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1、量化步长对图像压缩的影响电子技术研发ElectronicsR&D电子技术ELECTRONICTECHNoLoGY量化步长对图像压缩的影响李娟刘毅2王文静1(1.齐鲁师范学院物理系2.山东建筑大学计算机科学与技术学院)摘要:影响静止图像压缩的因素有很多方面,各方面的影响也各不相同.文章介绍了图像压缩的基本知识和量化步长对图像压缩的影响,并通过仿真实验给出了不同量化步长情况下的压缩图像.关键词:量化;图像压缩;JPEG2000TheImpactofQuantizationStepSizeonImageCompressionLiJuanLiuYiWangWenjing(1.Departmen
2、tofPhysics,QiluNormalUniversity2.SchoolofComputerScienceandTechnology,ShandongJianzhuUniversity)Abstract:Therearemanyfactorswhichwouldaffectstillimagecompression,andtheirimpactsaredifferent.ThisarticledescribesthebasicsofimagecompressionandtheimpactofQuantizationStepSizeonimagecompression,andwegives
3、omecompressedimagesaffectedbydifferentQuantizationStepSizesthroughsimulationexperiments.Keywords:quantization;imagecompression;JPEG2000O引言随着计算机多媒体技术的飞速发展,用数字图像传递信息具有很多优势,例如数码相机,手机,扫描仪和彩色打印机,都要求图像的质量和传送速度能够满足人们的需求.人类获取到的信息80%来源于图像媒体,15%来源于语音1l.但是图像最大的缺点就是数据量非常大,这将妨碍它的存储,传输和处理.因此,图像在存储和传输前通常要进行不同形式的数据
4、压缩处理.1图像压缩图像压缩的目的就在于减少数据存储空间,提高传输速率和节约费用.当前网站上的图像大部分采用JPEG的压缩标准.JPEG压缩标准包括了无损压缩算法和有损压缩算法,分别基于DPCM(差分脉冲编码调制)和离散余弦变换(DCT)区块编码和霍夫曼(Huffman)编码,其缺点是容易使压缩图像出现方块效应和飞蚊噪声.JPEG2000采用了嵌入式编码技术和离散小波变换,增加了JPEG所不具有的新功能.JPEG2000支持有损压缩和无损压缩,当压缩比为200:1时质量仍然比较好,相当于JPEG的压缩比为20:1时的图像质量.因此本文的仿真实验采用了JPEG2000标准进行压缩编码.JPEG2
5、000编码原理框图如图l所示.广+同+1:匿堙:lll图1JPEG2000编码框图JPEG2000编码的步骤基本上包括:将彩色图像分解成单一颜色分量的图像后把图像分解成矩形图像片,然后进行小波变换,再对小波变化后的小波系数进行量化并得到矩形的编码块,之后是位平面熵编码,这样得到压缩图像的编码.编码之后对应解码的问题,为了使解码后的图像与原始图像相比能最大限度地不失真,其中每一步骤中还可能包含附加的步骤.由图1可以看出,JPEG2000对需要压缩的图像进行预处理和离散小波变换后对小波系数进行量化.量化是图像压缩编码非常重要的一部分.下面就量化进行讨论和仿真实验.62量化2.1量化的基本概念量化(
6、Quantization)是把要压缩的图像的数据经过一定的变换再生成一组有限个符号.量化是一种映射,而且是多到一,不可逆的映射.若量化是对映射后的数据逐个地进行的,则称为标量量化,一般有均匀量化和非均匀量化两种.若量化是成组地进行的,则称为矢量量化2l.一般来说,标量量化可以获得较好的重构图像,但是压缩比偏低;矢量量化压缩比大,压缩速度慢且重构图像不是很理想.可以根据不同子带的能量多少和它们之间的相关性,选择合适的量化方法|3l.标量量化(SQ)是将PCM(脉冲编码调制)数据映射到一个量化区域,同时用该区域某些点的值来替代实际值.SQ并没有考虑小波系数之间的相关性,算法简单,相对压缩比不高.S
7、Q可以用下式表示:sign式中,sign(x)为符号函数,为小波系数,为量化步长.2.2JPEG2000标准中的量化由于人眼的视觉特性中,人眼的分辨力有一定的限度,我们可以通过一定的量化来减小小波变换系数的精确度,这样可以使人们对图像的主观评价并不降低,但是可以使图像得到压缩.量化的关键是设计合理的量化步长.我们需要根据不同图像的各种特征,人们的主观要求等因素来设计量化步长.在JPEG2000标准中,划分了很多的子带,对每一个子带有且仅有一个量化步长,可以与其他子带的步长大小不同.经过离散小波变换后的小波系数需要进行量化.JPEG2000大部分都是采用标量量化,而且是均匀量化,不同子带的量化步
