JPEG标准下图像压缩算法探讨

电脑知识与技术　研究开发　ＪＰＥＧ标准下图像压缩算法探讨　郭伟斌’，冯钿。。罗文村３１刘建宾　（１．汕头大学医学院第一附属医院，广东汕头５１５０４１；２．汕头市外马第四小学，广东汕头５１５０３１；３．中山大学信息科学院，广东广州　５１０２７５：４．汕头大学工学院计算机系，广东汕头５１５０６３）　摘要：图像是互联网中传输信息的重要媒介。一幅没经过任何压缩处理的原始图像会给传输和存储带采很大困难。ＪＰＥＧ图像格式是　目前最流行的图像格式，它的一个显著特点是压缩比相当高【１】。在本文笔者对ＪＰＥＧ标准下图像压缩的ＤＣＴ基准算法和ＤＰＣＭ基准算　法作了讨论和分析．为广大图像Ｊｒ－－作者提供很好的参考。　关键词：图像；压缩：算法；ＤＣＴ；ＤＰＣＭ　中图分类号：ＴＰ３９１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—３０４４（２００６）１４—０１　１　１—０２　Ｅｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｉｍａｇｅ　ｓ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＪＰＥＧ　ｓ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　ＧＵＯ　Ｗｅｉ　ｂｉｎＩ，ＦＥＮＧ　Ｔｉａｎ２，ＬＵＯ　ｗｅｎ—ｃｕｎ３，ＬＩＵ　Ｊｉａｎ～ｂｉｎ　ｆ１．Ｔｈｅ　Ｆｉｒｓｔ　Ａｆｈｌｉａｔｅｄ　Ｈｏｓｐｉｔａｌ　ｏｆ　Ｓｈａｎｔｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｒ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｃｏｌｌａｇｅ，Ｓｈａｎｔｏｕ　５１５（ｉ）４１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｈｅ　ｆｏｕｒｔｈ　ｇｒａｄｅ　ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＷａｉ—ｍａ　ｒｏａｄ，　Ｓｈａｎｔｏｕ　５１５０３１。Ｃｈｉｎａ；３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ＯｆＣｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ＧｕａｎｇＺｈｏｕ　５１０２７５，Ｃｈｉｎａ：４，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ＯｆＣｏｍｐｕｔｅｒ，　Ｓｈａｎｔｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｓｈａｌｔｏｕ　５１５０６３。Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｍａｇｅ　ｉｓ　ａｌｌ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒｓ　ｓ　ｍｅｄｉｕｍ　ｉｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｗｉｔｈｏｕｔ　Ｂｅｉｎｇ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ．