[硕士论文精品]JPEG编解码的FPGA仿真研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着图像声纳技术的发展，对于大数据量图像数据的压缩成为必须要解 决的一个课题。本文结合水声图像特点，应用V e f i l o g H D L 语言在Q u a r t u sI I 软件环境下设计实现了J P E G 基本模式编解码器。 J P E G 是国际标准化组织( I S O ) 和C C I T T 联合制定的静态图像的压缩标 准，是目前最常使用的图像存储格式。 论文首先介绍了J P E G 编码的基本原理，然后根据编码的流程从总体结 构上对J P E G 编码器进行了模块划分。对于2 D D C T 变换采用了行列分离的 快速算法；针对水声图像特点采用了D C 系数直接编码。以一幅真实的水声 图像作为J P E G 编码器的测试输入，对编码器输出的码流经过软件编程后正 确显示出了J P E G 图片，并分析了压缩图像效果和质量。 J P E G 解码器采用了和J P E G 编码器对称的模块划分，2 D I D C T 变换同样 采用了行列分离的快速算法；根据J P E G 标准中哈夫曼编码的特点，哈夫曼 解码采用了浓缩哈夫曼表法，降低了存储资源，提高了解码速度。对经本文 设计的J P E G 解码器解码后的图片和原图片进行了比较分析，结果表明本设 计满足要求。 关键词：J P E G ；F P G A ；V e r i l o g H D L ；哈夫曼编解码 哈尔滨工程大学硕士学位论文 A BS T R A C T T h ec o m p r e s s i o no fm a s su n d e r w a t e ri m a g ed a t ai sas u b j e c tt h a tm u s tb e s o l v e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi m a g es o n a r C o m b i n e dw i t hc h a r a c t e r i s t i c so f u n d e r w a t e ri m a g e ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fJ P E Ge n c o d e ra n dd e c o d e ri n Q u a r t u s sI Is o f t w a r eu s i n gV e r i l o g H D Ll a n g u a g ei sp r o d u c e di nt h i sa r t i c l e J P E Gi sas t a t i c i m a g ec o m p r e s s i o n s t a n d a r d d e v e l o p e dj o i n t l yb y I n t e r n a t i o n a lO r g a n i z a t i o nf o rS t a n d a r d i z a t i o n ( I S O ) a n dC C I T I ' I t St h em o s t f r e q u e n t l yu s e di m a g es t o r a g ef o r m a t T h i sp a p e rf i r s t l yp r e s e n t sb a s e dp r i n c i p l e so fJ P E Ge n c o d i n g ，t h e nd i v i d e s m o d u l eo fJ P E Ge n c o d e rf r o mg e n e r a ls t r u c t u r ea c c o r d i n gt Oe n c o d i n gf l o w T r a n s f o r mo f2 D - D C Ta d o p t saf a s t a l g o r i t h m b a s e do nt h ec o n v e n t i o n a l r O W ·c o l u m n d e c o m p o s i t i o n m e t h o d D Cc o e f f i c i e n t e n c o d i n ge m p l o y s d i r e c t e n c o d i n gi na c c o r d a n c ew i t hc h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r w a t e ri m a g e T a k i n gar e a l u n d e r w a t e ri m a g ea st h et e s ti n p