8、长一般不同.JPEG2000的量化器的一个特殊之处在于它引入了一个死区(deadzone)的概念,deadzone的宽度都是其他步长的2倍.先用较小的步长对信号进行细致的量化,然后依据用户的需求,采用不同的宽步长(一般为量化步长的2的幂次方倍)进行逆量化,仅解码原索引中重要性较高的若干位,以提供给用户不同质量的图像5l.经过JPEG2000的量化以后,每一个小波系数可以用子技术研发ElectronicsR&D电子技术和幅值两部分来表示.我们需要对量化后的小波系数熵编码.基本是所有的量化操作是有损的,会产生量差.只有当量化步长是1,并且小波系数都是整数时损压缩.3仿真实验本文在选用图像时
9、考虑到为了使仿真实验效果更明所以选用较大的彩色图像作为原始图像,其大小为799,PPM格式下的大小为475080.量化的关键是选择合适量化步长,本文选择了18组的量化步长,同时给出了三组典型量化步长情况下的与原始图像进行比较.表1不同量化步长情况下的参数比较序号量化步长匪缩后的比特率压缩后的大小压缩比l0.OO781252.4763O9549Ol79.69200082.437O564824O9853O.0092.23O835744l5810.764O.O12.O545234066811.6850O21.165684723O7420.596O.O3O.818OlOl51619229.3470.0
10、4O.633OO811253037928O.O5O.518783751O26946.269O,O6O.44295412876854181O0.07O.38773647675619ol1O.O80.3442392681469.7212O.O9O.3O973446613l77.4913O.1O0.283818561884.5614O.1l0.259518l8513792.4815O.120.24057339476299.7616O.13O.2245O82344441O6I90170.14O.212l3O9841991l3.14l80,150.19985476395612OIo9(a)原始图像(b)
11、step=0.02(c)step=O.08(d)step=O.14图2原始图像与三组典型量化步长情况下的压缩图像我们根据仿真实验进行分析可以得到如下结论:1)由表1不同量化步长情况下参数比较的实验数据分析,量化步长从0.0078125(注:此数据为JPEG2000标准仿真软件中的最小量化步长)开始逐渐变大,一直增大No.15,此时图像的大小从49017逐渐变小U3956,压缩比从9.69变化到120.09,图像大小和压缩比的变化非常明显,同时给出了压缩后的比特率.2)从图2(a)原始图像与三组典型量化步长情况下的压缩图像比较中可以看出,量化步长越大,图像越模糊,图2(b)中量化步长为0.o2时
12、,人眼很难分辨出压缩图像与原始图像的差别;图2(C)中量化步长为0.08时,我们仍然可以认为图像清晰度符合我们的要求;图2(d)中量化步长为0.14时图像的细节部分(对应高频成分)已经比较模糊,压缩了113.14倍,但是人脸仍然能辨别,可见在人们对图像要求不高或者比较熟悉的图像时,增大量化步长可以节省存储和传输的空间.如果人们对图像清晰度要求比较高时,可以采用小一些的量化步长,同时考虑从影响图像压缩的其他方面来获得高的压缩比.4结束语静止图像的存储和传输一直是人们非常关注的问题,图像压缩可以节省图像的存储空问和传输时间,图像的压缩和解压缩技术是多媒体技术中的关键技术之一.而量化技术在静止图像压
13、缩编码技术中处于非常重要的地位,我们还需要进一步研究和讨论,其中还有很多的理论和实际问题有待于进一步解决.参考文献:1邓兴才.基于矢量量化图像压缩的算法与改进D.成都:电子科技大学,2009.2庞振鹏.基于小波变换的静止图像压缩编码研究D郑州:河南工业大学,2010.3刘丹蕾,陈善学,韩静宇.一种基于小波变换和矢量量化的图像压缩算法J.数字通信,2009(8):1-3.4唐国维.嵌入式小波图像编码算法及应用研究D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010.5吴贤宇.基于EBCOT的JPEG2000压缩方法概述J.计算机与现代化,2008(9):106109.作者简介:李娟,齐鲁师范学院,硕士手机:13176673978电子信箱:联系地址:山东省济南市历下区历山路36号齐鲁师范学院物理系李娟收(250013)