Ｉｍａｇｅ　ｓ　ｔｒａｎｓｆｅｒｓ　ａｎｄ　ｓａｖｉｎｇ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｔｒｏｕｂｌｅ，　Ｊｐｅｇ　ｓ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｓ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｉｓ　ｉｎ　ｖｏｇｕｅ，ｂｅｃａｕｓｅ　ｉｔ　ｈａｖｅ　ｈｉｇｈ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　ｉｍａｇｅ．Ｉｎ　ｔｅｘｔ，ｗｅ　ｔａｌｋ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ＤＣＴ　Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　ａｎｄ　ＤＰＣＭ　Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　ｕｎｄｅｒ　ＪＰＥＧ　ｓ　ｓｔａｎｄａｒｄ．Ｔｈｅｓｅ　ｃａｎ　ｇｉｖｅ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｈｅｌｐ　ｔｏ　ｉｍａｇｅ　ｓ　ｏｐｅｒａｔｏｒ，　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｉｍａｇｅ；Ｃｏｍｐｒｅｓｓ；Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ；ＤＣＴ；ＤＰＣＭ　１引言　像数据　缩是指在满足・定图像质量的情况卜．用尽可能　少的数据量来表示图像。在计算机中『矧像在数据一般表示为Ｆ（ｉ，　ｉ）＿ｉ，ｊ＝Ｏ，ｌ，…，ｎ一１，它是经过对图像进行抽样和量化得到的，ｆＨ这种　表示存在着冗余性。罔像压缩的目的就是通过消除这种冗余性，　达到减少图像的存储空间。　ＪＰＥＧ作为一种图像压缩标准，以其优秀的压缩率和图像质　图１　ＤＰＣＭ系统原理　量，广泛地被使用在互联网ｆ２１。它采用的是有损压缩格式，删除罔　因为ＤＣＴ算法输ｍ图像的视觉效果相当好。通过它压缩后图　像中重复或不币要的资料。图像被压缩后占用的储存空间小，但　像与原图像的视觉效果儿乎一・样，所以下面重点讨论ＤＣＴ算法。　基本不影响图像存屏幕上的视觉效果．可以＿Ｉ＿｛＝Ｊ最少的磁盘守间获　由于图像的质量取决于与频率有关的ＤＣＴ系数的量化程度，　得较好的图像品质，所以ＪＰＥＧ图像格式是目前最流行的图像格　所以８ｘ８二维离散变换是ＤＣＴ基准算法的一个关键部分。在变换　式。　过程巾使用ＦＤＣＴ将８ｘ８的象素模块取样数据变成８ｘ８的ＤＣＴ　２　ＪＰＥＧ标准　的系数阵列，其中包括８ｘ８数据块取样和８ｘ８ＤＣＴ系数块协议。　