u to fJ P E Ge n c o d e r , t h ec o d es t r e a mo u t p u t t e db y t h ee n c o d e rc a nd i s p l a yJ P E Gi m a g ec o r r e c t l ya f t e ri ti sp r o g r a m m e db ys o f t w a r e E f f e c t sa n dq u a l i t yo ft h ec o m p r e s s e di m a g ea r ea n a l y z e d J P E Ge n c o d e ra p p l i e ss y m m e t r i c a lm o d u l ed i v i s i o n o ft h eJ P E Gd e c o d e r T h ea l g o r i t h mo fr o w ··c o l u m nd e c o m p o s i t i o ni su s e di nt h et r a n s f o r mo f2 D ·- I D C T a sw e l l A c c o r d i n gt Op r o p e r t yo fH u f f m a ne n c o d i n gi nJ P E G , H u f f m a nd e c o d i n g a d o p t st h ea l g o r i t h mo fC o n d e n s e dH u f f m a nT a b l e ，w h i c hr e d u c e st h em e m o r y r e s o u r c ea n de n h a n c e sd e c o d i n gs p e e d I m a g e sd e c o d e db yt h eJ P E Gd e c o d e ra r e c o m p a r e dt Ot h es o u r c ei m a g e s ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g ni nt h e p a p e rm e e tr e q u i r e m e n t s K e yw o r d s ：J P E G ；F P G A ；V e r i l o g H D L ；H u f f m a ne n c o d i n ga n dd e c o d i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。·对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：视海风 日期：2 D D 7 年弓月I 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：靓逸风导师( 签字) ：音砺 日期： 2 6 0 ' 年3 月f 7 日腓多月fJ 日 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文背景 声纳是利用声波来判别水下物体存在、位置及类型的方法和设纠¨，伴 随着水下技术的日益成熟，用于水下勘探的目标成像技术越来越得到人们的 重视，由此而发展起来的图像声纳技术的应用也越来越广泛。通常图像声纳 得到的图像首先被存放在大容量的存储设备上B 1 ，然后再从存储设备中读出 声纳图像，但这样做实时性、灵活性都很差。现代声学技术的发展使得图像 声纳通过水声信道将图像直接传送到主机成为可能。但是图像声纳数据量大， 而水声信道容量有限，所以必须对声纳图像进行压缩。 J P E G 是国际标准化组织( I S O ) 和C C I T T 联合制定的静态图像的压缩标 准。该标准使用基于离散余弦变换( D i s c r e t eC o s i n eT r a n s f o r m ，D C T ) 的方 法，在中高码率( 码率大于0 2 5 比特像素) 对于连续色调的静态灰度或彩色 图像提供了较好的压缩性能。J P E G 是目前最常使用的静止图像存储方式，大 多数电脑上都能直接显示J P E G 格式的图片。 现今，市场上也存在着一些J P E G 编解码芯片，如T E D 公司推出的T E 系列编解码芯片，卓然公司推出的J P E G 编解码芯片Z R 3 6 0 6 0 等，但是此类 芯片的接口都是针对数字视频信号而言的，如果直接应用于本设计中，则需 要对接口部分进行复杂的设计，此外这些芯片功耗过大，并且这类芯片都对 编解码过程进行了封装，不利于结合声纳图像进行改进。因此利用已有的 F P G A 器件和E D A 工具，开发符合课题需要的J P E G 编解码器，是具有现实 意义的。