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实验报告课程名称：数字图像处理实验名称：图像压缩编码技术实验地点：明向校区D001机房专业班级：测控1401班学号：学生姓名：郭佳鑫指导教师：刘帆2017年4月21日2014001796《数字图像处理》实验报告2一、实验目的1.理解有损压缩和无损压缩的概念。2.理解图像压缩的主要原则和目的。3.了解几种常用的图像压缩编码方式。4.利用MATLAB程序进行图像压缩编码。二、实验原理1、图像压缩原理图像压缩主要目的是为了节省存储空间，增加传输速度。图像压缩的理想标准是信息丢失最少，压缩比例最大。不损失图像质量的压缩称为无损压缩，无损压缩不可能达到很高的压缩比；损失图像质量的压缩称为有损压缩，高的压缩比是以牺牲图像质量为代价的。压缩的实现方法是对图像重新进行编码，希望用更少的数据表示图像。信息的冗余量有许多种，如空间冗余，时间冗余，结构冗余，知识冗余，视觉冗余等，数据压缩实质上是减少这些冗余量。高效编码的主要方法是尽可能去除图像中的冗余成分，从而以最小的码元包含最大的图像信息。2、编码压缩方法有许多种，从不同的角度出发有不同的分类方法，从信息论角度出发可分为两大类。（1）冗余度压缩方法，也称无损压缩、信息保持编码或熵编码。具体说就是解码图像和压缩编码前的图像严格相同，没有失真，从数学上讲是一种可逆运算。（2）信息量压缩方法，也称有损压缩、失真度编码或烟压缩编码。也就是说解码图像和原始图像是有差别的，允许有一定的失真。3、应用在多媒体中的图像压缩编码方法，从压缩编码算法原理上可以分为以下3类：（1）无损压缩编码种类哈夫曼（Huffman）编码，算术编码，行程（RLE）编码，Lempelzev编码。（2）有损压缩编码种类预测编码，DPCM，运动补偿；频率域方法：正交变换编码(如DCT)，子带编码；空间域方法：统计分块编码；模型方法：分形编码，模型基编码；基于重要性：滤波，子采样，比特分配，向量量化；（3）混合编码。有JBIG，H.261，JPEG，MPEG等技术标准。本实验主要利用MATLAB程序进行赫夫曼（Huffman）编码和行程编码（RunLengthEncoding，RLE）。三、实验仪器1.计算机。2.MATLAB、Photoshop等程序。3.移动式存储器（软盘、U盘等）。4.记录用的笔、纸。《数字图像处理》实验报告3四、实验步骤与内容1、实现基本JPEG的压缩和编码分三个步骤：（1）首先通过DCT变换去除数据冗余；（2）使用量化表对DCT系数进行量化；（3）对量化后的系数进行Huffman编码。我逐步进行了该项内容的实验：实验中我们使用的是一张512*512像素的RGB彩图lena.bmp，在程序中我们需要现将其转化为单通道256级灰度图。程序代码如下：x=imread('lena.bmp');x=rgb2gray(i);figure(1);subplot(121);imshow(x);运行结果如下：接下来进行近似基本JPEG编码。代码及结果如下：出现错误，提示未找到JPEG编码函数。《数字图像处理》实验报告4查阅课本，发现完成该内容需要自行定义若干函数，具体名称如下：具体代码如下：%函数addnod添加节点functioncodeword_new=addnode(codeword_old,item)codeword_new=cell(size(codeword_old));forindex=1:length(codeword_old)codeword_new{index}=[itemcodeword_old{index}];end%函数bytes返回输入f占用的比特数functionb=bytes(f)ifischar(f)info=dir(f);b=info.bytes;elseifisstruct(f)b=0;fields=fieldnames(f);fork=1:length(fields)b=b+bytes(f.(fields{k}));endelseinfo=whos('f');b=info.bytes;end%函数imageratio计算两个图像压缩比functioncr=imageratio(f1,f2)error(nargchk(2,2,nargin));cr=bytes(f1)/bytes(f2);%函数decode返回码字对应的符号functionbyte=decode(code,info)byte=info.huffcodes(code);《数字图像处理》实验报告5%函数frequency计算各个符号出现的概率functionf=frequency(vector)if~isa(vector,'uint8')error('inputargumentmustbeauint8vector');endf=repmat(0,1,256);len=length(vector);forindex=0:255f(index+1)=sum(vector==uint8(index));endf=f./len;%huffencode函数对输入矩阵vector进行Huffman编码，返回编码后的向量（压缩后数据）及相关信息function[zipped,info]=huffencode(vector)if~isa(vector,'uint8')eror('inputargumentmustbeauint8vector');end[m,n]=size(vector);vector=vector(:)';f=frequency(vector);%计算各个符号出现的概率symbols=find(f~=0);f=f(symbols);[f,sortindex]=sort(f);%将符号按照出现的概率大小排列symbols=symbols(sortindex);len=length(symbols);symbols_index=num2cell