《2022年基于哈夫曼编码的图像编解码系统设计及实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年基于哈夫曼编码的图像编解码系统设计及实现.docx（29页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精品学习资源课程设计任务书同学姓名：王鸣专业班级：信息 sy1001 班指导老师：魏洪涛工作单位：信息工程学院题 目:基于哈夫曼编码地图像编解码系统设计及实现初始条件：运算机Windows8 操作系统MATLAB7.8.0 软件要求完成地主要任务 :设计哈夫曼编码地图像编解码系统、利用软件编写程序、仿真实现欢迎下载精品学习资源时间支配：第 1-18 周：理论讲解第 19 周：理论设计，试验室安装调试以及撰写设计报告欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源答辩：时间： 7 月 2 日地点:鉴主 15 楼通信试验室四欢迎下载精品学习资源指导老师签名：年月日系主任（或责任老师）签名：年月日欢迎下载精
2、品学习资源目录目录.I.摘要IIABSTRACT .I.I.I.1 引言.1.1.1 图像数据压缩地目地 .1.1.2 图像数据压缩地原理 .1.1.3 常用地压缩编码方法 32 哈夫曼编码 .3.2.1 哈夫曼编码简介 .3.2.2 哈夫曼编码步骤 32.3 哈夫曼编码地缺点 .5.3 基于哈夫曼编码地图像编解码系统地程序设计.6.3.1 分块程序设计分析 .6.3.2 主程序 .8.3.3 程序函数 .8.3.3.1 编码函数 .8.3.3.2 解码函数 .1 2.3.3.3 符号概率运算函数 .1 3.3.3.4 节点添加函数 .1 4.3.3.5 解码返回符号函数 .1 4.4 系统仿
3、真结果 .1.5.4.1 程序运行结果 .1 5.4.2 程序运行结果分析 .1 6.5.总结.1.8.参考文献 .1.9.欢迎下载精品学习资源摘要本论文第一介绍了图像压缩相关学问 .随后，分析概述了哈夫曼压缩编码地原理及方法，并采纳 MATLAB 软件对两幅图片进行压缩编码程序设计，获得压缩信息及哈夫曼编码表，分析压缩后地图像像素数据及压缩比.关键词： 图像压缩； MATLAB ；哈夫曼编码；无损压缩编码欢迎下载精品学习资源ABSTRACTThis paper firstly introduces the theoretical knowledge of image compression.
4、 Then, it analyses the principle and method of Huffman coding and using Huffman coding principle andmethods, compression coding design is made for two images on the MATLAB software. Also gain the compression information and Huffman coding table. What s momrea, gceompipxreelsdsaetda i and compression
5、 ratio are analyzed.Key words： Image compression； MATLAB ； Huffman encoding； Lossless compression coding欢迎下载精品学习资源1 引言1.1 图像数据压缩地目地数字图像通常要求很大地比特数，这给图像地传输和储备带来相当大地困难 .要占用许多地资源，花很高地费用 .一般原始图像中存在很大地冗余度 .例如 1；一幅 512x512 地灰度图象地比特数为 512x512x8=256k .例如 2；一部 90 分钟地彩色电影，每秒放映 24 帧.把它数字化，每帧 512x512 象素，每象素地 R、G
6、、B 三重量分别占 8 bit，总比特数为 90x60x24x3x512x512x8bit=97,200M.例如 3：一张 CD 光盘可存 600 兆字节数据，这部电影光图像（仍有声音）就需要 160张 CD 光盘用来储备 .所以，对图像数据进行压缩显得特别必要 .而通常用户通常答应图像失真；当信道地辨论率不及原始图像地辨论率时，降低输入地原始图像地辨论率对输出图像辨论率影响不大；用户对原始图像地信号不全都感爱好，可用特点提取和图像识别地方法，丢掉大量无用地信息；提取有用地信息，使必需传输和储备地图像数据大大削减 .在以上地条件下，其为数据压缩供应了可能性 .图像数据压缩地目地是在满意肯定图像
7、质量条件下，用完可能少地比特数来表示原始图像，以提高图像传输地效率和削减图像储备地容量 .在信息论中称为信源编码 .1.2 图像数据压缩地原理对数字图像进行压缩通常利用两个基本原理 :一是数字图像地相关性 .在图像地同一行相邻象素之间，相邻象素之间，活动图像地相邻帧地对应象素之间往往存在很强地相关性，去除或削减这些相关性，也即去除或削减图像信息中地冗余度也就实现了对数字图像地压缩 . 帧内象素地相关称做空域相关性 .相邻帧间对应象素之间地相关性称做时域相关性 .二是人地视觉心理特点 .人地视觉对于边缘急剧变化不敏锐 视觉掩盖效应 ，对颜色辨论力弱，利用这些特点可以在相应部分适当降低编码精度而使
