《数字图象处理入门》在线中文教程chp9Word格式文档下载.docx
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（3）变换编码；
（4）其它方法。
所谓象素编码是指，编码时对每个象素单独处理，不考虑象素之间的相关性。
在象素编码中常用的几种方法有：
（1）脉冲编码调制（PulseCodeModulation，简称PCM）；
（2）熵编码（EntropyCoding）；
（3）行程编码（RunLengthCoding）；
（4）位平面编码（BitPlaneCoding）。
其中我们要介绍的是熵编码中的哈夫曼（Huffman）编码和行程编码（以读取.PCX文件为例）。
所谓预测编码是指，去除相邻象素之间的相关性和冗余性，只对新的信息进行编码。
举个简单的例子，因为象素的灰度是连续的，所以在一片区域中，相邻象素之间灰度值的差别可能很小。
如果我们只记录第一个象素的灰度，其它象素的灰度都用它与前一个象素灰度之差来表示，就能起到压缩的目的。
如248，2，1，0，1，3，实际上这6个象素的灰度是248，250，251，251，252，255。
表示250需要8个比特，而表示2只需要两个比特，这样就实现了压缩。
常用的预测编码有Δ调制（DeltaModulation，简称DM）；
微分预测编码（DifferentialPulseCodeModulation，DPCM），具体的细节在此就不详述了。
所谓变换编码是指，将给定的图象变换到另一个数据域（如频域）上，使得大量的信息能用较少的数据来表示，从而达到压缩的目的。
变换编码有很多，如
（1）离散傅立叶变换（DiscreteFourierTransform，简称DFT）；
（2）离散余弦变换（DiscreteCosineTransform，简称DCT）；
（3）离散哈达玛变换（DiscreteHadamardTransform，简称DHT）。
其它的编码方法也有很多，如混合编码（HybirdCoding）、矢量量化（VectorQuantize，VQ）、LZW算法。
在这里，我们只介绍LZW算法的大体思想。
值得注意的是，近些年来出现了很多新的压缩编码方法，如使用人工神经元网络（ArtificialNeuralNetwork，简称ANN）的压缩编码算法、分形（Fractl）、小波（Wavelet）、基于对象（ObjectBased）的压缩编码算法、基于模型（Model–Based）的压缩编码算法（应用在MPEG4及未来的视频压缩编码标准中）。
这些都超出了本书的范围。
本章的最后，我们将以JPEG压缩编码标准为例，看看上面的几种编码方法在实际的压缩编码中是怎样应用的。
9.1哈夫曼编码
哈夫曼（Huffman）编码是一种常用的压缩编码方法，是Huffman于1952年为压缩文本文件建立的。
它的基本原理是频繁使用的数据用较短的代码代替，较少使用的数据用较长的代码代替，每个数据的代码各不相同。
这些代码都是二进制码，且码的长度是可变的。
举个例子：
假设一个文件中出现了8种符号S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7，那么每种符号要编码，至少需要3比特。
假设编码成000,001,010,011,100,101,110,111（称做码字）。
那么符号序列S0S1S7S0S1S6S2S2S3S4S5S0S0S1编码后变成000001111000001110010010011100101000000001，共用了42比特。
我们发现S0，S1，S2这三个符号出现的频率比较大，其它符号出现的频率比较小，如果我们采用一种编码方案使得S0，S1，S2的码字短，其它符号的码字长，这样就能够减少占用的比特数。
例如，我们采用这样的编码方案：
S0到S7的码字分别01,11,101,0000,0001,0010,0011,100，那么上述符号序列变成011110001110011101101000000010010010111，共用了39比特，尽管有些码字如S3，S4，S5，S6变长了（由3位变成4位），但使用频繁的几个码字如S0，S1变短了，所以实现了压缩。
上述的编码是如何得到的呢？
随意乱写是不行的。
编码必须保证不能出现一个码字和另一个的前几位相同的情况，比如说，如果S0的码字为01，S2的码字为011，那么当序列中出现011时，你不知道是S0的码字后面跟了个1，还是完整的一个S2的码字。
我们给出的编码能够保证这一点。
下面给出具体的Huffman编码算法。
（1）
首先统计出每个符号出现的频率，上例S0到S7的出现频率分别为4/14，3/14，2/14，1/14，1/14，1/14，1/14，1/14。
（2）
从左到右把上述频率按从小到大的顺序排列。
（3）
每一次选出最小的两个值，作为二叉树的两个叶子节点，将和作为它们的根节点，这两个叶子节点不再参与比较，新的根节点参与比较。
（4）
重复（3），直到最后得到和为1的根节点。
（5）
将形成的二叉树的左节点标0，右节点标1。
把从最上面的根节点到最下面的叶子节点途中遇到的0,1序列串起来，就得到了各个符号的编码。
上面的例子用Huffman编码的过程如图9.1所示，其中圆圈中的数字是新节点产生的顺序。