ＪＰＥＧ定义了两种压缩算法：一种是离散余弦变换（ＤＣＴ），另　８ｘ８数据块取样是将输入的取样阵列分成连续的８ｘ８数据模　一种足宅问预测（ＤＰＣＭ）　ＤＣＴ算法偏重于图像的视觉效果．空间　块，其划分过程应与图像的内部表示相对应。图２表示出了８ｘ８　预测偏重于无失真编码．　．取样的水平下标（Ｉ）的设置和垂直下标（Ｊ）设置。　２．１　ＤＣＴ基准算法原理　图３表示　了与８ｘ８取样相对应的ＤＣＴ系数块协议。其排列　ＤＣＴ算法原理包括两个部分：编码器和解码器。　顺序是ＤＣ系数排在左上角，其中水平方向的排列顺序是从左到　在编码器中。８ｘ８象索取样经过ＦＤＣＴ（正向离散余弦变换）　右按频率增加．垂直方向的排列顺序是从上到下按频率增加。　成为８ｘ８的ＤＣＴ系数阵列。这些系数经过８ｘ８的量化矩阵量化　根据图２和罔３。可以采用以下算法实现对图像的压缩。　后．再经过系数到代码的转换成为一系列信息保持转换的代码。　１　０　ｌ　２　３　４　５　６　７　ｘ０　ｌ　２　４　５　６　７　８　在解码器中，那世ＤＣＴ系数经过与和编码器同级别的反量　化，再经过ＩＤＣＴ（反离散余弦变化）将８ｘ８的ＤＣＴ阵列转换成８×　８的象索取样值。　２．２　ＤＰＣＭ基准算法原理　ＤＰＣＭ算法原理同样也包括两部分：编码器和解码器。　在编码器中，先产生一个预测值，然后计算取样值与预测值　的差值．再将这些差值经过差值转化器转换成代码。在解码器中，　代码值被转换成差值，再将差值与相应的预测值相加产生一个输　出值．其中　这个输　值的失真是在差值计算的差值恢复过程中　图２　８ｘ８取样　图３　８ｘ８ＤＣＴ系数块协议　产生的。ＤＰＣＭ系统原理如图ｌ所示。　对于正向的ＤＣＴ（ＦＤＣＴ）：　３　ＤＣＴ算法模型　收稿日期：２００６—０３－０３　基金项目：汕头市重点科技计划项目（汕府科［２００５１１６１—３４）。　作者简介：鄣伟斌（１９７４一），男，广东省汕头市人，工程师，研究方向为计算机网络安全、图像处理技术和软件工程等。　１１１　Ｊ　Ｏ维普资讯 http://www.cqvip.com

・研究开发・・・・・・　电脑知识与技术　４　ｃ（ｘ）ｃ（Ｙ）∑∑Ｆ（ｉ＝０　Ｊ　。　Ｉ，Ｊ）［ｃｏｓ（２Ｉ＋１）ｌａ，＇ｒｒ／１６］ｘ［ｃｏｓ（２Ｊ＋１）　用性，能，　’泛地适用于任何分辨率、多彩色方式、多个图像单元及连　订／ｌ６】Ｆ（Ｘ，Ｙ）－￣－续色调的文本。但笔者认为。一幅具有良好视觉效果和打印效果的　压缩罔像，除了依靠优良的压缩算法外．还需取决于压缩前源图像　对于反向的ＤＣＴ（ＩＤＣＴ），我们采用如Ｆ公式：　的质量。特别是在追求高　ｒ巨缩率的情况下．源【刳像的质量是保证压　ｖ（ｉ，Ｊ）＝÷∑∑ｃ｛缩同效果的一个重要前提。甭则图像压缩效果会适得其反。　’ｉ＝Ｏ　ｊ＝Ｏ　ｘ）ｃ｛Ｙ）ｒ（ｘ，Ｙ）［ｃｏｓ（２１＋１）ｐ，￣／１６］ｘ［ｅｏｓ（２Ｊ＋１）　ｐ．￣／１６】　参考文献：　ｆ１／√２　Ｘ＝Ｏ　ｆ１／√２　Ｙ＝Ｏ　…吕耀强，于盛林．Ｄｅｌｐｈｉ中ＪＰＥＧ图像的存取【Ｊ】．电脑开发与　其中，ｃ（ｘ）　｛【　应用．２００４。１１：４１—４２．　１　ｘ≠０　Ｃ（Ｙｆ＝｛【１　　Ｙ≠０　Ｉ２１卞同春，张曦煌．基于ＤＣＴ压缩的ＪＰＥＧ网像的快速检索『Ｊ１．　Ｆ（Ｉ，Ｊ）是输Ａ／输　像素取样值，Ｖ（Ｘ，Ｙ）是ＤＣＴ系数。　计算机应用．２００５．０７：ｌ６２３—６２５．　