对实验数据进行分析 ,给出 了经典测试图像 Lena 的率失真曲线 。实验结果表明 , [ 5 ] 卢官明 ,宗 　. 数字电视原理 [ M ]. 北京 :机械工业出 [ 6 ] 版社 ,2005. SALOMON D. 数据压缩原理与应用 [ M ]. 2 版. 吴乐 南 ,译. 北京 :电子工业出版社 ,2003. [ 7 ] 张益贞 ,刘滔. Visual C + + 实现 MPEG/ J PEG 编解码 技术 [ M ]. 北京 :人民邮电出版社 ,2002. [ 8 ] 张志涌. 精通 Matlab 6. 5 版 [ M ]. 北京 :北京航空航天 大学出版社 ,2003. 作 者 简 介 王成优 ,男 ,1979 年出生 ,硕士研究生 ,主要研究方向为 数字图像与视频处理 、小波分析等 。 E mail :chengyou_wang @yahoo. com. cn ·731·