本论文正是基于这点考虑，开发J P E G 编码器和解码器，使得图像 声纳采集的图像在上传给主机之前先被压缩，降低图像存储容量，然后上传 给主机以J P E G 格式显示出来。 1 2 图像压缩技术的产生和发展 1 2 1 图像压缩的必要性 随着互联网以及多媒体技术的快速发展，人们对视频图像信息的处理速 哈尔滨工程大学硕士学位论文 度和视觉要求越来越高，而图像信息的数据量巨大，大数据量的图像信息会 给存储器的存储容量以及信道的传输速度增加极大的压力。单纯依靠存储器 容量的增加和信道传输速度的提高来解决这个问题是不现实的，因此必须对 图像进行压缩，去掉图像信息中的冗余，减少网络传输的信息量。 1 2 2 图像压缩的可能性 图像压缩的目的就是以尽量少的比特数表征图像，同时保持图像的质量， 使它符合预定场合的要求。由于图像中数据量的大小与其携带的信息量并不 完全相等，所以可以去除图像中没有携带信息的数据，这些没有携带重要信 息的数据称为冗余数据。正是这些图像信息中存在的冗余数据以及人的视觉 特性为图像的压缩提供了可能性。 图像信息的冗余度主要存在于结构和统计两方面；结构上的冗余度表现 为很强的空间( 帧内的) 和时间( 帧间的) 相关性；统计上的冗余度来源于 被编码信号的概率密度分布的不均匀。只要应用一定的方法去除这些冗余度 就可以达到图像压缩的目的。此外，还可以利用人的视觉特性，在不被主观 视觉察觉的容限内，通过减少表示信号的精度，以一定的客观失真换取数据 的压缩。 1 2 3 图像压缩技术的发展 数字图像压缩技术始于5 0 - - - 6 0 年代，当时主要使用差分脉冲编码调制技 术。7 0 年代引入了变换编码技术和运动补偿预测编码技术，1 9 7 4 年A h m e d 引入了著名的基于块的离散余弦变换( D C T ，D i s c r e t eC o s i n eT r a n s f o r m ) 算 法，它可以在没有大幅度降低图像质量的前提下，使得图像数据量大大减小。 8 0 年代，离散小波变换( D W T ，D i s c r e t eW a v e l e tT r a n s f o r m ) 应用在图像和 视频编码中，D W T 算法可以使用在图像内的一个大块或者整幅图像上。1 9 8 5 年出现了基于块的混合运动补偿离散余弦变换( M C D C T ，M o t i o n C o m p e n s a t i o n D C T ) 系统，此技术应用于M P E G 中。 J P E G 标准是“连续色调静止图像数字压缩编码”国际标准的简称p 1 ，它 是国际标准化组织( I S O ) 下属的联合图片专家组J P E G ( J o i n tP h o t o g r a p h i c E x p e r tG r o u p ) 制定的第一个静止图像压缩编码的国际标准。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 J P E G 是假想为适用范围非常广泛，通用性很强的技术，所以J P E G 标准 提供四种工作模式以满足不同环境下的需要，这四种工作模式分别为：基本 D C T 顺序处理模式( 即J P E G 基本系统) ，基于D C T 的渐进处理模式，分层 模式，无失真模式。 ，现今存在的静态图像压缩标准主要有一1 ： 二值图像压缩标准J B I G ( J o i n tB i 1 e v e lI m a g ee x p e f lG r o u p sc o d i n g ) ，是 针对二值图像压缩的； J P E G 标准，其正式名称为“连续色调静止图像的数字压缩编码“ ( D i g i t a l C o m p r e s s i o nC o d i n go fC o n t i n u o u s t o n es t i l lI m a g e s ) ，是具有连续黑自或彩色 色调的静止图像的编码技术； J P E G L S 标准主要是针对连续色调图形的无损压缩； J P E G 2 0 0 0 标准，它是基于离散小波变换，采用最新的嵌入式编码技术， 具有优良的低比特率性能。 在2 0 0 6 年上半年，微软提出了W i n d o w sM e d i aP h o t o 图形格式，并于1 1 月份改名为“H DP h o t o ”，在2 0 0 7 年3 月微软将其提交给一家标准机构，1 1 月份参与联合图像专家组的多个国家已经批准一项使H DP h o t o 格式成为一 项名为J P E GX R 的标准的计划。微软的H DP h o t o 图片格式可以保存更精细 的细节、提供更丰富的色彩，而且在同样的画质下体积只有一半大小，从技 术上H DP h o t o 的确有很多优势，然而在目前J P E G 已经稳定使用多年的市场 上，空有技术优势，并不意味一定有办法成功取而代之。虽然J P E G 2 0 0 0 标 准早在2 0 0 0 年就已制定，且图像压缩质量比J P E G 强，但却始终未成气候， 现今风行的静态图像压缩标准仍为J P E G 。