8、人从视觉上并不感觉到图像质量地下降，从而达到对数字图像压缩地目地 .图像压缩是通过删除图像数据中冗余地或者不必要地部分来减小图像数据量地技术，压缩过程就是编码过程，解压缩过程就是解码过程 .压缩技术分为无损压缩和有损压缩两大欢迎下载精品学习资源类，前者在解码时可以精确地复原原图像，没有任何缺失；后者在解码时只能近似原图像，欢迎下载精品学习资源不能无失真地复原原图像 .假设有一个无记忆地信源 ,它产生地消息为 ai,1i 其N出,率是已知地 ,记为 Pai.就其信息量定义为 :现地概欢迎下载精品学习资源（I ai ）=-logPai 由此可见一个消息显现地可能性越小，其信息量就越多，其显现对信息
9、地奉献量越大， 反之亦然 .信源地平均信息量称为 “熵”（entropy），可以表示为：NN欢迎下载精品学习资源HP（ ai ）IP（ ai）-P（ ai）logP（ ai ）欢迎下载精品学习资源i 1i 1对上式取以 2 为底地对数时，单位为比特（ bits）：欢迎下载精品学习资源NH-P（ ai ）i 1log 2 P（ ai ）欢迎下载精品学习资源依据香农（ Shannon）无噪声编码定理，对于熵为H 地信号源，对其进行无失真编码所可能达到地最低比特数为，这里为一任意小地正数，因此可能达到地欢迎下载精品学习资源最大压缩比：其中 B 是原始图像地平均比特率 .HHCmax =BB欢迎下载精
10、品学习资源在图像压缩中，压缩比是一个重要地衡量指标.可以定义压缩比为：C= 原始数据的平均比特率 B压缩数据的平均比特率 H欢迎下载精品学习资源图像地平均码字长度 R 为：编码效率 定义为 :信息冗余度为：KRBk pkk 1H100% R1欢迎下载精品学习资源1.3 常用地压缩编码方法图 1-1 常用地压缩编码方法2 哈夫曼编码2.1 哈夫曼编码简介哈夫曼编码是哈夫曼博士在 1952 年依据可变长正确编码定理提出地 , 它依据信源数据中各信号显现地频率安排不同长度地编码 .即，对于显现概率大地信息符号编以短字长地码，对于显现概率小地信息符号编以长字长地码.采纳哈夫曼编码方法地实质是针对统计结
11、果对字符 本身重新编码，而不是对重复字符或重复子串编码，得到地单位像素地比特数最接近图像地实际熵值 .它是一种无损编码方法 .2.2 哈夫曼编码步骤其详细步骤如下：1. 将信源符号按显现概率从大到小排成一列，然后把最末两个符号地概率相加，合成一个概率.2. 把这个符号地概率与其余符号地概率按从大到小排列，然后再把最末两个符号地概率加起来，合成一个概率 .欢迎下载精品学习资源3. 重复上述做法，直到最终剩下两个概率为止.4. 从最终一步剩下地两个概率开头逐步向前进行编码.每步只需对两个分支各给予一个二进制码，如对概率大地给予码 0，对概率小地给予码 1.例如：假设信源符号为【 a、b、c、d、e
12、、f 、g】，其显现地概率相应地为【 0.25、0.025、0.025、0.05、0.35、0.25、0.05】，一共 7 个字符，对其进行哈夫曼编码，算法如下：第一依据每个字符显现地频率大小从左到右排列：0.35、0.25、0.25、0.05、0.05、0.025、0.025；选出最小地两个值作为叶子节点构成一棵二叉树，值较大地叶子节点在左， 两个叶子节点对应地频率之和作为根节点.把原排列中最小地两个节点删除，新地根节点插入排列保持大小从左到右地排列次序不变；重复执行2），直到最终得到值为1 地根节点 .得到一棵哈夫曼树，如下图所示：图 2.1 哈夫曼编码树在得到地哈夫曼树上左分支标记1，右
13、分支标记 0，全部地字符依据其频率标记到对应地叶子节点上，从根节点到叶子节点路径上遇到地0、1 字符串即为对应叶子节点所在字符地编码.a、b、c、d、e、f、g 七个字符地哈夫曼编码分别是： 10、0001、0000、0011、11、欢迎下载精品学习资源01、0010，可以看到 ,符号只能显现在树叶上 ,任何一个字符地路径都不会是另一字符路径地前缀路径 .2.3 哈夫曼编码地缺点哈夫曼编码虽然是正确编码，但存在一些缺点，详细如下：（1） ）对于过短地文件进行编码，意义不大.由于储备哈夫曼树地信息需要肯定地储备空间；（2） ）利用哈夫曼编码，如用于通信网络，会引起较大地延时；（3） ）对较大文件
14、进行编码，会显现频繁地磁盘读写拜访，降低了数据编码地速度.欢迎下载精品学习资源3 基于哈夫曼编码地图像编解码系统地程序设计3.1 分块程序设计分析（1） ）第一，查找显现地全部元素，接着运算各元素显现地概率，并将元素依据显现概率排列，产生码字 .部分程序如下：function huffcode，info=codeing （vector） p=probability （ vector）； %运算各元素显现地概率simbols=find （ p）； %查找显现地全部元素p=p（ simbols）；p， sortindex=sort（p）； %概率从小到大排列simbols=simbols（ sor
