数字图像小波压缩算法的研究毕业论文.doc
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1、 课程设计报告 课程名称:通信系统课程设计设计题目: 数字图像小波压缩算法的研究 系 别: 通信与控制工程系 专 业: 通信工程 班 级: 通信2班 学生姓名: 学 号: 07416221、07416238、07416239 起止日期:2010年12月20日-2011年1月2日 指导教师: 摘 要随着计算机网路和多媒体技术的迅猛发展,人们对图像信息要求越来越高,对图像信息传输的量也有很高的期盼。数字图像信息的丰富,是人类认识世界的重要信息来源,但是图像数据的量是很庞大的,这就迫切的需要对图像数据进行压缩编码处理。图像压缩编码长期以来利用离散余弦变换(DCT)作为变换编码的主要技术,然而利用DC
2、T变换存在明显的方块效应,而且要进一步提高压缩性能很困难。小波变换由于具有能够有效地描述非平稳信号的独特优点而成为当前图像压缩编码的主要方向。本论文主要对目前已有的小波变换图像压缩方法进行了一些总结和归纳。关键词:图像压缩;小波变换;小波基目 录1.课题背景及目的52.国内外研究状况63.基于小波变换的图像压缩与编码73.1 引言73.2 小波变换73.3 常用的小波函数83.3.1 Haar小波93.3.2 Daubechies(dbN)小波系93.3.3 Biorthogonal(bior Nr.Nd)小波系93.3.4 Symlets(symN)小波系103.3.5 Coiflet(co
3、ifN)小波系103.4 小波变换压缩算法步骤103.5 小波基的选择114.小波变换实验结果与分析124.1 第一次小波压缩134.2 第二次小波压缩144.3 特性分析及本章总结15致谢17参考文献17附录 基于小波变换图像压缩的MATLAB程序19191. 课题背景及目的随着数字通信,计算机网络以及多媒体的飞速发展,多媒体通信的发展态势越来越强。据统计,在人类感觉器官接受的各类信息中,视觉占了70%。这类视觉信息经过数字化后,如果不进行压缩,其数据量是巨大的,将占用极大的存储空间和信息带宽,这与当前硬件技术所提供的计算机存储资源和网络带宽之间有很大的差距。因此,图像压缩成为解决多媒体通信
4、的问题的一个关键环节。从本质上来说,就是要处理的图像源数据用一个的规则交换组合,从而达到以尽可能少的代码(符号)来表示尽可能多的数据信息的目的。压缩通过编码来实现,或者说编码带来压缩的效果。根据目前网络多媒体通信的现状和发展趋势,在将来相当长的一段时间内,数字化的媒体数据以压缩形式存储和传输将是唯一选择。由图像作为传递信息的媒体和手段是十分重要的。在多媒体计算机系统、电子出版、视频会议、数字化图书馆等许多领域,数字图像都有着广泛的应用。然而用以表示这些图像的数据量很大,使得存储成本很高,尤其不能满足现今网络环境下进行多媒体通信的需求。在这样的背景下,图像编码理论越来越受到广泛的关注,并且迅速发
5、展起来。小波分析是傅立叶分析发展史上的一个里程碑,被誉为“数学显微镜”。作为一种多分辨率分析方法,小波分析具有很好的时频局部化特性,特别适合按照人眼视觉特性设计图像编码方法,也非常有利于图像信号的渐进传输。在实际应用中,基于小波变换的图像编码,在压缩比和编码质量方面均优于传统的DCT变换编码。提升小波变换的提出,为小波图像编码又注入了新的活力,与传统的小波变换相比,它不依赖于傅立叶变换,计算简单,时间、空间复杂度低,易于实现,被称为第二代小波变换。而且,随着各种高效的小波系数量化方法的提出,基于小波的图像编码方法的发展越来越迅速,并取得了非常好的效果。所以,在新的国际编码标准JPEG2000和
6、MPEG-4中都采用了基于小波变换的图像编码方法。同样,嵌入式零树小波编码(Embedded Zerotree Wavelet Coding,EZW)是一个简单的算法,可以直接产生嵌入式码流,不需要训练码本,且在所要求的精度下随时可以结束编码,因而有很好的发展和应用前景。近几年来,国内外的学者们不断的研究发现这种算法本身还存在着缺陷和不足,还有很多地方值得我们去改进和进一步研究,其对算法的改进将是静态图像嵌入式编码算法领域的一个主要研究方向1。2. 国内外研究状况自二十世纪八十年代以来,小波变换因其特有的与人眼视觉特性相符的多分辨率分析能力及方向选择能力,而被广泛地应用于图像编码领域,取得了很
7、大的成功。图像经小波变换后,并没有实现压缩,只是对整幅图像的能量进行了重新分配。事实上,变换后的图像具有更宽的范围,但是大部分数据被集中在一个小区域内,而在很大的区域中数据的动态范围很小。小波变换编码就是在小波变换的基础上,利用小波变换的这些特性,采用适当的方法组织变换后的小波系数,实现图像的高效压缩。熵编码主要有游程编码、霍夫曼编码和算术编码等。而量化为小波编码的核心,其目的是为了更好的组织图像经小波变换后的系数,以实现高效压缩。目前,基于小波变换的图像编码方法的研究热点有以下几个方面:小波基的选择:选择最优小波基用于图像编码是一个非常棘手的问题,迄今为止尚未发现统一的标准。但还是存在一些可
