通信原理课程设计 图像通信系统设计通信原理课程设计设计报告课题名称： 图像通信系统设计 院 系： 信息工程学院 专业班级： 13级通信工程班 姓 名： 李阳兵 学 号： 1301120129 指导老师： 侯 远 韶 时 间：2015年12月图像通信系统设计摘要本文设计了一个图像通信系统，使用Matlab编程实现图像压缩和图像重建，其中的编解码算法是基于DCT变换的JPEG图像压缩标准。本文仿真是对512*512大小、8bit/pixel灰度、BMP典型测试图像Lena进行仿真实验。现实环境里，图像在采集与传输过程中常常混入噪声（高斯噪声、椒盐噪声等），所以本设计测试图像时对模拟图像进行加噪。首先对原图像进行加噪处理，然后再用不同的去噪算法去噪（均值滤波、中值滤波、自适应中值滤波、Wiener滤波、高斯平滑滤波等），继而对去噪后的图像压缩重建，最后分析系统的压缩性能。经仿真验证，基于DCT变换的JPEG的算法并不复杂,当进行低压缩率的静止图像压缩，图像质量较高；当进行高压缩率的静止图像压缩时,图像压缩出现“模块效应”,图像质量急剧下降。关键词：图像通信系统；Matlab；JPEG图像压缩；噪声；压缩性能目录1 前言.32 图像通信系统的总体设计.3 2.1 图像通信系统概述.3 2.2 数字图像通信系统的系统框图.3 2.3 数字图像压缩系统.4 2.4 考虑噪声时的压缩系统.43 基于DCT变换的JPEG图像压缩.4 3.1 JPEG概述.4 3.2 JPEG有损压缩算法.5 3.3 JPEG的编解码模式.6 3.4 JPEG的优缺点.6 3.5 JPEG图像压缩的步骤.6 3.5.1 数据分块.6 3.5.2 DCT处理.7 3.5.3 系数量化.7 3.5.4 Z型扫描.8 3.5.5 DC系数编码.9 3.5.6 AC系数编码.94 Matlab仿真测试与结果分析.10 4.1 JPEG编解码的Matlab程序流程图.10 4.2 图像压缩与重建仿真结果.11 4.3 图像加噪仿真结果.11 4.4 图像去噪仿真结果.11 4.5 压缩性能评价.125 总结.136 附录.147 参考文献.19241、 前言随着信息技术的发展,图像信息被广泛应用于多媒体通信和计算机系统中。但是图像具有庞大的数据量,不便于存储和传输,必须采用合适的方法对其进行压缩,因此有必要对图像压缩编码标准进行研究。在众多的图像编码标准中, JPEG标准是一个适用范围很广的静态图像压缩标准,在数字图像压缩领域得到了广泛应用 。本研究在介绍JPEG图像压缩原理的基础上,用Matlab对标准灰度图像进行JPEG压缩与重建,设计出图像通信系统，并分析实验结果,得出结论。2、图像通信系统的总体设计2.1、图像通信系统概述图像通信系统所传送的主要是人的视觉能够感知到的图像信息，包括自然景物、文字符号、动画图形等。在通信的发送端，首先由图像输入设备将图像信息变为电信号，经光、电等传输媒体传送到通信的接收端，再将其恢复为视觉可以接受的形式。显示设备 信 源 解 码 器信道解码器信道信道编码器信源编码器2.2、数字图像通信系统的系统框图输入设备图1 数字图像系统框图人眼所感知的景物一般是连续的，被称为模拟图像。连续模拟函数标识的图像无法用计算机进行处理，也无法在各种数字系统中传输或存储，必须将代表图像的连续信号转变为离散信号。这样的变化过程称为图像信号的数字化。经数字化的图像通信系统被称为数字图像通信系统。