15、tindex）； %将元素依据显现概率排列len=length（simbols）； %产生码字（2） ）把显现地元素概率最小地两个相加合并成新地概率，与剩余地概率组成新地概率集合，直到剩下最终两个概率.部分程序如下：while length （p）1； index1=simbols_index1 ； index2=simbols_index2 ；codeword_tmp （ index1） =addnode（ codeword_ tmp（ index1）， uint8（ 0）；codeword_tmp （ index2） =addnode（ codeword_tmp（ index2）， uin
16、t8（ 1）； p=sum（ p（ 1:2） p（3:end） ；simbols_index =index1 index2 simbols_index （3:end） ； p， sortindex=sort（p）；%将数据重新排列simbols_index=simbols_index（ sortindex）；（3） ）从最终一步开头反向进行安排码字，对于每次相加地两个概率，给大地赋“0，”小地赋“1，”储备到一个稀疏矩阵，最终写出01 序列地哈夫曼编码 .部分程序如下：pad=8-mod（ len， 8）；欢迎下载精品学习资源if pad0；string=string uint8 （ zero
17、s（1， pad） ； endcols=length（ string）/8；%运算压缩后地向量string=reshape（string， 8， cols）； weights=2.（0:7）；huffcode =uint8 （weights*double （string）； % 编码字符串凑成一个%字节一个字节存在 huffcodecodeword=codeword（ simbols）；%储存实际有显现元素对应地码字（4） ）把整字节储备地 huffcode 一位一位取出，转为字符串，去掉原先为凑整字节数所添加地零进行解码 .部分解码程序如下：vector=zeros（1，info.lengt
18、h ，uint8）； %解码vectorindex=1；codeindex=1；code=0；for index=1:len； code=bitset（ code，codeindex，string（index）； codeindex=codeindex+1；byte =info.codetable （ bitset （code，codeindex）；%从码字表中读出对应元素if byte0 ；vector（vectorindex）=byte-1；codeindex=1； code=0；vectorindex=vectorindex+1；（5） ）显示编码地压缩信息（如压缩率、最大码长等），部分
19、程序如下所示：whos data huffcode huffdecode %显示压缩成效fprintf （pad=%dn，info.pad）； %info.pad=为凑整字节数，编码字符串最终添加零位置数欢迎下载精品学习资源fprintf （ratio=%fn， info.ratio ）； %info.ratio= 压缩率fprintf （maxcodelen=%dn，info.maxcodelen）； %info.maxcodelen=最大码长3.2 主程序系统设计地完整主程序如下% 主程序% 信息处理课群综合训练与设计 -基于哈夫曼编码地图像编解码系统设计及实现%信息 SY1001 班-王
20、鸣 -0121009320403clc clear cd；X=imreadwatch.bmp；data=uint8X； zipped,info=huffencodedata；unzipped=huffdecodezipped,info；subplot121；imshowdata；title 原始图像 subplot122；imshowunzipped；title 解码后地图像 whos data unzipped zippedfprintfpad=%dn,info.pad ； %info.pad=为凑整字节数，编码字符串最终添加零位置数fprintfratio=%fn,info.ratio ；
21、 %info.ratio= 压缩率fprintfmaxcodelen=%dn,info.maxcodelen；%info.maxcodelen=最大码长3.3 程序函数3.3.1 编码函数主程序中使用地函数代码如下% 编码函欢迎下载精品学习资源数% 信息处理课群综合训练与设计 -基于哈夫曼编码地图像编解码系统设计及实现%信息 SY1001 班-王鸣 -0121009320403%huffencode函数对输入矩阵 vector 进行 huffman 编码，返回编码后地向量及相关信息function zipped,info= huffencodevector if isavector,uint8
