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  第38题      
  知识点:   JPEG编码步骤   编码   编码技术
  关键词:   彩色图像   灰度图像   数据   图像编码   真彩色   编码   灰度   图像        章/节:   数据压缩编码标准       

 
JPEG图像编码标准不支持(38)格式,在编码标准中没有使用到(39)编码技术。在有损编码模式中导致数据损失的步骤是(40)。
①真彩色图像 ②伪彩色图像 ③灰度图像 ④黑白二值图像
 
 
  A.  ①和③
 
  B.  ②和④
 
  C.  ③和④
 
  D.  ②和③
 
 
 

 
  第37题    2014年上半年  
   37%
使用JPEG标准对真彩色图像编码,先要将图像采用(33)颜色子采样模式,变换到(34)颜色空间,然后对每个(35)的子块应用基于(36)..
  第37题    2011年上半年  
   46%
在JPEG编码标准中,没有使用到(37)编码技术。
  第33题    2013年上半年  
   46%
JPEG图像编码标准采用(32)颜色子采样模式,其有损编码算法对亮度及两个色度的变换系数应用了(33)个视觉最优量化表,量化后的直..
   知识点讲解    
   · JPEG编码步骤    · 编码    · 编码技术
 
       JPEG编码步骤
        JPEG压缩编码算法的主要计算步骤如下。
        8×8分块;正向离散余弦变换(FDCT);量化(quantisation); Z字形编码(zigzag scan);使用差分脉冲编码调制(DPCM)对直流系数(DC)进行编码;使用行程长度编码(RLE)对交流系数(AC)进行编码;熵编码(Huffman或算术);组成位数据流。
               8×8分块
               JPEG编码需要先将整个图像分成8×8像素的图像块,然后对每个图像块分别进行编码。在划分过程中,对于不足部分可以通过重复图像的最后一行/列进行填充。被划分成功的图像块作为二维正向离散余弦变换的输入。
               正向离散余弦变换
               JPEG编码对每个单独的颜色图像分量分别进行正向离散余弦变换(Forward Discrete Cosine Transform, FDCT)。
               FDCT变换的好处在于:通过FDCT变换可以把能量集中在频率较低的少数的几个系数上。例如,对于一个8×8像素的灰度图像块进行FDCT变换后的数值如下图所示。
               
               8×8像素的灰度图像块的FDCT变换示例图
               JPEG编码的FDCT变换使用下式计算。
               
               其中,fij)是图像样本矩阵或样本的预测误差矩阵,Fuv)是fij)经过FDCT变换后的系数矩阵。
               
               其中,F(0,0)称为直流系数(Direct Current, DC),表示8×8个像素值的平均值。其他Fuv)称为交流系数(Alternating Current, AC)。其逆变换使用下式计算。
               
               量化
               经过FDCT变换后的系数,其数值变化较多,不利于编码。为了将系数数值映射到更小的取值范围,可以使用量化(quantisation)实现。通过量化可以减小非0系数的幅度和增加0值系数的数目。当然,量化也是导致图像质量下降的主要原因。
               JPEG的有损压缩算法使用均匀标量量化器进行量化,量化步距是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值确定的。
               由于人眼对亮度信号比对色差信号更敏感,因此JPEG编码中使用了亮度量化表和色差量化表两种标准的量化表,参见下1表和下2表。此外,由于人眼对低频分量的图像比对高频分量的图像更敏感,因此表中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小。
               
               亮度量化值表
               
               色差量化值表
               量化的具体计算公式如下。
               
               其中,Squ,v)为量化后的结果,Fuv)为FDCT系数,Quv)为量化表中的数值,round为舍入取整函数。
               Z字形编排
               量化后的二维系数需要重新编排并转换为一维系数,为了增加连续的0系数的个数,即0的游程长度,JPEG编码中AC系数的编排采用Z字形编排方法,其编排的序号顺序如下图所示。
               
