基于C++实现DPCM压缩系统
2021/4/27 22:26:25
本文主要是介绍基于C++实现DPCM压缩系统,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!
基于C++实现DPCM压缩系统
- 一、实验目的
- 二、实验原理
- 三、实验代码
- 1、头文件 method.h
- 2、主函数 main.cpp
- 3、DPCM编码 dpcm.cpp
- 4、概率分布 prob.cpp
- 5、压缩质量 psnr.cpp
- 6、概率分布图 probability.m
- 四、实验结果
- 1、DPCM编码
- 2、熵编码
- 五、结果分析
- 1、压缩比
- 2、压缩质量
- 六、实验结论
- 七、一些问题和收获
一、实验目的
掌握DPCM编解码系统的基本原理。初步掌握实验用C++语言编程实现DPCM编码器,并分析其压缩效率。
二、实验原理
- DPCM是差分预测编码调制的缩写,是比较典型的预测编码系统。在DPCM系统中,需要注意的是预测器的输入是已经解码以后的样本。之所以不用原始样本来做预测,是因为在解码端无法得到原始样本,只能得到存在误差的样本。因此,在DPCM编码器中实际内嵌了一个解码器,如编码器中虚线框中所示。
- 在一个DPCM系统中,有两个因素需要设计:预测器和量化器。理想情况下,预测器和量化器应进行联合优化。实际中,采用一种次优的设计方法:分别进行线性预测器和量化器的优化设计。
- 在本次实验中,我们采用固定预测器和均匀量化器。预测器采用左侧预测。量化器采用8比特均匀量化。本实验的目标是验证DPCM编码的编码效率。
- 首先读取一个256级的灰度图像,采用自己设定的预测方法计算预测误差,并对预测误差进行8比特均匀量化(基本要求)。还可对预测误差进行1比特、2比特和4比特的量化设计(提高要求)。
- 在DPCM编码器实现的过程中可同时输出预测误差图像和重建图像。
① 将预测误差图像写入文件并将该文件输入Huffman编码器,得到输出码流、给出概率分布图并计算压缩比。
② 将原始图像文件输入Huffman编码器,得到输出码流、给出概率分布图并计算压缩比。
③ 最后比较两种系统(1.DPCM+嫡编码和2.仅进行嫡编码)之间的编码效率(压缩比和图像质量)。压缩质量以PSNR进行计算。 - PSNR(峰值信噪比)压缩质量:
通常用来评价一幅图像压缩后和原图像相比质量的好坏,当然,压缩后图像一定会比原图像质量差的,所以就用这样一个评价指标来规定标准了。PSNR越高,压缩后失真越小。这里主要定义了两个值,一个是均方差MSE,另一个是峰值信噪比PSNR,公式如下:
这里的MAX通常是图像的灰度级,实验中为255。
PSNR值越大,图像质量越高。
(资料来源于这个地址)
三、实验代码
本次实验代码包含在以下几个文件中,下面分别进行展示和分析(以8bit量化为例)。
1、头文件 method.h
头文件声明了主函数要用到的方法函数。
#pragma once int prob(int height, int width, unsigned char* inbuf, double* outpro); int dpcm(int height, int width, unsigned char* oldbuf, unsigned char* newbuf, unsigned char* difbuf, int dep); int psnr(int height, int width, unsigned char* oldbuf, unsigned char* newbuf, int dep);
2、主函数 main.cpp
主函数的内容即本次实验的步骤:
- 文件打开、读取。
- DPCM编码。
- PSNR压缩质量计算。
- 灰度值概率分布计算。
- 文件写入。
- 文件关闭。
#define _CRT_SECURE_NO_DEPRECATE #include<iostream> #include<math.h> #include"method.h" using namespace std; int main() { //相关参数 int height = 768; //高 int width = 512; //宽 int dep = 8; //量化比特数 //缓冲区开辟 unsigned char* orbuf = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) * height * width * 1.5); unsigned char* rebuf = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) * height * width * 1.5); unsigned char* errbuf = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) * height * width * 1.5); double* orpro = (double*)malloc(sizeof(double) * 256); double* errpro = (double*)malloc(sizeof(double) * 256); //文件打开 FILE* orfile = fopen("Birds.yuv", "rb"); FILE* refile = fopen("outBirds.yuv", "wb"); FILE* errfile = fopen("quanBirds.yuv", "wb"); FILE* ortxt = fopen("orpro.txt", "wb"); FILE* errtxt = fopen("errpro.txt", "wb"); if (orfile == NULL || refile == NULL || errfile == NULL || ortxt == NULL || errtxt == NULL) { cout << "文件打开失败!" << endl; return 0; } //文件读取 fread(orbuf, 1, height * width * 1.5, orfile); //dpcm dpcm(height, width, orbuf, rebuf, errbuf, dep); //psnr计算 psnr(height, width, orbuf, rebuf, dep); //灰度值概率计算 prob(height, width, orbuf, orpro); //原图概率分布 prob(height, width, errbuf, errpro); //预测误差图概率分布 //文件写入 fwrite(rebuf, 1, height * width * 1.5, refile); fwrite(errbuf, 1, height * width * 1.5, errfile); for (int i = 0; i < 256; i++) { fprintf(ortxt, "%lf\n", *(orpro + i)); fprintf(errtxt, "%lf\n", *(errpro + i)); } //文件关闭 fclose(orfile); fclose(refile); fclose(errfile); fclose(ortxt); fclose(errtxt); return 0; }
3、DPCM编码 dpcm.cpp
- DPCM编码函数中传入参数为:图像高、图像宽、原图首指针、重建图首指针、预测误差图首指针、量化比特数。
- 方法按照实验原理进行实现。
#include<iostream> #include<math.h> using namespace std; int dpcm(int height, int width, unsigned char* orbuf, unsigned char* rebuf, unsigned char* errbuf, int dep) { //dpcm编解码 for (int i = 0; i < height; i++) { for (int j = 0; j < width; j++) { if (j == 0) { *errbuf = (*orbuf - 128 + 255) / pow(2, 9 - dep); *rebuf = 128 + (*errbuf * pow(2, 9 - dep) - 255); rebuf++; orbuf++; errbuf++; } else { *errbuf = (*orbuf - *(rebuf - 1) + 255) / pow(2, 9 - dep); *rebuf = *(rebuf - 1) + (*errbuf * pow(2, 9 - dep) - 255); if (*rebuf < 0) *rebuf = 0; if (*rebuf > 255) *rebuf = 255; rebuf++; orbuf++; errbuf++; } } } //uv分量不处理,差值设为128 for (int i = 0; i < height * width * 0.5; i++) { *rebuf = *orbuf; *errbuf = 128; rebuf++; orbuf++; errbuf++; } //指针归位 for (int i = 0; i < height * width * 1.5; i++) { errbuf--; rebuf--; orbuf--; } return 0; }
4、概率分布 prob.cpp
平平无奇统计频次,计算概率。
#include<iostream> #include<math.h> using namespace std; int prob(int height, int width, unsigned char* inbuf, double* outpro) { //变量定义 double size = height * width * 1.5; //总像素数 int num[256] = { 0 }; double pro[256] = { 0 }; //计算各个灰度出现概率 for (int i = 0; i < size; i++) { num[(int)*(inbuf + i)]++; pro[(int)*(inbuf + i)] = num[(int)*(inbuf + i)] / size; } //输出概率 for (int i = 0; i < 256; i++) *(outpro + i) = pro[i]; return 0; }
5、压缩质量 psnr.cpp
根据实验原理中PSNR计算方法来实现。