可见，我们上面给出的编码就是这么得到的。
图9.1
Huffman编码的示意图
产生Huffman编码需要对原始数据扫描两遍。
第一遍扫描要精确地统计出原始数据中，每个值出现的频率，第二遍是建立Huffman树并进行编码。
由于需要建立二叉树并遍历二叉树生成编码，因此数据压缩和还原速度都较慢，但简单有效，因而得到广泛的应用。
源程序就不给出了，有兴趣的读者可以自己实现。
9.2行程编码
行程编码（RunLengthCoding）的原理也很简单：
将一行中颜色值相同的相邻象素用一个计数值和该颜色值来代替。
例如aaabccccccddeee可以表示为3a1b6c2d3e。
如果一幅图象是由很多块颜色相同的大面积区域组成，那么采用行程编码的压缩效率是惊人的。
然而，该算法也导致了一个致命弱点，如果图象中每两个相邻点的颜色都不同，用这种算法不但不能压缩，反而数据量增加一倍。
所以现在单纯采用行程编码的压缩算法用得并不多，PCX文件算是其中的一种。
PCX文件最早是PCPaintbrush软件所采用的一种文件格式，由于压缩比不高，现在用的并不是很多了。
它也是由头信息、调色板、实际的图象数据三个部分组成。
其中头信息的结构为：
typedefstruct{
charmanufacturer;
charversion;
charencoding;
charbits_per_pixel;
WORDxmin,ymin;
WORDxmax,ymax;
WORDhres;
WORDvres;
charpalette[48];
charreserved;
charcolour_planes;
WORDbytes_per_line;
WORDpalette_type;
charfiller[58];
}PCXHEAD;
其中值得注意的是以下几个数据：
manufacturer为PCX文件的标识，必须为0x0a；
xmin为最小的x坐标，xmax最大的x坐标，所以图象的宽度为xmax-xmin+1，同样图象的高度为ymax-yin+1；
bytes_per_line为每个编码行所占的字节数，下面将详细介绍。
PCX的调色板在文件的最后。
以256色PCX文件为例，倒数第769个字节为颜色数的标识，256时该字节必须为12，剩下的768（256×
3）为调色板的RGB值。
为了叙述方便，我们针对256色PCX文件，介绍一下它的解码过程。
编码是解码的逆过程，有兴趣的读者可以试着自己来完成。
解码是以行为单位的，该行所占的字节数由bytes_per_line给定。
为此，我们开一个大小为bytes_per_line的解码缓冲区。
一开始，将缓冲区的所有内容清零。
从文件中读出一个字节C，若C>
0xc0，说明是行程（RunLength）信息，即C的低6位表示后面连续的字节个数（所以最多63个连续颜色相同的象素，若还有颜色相同的象素，将在下一个行程处理），文件的下一个字节就是实际的图象数据（即该颜色在调色板中的索引值）。
若C<
0xc0，则表示C是实际的图象数据。
如此反复，直到这bytes_per_line个字节处理完，这一行的解码完成。
PCX就是有若干个这样的解码行组成。
下面是实现256色PCX文件解码的源程序，其中第二个函数对一行进行解码，应该把阅读的重点放在这个函数上。
要注意的是，执行时文件C:
\\test.pcx必须存在，而且是一个256色PCX文件。
unsignedint
PcxBytesPerLine;
BOOLLoadPcxFile（HWNDhWnd,char*PcxFileName）
{
FILE
*PCXfp;
PCXHEAD
header;
LOGPALETTE
*pPal;
HPALETTE
hPrevPalette;
HDC
hDc;
HLOCAL
hPal;
DWORD
ImgSize;
DWORD
OffBits,BufSize;
LPBITMAPINFOHEADER
lpImgData;
i;
LONG
x,y;
int
PcxTag;
unsignedchar
LineBuffer[6400];
LPSTR
lpPtr;
HFILE
hfbmp;
if（（PCXfp=fopen（PcxFileName,"
rb"
））==NULL）{//文件没有找到
MessageBox（hWnd,"
Filec:
\\test.pcxnotfound!
"
"
ErrorMessage"
MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION）;
returnFALSE;
}
//读出头信息
fread（（char*）&
header,1,sizeof（PCXHEAD）,PCXfp）;
if（header.manufacturer!
=0x0a）{//不是一个合法的PCX文件
NotavalidPcxfile!
fclose（PCXfp）;
returnFALSE;
//将文件指针指向调色板开始处
fseek（PCXfp,-769L,SEEK_END）;
//获取颜色数信息
PcxTag=fgetc（PCXfp）&
0xff;
if（PcxTag!
=12）{//非256色，返回
MessageBox（hWnd,"
Nota256colorsPcxfile!