2.3 、数字图像压缩系统 传输解压缩传输压缩原始图像 图2 数字图像压缩系统的基本组成2.4、考虑噪声时的压缩系统 传输 解压缩传输压缩 去噪 加噪原始图像 图3 考虑噪声时的压缩系统3、基于DCT变换的JPEG图像压缩3.1 、JPEG概述JPEG(Joint Photographic Experts Group)是ISO和CClTI联合制订的适用于连续色调、多级灰度、彩色单-色静止图像压缩的国际标准。它由联合图像专家组于1993年提出正式标准，主要用于对静止的连续单色图像和彩色图像压缩和解压缩，有无损压缩和有损压缩两种方式。JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法: 以离散余弦变换(DCT)为基础的有损压缩算法; 以预测技术为基础的无损压缩算法。3.2 、JPEG有损压缩算法有损压缩算法是对JPEG压缩标准的主要应用。在有损压缩算法中, JPEG算法首先通过DCT变换去除数据冗余，再使用量化表对DCT系数进行量化。对量化后的DCT系数进行编码使其熵达到最小，熵编码采用Huffman可变字长编码。主要采用基于块的离散余弦变换消除图像的空间冗余,利用人的视觉系统特性对变换系数进行量化,最后通过无损变字长熵编码消除视觉冗余和数据统计冗余,实现图像压缩。译码(或者叫做解压缩)的过程与压缩编码过程正好相反。下图为JPEG算法框图。图4 JPEG算法框图3.3 、JPEG的编解码模式JPEG允许的4种编解码模式分别是：基于DCT的顺序模式；基于DCT的渐进模式；无失真模式以及层次模式。3.4 、JPEG的优缺点JPEG的优点是适用于各种静止的连续色调图像，允许压缩软件和硬件在许多平台上实现，高压缩比，提供累进模式和分级模式，可部分解压缩图像。缺点是大压缩比时会产生方块和蚊式噪声bJ。3.5 、JPEG图像压缩的步骤3.5.1、数据分块对图像进行编码前，将每个分量图像分割成不重叠的88像素块， 每一个88像素块称为一个数据单元（DU）。在彩色图像中， JPEG分别压缩图像的每个彩色分量。虽然JPEG可以压缩通常的红绿蓝分量，但在YCbCr空间的压缩效果会更好。这是因为人眼对色彩的变化不如对亮度的变化敏感，因而对色彩的编码可以比对亮度的编码粗糙些，这主要体现在不同的采样频率和量化精度上。因此，编码前一般先将图像从RGB空间转换到YCbCr空间，再把各分量图像分割成88数据块。 在对图像采样时，可以采用不同的采样频率，这种技术称为二次采样。由于亮度比色彩更重要，因而对Y分量的采样频率可高于对Cb、Cr的采样频率，这样有利于节省存储空间。常用的采样方案有YUV422和YUV411。把采样频率最低的分量图像中一个DU所对应的像区上覆盖的所有各分量上的DU按顺序编组为一个最小编码单元（MCU）。对灰度图像而言，只有一个Y分量，MCU就是一个数据单元。而对彩色图像而言，以4:1:1的采样方案为例，则一个MCU由4个Y分量的DU、1个Cb分量的DU和1个Cr分量的DU组成。3.5.2 、DCT处理图像数据块分割后，即以MCU为单位顺序将DU进行二维离散余弦变换。对以无符号数表示的具有P位精度的输入数据， 在DCT前要减去2P-1，转换成有符号数，而在IDCT后，应加上2P-1，转换成无符号数。对每个88的数据块DU进行DCT后， 得到的64个系数代表了该图像块的频率成分，其中低频分量集中在左上角， 高频分量分布在右下角。系数矩阵左上角的叫做直流（DC）系数，它代表了该数据块的平均值，其余63个叫交流（AC）系数。3.5.3、系数量化在DCT处理中得到的64个系数中，低频分量包含了图像亮度等主要信息。在从空间域到频域的变换中，图像中的缓慢变化比快速变化更易引起人眼的注意， 所以在重建图像时，低频分量的重要性高于高频分量。因而在编码时可以忽略高频分量， 从而达到