22、erorinput argument must be a uint8 vector；end m,n=sizevector；vector=vector:；f=frequencyvector；symbols=findf=0 ；f=fsymbols；f,sortindex=sortf ；symbols=symbolssortindex；len=lengthsymbols；symbols_index=num2cell1:len；codeword_tmp=celllen,1； while lengthf1index1=symbols_index1 ；index2=symbols_index2 ；code
23、word_tmpindex1=addnodecodeword_tmpindex1,uint80； codeword_tmpindex2=addnodecodeword_tmpindex2,uint81； f=sumf1:2 f3:end ；symbols_index=index1,index2 symbols_index3:end ；f,sortindex=sortf ；symbols_index=symbols_indexsortindex；end codeword=cell256,1；欢迎下载精品学习资源codewordsymbols=codeword_tmp；len=0；for inde
24、x=1:lengthvectorlen=len+lengthcodeworddoublevectorindex+1 ；endstring=repmatuint80,1,len；pointer=1；for index=1:lengthvector code=codeworddoublevectorindex+1；len=lengthcode；stringpointer+0:len-1=code；pointer=pointer+len；endlen=lengthstring；pad=8-modlen,8；if pad0string=string uint8zeros1,pad；endcodewor
25、d=codewordsymbols；codelen=zerossizecodeword； weights=2.0:23；maxcodelen=0；for index=1:lengthcodeword len=lengthcodewordindex ；if lenmaxcodelenmaxcodelen=len；endif len0code=sumweightscodewordindex=1；欢迎下载精品学习资源code=bitsetcode,len+1； codewordindex=code；codelenindex=len；end endcodeword=codeword: ；%运算压缩后地
26、向量 cols=lengthstring/8；string=reshapestring,8,cols；weights=2.0:7；zipped=uint8weights*doublestring；%码表储备到一个稀疏矩阵huffcodes=sparse1,1；for index=1:nnzcodeword huffcodescodewordindex,1=symbolsindex；end%填写解码时所需地结构信息info.pad=pad；info.huffcodes=huffcodes；info.ratio=cols./lengthvector；info.length=lengthvector
27、；info.maxcodelen=maxcodelen；info.rows=m；info.cols=n；%huffdecode函数对输入矩阵 vector 进行 Huffman 编码，%返回解压后地图像数据欢迎下载精品学习资源3.3.2 解码函数% 解码函数% 信息处理课群综合训练与设计 -基于哈夫曼编码地图像编解码系统设计及实现%信息 SY1001 班-王鸣 -0121009320403%huffdecode函数对输入矩阵 vector 进行 huffman 解码，返回解压后地图像数据function vector=huffdecodezipped,info if isazipped,uin
28、t8errorinput argument must be a uint8 vector；end%产生 0， 1 序列，每位占一个字节len=lengthzipped；string=repmatuint80,1,len.*8；bitindex=1:8；for index=1:lenstringbitindex+8.*index-1=uint8bitgetzippedindex,bitindex ；end string=logicalstring: ；len=lengthstring；stringlen-info.pad+1:end= ；len=lengthstring；%开头解码weights
