JPEG圖像壓縮算法分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u1875JPEG圖像壓縮算法分析概述 1181851.1JPEG壓縮算法步驟 1236841.1.1顏色模式轉(zhuǎn)換 2250691.1.2采樣 3299751.1.3分塊 3129511.1.4離散余弦變換 3126901.1.5量化 4309441.1.6組成數(shù)據(jù)位流 5220571.2JPEG圖像可逆水印算法的評價標(biāo)準(zhǔn) 5258301.1.1嵌入容量 5174911.1.2嵌入失真 5176151.1.3文件增長大小 6圖像壓縮主要目的是減少圖像在設(shè)備中儲存所占的空間，同時保證圖像在傳輸中適應(yīng)更多的傳輸介質(zhì)。整個壓縮過程即去除圖像冗余，具體包括與圖像編碼碼字相關(guān)的編碼冗余、與圖像像素相關(guān)的空間冗余以及與人類視覺系統(tǒng)相關(guān)的非相關(guān)信息。1.1JPEG壓縮算法步驟JPEG作為被廣泛應(yīng)用的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，這種壓縮標(biāo)準(zhǔn)不僅適用于灰度圖像還適用于彩色圖像。我們所說的有損壓縮，實際上就是將圖片中不重要的信息進(jìn)行刪減，從而達(dá)到壓縮的目的。簡單地說，就是找出標(biāo)準(zhǔn)用于區(qū)分圖像中的重要部分與非重要部分，然后將不重要的部分刪去，最后重新保存，以達(dá)到壓縮圖像的目的?，F(xiàn)有兩種壓縮算法機制，其一是使用離散余弦變換DCT(DiscreteCosineTransform)，這種算法壓縮的圖片會受到損傷，其二是使用無損傷預(yù)測壓縮技術(shù)。本章算法是基于離散余弦變換的有損壓縮算法，基礎(chǔ)系統(tǒng)采用編碼，解碼一次掃描順序完成，而熵編碼則采用霍爾編碼。下面的圖（2-1）顯示了JPEG壓縮算法框圖，而解碼算法如框圖（2-2）。圖2-1JPEG解碼器JPEG壓縮編碼算法框圖如下：圖2-2JPEG編碼器1.1.1顏色模式轉(zhuǎn)換JPEG采用的是YCrCb顏色空間，而BMP采用的是RGB顏色空間，為了壓縮BMP圖像，首先需要轉(zhuǎn)換色彩空間。在YCrCb色彩空間中，Y代表亮度，Cr,Cb則代表色度和飽和度(還有人把Cb,Cr統(tǒng)稱為色度)，這三種顏色通常用Y,U(Cb),V(Cr)表示，下面是RGB和YCrCb之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系（式2-3、式2-4、式2-5、式2-6、式2-7、式2-8）：Y=0.299R+0.587G+0.114B（2-3）Cb=?0.1687R?0.3313G+0.5B+128（2-4）Cr=0.5R=0.418G?0.0813B+128)（2-5）通常來講，C值(包括CbCr)應(yīng)為有符號的數(shù)字，而在此添加128，變成8位的無符號整數(shù)，是為了有利于存儲和計算數(shù)據(jù)。R=Y+1.402(Cr?128) （2-6）G=Y?0.34414(Cb?128)?0.71414(Cr?128)（2-7）B=Y+1.772(Cb-128)（2-8）1.1.2采樣人的眼睛對亮度變換的敏感性要比顏色變換的敏感性大得多。以此可以認(rèn)為Cb以及Cr分量沒有Y分量更重要。對于BMP圖像而言RGB三個分量要通過用三個字節(jié)采樣，即RGB888模式；而相對于JPEG圖像，一般使用YUV411以及YUV422這兩種方式進(jìn)行采樣，這兩種采樣方式代表著Y、Cb、Cr三個分量的數(shù)據(jù)采樣比例一般為4:1:1或4:2:2。