（毕业论文 字数：18977页数：42）摘 要：JPEG压缩方法由于其较高的压缩比和理想的压缩效果，是目前应用最广泛的图像压缩方法。它采用一种特殊的有损压缩算法，将不易被人眼察觉的图像颜色删除，从而能够将图像压缩在很小的储存空间。JPEG压缩技术十分先进，它用有损压缩方式去除冗余的图像数据，在获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像，换句话说，就是可以用最少的磁盘空间得到较好的图像品质。
本文对JPEG图像压缩方法进行了基本介绍，包括它的发展历史，现阶段的研究情况，压缩原理等。其中重点介绍了哈夫曼编码和游程编码的基本原理和在JPEG压缩编码算法中的具体应用，以及以变换编码方法为例，介绍了离散余弦变换（DCT）的基本过程。最后介绍了用VC++编写JPEG压缩程序所涉及到的几个基本模块，从而实现了BMP图像和JPEG图像的相互转换，这也是最主要的编程思想和依据。

关键词： 图像压缩,JPEG,DCT,哈夫曼编码,行程编码

ABSTRACT ：JPEG compression is the most widely used image compression method because of its higher compression ratio and ideal compression effect. It uses a special lossy compression algorithm and deletes colors of images that is not detected easily by human eye, thus images can be compressed in a small storage space. JPEG compression technology is very advanced, it is used lossy compression methods to remove redundant image data. Thus, high compression ratios can be got, at the same time, a very rich and vivid images can be displayed, in other words, it is possible to get better image quality with the least disk space.
The paper introduces the JPEG compression algorithm firstly, including its history and the basic situation of this stage, compression principle, and so on. Referring to the JPEG compression method, the paper focuses on the basic tenets of Huffman coding and run-length coding and their specific application in JPEG compression algorithm. To transform coding method as an example, it introduces the discrete cosine transform (DCT) the basic process. Finally, Using the VC + +, it involves several basic modules of JPEG compression process and realizes the BMP images and JPEG image conversion, which is the most important ideological basis for programming.

KEY WORDS：Image compression, JPEG, DCT, Huffman coding, run-length coding

目 录


摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 图像压缩的意义 1
1.2 JPEG图像压缩的国际标准 2
1.3 本论文的研究内容 3
第二章 JPEG图像压缩技术基础研究 4
2.1 JPEG图像压缩技术 4
2.2 JPEG压缩中图像文件的格式 5
2.2.1 BMP图像的格式 5
2.2.2 JPEG图像格式 8
2.3 本章小结 8
第三章 JPEG图像压缩相关算法及实现 9
3.1 JPEG图像压缩编码方法 9
3.1.1 哈夫曼编码的原理 10
3.1.2 哈夫曼编码在图像压缩中的实现 11
3.2 JPEG图像压缩原理 13
3.2.1 前向DCT变换 14
3.2.2 量化 15
3.2.3 使用哈夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码 16
3.3 本章小结 19
第四章 JPEG图像压缩的设计与实现 20
4.1 总体设计 20
4.1.1设计思想 20
4.1.2 模块设计 20
4.2 JPEG图像压缩软件的实现 21
4.2.1 BMP图像的读入、显示模块 22
4.2.2 DCT量化编码模块 25
4.2.3 组成位数据流模块 29
4.2.4 JPEG图像存储模块 31
4.2.5 解压缩模块 31
4.3 软件应用 32
4.4 压缩效果的评价 33
4.4.1 压缩效果理论分析 34
4.4.2 压缩效果实际分析 34
4.5 本章小结 35
第五章 总 结 36
5.1 JPEG图像压缩结论 36
5.2 JPEG图像压缩前景分析 36
参考文献 38
致 谢 39