４结论　『３】秦军，罗园明．一种基于ＤＣＴ域的图像快速检索技术Ⅲ．计算机　ＤＣＴ变换足一种应用广泛的数据压缩方法【３Ｊ，具有良好的适　系统应用．２００５，０５：２９—３　１．　（上接第１１０页）　ｖａｌｉｄａｔｅＳｉｇｎＯｎ（ｒｅｑｕｅｓｔ，ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｃｈａｉｎ）；　要保证在请求页面之前先经过Ｓｅｒｖｌｅｔ　Ｆｉｌｔｅｒ过滤。则需要对　ｒｅｔｕｒｎ；）　相应得ｗｅｂ．ｘｍｌ文件进行配置。部分配置信息如下：　∥如果进入的不是髓录页面，则判断使用者是否　录过。　＜！一一Ｆｉｌｔｅｒ声明一～＞　ｂｏｏｌｅａｎ　ｓｉｇｎｅｄＯｎ＝ｆａｌｓｅ；　＜ｆｉｌｔｅｒ＞　ｉｆ（ｈｒｅｑ．ｇｅｔＳｅｓｓｉｏｎ０．ｇｅｔＡｔｔｒｉｂｕｔｅ（ＳＩＧＮＥＤ—ＯＮ）！＝ｎｕｌ１）（　＜ｆｉｌｔｅｒ－ｎａｍｅ＞ＳｉｇｎＯｎＦｉｈｅｒ＜／ｆｉｌｔｅｒ－ｎａｍｅ＞　ｓｉｇｎｅｄＯｎ＝（（Ｂｏｏｌｅａｎ）ｈｒｅｑ．ｇｅｔＳｅｓｓｉｏｎ（）．ｇｅｔＡｔｔｒｉｂｕｔｅ（ＳＩＧＮＥＤ　ＯＮ））．　＜ｄｉｓｐｌａｙ－ｎａｍｅ＞ＳｉｇｎＯｎＦｉｈｅｒ＜／ｄｉｓｐｌａｙ－ｎａｍｅ＞　ｂｏｏｌｅａｎＶａｌｕｅ　｝　＜ｄｅｓｅｒｉｐｔｉｏｎ＞ｎｏ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ＜，ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ＞　ｅｌｓｅ｛　ｈｒｅｑ．ｇｅｔＳｅｓｓｉｏｎ０．ｓｅｔＡｔｔｒｉｂｕｔｅ（ＳｌＧＮＥＩ）＿ＯＮ，ｎｅｗ　Ｂｏｏｌｅａｎ（ｆａｌｓｅ））；　＜ｆｉｈｅｒ－ｅｌａｓｓ＞ｍｙＥＪＢ．ｅｘａｍ．ＳｉｇｎＯｎＦｉｈｅｒ＜／ｆｉｌｔｅｒ－ｃｌａｓｓ＞　｝　＜／ｉｆｌｔｅｒ＞　＃１Ｎ果已经登人．则结束此Ｆｉｌｔｅｌ・丁作。进入Ｆｉｌｔｅｒ　ｃｈａｉｎ中的　＜！一Ｆｉｌｔｅｒ作用域～＞　下一个Ｆｉｌｔｅｒ　＜ｆｉｌｔｅｒ－ｍａｐｐｉｎｇ＞　ｉｆ（ｓｉｇｎｅｄＯｎ）｛　＜ｆｉｌｔｅｒ－ｎａｍｅ＞ＳｉｇｎＯｎＦｉｈｅｒ＜／ｆｉｈｅｒ－ｎａｍｅ＞　ｃｈａｉｎ．ｄｏＦｉｈｅｒ（ｒｅｑｕｅｓｔ，ｒｅｓｐｏｎｓｅ）；　＜ｕｒｌ—ｐａｔｔｅｒｎ＞／　＜／ｕｒｌ—ｐａｔｔｅｒｎ＞　ｒｅｔｕｒｎ；｝　＜／ｉｆｌｔｅｒ－ｍａｐｐｉｎｇ＞　，／如果没有登人。则判断需求页面是否需要身份验证，若需　由Ｆｉｌｔｅｒ作用域部分配置可知，凡是请求根目录下的页面都　要则定向到登入页面　需要先经过过滤器ＳｉｇｎＯｎＦｉｈｅｒ。Ｆｉｌｔｅｒ声明中指明该Ｆｉｌｔｅｒ的实现　ｈｅｒａｔｏｒ　ｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｅｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓ．ｋｅｙＳｅｔ０．ｉｔｅｒａｔｏｒ（）；　类为ｍｙＥＪＢ．ｅｘａｍ．ＳｉｇｎＯｎＦｉｈｅｒ。　ｗｈｉｌｅ（ｉｔ．ｈａＳＮｅｘｔ０）｛　３．３　ＳｉｇｎＯｎＦｉｈｅｒ的方法实现　Ｓｔｉｒｎｇ　ｐｍｔｅｃｔｅｄＮａｍｅ＝（Ｓｔｉｒｎｇ）ｉｔ．