中期报告例子

河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告1河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告毕业设计（论文）题目：一种数字图像压缩编码的研究专业（方向）：通信工程学生信息：指导教师信息：报告提交日期：一、课题简介本课题是对一种数字图像压缩编码的研究，整个研究过程需要matlab软件设计实现。数字图像压缩编码分为无损压缩和有损压缩。而属于无损压缩和有损压缩的方法又有很多，比如：行程编码和哈夫曼编码属于无损压缩；基于DCT变换的图像压缩编码、小波编码和基于哈达玛变换（HT）的图像压缩编码都是有损压缩。在本次研究中，我选用的是对基于DCT(DiscreteCosineTransform，离散余弦变换)变换的图像压缩编码的研究。我选择DCT变换方法的原因是DCT变换是最近几年应用最多的图像压缩技术，并且已成为许多图像编码国际标准的核心。在基于DCT变换的图像压缩编码中，有两种方法可用。一种是利用了FFT快速算法，使用了DCT变换定义公式来实现。由于FFT算法的普便采用，在matlab软件中可以直接使用，所以利用FFT来实现DCT变换的快速算法相比来说就相对容易。另一种利用了DCT变换矩阵算法，直接在实数域进行DCT快速变换，此种方法计算量较小，运算快。在本次中期报告中，使用这两种方法分别对图像进行压缩。二、设计过程图1图像压缩编解码典型的图像压缩系统主要由三部分组成：变换部分（Transformer）、量化部分（Quatizer）、和编码部分（Coder）。压缩图像DCT逆变换解压图像熵编码b原始图像熵编码压缩图像除以量化矩阵DCT变换a河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告21.变换部分在课题中运用的是DCT变换（DiscreteCosineTransform离散余弦变换）。它体现了输入原始图像和经过变换的图像之间的一一对应关系。变换也称为去除相关，它减少了图像中的冗余信息，与输入原始图像数据相比，变换后的图像数据提供了一种更易于压缩的图像数据表示形式。二维离散余弦正变换公式为vNyuNxyxfNvcucvuFNyNx212cos212cos,2,1010(3-1)式中，1,,1,0,,,Nvuyx。其它10,021)()(vuvcuc二维离散余弦逆变换公式为vNyuNxvuFvcucNyxfNvNu212cos212cos,2,1010(3-2)式中，1,,1,0,,,Nvuyx。其它10,021)()(vuvcucJPEG采用的是8×8大小的子块的二维离散余弦变换。在编码器的输入端，把原始图像顺序地分割成一系列8×8的子块，子块的数值在-128到127之间。采用余弦变换获得64个变换系数。变换公式，如式(3-3)所示。770012121,,coscos41616xyxyFuvcucvfxyuv(3-3)式中，7,,1,0,,,vuyx。其它10,021)()(vuvcuc2.量化部分系数量化是一个十分重要的过程,是造成DCT编解码信息损失(或失真)的根源。量化部分把经过变换的图像数据作为输入进行处理后，会得到有限数目的一些符号。一般而言，这一步会带来信息的损失，而这也恰是有损压缩方法和无损压缩方法之间主要的区别。而在课题中选择的基于DCT变换压缩方法是有损压缩，因此，在这一步会有一定的信息损失。在JPEG压缩算法中采用均匀量化器，量化定义可以表述为:对64个DCT系数除以其量化步长，四舍五入取整，即河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告3)),(/),((),(vuSvuFndIntegerRouvuQ（3-4）式中,Q(u,v)为量化的系数幅度，S(u,v)为量化步长，它是量化表的元素，通常随DCT系数的位置和彩色分量的不同而取不同的值，量化表的尺寸为8×8与64个DCT系数(一般将图像分解为8×8图像字块进行处理)一一对应。量化的作用是在一定的主观保真度图像质量的前提下，丢掉那些对视觉影响不大的信息，以获得较高的压缩比。由于DCT系数包含了空间频率信息，可充分利用人眼对不同频率敏感程度不同这一特性来选择量化表中的元素值的大小。对视觉重要的系数采用细量化(量化步长较小)，如低频系数被细量化，对高频系数采用粗量化(量化步长较大)。对于这一点，从MATLAB仿真得到的DCT变换谱中得到证明。3.编码部分这是压缩过程中最后一个步骤。这个部分将经过变换的系数（量化或未量化）编码为二进制位流，这个部分可以采用固定长编码，或变动长度编码，前者对所有符号赋予等长的编码，而后者则对出现频率较高的符号分配较短的编码，变动长度编码也叫熵（Entropy）编码，它能把经过变换得到的图像系数（Coefficients）数据以较短的信息总长度来表示，因而在实际应用中，多采用此类编码方式。四、仿真步骤4.1FFT变换方法步骤此方法出发点是对整幅图像进行DCT变换，主要应用matlab的影像处理工具箱中的基于FFT的有大量输入的快速算法进行处理的dct2函数。在MATLAB的图像处理工具箱中，可以直接调用dct2和idct2来实现二维离散余弦变换及其反变换。