(1:len);codeword_tmp=cell(len,1);whilelength(f)1%生成huffman树，得到码字编码表index1=symbols_index{1};index2=symbols_index{2};codeword_tmp(index1)=addnode(codeword_tmp(index1),uint8(0));codeword_tmp(index2)=addnode(codeword_tmp(index2),uint8(1));f=[sum(f(1:2))f(3:end)];symbols_index=[{[index1,index2]}symbols_index(3:end)];[f,sortindex]=sort(f);symbols_index=symbols_index(sortindex);endcodeword=cell(256,1);codeword(symbols)=codeword_tmp;len=0;forindex=1:length(vector)%得到整个图像所有比特数len=len+length(codeword{double(vector(index))+1});《数字图像处理》实验报告6endstring=repmat(uint8(0),1,len);pointer=1;forindex=1:length(vector)%对输入图像进行编码code=codeword{double(vector(index))+1};len=length(code);string(pointer+(0:len-1))=code;pointer=pointer+len;endlen=length(string);pad=8-mod(len,8);%非8整数倍时，最后补pad个0ifpad0string=[stringuint8(zeros(1,pad))];endcodeword=codeword(symbols);codelen=zeros(size(codeword));weights=2.^(0:23);maxcodelen=0;forindex=1:length(codeword)len=length(codeword{index});iflenmaxcodelenmaxcodelen=len;endiflen0code=sum(weights(codeword{index}==1));code=bitset(code,len+1);codeword{index}=code;codelen(index)=len;endendcodeword=[codeword{:}];%计算压缩后的向量cols=length(string)/8;string=reshape(string,8,cols);weights=2.^(0:7);zipped=uint8(weights*double(string));%码表存储到一个稀疏矩阵huffcodes=sparse(1,1);forindex=1:nnz(codeword)%length(codeword)%numel(codeword)huffcodes(codeword(index),1)=symbols(index);endinfo.pad=pad;info.huffcodes=huffcodes;info.ratio=cols./length(vector);《数字图像处理》实验报告7info.length=length(vector);info.maxcodelen=maxcodelen;info.rows=m;info.cols=n;%huffdecode函数对输入矩阵vector进行Huffman解码，返回解压后的图像数据functionvector=huffdecode(zipped,info,image)if~isa(zipped,'uint8')error('inputargumentmustbeauint8vector');end%产生0,1序列，每位占一个字节len=length(zipped);string=repmat(uint8(0),1,len.*8);bitindex=1:8;forindex=1:lenstring(bitindex+8.*(index-1))=uint8(bitget(zipped(index),bitindex));endstring=logical(string(:)');len=length(string);string((len-info.pad+1):end)=[];len=length(string);%开始解码weights=2.^(0:51);vector=repmat(uint8(0),1,info.length);vectorindex=1;codeindex=1;code=0;forindex=1:lencode=bitset(code,codeindex,string(index));codeindex=codeindex+1;byte=decode(bitset(code,codeindex),info);ifbyte0vector(vectorindex)=byte-1;codeindex=1;code=0;vectorindex=vectorindex+1;endendvector=reshape(vector,info.rows,info.cols);《数字图像处理》实验报告8%jpegencode函数用来压缩图像functiony=jpegencode(x,quality)error(nargchk(1,2,nargin));ifnargin2quality=1;endx=double(x)-128;[xm,xn]=size(x);t=dctmtx(8);y=blkproc(x,[8,8],'P1*x*P2',t,t');m=[1611101624405161;121