事实表明，随着J P E G 系统产品的 不断优化，在大多数场合下，采用J P E G 就可以满足要求了。而且，J P E G 的 低复杂度；低成本的优点也是别的标准所无法取代的。因此，J P E G 不可能完 全被替代。在未来很长一段时间内，J P E G 仍然将是主流的静止图像压缩标准 1 3 系统开发平台 1 3 1 开发工具 Q u a r t u sI I 软件是一款使用方便、功能完善的可编程逻辑器件开发工具。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 O u a r t u sI I 提供了一种与结构无关的设计环境，设计人员无需精通器件内部结 构，只需利用自己熟练的输入工具( 例如原理图或硬件描述语言) 进行设计， 就可以通过Q u a n u sI I 把这些设计转换为最终所需的格式。 Q u a r t u s I I 的开发主界面如图1 1 所示。它分为四个主要的子窗口。其中 左上方的子窗口为工程的浏览窗口，它显示的是用户设计的顶层模块，设计 所包含的所有输入文件以及整个设计的模块结构；左下方的子窗口为设计状 态图，在进行工程的编译综合以及仿真的时候，窗口内会显示每一步的进度 以及所耗费的时间：右边为设计输入窗口，用户可以选择通过不同的设计输 入手段，如原理图，V H D L 或V c f i l o gH D L 来进行F P G A 设计：最下方的子 窗口为信息提示窗口，在程序的综合仿真过程中，Q u a r t u s I I 会显示警告和错 误信息，提示用户设计中可能出现的问题所在。 Q u a r t u s I I 软件完全支持V H D L 和V c d l o g I - I D L 语言，内部嵌有V H D L 、 V c r i l o gH D L 逻辑综合器，同时也支持第三方综合工具。Q u a n u s1 1 自身具备 仿真功能，也支持第三方的仿真工具，如M o d c l S i m 。 图11Q u a r t u s I I 主界面 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 2 V e r i l o gH D L 语言 硬件描述语言( H D L ) 是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字 逻辑系统的语言。它可以使数字逻辑电路设计者利用这种语言来描述自己的 设计思想，然后利用电子设计自动化( E D A ) 工具进行仿真，自动综合到门 级电路，再利用A S I C 或F P G A 实现其具体功能。现在用的比较多的硬件描 述语言包括V H D L 和V e r i l o gH D L 。 V e r i l o gH D L 是由G D A ( G a t e w a yD e s i g nA u t o m a t i c ) 公司的P h iM o o r d y 于1 9 8 3 年创造的p 1 ，主要是为其模拟产品提供支持；之后，M o o r d y 又设计了 V e r i l o g - X L 仿真器，并取得了巨大的成功，同时也为V e r i l o gH D L 语言的推 广提供了契机。此时V e r i l o gH D L 语言仅仅是一种用于模拟和仿真的专用语 言。1 9 8 9 年，G D A 被C a d e n c e 公司收购。在1 9 9 0 年，C a d e n c e 将V e r i l o gH D L 向公众推广，并成立了开放性V e r i l o g 国际组织( O V I ，O p e nV e f i l o g I n t e r n a t i o n a l ) 专门负责V e r i l o gH D L 语言的发展。1 9 9 2 年，O V I 决定将V e r i l o g H D L 推广为I E E E 标准。V e r i l o gH D L 与1 9 9 5 年成为I E E E 的标准，即I E E E s t a n d a r d1 3 6 4 1 9 9 5 。 采用V e r i l o g 语言设计有以下几个优点嘲： ( 1 ) 作为一种通用的硬件描述语言，V e r i l o g 易学易用，因为在语法上 与C 语言非常类似； ( 2 ) 同一个设计，V e r i l o g 语言允许设计者在不同层次上进行抽象； ( 3 ) V e r i l o g 语言支持广泛，基本上所有流行的综合器、仿真器都支持 V e r i l o g ； ( 4 ) 能够描述层次设计，可使用模块实例结构描述任何层次，模块的规 模可以是任意的，语言对此没有限制； ( 5 ) V e r i l o g 语言对仿真提供强度的支持。 