8、以参考的原则,例如:正交小波基的平滑性与消失矩对图像压缩效果有一定影响,并且平滑性的影响要高于消失矩;由于滤波器长度决定了计算量的大小和边界扩展所引起的失真度大小,应选择适中的滤波器长度。整数小波变换:整数小波变换是一种真正意义的无损可逆小波变换,因而它适合于图像的无损压缩。在新的国际编码标准JPEG2000和MPEG-4中都采用了基于整数小波变换的图像编码方法。小波系数量化方法:现有的量化方法主要集中在标量量化和矢量量化两个方面。在标量量化方面,Shpiro于1993年提出的零树小波算法是迄今为止最为有效的方法,这种方法很好地利用了小波系数的特性,既实现了高的压缩比,又保证了重建图像的质量。
9、在对EZW算法改进的基础上Said和Pearlman提出了SPIHT算法这种方法仍然采用树状结构来组织小波系数,所不同的是利用集的划分来进行编码,虽然这种方法更为有效,但运算过程中需要大量的内存,硬件实现起来困难。矢量量化方法是由Antonini等人首次提出的、利用格型矢量量化进行小波系数编码,取得了良好的效果2。3. 基于小波变换的图像压缩与编码3.1 引言前文所述的压缩编码方法如预测编码、变换编码、结构编码和分形编码等,这些方法都各有优缺点和适用范围。其中变换编码中的离散余弦变换(DCT)己被广泛地应用于包括国际静止图像编码标准REG在内的多项压缩算法的实现中。DCT变换具有运算速度快和在
10、中等压缩比下有好的压缩效果等特点。但由于DCT变换将原始图像划分为固定尺寸的块,这不仅会使一些细节失真甚至丢失,还会产生方块效应,严重地影响了重建图像的视觉效果。在前文的实验中,本文己经就此做出了详细的阐述,因此,本文在寻找一种既没有方块效应,又与图像压缩自身特点相适应的高效的图像压缩方法。基于小波变换的图像压缩方法就是满足上述要求的一种方法。小波应用于图像压缩编码,使得图像的压缩比高,压缩速度快。但由于小波应用于图像编码时间还不长,许多工作还处于探索阶段。今后还有很多需要研究,如:活动图像小波编码,人眼视觉特性的充分利用,多小波变换的应用等。从本文的研究结果可看到,小波技术应用于图像已获得了
11、较好的编码效果3。小波分析图像压缩技术一般通过选取合适的小波基,利用Mallat算法把原始图像分解成多个子带,图像数据将主要集中在低频部分。结合人的视觉特征,选用非线性量化方法对各子带分别量化,再进行压缩编码,可得到很高的压缩比。量化是小波压缩的核心部分,它在不严重影响视觉效果的前提下,使高频成分削弱,提高压缩比,而对量化结果的压缩编码(如游程编码和熵编码)一般是无损的。3.2 小波变换变换压缩方法在图像压缩中起着非常重要的作用。它首先将图像信号变换到另一个域中,然后再在这个变换域中对图像进行量化、编码和传输。在该变换域中,图像的重要信息(即能量)大都集中在少数的变换系数上。对这少数的变换系数
12、进行编码,就可以达到图像压缩的目的。有很多的数学变换方法可以用于图像的压缩,如传统的DCT变换和傅立叶变换等,目前常用的是一种新型的数学工具小波变换4。小波变换是80年代后期才开始兴起的,由于它具有很好的时域一频域局部化特性,随即被广泛地应用于信号处理领域,并被成功地引入图像的压缩算法之中,取得了很好的压缩效果,引起了从事图像压缩研究的科研人员的广泛重视。特别是ShaprioJM等人提出的嵌入式零树小波算法(EZW),是目前公认的静态图像变换压缩编码的最好的方法之一。小波变换是一种变分辨率的分析方法。它对高频信号采用小时窗,对低频信号采用大时窗进行分析。这正好与自然界中高频信号一般持续时间短,
13、而低频信号持续时间较长的时频分布特性相吻合,非常适合于图像处理。基于小波变换的图像压缩方法通常比基于DCT的JPEG有更好的执行效果11,特别是在高压缩比的情况下。3.3 常用的小波函数与标准傅立叶变换相比,小波分析中所用到的小波函数具有不唯一性,即小波函数具有多样性。但小波分析在工程应用中一个十分重要的问题是最优小波基的选择问题,这是因为用不同的小波基分析同一个问题会产生不同的效果,目前主要是通过用小波分析方法处理信号的结果与理论结果的误差来判定小波基的好坏,并由此选定小波基。根据不同的标准,小波函数具有不同的类型,这些标准通常有:(1)当时间或频率趋向无穷大时,从一个有限值收敛到0的速度。