#include<iostream> #include<math.h> using namespace std; int psnr(int height, int width, unsigned char* orbuf, unsigned char* rebuf, int dep) { double max = 255; double mse = 0; double psnr; for (int i = 0; i < height; i++) for (int j = 0; j < width; j++) { mse += (orbuf[i * width + j] - rebuf[i * width + j]) * (orbuf[i * width + j] - rebuf[i * width + j]); } mse = mse / (double)(width * height); psnr = 10 * log10((double)(max * max) / mse); cout << dep << "比特量化时PSNR = " << psnr << endl; return 0; }
6、概率分布图 probability.m
本来打算如第一次实验那样复制一大堆进数组,这次探索了一下如何获取txt文件内容,探索成功了!上次就是懒
orpro = importdata('D:\CUC\SJYS\SJYS_L8\orpro.txt'); errpro = importdata('D:\CUC\SJYS\SJYS_L8\errpro.txt'); %原图概率分布 figure(1) plot(orpro); title('orBirds.yuv概率分布'); xlabel('灰度值'); ylabel('概率'); axis([0 256 0 0.02]); %预测误差图概率分布 figure(2) plot(errpro); title('errBirds.yuv概率分布'); xlabel('灰度值'); ylabel('概率'); axis([0 256 0 0.55]);
四、实验结果
1、DPCM编码
① 运行代码得到4个输出文件,依次为预测误差图像、重建图像、预测误差图像概率分布、原图像概率分布。
② YUVviewer查看图像,matlab输出概率分布图像。
原图及概率分布:
原图 | 概率分布图 (matlab输出) |
---|---|
![]() | ![]() |
不同量化比特数下的结果:
8bit | 4bit | 2bit | 1bit | |
---|---|---|---|---|
预测误差图像 | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
重建图像 | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
psnr值 | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
预测误差图像概率分布 | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
2、熵编码
运用老师发来的huffcode.exe
分别对原图和预测误差图像进行熵编码。
运行批处理文件后得到:
- 原图的熵编码文件和预测误差图像的熵编码文件
- 原图和预测误差图像的字符、码长、码字组成的文本文件
五、结果分析
1、压缩比
图片 | 大小 / KB | 压缩比 |
---|---|---|
原图 | 576 | 1 |
仅熵编码 | 520 | 1.108 |
8bit DPCM+熵编码 | 193 | 2.984 |
4bit DPCM+熵编码 | 111 | 5.189 |
2bit DPCM+熵编码 | 124 | 4.645 |
1bit DPCM+熵编码 | 117 | 4.923 |
2、压缩质量
压缩质量 | 8bit DPCM | 4bit DPCM | 2bit DPCM | 1bit DPCM |
---|---|---|---|---|
psnr值 / dB | 51.1417 | 22.8232 | 8.53407 | 9.11363 |
六、实验结论
- 从图片质量来看,熵编码是无损编码,图片质量最好;对于不同量化比特数的DPCM编码,由PSNR值(实际有偏差,尝试解释见文末)可知量化比特数越高,压缩后的图片质量越高。
即:熵编码>8bit DPCM+熵编码>4bit DPCM+熵编码>2bit DPCM+熵编码>1bit DPCM+熵编码。1 - 从压缩方式来看,仅熵编码的压缩比远不如DPCM+熵编码的压缩比。
即:DPCM+熵编码>熵编码。 - 针对量化比特数,量化比特数并非越低,压缩比就越高。其中4bit量化压缩比最高。而4bit得出的图像质量过于失真,压缩比高没什么意义。
综上所述,DPCM+熵编码压缩效果整体优于仅使用熵编码,控制合适的量化比特数的情况下,DPCM+熵编码在压缩比和压缩质量(目测)上均有优势,虽然损失了一些质量,但对于人眼来说无伤大雅。
七、一些问题和收获
- 2bit量化的PSNR小于1bit量化的PSNR,从原理和公式上来看都不合理,但想到之前学过,huffman无损编码的结果的确有可能比原来的文件大的,姑且可以作为解释
但好牵强TT - 本来不知道怎么把概率输入到txt文件中,试了试原来用的
fwrite
不太行,毕竟概率是double
类型的,查了查资料问了问同学采用了fprintf
流式写入的方法。 - 实不相瞒,把函数封装到单个cpp文件中确实挺爽的。
PS.您现在看到的下面
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