1 3 3F P G A 简介 F P G A 是英文F i e l dP r o g r a m m a b l eG a t e A r r a y 的缩写，即现场可编程门阵 列，F P G A 器件是X i n l i n x 公司于1 9 8 5 年首家推出的p ，它是一种新型的高密 度P A L ( P r o g r a m m a b l eL o g i cA r r a y ，可编程逻辑阵列) ，采用C M O S S R A M 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工艺制作。在实现复杂算法、队列调度、数据处理、高性能设计、大容量缓 存设计等领域有着广泛的应用。 F P G A 结构一般分为三部分：可编程逻辑块、可编程I O 模块和可编程 内部连线。配置数据存放在片内的S R A M 或者熔丝图上，基于S R A M 的F P G A 器件工作前需要从芯片外部加载配置数据。配置数据可以存储在片外的 E P R O M 或者计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻 辑功能，即所谓现场编程。 用F P G A 来实现数字信号处理可以很好地解决并行性和速度问题，而且 其灵活的可配置特性，使得F P G A 构成的系统易于修改、测试及硬件升级。 F P G A 构成的数字信号处理系统已经在实时图像处理、无线电通信系统、卫 星导航设备等领域中得到了应用。 1 4 论文研究内容 本论文以J P E G 图像压缩标准的基本系统为基础，在Q u a r t u s l I 软件环境 下，结合水声图像的特点设计并实现了J P E G 编码器和解码器，并联合M a t l a b ， M o d e l S i m 等软件对编解码器进行了仿真验证。 本论文共分为四章，各章节内容安排如下： 第一章首先介绍了本论文的课题背景，简要介绍了图像压缩技术的产生 和发展以及现今存在的几种静态图像压缩标准，最后对系统的开发平台和工 具做了简要描述； 第二章详细阐述了J P E G 标准原理，简要讨论了图像压缩效果和质量评 价，最后介绍了J F I F 文件交换格式； 第三章首先给出了J P E G 编码器的总体结构，分别阐述了2 D D C T 模块、 量化模块和熵编码模块的具体实现方法，讨论了一些关键算法的硬件实现方 式，并给出了J P E G 编码器的顶层仿真图； 第四章根据解码器总体设计方案，对熵解码模块，反量化模块和2 D I D C T 模块分别进行了论述，并对经过J P E G 解码器转换后的图片和原图片进行了 比较分析；最后对本文工作进行了总结，指出了现有工作的不足和有待提高 和改进的方面。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章J P E G 标准的基本原理和方法 2 1J P E G 标准概述 J P E G 是第一个被广泛接受的单色和彩色静止图像压缩标准，作为一个通 用的图像压缩标准，它满足以下特性障1 ： 1 达到或接近当前压缩比与图像保真度的技术水平，能够覆盖一个较宽 的图像质量范围；能够达到“很好”到“极好“ 的评估，与原始图像比，人 的视觉难以区分； 2 能够适用于任何种类的连续色调的图像，且长宽比都不受限制，同时 也不受限于景物内容、图像复杂度和统计特性等； 3 计算的复杂度是可以控制的，其软件可以在各种C P U 上完成，也可 以使用硬件实现。 在J P E G 标准( I S O 1 0 9 1 8 ) 中包括三个部分p 1 ：编码器、译码器和交换 格式。编码器是将输入图像信源变成图像压缩数据，译码器是将图像压缩数 据还原成重建图像。经过压缩后的图像数据流和在编码过程中采用的码表等 组成一定的交换格式，用于图像的传输和重建。， J P E G 定义了两种基本的算法：一种是基于D C T 的有损压缩算法；一种 是采用预测编码方法的无损压缩算法。选择使用哪种压缩算法取决于特定的 应用要求和价格性能考虑。 J P E G 算法有四种运行方式： 1 基本D C T 顺序模式：由8 ×8 像素组成的像素块，从左到右进行编码 处理并按照从上到下顺序进行扫描。 2 基于D C T 的扩展模式：处理的顺序及编码处理的基本构成是与基本 D C T 顺序相同的，但存在多次处理扫描。扫描的顺序与前面相似，负责块内 的重要信息( 即在第一次扫描中得到的粗略的图像) 。 3 无失真模式：不使用D C T 变换，·对接近像素间的差别进行熵编码， 从而不产生失真。 4 分层模式：组合上面三种方式，做成具有多种空间分辨率图像的金字 塔结构。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在这四种运行方式中最常用的是基于D C T 的顺序模式，即J P E G 基本系 统。 2 2J P E G 标准基本系统 2 2 1 基本系统框图 J P E G 基本系统采用基于D C T 的顺序编码操作模式，图2 1 给出了基本 系统的编、解码器框图n ¨。