14、(2)对称性。它在图像处理中对于避免移相是非常有用的。(3)和 (如果存在的情况下)的消失矩阶数。它对于压缩是非常有用的。(4)正则性。它对信号或图像的重构以获得较好的平滑效果是非常有用的。在众多小波基函数(也称核函数)的家族中,有一些小波函数被实践证明是非常有用的。我们可以通过waveinfo函数获得工具箱中小波函数的主要性质,小波函数和尺度函数可以通过wavefun函数计算,滤波器可以通过wfilters函数产生。在本节中,我们主要介绍一下MAT LAB中常用到的小波函数5。3.3.1 Haar小波Haar函数是在小波分析中最早用到的一个具有紧支撑的正交小波函数,同时也是最简单的一个函数,
15、它是非连续的,类似一个阶梯函数。Haar函数与下面将要介绍的dbl小波函数是一样的。Haar函数的定义为: 尺度函数为:3.3.2 Daubechies(dbN)小波系Daubechies函数是由世界著名的小波分析学者Inrid Daubechies构造的小波函数,除了dbl外,其他小波没有明确的表达式,但转换函数h的平方模是很明确的。DbN函数是紧支撑标准正交小波,他的出现是离散小波分析成为可能。假设,其中为二项式系数,则有:其中,小波函数和尺度函数的有效支撑长度为2N-1,小波函数俨的消失矩阶数为N。dbN大多数不具有对称性,对于有些小波函数,不对称性是非常明显的。正则性随着序号N的增加而
16、增加。函数具有正交性。Daubechies小波函数提供了比Hear组更有效的分析和综合。Daubechies系中的小波基记为dbN, N为序号,且N=1,2,., 10。3.3.3 Biorthogonal(bior Nr.Nd)小波系Biorthogonal函数系的主要特性体现在具有线性相位性,它主要应用在信号与图像的重构中,通常的用法是采用一个函数进行分解,用另外一个小波函数进行重构。众所周知,如果使用同一个滤波器进行分解和重构,对称性和重构的精确性将成为一对矛盾,而采用两个函数,将有效的解决这个问题。设函数用于信号分解,而函数用于信号重构,则分解和重构关系式为另外,和之间具有二元性这样,
17、利用函数的特性,在信号分解时可以获得一些很好的分解性质,而利用的特性,在信号重构时又可获得一些很好的重构性质。Biorthogonal函数系通常表示成bior Nr. Nd的形式:Nr= 1 Nd=1,3,5Nr= 2 Nd= 2, 4, 6, 8Nr= 3 Nd= I,3, 5, 7, 9Nr= 4 Nd= 4Nr= 5 Nd= 5Nr= 6 Nd= 8其中,r表示重构(Reconstruction) ,d表示分解(Decomposition)。3.3.4 Symlets(symN)小波系Symlets函数系是由Daubechies提出的近似对称的小波函数,他是对db函数的一种该进。Syml
18、ets函数系通常表示为symN(N=2,3. , 8)的形式。3.3.5 Coiflet(coifN)小波系coiflet函数是由Daubechies构造的一个小波函数,它具有coifN(N=1,2,3,4,5)这一系列。Coiflet具有比dbN更好的对称性。3.4 小波变换压缩算法步骤基于小波变换的图像压缩算法通常分为如下3个步骤:小波变换、量化和编码。(1)对原始图像进行小波变换。选择合适的小波基,将图像分解为2个部分,即低频平滑部分(LL)和高频细节部分(LH, HL, HH),共4个子图像。其中,LH, HL, HH分别对应于图像的水平方向、垂直方向及对角线方向的边缘和细节。这个分解
19、过程可重复地用于分解LL部分。图像的二级小波分解如表3.1所示:表3.1 图像二级小波分解LL2HL2HL1LH2HH2LH1HH1(2)对变换系数进行量化。量化方法主要有矢量量化、标量量化和零树量化等。矢量量化能得到较高的压缩比,但压缩时间较长且重建图像的质量较差;标量量化能保持较高的重建图像质量,但压缩比较低;零树量化则充分利用了小波变换的优秀的时域一频域局部化特性,及各方向上分解系数间的相关性,取得了很好的压缩效果。该方法已被应用于许多图像压缩算法之中。(3)对量化后的系数进行编码。将量化后的系数转化为字符流,使所得字符流的熵尽可能的小。由表3.1可以看出,若原始图像的大小为NN,经过一
20、级小波变换之后,得到的4个子图像的总和仍为NN,亦即小波变换之后的数据量与原始图像的数据量是相同的。但变换之后的数据能量更集中,更有利于图像的压缩。实际的压缩工作是在量化过程中完成的。量化是基于小波变换的图像压缩方法的关键所在。这里所用的量化方法则如下:对矩阵X进行量化编码,返回矩阵X的一个编码矩阵,在编码中,把矩阵X中元素绝对值最大的映射为NB, NB是我们所设定的量化后的矩阵的最大整数值,绝对值最小的映射为1,其他元素依其绝对值的大小在1与NB中排列。所得矩阵就是量化编码矩阵6。3.5 小波基的选择小波基的选择直接影响着变换的复杂性以及压缩和重构图像误差的可接受性。由于离散小波变换可由信号
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