//创建新的BITMAPFILEHEADER和BITMAPINFOHEADER
memset（（char*）&
bf,0,sizeof（BITMAPFILEHEADER））;
bi,0,sizeof（BITMAPINFOHEADER））;
//填写BITMAPINFOHEADER头信息
bi.biSize=sizeof（BITMAPINFOHEADER）;
//得到图象的宽和高
bi.biWidth=header.xmax-header.xmin+1;
bi.biHeight=header.ymax-header.ymin+1;
bi.biPlanes=1;
bi.biBitCount=8;
bi.biCompression=BI_RGB;
ImgWidth=bi.biWidth;
ImgHeight=bi.biHeight;
NumColors=256;
LineBytes=（DWORD）WIDTHBYTES（bi.biWidth*bi.biBitCount）;
ImgSize=（DWORD）LineBytes*bi.biHeight;
//填写BITMAPFILEHEADER头信息
bf.bfType=0x4d42;
bf.bfSize=sizeof（BITMAPFILEHEADER）+sizeof（BITMAPINFOHEADER）+
NumColors*sizeof（RGBQUAD）+ImgSize;
bf.bfOffBits=（DWORD）（NumColors*sizeof（RGBQUAD）+
sizeof（BITMAPFILEHEADER）+sizeof（BITMAPINFOHEADER））;
//为新图分配缓冲区
if（（hImgData=GlobalAlloc（GHND,（DWORD）
（sizeof（BITMAPINFOHEADER）+
NumColors*sizeof（RGBQUAD）+ImgSize）））==NULL）
{
Errorallocmemory!
ErrorMessage"
fclose（PCXfp）;
lpImgData=（LPBITMAPINFOHEADER）GlobalLock（hImgData）;
//拷贝头信息
memcpy（lpImgData,（char*）&
bi,sizeof（BITMAPINFOHEADER））;
lpPtr=（char*）lpImgData+sizeof（BITMAPINFOHEADER）;
//为256色调色板分配内存
hPal=LocalAlloc（LHND,sizeof（LOGPALETTE）+
NumColors*sizeof（PALETTEENTRY））;
pPal=（LOGPALETTE*）LocalLock（hPal）;
pPal->
palNumEntries=256;
palVersion=0x300;
for（i=0;
i<
256;
i++）{
//读取调色板中的RGB值
palPalEntry[i].peRed=（BYTE）fgetc（PCXfp）;
palPalEntry[i].peGreen=（BYTE）fgetc（PCXfp）;
palPalEntry[i].peBlue=（BYTE）fgetc（PCXfp）;
palPalEntry[i].peFlags=（BYTE）0;
*（lpPtr++）=（unsignedchar）pPal->
palPalEntry[i].peBlue;
palPalEntry[i].peGreen;
palPalEntry[i].peRed;
*（lpPtr++）=0;
//产生新的逻辑调色板
hPalette=CreatePalette（pPal）;
LocalUnlock（hPal）;
LocalFree（hPal）;
hDc=GetDC（hWnd）;
if（hPalette）{
hPrevPalette=SelectPalette（hDc,hPalette,FALSE）;
RealizePalette（hDc）;
//解码行所占的字节数
PcxBytesPerLine=（unsignedint）header.bytes_per_line;
//将文件指针指向图象数据的开始处
fseek（PCXfp,（LONG）sizeof（PCXHEAD）,SEEK_SET）;
//缓冲区大小
OffBits=bf.bfOffBits-sizeof（BITMAPFILEHEADER）;
//BufSize为缓冲区大小
BufSize=OffBits+bi.biHeight*LineBytes;
for（y=0;
y<
bi.biHeight;
y++）{
//指向新图中相应的位置
lpPtr=（char*）lpImgData+BufSize-LineBytes-y*LineBytes;
//解码该行，放在数组LineBuffer中
ReadPcxLine（LineBuffer,PCXfp）;
for（x=0;
x<
bi.biWidth;
x++）
*（lpPtr++）=LineBuffer[x];
//将该行存储到位图数据中
//创建新的位图
hBitmap=CreateDIBitmap（hDc,（LPBITMAPINFOHEADER）lpImgData,
（LONG）CBM_INIT,
（LPSTR）lpImgData+
sizeof（BITMAPINFOHEADER）+
NumColors*sizeof（RGBQUAD）,
（LPBITMAPINFO）lpImgData,
DIB_RGB_COLORS）;
if（hPalette&
&
hPrevPalette）{
SelectPalette（hDc,hPrevPalette,FALSE）;
hfbmp=_lcreat（"
c:
\\pcx2bmp.bmp"
0）;
_lwrite（hfbmp,（LPSTR）&
bf,sizeof（BITMAPFILEHEADER））;
_lwrite（hfbmp,（LPSTR）lpImgData,BufSize）;
_lclose（hfbmp）;
//释放内
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