29、=2.0:51；vector=repmatuint80,1,info.length；vectorindex=1；codeindex=1；欢迎下载精品学习资源code=0；for index=1:len code=bitsetcode,codeindex,stringindex； codeindex=codeindex+1；byte=decodebitsetcode,codeindex,info； if byte0vectorvectorindex=byte-1；codeindex=1；code=0；vectorindex=vectorindex+1；endend vector=reshapev
30、ector,info.rows,info.cols；3.3.3 符号概率运算函数% 函数 frequency运算各符号显现地概率% 信息处理课群综合训练与设计 -基于哈夫曼编码地图像编解码系统设计及实现%信息 SY1001 班-王鸣 -0121009320403function f=frequencyvector ifisavector,uint8errorinput argument must be a uint8 vector； endf=repmat0,1,256；len=lengthvector；for index=0:255findex+1=sumvector=uint8index
31、；endf=f./len ；欢迎下载精品学习资源3.3.4 节点添加函数% 函数 addnode添加节点% 信息处理课群综合训练与设计 -基于哈夫曼编码地图像编解码系统设计及实现%信息 SY1001 班-王鸣 -0121009320403function codeword_new=addnodecodeword_old,item codeword_new=cellsizecodeword_old；for index=1:lengthcodeword_oldcodeword_newindex=item codeword_oldindex ；end3.3.5 解码返回符号函数% 函数 decode
32、返回码字对应地符号% 信息处理课群综合训练与设计 -基于哈夫曼编码地图像编解码系统设计及实现%信息 SY1001 班-王鸣 -0121009320403function byte=decodecode,info byte=info.huffcodescode；欢迎下载精品学习资源4 系统仿真结果4.1 程序运行结果依据设计好地程序加载到 MATLAB 软件中 即 m 文件，运行输出结果 .（1） 挑选一幅位图图像（ watch.bmp）进行哈夫曼编码压缩编码，得到输出结果如下：图 4-1 位图图像压缩编码输出结果1图 4-2 位图图像压缩编码输出结果 2欢迎下载精品学习资源（2） 挑选一幅 j
33、pg 图像（王鸣 .jpg）进行哈夫曼编码压缩编码，得到输出结果如下：图 4-3jpg 图像压缩编码输出结果1图 4-4jpg 图像压缩编码输出结果24.2 程序运行结果分析（1） ）图像压缩、解压缩整个过程大约要花23 min，一开头不知道，以为死机，后来稍等会就会出结果；（2） ）仔细观看原始图像和新图像，比较发觉：新旧位置图图像视觉成效相差不大，但是其文件大小却变小了 .如 watch 图像 262144bytes减小到 233877bytes压.缩率为 0.892170.由此可说明，哈夫曼编码是一种无损压缩编码,它不会造成信息缺失 ,解压缩时能够从压缩数据欢迎下载精品学习资源精确地复原
34、原始图像 .（3） ）比较两幅不同大小位置图地压缩比可知，对不同地信源，哈夫曼编码地压缩比不同.（4） ）后者为 jpg 彩色图像，有 RGB 三个重量，所以其输出有三个重量解码输出地图像.欢迎下载精品学习资源5.总结通过本次设计，我进一步巩固了哈夫曼压缩编码基本原理及方法，学会了使用MATLAB 编写哈夫曼编码程序，并仿真实现基于哈夫曼编码地图像编解码系统；也初步了解图像压缩编码技术地应用和开发，进一步提高编程才能；此外，我对于 matlab 地有关操作也更加熟识了 .此外，在这次课程设计中开头调试程序时，解码地图像迟迟不能显示，以为 MATLAB软件死机，其实是哈夫曼编码有肯定地时间（一般
35、为 2-3 分钟），这是由于自己地不耐心而导致了这个问题 .所以我从中习得不管做什么设计、工程，耐心最重要 .当未出结果地时候， 我们不能一味地焦躁，而是应当冷静地分析，找出问题地所在 .总之这次设计，我受益匪浅 .欢迎下载精品学习资源参考文献1 冈萨雷斯 .数字图像处理 M. 北京.电子工业出版社 .2005.2 王新成.高级图像处理技术 M. 第一版,北京.中国科学技术出版社 . 2 0 0 1.3 孙仲康,等.数字图像处理及其应用 M. 北京.国防工业出版社 .1985.4 董士海,等.图像格式编程指南 M. 北京.清华高校出版社 , 1994.5 Ian H Witten. 张仲颖 ,曹文斌 ,曹永革 ,译.海量数据治理 -文档和图像地压缩与索引 .北京.科学出版社 .199