第一章 绪论
1.1 图像压缩的意义

人类社会已经进入信息时代了，在这个时代，人们每天都可以通过各种手段（如PDA、网络、电视、广播等等）获得大量的信息，而信息的本质，就要求交流和传播，在有必要的时候还要进行储存。在大量信息给人们生活增加了更多色彩的同时，随之而来的问题就是，如何利用有限的传输和储存资源来传输和保存更多的信息，这就要用到压缩数据的方法。具体的说，数据压缩的意义[1]有以下几个方面：首先是为了减少存储容量，以利信息的保存。如果说数据库是一个桶，那么单位数据的体积越小，同一数据库存储的信息也就越多。一般的卫星图像的4个信道的平均压缩比为2，也就是说，同一容量的数据库可以成倍地增加有效库存。其次是有利于数据传输。由于数据压缩是一种“去伪存真，去粗取精”的筛选，又由于可以用“代码”表示一组数据，所以压缩后的数据非常“精干”，这样就可以极大地减少必须传输的数据量，以满足人眼和机器分析的要求。第三是便于特征提取，以利计算机模式识别。如用计算机对卫星图像中不同类型的农作物进行分类时，使用图像压缩方法，只要考虑区分植物与非植物的特征以及区分植物类型特征即可，从而减少了数据量又满足了实际需要。数据压缩技术经过几十年的发展，现在来说还是比较成熟的。
而在介绍图像的压缩编码之前，先考虑一个问题：为什么要压缩？其实这个问题不用我回答，你也能想得到。因为图像信息的数据量实在是太惊人了。举一个例子就明白：一张A4(210mm×297mm) 幅面的照片，若用中等分辨率(300dpi)的扫描仪按真彩色扫描，其数据量为多少？让我们来计算一下：共有(300×210/25.4) ×(300×297/25.4)个象素，每个象素占3个字节，其数据量为26M字节，其数据量之大可见一斑了。
如今在Internet上，传统基于字符界面的应用逐渐被能够浏览图像信息的WWW(World Wide Web)方式所取代。WWW尽管漂亮，但是也带来了一个问题：图像信息的数据量太大了，本来就已经非常紧张的网络带宽变得更加不堪重负，使得World Wide Web变成了World Wide Wait。总之，大数据量的图像信息会给存储器的存储容量，通信干线信道的带宽，以及计算机的处理速度增加极大的压力。单纯靠增加存储器容量，提高信道带宽以及计算机的处理速度等方法来解决这个问题是不现实的，这时就要考虑压缩。
压缩的理论基础是信息论。从信息论的角度来看，压缩就是去掉信息中的冗余，即保留不确定的信息，去掉确定的信息(可推知的)，也就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有冗余的描述。这个本质的东西就是信息量(即不确定因素)。
图像压缩一般通过改变图像的表示方式来达到，因此压缩和编码是分不开的。图像压缩的主要应用是图像信息的传输和存储，可广泛地应用于广播电视、电视会议、计算机通讯、传真、多媒体系统、医学图像、卫星图像等领域。


1.2 JPEG图像压缩的国际标准

图像数据文件的格式有很多，如GIF、TIFF、PCX、TGA、BMP、JPG等。其中BMP图像对于原始的图像数据(直接来自于CCD数码相机)不压缩或压缩比例很小。JPEG由于有较高的压缩比，被广泛地应用于多媒体和网络程序中，例如HTML语法中选用的图像格式之一就是JPEG（另一种是GIF）, 目前网站上百分之八十的图像都是采用JPEG的压缩标准。美国国防部及情报部门亦采用此标准为各部门间交流图像资料的标准格式。JPEG全名为Joint Photographic Experts Group，它是一个在国际标准组织(ISO)下从事静态影像压缩标准制定的委员会，它和国际电信同盟(ITU)下属的国际电话与电报顾问委员会（CCITT）及国际电工委员会（IEC）合作，共同制定出了第一套国标静态影像压缩标准：ISO/IEC 10918-1，也被称作CCITT Rec.T.81，就是俗称的JPEG，它被公布于1992年9月份。
随著多媒体应用领域的激增，传统JPEG压缩技术已无法满足人们对多媒体影像资料的要求。因此，更高压缩率以及更多新功能的新一代静态影像压缩技术JPEG 2000就诞生了。JPEG 2000与传统JPEG最大的不同，在于它放弃了JPEG所采用的以离散余弦转换(Discrete Cosine Transform)为主的区块编码方式，而改用以小波转换(Wavelet transform)为主的多解析编码方式。小波变换的主要目的是要将影像的频率成分抽取出来。JPEG2000中只采用了数学编码。编码的基本单位变为TILE，它可以任意大小甚至是整幅图像，TILE越大，压缩的效果越好，但对系统缓存的要求也就越高。JPEG2000的于JPEG相比增加了不少新的功能，如对图像中细节较多或较为感兴趣的区域（形状与大小可以是任意的）进行高精度的无损编码、很强的容错性、支持水印等。JPEG2000的许多优点和新的功能都是建立在复杂的计算与较大的缓存基础上，因此其速度与JPEG相比要慢许多。
JPEG-LS[2]（JPEG-Lossless）标准是JPEG组织在1997年制定的连续色度（Continuous-tone）图像的无损压缩标准，它的无损压缩效果与JPEG2000相当，但算法相对简单。它的压缩原理也是基于预测，误差编码，但它的预测器要比JPEG中的复杂，并根据预测误差符合双边几何分布（Two-sided geometric distribution）的推论对误差进行修正，同时它对即将编码的像素的背景（Context）也进行建模以提高预测精度。


1.3 本论文的研究内容

1.JPEG图像压缩意义和现状.
2.JPEG压缩方法的原理及实现的具体步骤。
3.通过试验，主要观察JPEG有损压缩方法对图像的压缩效果。
4.哈夫曼编码是种常用的熵编码方法，论文中分析了它的原理和在图像压缩中应用。