在编码过程中，J P E G 将源图像分成8 ×8 的像素 块，对各块分别进行D C T 变换、量化和熵编码。算法首先通过D C T 变换消 除图像块各像素在空间域的相关性；而后根据给定的量化表对D C T 系数进行 量化，通过量化降低D C T 系数的精度来进一步实现数据压缩；再对量化后的 D C T 系数按照给定的熵编码表进行熵编码，从而进一步消除图像数据间的统 计相关性；最后输出图像压缩数据。解码时，采用与编码器同样的量化表和 熵编码表对各块压缩数据进行熵解码和反量化；再进行反向D C T 变换 ( I D C T ) ；最后重建出图像。 图( a ) 编码器框图 图( b ) 解码器框图 图2 1J P E G 基本系统的编、解码器框图 图2 1 实际上是单分量( 灰度) 图像的编、解码器框图，对多分量( 如 彩色图像) 进行压缩时，可近似看做是对多个单分量图像进行压缩编码，这 时可按先后顺序依次对各个分量进行压缩。解码时，进行与编码器相应的反 向操作即可。对于多分量图像，J P E G 允许不同的图像分量采用不同的量化表 和熵编码表，但同一分量的图像样值必须采用相同的量化表和熵编码表。 8 ：互蒌三堡銮兰譬主：竺兰三 由图2 1 可见，整个压缩编码系统主要包括源图像数据输入、D C T 变换、 量化和熵编码四大部分。 2 2 2 二维离散余弦变换和反变换 离散余弦变换( D C T ) 是一种广泛使用的压缩方法”4 ，首先把每个单独 的彩色图像分量分成8 ×8 图像块，然后经过二维D C T 变换，其低频分量都 集中在左上角，高频分量分布在右下角( D C T 变换实际上是空| 可域的低通滤 波器) 。由于该低频分量包含了图像的主要信息( 如亮度) ，而高频与之相比 就不那么重要了，所以我们可以忽略高频分量，从而达到压缩的目的。如图 2 2 所示，为铡试图像“l v n a ”的二维D C I “ 实例，变换后图像的能量集中于 左上角。 原始田像憧换后的能量谱 幽2 2l e v a 圈像I X 丑1 凳珙町壤一狈域对照 F D C T ( F o r w a r d D i s c r * t e C o s i n e T r a n s f o r m ，前向D C T 变换) 变换公式” 为： 脚- 丝嗡型薹鼽岫s 学】c o s 瞥j ( ： 反向D C T 变换( I D C I ' ) 公式为： ) F ( 训c o s 学H 学卜，川2 面刍盏c ( “) c ( V ) ) 叫鼍严H 与产J ( 2 z ) 门¨，引型 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c ( 缈) 。老，一o 【1 ，= 1 , 2 ，N 一1 上面两式中，N 为图像块水平方向或垂直方向的像素数，( “，v ) 为变换 系数，( j , k ) 为图像数据矩阵内( ，七) 位置上的像素值。在J P E G 中是将图 像分成8X8 像素块，分块进行D C T 变换的，所以在J P E G 中N ；8 ，8X8 图像块的D C T 变换公式为： 脚川一掣渺77 纠叫学 c o s 学】( 2 m 逆向D C T 变换公式： 儿川。百1 岳7 渺7 脚川叫学H 学 眩4 ， 2 2 3 量化和反量化 严格说D C T 本身并不能进行码率压缩| 1 4 1 ，因为6 4 个样值仍然得到6 4 个 系数。量化的目的是降低D C T 系数精度，以进一步对数据进行压缩，即通过 去掉视觉上不太重要的图像信息来进一步提高压缩效率。实施量化是，根据 用户给定的8 X 8 量化表，将每一个D C T 系数除以量化表中相应的量化步长， 并将所得结果进行四舍五入取整。量化公式为： 。吲 ( 2 5 ) 其中，瓦，和为量化前后的D C T 系数；包，为量化步长； · 为四舍五 入取整。 反量化操作是将量化后的D C T 系数乘以相应的量化步长，其公式为： R ，= ×瓯 ( 2 6 ) J P E G 推荐了两个量化表，一个是亮度量化表2 1 ，一个是色度量化表2 2 ， 量化表尺寸也为8 ×8 ，与D C T 的6 4 个系数一一对应，用户可以根据压缩需 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 要自定义量化表。 表2 1 亮度分量用量化表 1 61 11 0 1 62 44 05 16 1 1 21 21 4 1 9 2 6 5 8 6 0 5 5 1 41 31 62 44 05 7 6 95 6 1 41 72 22 95 18 7 8 06 2 1 82 23 75 66 81 0 91 0 37 7 2 43 55 56 48 11 0 41 1 39 2 4 96 47 88 71 0 31 2 11 2 01 0 1 7 2勺29 59 81 1 21 0 01 0 39 9 表2 2 色度分量用量化表 1 71 82 44 7 9 9 9 9 9 9 9 9 1 82 12 66 69 99 99 99 9 2 42 65 69 99 99 99 99 9 4 76 69 99 99 99 99 99 9 9 99 99 99 99 99 99 99 9 9 99 99 99 99 99 99 99 9 9 99 99 99 99 99 99 99 9 9 9 9 99 99 99 99 99 99 9 2 2 4 熵编码 量化后8 ×8 块左上角的第一个元素称为D C ( 直流) 系数，即图像子快 的平均值，剩余的6 3 个系数为A C ( 交流) 系数。