這種采樣方式會損失部分精度，卻在視覺感官不容易察覺的范圍內(nèi)減少了數(shù)據(jù)的所占空間的大小。1.1.3分塊將原始圖像中的三個分量提取出來分別放入三個表格中，再從上到下，從左到右的順序讀取8×8的小塊，儲存在長位64的表中，以備DCT變換使用。1.1.4離散余弦變換離散余弦變換DCT是碼率壓縮中一種常用的變換編碼方法。任意連續(xù)實對稱函數(shù)的傅里葉變換僅包含余弦項，因此，它與傅里葉變換一樣，具有明確的物理意義。在DCT算法中，首先將圖像分割為8*8個像素，然后對8*8個像素逐個進(jìn)行DCT處理。JPEG的編碼過程需要進(jìn)行DCT變換，而解碼過程則是DCT變換的逆過程IDCT。DCT變換計算公式（式2-9）：f(x,y)=（2-6）C(（2-7）C(（2-8）IDCT變換計算公式（式2-10）：f(u,v)=（2-10）1.1.5量化在將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DCT系數(shù)后，還需要進(jìn)行量化，之后便能進(jìn)入編碼過程。量化階段需要一組專門針對色度的8×8的量化矩陣頻率系數(shù)，以及一組專門處理亮度的8×8的量化矩陣頻率系數(shù)，使用用量化后的DCT系數(shù)矩陣的值除以頻率系數(shù)，以完成量化過程。將頻率系數(shù)進(jìn)行量化，使其由浮點數(shù)變?yōu)檎麛?shù)。在量化階段之后，所有的數(shù)據(jù)都只保留整數(shù)的近似數(shù)，因此有些數(shù)據(jù)內(nèi)容會丟失。針對JPEG算法，由于對亮度和色度的精度要求不同，分別采用了不同的量化表，前者粗量化，后者細(xì)量化。量化表如圖2-11和2-12所示：圖2-11JPEG亮度量化表圖2-12JPEG色度量化表1.1.6組成數(shù)據(jù)位流將不同的頭文件、圖像數(shù)據(jù)和標(biāo)記符號組成一幀一幀的數(shù)據(jù)碼流，以便于傳輸、存儲和編譯器解碼，即JPEG位流。1.2JPEG圖像可逆水印算法的評價標(biāo)準(zhǔn)由于算法設(shè)計的不同，圖像水印的質(zhì)量也不盡相同，通常可以通過兩個標(biāo)準(zhǔn)來判斷水印質(zhì)量，一個是主觀評價，但是會受多種因素影響。二是客觀評價，其相對公平、公正、公開；所以，客觀、準(zhǔn)確、統(tǒng)一地評價水印的質(zhì)量地標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。可逆水印算法在JPEG圖像中主要有三個客觀評價指標(biāo)：嵌入容量、幾何失真和文件增長大小。1.1.1嵌入容量即原始圖像中可嵌入信息的數(shù)量的多少，通常用比特(bits)來表示。嵌入的容量越大，原載體的嵌入效果越好，那么算法也就相應(yīng)的越好。1.1.2嵌入失真幾何失真包括圖像大小的變化，剪切，移除或增加固像線和反射等?？赏ㄟ^主觀測試或質(zhì)量測量來評價水印的可感知性。在使用主觀測試時所選擇的測試人員是基于統(tǒng)一的協(xié)議，例如質(zhì)量等級，將被測試數(shù)據(jù)按從最好到最差的順序排列。主觀臆斷的檢驗對于最終的質(zhì)量評價和檢驗具有使用價值，但在研發(fā)中卻不實用。這種情況下，通常使用的測量方法是峰值信噪比(PeakSignaltoNoiceRatio,PSNR),PSNR算法如下式（2-13）所示：PSNR(dB)=10log(2-13)其中，m代表圖像中每一個像素的比特數(shù)，通常是m=8。MSE是原始圖像和嵌入水印后圖像之間的均方誤差(MeanSquareEr