ｎｅｘｔ（）；　Ｐｒ０ｃｅｃｔｅｄＲｅｓｏｕｍｅ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　＝（ＰｒｏｔｅｃｔｅｄＲｅｓｏｕｒｅｅ）ｐｒｏｔｅｃｔｅ－　实现过滤器最重要的便是实现ｄｏＦｉｈｅｒ（ＳｅＭｅｔＲｅｑｕｅｓｔ　ｒｅｑ，　ｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｇｅｔ（ｐｒｏｔｅｅｔｅｄＮａｍｅ）；　ＳｅｒｖｌｅｔＲｅｓｐｏｎｓｅ　ｒｅｓ，ＦｉｌｔｅｒＣｈａｉｎ　ｃｈａｉｎ）方法。验证流程如图２：　Ｓｔｉｒｎｇ　ｕｒｌＰａｔｔｅｒｎ＝ｒｅｓｏｕｒｃｅ．ｇｅｔＵＲＬＰａｔｔｅｍ０；　ｉｆ（ｎｒｌＰａｔｔｅｒｎ．ｅｑｕａｌｓ（ｔａｒｇｅｔＵＲＬ））｛　ｈｒｅｑ．ｇｅｔＳｅｓｓｉｏｎ０．ｓｅｔＡｔｔ　ｂｕｔｅ（（）ＲＩＧｌＮＡＬ＿ＵＲＬ，ｔａｒｇｅｔＵＲＬ）；　ｃｏｎｆｉｇ．ｇｅｔｓｅｌ＇、ＴｌｅｔＣ（）ｎｔｅｘｔ　（）．ｇｅｔＲｅｑｕｅｓｔＤｉｓｐａｔｃｈｅｒ　（”／”＋ｓｉｇｎＯｎ—　Ｐａｇｅ）．ｆｏｒｗａｒｄ（ｒｅｑｕｅｓｔ，ｒｅｓｐｏｎｓｅ）；　ｒｅｔｕｒｎ；｝】　／／进入下一个过滤器　ｃｈａｉｎ．ｄｏＦｉｈｅｒ（ｒｅｑｕｅｓｔ，ｒｅｓｐｏｎｓｅ）；Ｊ　如果系统需要增加其他的页面请求预处理，则可刚类似的方　法添加其他的Ｆｉｌｔｅｒ．所有的过滤器可形成过滤器链，　一个Ｆｉｌｔｅｒ　完成过滤后．可自动的进入到链中的下　个Ｆｉｌｔｅｒ进行过滤操作，　直到所有的过滤器都执行完。此模式可保证处理模块的即插即　用，而不影响核心代码。　４结束语　过滤器通常可以将不同种类的服务聚集在一起。并提供相当　灵活的服务组合。应用系统可以通过使用截取过滤器提高其重用　图２验证流程图　性，过滤器可以随时根据需要从其他程序模块中插入或移除，并　具体代码如下：　且由于它们通常具有标准的接口。开发人员可以使用一组类似的　ｐｕｂｌｉｃ　ｖｏｉｄ　ｄｏＦｉｌｔｅｒ（ＳｅｒｖｌｅｔＲｅｑｕｅｓｔ　ｒｅｑｕｅｓｔ，ＳｅｒｖｌｅｔＲｅｓｐｏｎｓｅ　过滤器，并在不同的情况下进行全组的重用，提高丁软件的可维　ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ＦｉｈｅｒＣｈａｉｎ　ｃｈａｉｎ）　护性。　ｔｈｒｏｗｓ　ＩＯＥｘｃｅｐｔｉｏｎ，ＳｅｒｖｌｅｔＥｘｃｅｐｔｉｏｎ（　参考文献：　［１　１Ｄｅｅｐａｋ　Ａｌｕｒ，Ｊｏｈｎ　Ｃｒｕｐｉ，Ｄａｎ　Ｍａｌｋｓ．Ｃｏｒｅ　Ｊ２ＥＥ　Ｐａｔｔｅｒｎｓ［Ｍ】．　／／解析用户请求页面名称　北京：科学出版社．２００４．　ｉｆ（ｉｆｒｓｔＳｌａｓｈ！＝一１１　ｔａｒｇｅｔＵＲ｜　＝ｃｕｒｒｅｎｔＵＲＬ．ｓｕｂｓｔｒｉｎｇ（ｉｆｒｓｔＳｌａｓｈ＋　ｆ２１飞思科技研发中心．Ｊａｖａ　Ｗｅｂ应用开发详解ｆＭ】．北京：电子　１．ｃｕｒｒｅｎｔＵＲＬ．１ｅｎｇｔｈ０）；　，／判断使用者进入的如果是登人页面，则进行验证工作　Ｔ业出版社．２００２．　ｉｆ（（ｔａｒｇｅｔＵＲＬ！＝ｎｕｌ１）＆＆ｔａｒｇｅｔＵＲＬ．ｅｑｕａｌｓ（ＦＯＲＭ—ＵＲＬ））ｆ　『３】李颖，王丽芳，蒋泽军．截取过滤器模式对ＭＶＣ体系结构的　优化ｆＪ１．微电子学与计算机。２００５，２２（１）：８５—８７．　１　１２　电奠知识与技术