               量化FDCT系数的编排图
               这样就把一个8×8的矩阵变成了一个1×64的矢量,频率较低的系数放在矢量的头部。
               直流系数的编码
               DC直流系数有两个特点:一是系数的数值比较大;二是相邻图像块的DC系数的数值变化不大。根据这些特点,JPEG算法使用了差分脉冲编码调制(DPCM)技术,对相邻图像块之间的DC系数的差值Δ进行如下编码。
               Δ=DC(0,0)k-DC(0, 0)k-1
               其中,k表示当前的编码块,k-1表示前一个编码块。
               交流系数的编码
               量化AC系数的特点是1×63矢量中包含有许多0系数,并且许多0是连续的,因此使用非常简单和直观的游程长度编码(RLE)对它们进行编码。
               JPEG使用了1字节的高4位表示连续0的个数,使用它的低4位表示编码下一个非0系数所需要的位数,紧随其后的是量化AC系数的数值。
               熵编码
               使用熵编码还可以对DPCM编码后的直流DC系数和RLE编码后的交流AC系数做进一步压缩。
               在JPEG有损压缩算法中,通常使用Huffman或算术编码减少熵。使用Huffman编码器的理由是可以使用很简单的查表(lookup table)方法进行快速编码。当压缩数据符号时,Huffman编码器为出现频度较高的符号分配较短的代码,而为出现频度较低的符号分配较长的代码,这种可变长度的Huffman码表可以事先定义。
               下表所示为DC码表符号举例,如果DC的值(value)为4,符号SSS用于表达实际值所需要的二进制位数,则SSS的实际位数为3。
               
               DC码表符号举例
               组成位数据流
               JPEG编码的最后一个步骤是把各种标记代码和编码后的图像数据组成一帧一帧的数据,这样做的目的是便于传输、存储和译码,这样组织的数据通常称为JPEG位数据流(JPEG bitstream)。
 
       编码
               编码过程
               在给定了软件设计规格说明书后,下一步的工作就是编写代码。一般来说,编码工作可以分为四个步骤:
               (1)确定源程序的标准格式,制订编程规范。
               (2)准备编程环境,包括软硬件平台的选择,包括操作系统、编程语言、集成开发环境等。
               (3)编写代码。
               (4)进行代码审查,以提高编码质量。为提高审查的效率,在代码审查前需要准备一份检查清单,并设定此次审查须找到的bug数量。在审查时,要检查软件规格说明书与编码内容是否一致;代码对硬件和操作系统资源的访问是否正确;中断控制模块是否正确等。
               编码准则
               在嵌入式系统中,由于资源有限,且实时性和可靠性要求较高,因此,在开发嵌入式软件时,要注意对执行时间、存储空间和开发/维护时间这三种资源的使用进行优化。也就是说,代码的执行速度要越快越好,系统占用的存储空间要越小越好,软件开发和维护的时间要越少越好。
               具体来说,在编写代码时,需要做到以下几点:
               .保持函数短小精悍。一个函数应该只实现一个功能,如果函数的代码过于复杂,将多个功能混杂在一起,就很难具备可靠性和可维护性。另外,要限制函数的长度,一般来说,一个函数的长度最好不要超过100行。
               .封装代码。将数据以及对其进行操作的代码封装在一个实体中,其他代码不能直接访问这些数据。例如,全局变量必须在使用该变量的函数或模块内定义。对代码进行封装的结果就是消除了代码之间的依赖性,提高了对象的内聚性,使封装后的代码对其他行为的依赖性较小。
               .消除冗余代码。例如,将一个变量赋给它自己,初始化或设置一个变量后却从不使用它,等等。研究表明,即使是无害的冗余也往往和程序的缺陷高度关联。
               .减少实时代码。实时代码不但容易出错、编写成本较高,而且调试成本可能更高。如果可能,最好将对执行时间要求严格的代码转移到一个单独的任务或者程序段中。
               .编写优雅流畅的代码。
               .遵守代码编写标准并借助检查工具。用自动检验工具寻找缺陷比人工调试便宜,而且能捕捉到通过传统测试检查不到的各种问题。
               编码技术
                      编程规范
                      在嵌入式软件开发过程中,遵守编程规范,养成良好的编程习惯,这是非常重要的,将直接影响到所编写代码的质量。
                      编程规范主要涉及的三方面内容:
                      .命名规则。从编译器的角度,一个合法的变量名由字母、数字和下画线三种字符组成,且第一个字符必须为字母或下画线。但是从程序员的角度,一个好的名字不仅要合法,还要载有足够的信息,做到“见名知意”,并且在语意清晰、不含歧义的前提下,尽可能地简短。
                      .编码格式。在程序布局时,要使用缩进规则,例如变量的定义和可执行语句要缩进一级,当函数的参数过长时,也要缩进。另外,括弧的使用要整齐配对,要善于使用空格和空行来美化代码。例如,在二元运算符与其运算对象之间,要留有空格;在变量定义和代码之间要留有空行;在不同功能的代码段之间也要用空行隔开。
                      .注释的书写。注释的典型内容包括:函数的功能描述;设计过程中的决策,如数据结构和算法的选择;错误的处理方式;复杂代码的设计思想等。在书写注释时要注意,注释的内容应该与相应的代码保持一致,同时要避免不必要的注释,过犹不及。
                      性能优化
                      由于嵌入式系统对实时性的要求较高,因此一般要求对代码的性能进行优化,使代码的执行速度越快越好。以算术运算为例,在编写代码时,需要仔细地选择和使用算术运算符。一般来说,整数的算术运算最快,其次是带有硬件支持的浮点运算,而用软件来实现的浮点运算是非常慢的。因此,在编码时要遵守以下准则:
                      .尽量使用整数(char、short、int和long)的加法和减法。
                      .如果没有硬件支持,尽量避免使用乘法。
                      .尽量避免使用除法。
                      .如果没有硬件支持,尽量避免使用浮点数。
                      下图是一个例子,其中两段代码的功能完全一样,都是对一个结构体数组的各个元素进行初始化,但采用两种不同的方法来实现。下图(a)采用数组下标的方法,在定位第i个数组元素时,需要将i乘以结构体元素的大小,再加上数组的起始地址。下图(b)采用的是指针访问的方法,先把指针fp初始化为数组的起始地址,然后每访问完一个数组元素,就把fp加1,指向下一个元素。在一个奔腾4的PC上,将这两段代码分别重复10 700次,右边这段代码需要1ms,而左边这段代码需要2.13ms。
                      