由于相邻8 ×8 块之间的 D C 系数的相关性很强，对D C 系数采用差分( D P C M ) 编码，即对相邻的子 块D C 系数的差值进行编码。对A C 系数则按图2 3 所示的z 字型顺序进行 扫描，然后再进行行程编码。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3Z 字型扫描顺序 A C 系数行程编码的码字表示方法如图2 4 所示 位76 5 4 3210 L 、，二JL v J 第一个两个非零值之间连续下一个非零值之间 字节零的个数( 行程R u nL e n g t h )所占的比特数( S i z e ) 321O 第二个、，第二个Y 字节 下一个非零系数的实际值 图2 4A C 系数的行程编码表示 根据以上规则，我们得到了D C 码字和A C 行程码字。为了进一步提高 压缩比，需要对其再进行熵编码，这里选用H u f f m a n 编码，分成两步： 1 ) 熵编码的中间格式¨卅 对于A C 系数，用两个符号进行表示。符号1 为行程和尺寸，即上述的 ( R u nL e n g t h ，S i z e ) 。符号2 为非零A C 系数的幅值；符号1 中的R u nL e n g t h 表示被编码的非零A C 系数前面连续零的个数，S i z e 为表达该非零A C 系数 所需的比特数，可由表2 3 查得。在A C 系数的处理中有两个特殊情况。一 种是A C 系数具有连续1 6 个以上零值的情况。因为表示零值行程的R u n 只有 哈尔滨工程大学硕士学位论文 四比特，所以1 6 个以上的零值行程是无法表示的。为此，用1 5 0 表示连续 的1 6 个零值输出对应的编码( Z R L ，Z e r oR u nL e n g t h ) 。另一种特殊情况是 某个非零系数后全为零值的情况。这时将块末尾剩下的零值的A C 系数集合 起来，用0 0 ( E O B ，E n do f B l o c k ) 来表示。 对于D C 系数也有两个符号表示，符号1 为D C 系数的尺寸( S i z e ) ，符 号2 为其幅度值( A m p l i t u d e ) 。 2 ) 熵编码 对于A C 系数，符号1 和符号2 分别进行编码。对符号1 根据给定的哈 夫曼表( 见表2 4 ) 进行哈夫曼编码，对符号2 进行变长整数( V U ) 编码，用 反码表示，比特数由符号1 中的S i z e 控制。绝对值相同符号相反的码字之间 为反码关系。幅值以0 开始的为负数，以1 开始的为正数。例如：5 的S i z e 为3 ，其V L I 编码为0 1 0 。 对于D C 系数的熵编码，过程类似。符号1 查D C 系数哈夫曼表进行哈 夫曼编码( 见表2 5 ) ，符号2 进行V U 编码，方法与A C 系数一样。 表2 3D C A C 系数幅值分类表 尺寸( S I Z E )D C 系数A C 系数 O0 11 ，1 - 1 ，1 2 3 ，2 ，2 ，33 ，2 ，2 ， 3 37 4 ，4 77 。- 4 ，4 7 4 - 1 5 - 8 ，8 1 5。1 5 - 8 ，8 1 5 53 1 1 6 ，1 6 3 13 1 1 6 ，1 6 3 1 6 - 6 3 3 2 ，3 2 6 3 6 3 3 2 ，3 2 6 3 7 1 2 7 一6 4 ，6 4 1 2 7 1 2 7 一6 4 ，6 4 1 2 7 8 2 5 5 1 2 8 ，1 2 8 2 5 52 5 5 。1 2 8 ，1 2 8 2 5 5 95 1 1 2 5 6 ，2 5 6 5 1 15 11 2 5 6 ，2 5 6 5 1 1 1 0 1 0 2 3 一一5 1 2 ，5 1 2 1 0 2 3 1 0 2 3 5 1 2 ，5 1 2 1 0 2 3 1 12 0 4 7 10 2 4 ，10 2 4 2 0 4 7 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 4 亮度A C 系数哈夫曼编码表 行程尺寸码长码字 0 1 0 ( E O B )41 0 1 0 0 1 1 2 0 0 0 2 2 0 1 0 A1 61 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 41 1 0 0 1 A 1 6 1 1