dct2函数实现图像的二维离散余弦变换，其语法为：F=dct2(f)（1）读入图像。在matlab中使用imread进行图像的调取，需要填写图像所在的路径。例如：I=imread('F:\鸡尾酒.tif')（2）把图像转换为灰度图。在matlab中用rgb2gray函数转换RGB图像或颜色映像表为灰度图像。rgb2gray语法格式：a=rgb2gray（I）。（3）把得到的灰度图转换成双精度模式。a=im2double(a)（4）进行二维DCT变换。在matlab中直接使用dct函数，二维DCT变换格式I1=dct2（a）。（5）进行逆DCT变换。在matlab中使用idct函数。I2=idct（I1）（6）仿真出图。可以得到压缩前和压缩后的图。4.2DCT变换矩阵算法方法步骤此方法的出发点是分别对分解后的每个数据小方块进行DCT变换，主要应用MATLAB的影像处理工具箱中dctmtx函数返回DCT变换矩阵，而后进行相关处理的。在MATLAB图像处理工具箱中，还有一个对图像进行块操作的函数blkproc，利用这个函数，可以直接实现图像一系列8×8子块的DCT变换。河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告4（1）装入图像。I=imread（'F:\老虎.tif'）（2）把图像转换成双精度模式。I=im2double(I)（3）设置三维数组。I=I(:,:,1)（4）利用matlab中的dctmtx函数生成8*8变换矩阵。（5）利用块操作函数blkproc实现对图像子块的DCT变换。（6）设置二值掩模mask,用来压缩DCT的系数，并保留一定个数的系数。（7）逆DCT变换重构图像。（8）显示出原图像和压缩后图像。五、仿真结果在本次报告中，我选择了以下四幅图来进行对比研究。5.1使用FFT变换进行压缩：原图处理后图像经DCT后的变换谱差值图像图2老虎图压缩前后对比河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告5原图处理后图像经DCT后的变换谱差值图像图3日历图压缩前后对比原图处理后图像经DCT后的变换谱差值图像图4猫图压缩前后对比河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告6原图处理后图像经DCT后的变换谱差值图像图5猫爪花图压缩前后对比5.2使用DCT矩阵方法进行压缩：原图压缩处理后图像分块处理差值图像图6老虎图压缩前后对比河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告7原图压缩处理后图像分块处理差值图像图7日历图压缩前后对比原图压缩处理后图像分块处理差值图像图8猫图压缩前后对比河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告8原图压缩处理后图像分块处理差值图像图9猫爪花图压缩前后对比六、结果分析在以上八幅图中，对压缩前图像老虎、日历、猫、猫爪花四幅图进行压缩，其中图2、图3、图4、图5使用的是FFT变换方法，图6、图7、图8、图9使用的是DCT矩阵方法进行压缩。对比以上八幅压缩前后的图像可知，压缩后的图像稍显模糊,这是因为DCT变换的压缩算法为有损压缩，压缩后的图像丢失了原始图像部分数据信息。使用FFT变换方法时：老虎压缩前图像为1956KB，压缩后图像为93KB，压缩比为21.0:1；日历压缩前图像为1956K，压缩后图像为62KB，压缩比为31.5:1；猫压缩前图像为1956KB，压缩后图像为54.2KB，压缩比为36.1:1；猫爪花压缩前图像为1956KB，压缩后图像为36.7KB，压缩比为53.2:1。由以上四幅图DCT变换后的变换谱可以发现DCT变换有使图像能量集中在左上方的特性，因此压缩图像保留了原始图像大部分的图像特征,其视觉效果与原始图像相差不大，因而差值并不明显。此程序在MATLAB软件中运行速度较慢。使用DCT变换矩阵方法时：老虎压缩前图像为1956KB，压缩后图像为80KB，压缩比为24.45:1；日历压缩前图像为1956K，压缩后图像为50KB，压缩比为39.12:1；猫压缩前图像为1956KB，压缩后图像为46.4KB，压缩比为42.2:1；猫爪花压缩前图像为1956KB，压缩后图像为36.6KB，压缩比为53.4:1。由以上四幅图使用的DCT矩阵分块处理，图像在压缩前后有一些差别，在差值图像中能够看出一些，但是运算河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告9速度比FFT变换方法要快。七、进一步需要解决的问题及后期工作安排多阅读相关文献资料，需要对两种压缩编码方法进行深入的了解，进一步完善基于DCT变换的图像压缩的矩阵算法，以及其matlab软件部分的设计。改变第二种方法里DCT的系数，观察图像，并计算压缩比。传统的图像质量客观评价方法有均方误差（MSE，meansquarederror）和峰值信噪比（PSNR，peaksignaltonoiserate）。研究这两种数字图像的定量评价方法，计算出以上图片的MSE和PSNR的值，并对以上的原图和压缩后的图进行图像评价。继续研究课题，2x使设计更加完善。对该课题进行分析整理，完成毕业论文，准备答辩。