                      算术运算性能优化的例子
 
       编码技术
               编程规范
               在嵌入式软件开发过程中,遵守编程规范,养成良好的编程习惯,这是非常重要的,将直接影响到所编写代码的质量。
               编程规范主要涉及的三方面内容:
               .命名规则。从编译器的角度,一个合法的变量名由字母、数字和下画线三种字符组成,且第一个字符必须为字母或下画线。但是从程序员的角度,一个好的名字不仅要合法,还要载有足够的信息,做到“见名知意”,并且在语意清晰、不含歧义的前提下,尽可能地简短。
               .编码格式。在程序布局时,要使用缩进规则,例如变量的定义和可执行语句要缩进一级,当函数的参数过长时,也要缩进。另外,括弧的使用要整齐配对,要善于使用空格和空行来美化代码。例如,在二元运算符与其运算对象之间,要留有空格;在变量定义和代码之间要留有空行;在不同功能的代码段之间也要用空行隔开。
               .注释的书写。注释的典型内容包括:函数的功能描述;设计过程中的决策,如数据结构和算法的选择;错误的处理方式;复杂代码的设计思想等。在书写注释时要注意,注释的内容应该与相应的代码保持一致,同时要避免不必要的注释,过犹不及。
               性能优化
               由于嵌入式系统对实时性的要求较高,因此一般要求对代码的性能进行优化,使代码的执行速度越快越好。以算术运算为例,在编写代码时,需要仔细地选择和使用算术运算符。一般来说,整数的算术运算最快,其次是带有硬件支持的浮点运算,而用软件来实现的浮点运算是非常慢的。因此,在编码时要遵守以下准则:
               .尽量使用整数(char、short、int和long)的加法和减法。
               .如果没有硬件支持,尽量避免使用乘法。
               .尽量避免使用除法。
               .如果没有硬件支持,尽量避免使用浮点数。
               下图是一个例子,其中两段代码的功能完全一样,都是对一个结构体数组的各个元素进行初始化,但采用两种不同的方法来实现。下图(a)采用数组下标的方法,在定位第i个数组元素时,需要将i乘以结构体元素的大小,再加上数组的起始地址。下图(b)采用的是指针访问的方法,先把指针fp初始化为数组的起始地址,然后每访问完一个数组元素,就把fp加1,指向下一个元素。在一个奔腾4的PC上,将这两段代码分别重复10 700次,右边这段代码需要1ms,而左边这段代码需要2.13ms。
               
               算术运算性能优化的例子
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第38题    在手机中做本题