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C语言实现DCT变换编码

Contents

1.DCT变换编码C语言

2.MPEG4中逆DCT变换

3.DCT变换探究

4.快速DCT变换

DCT变换编码C语言

#include

#include

#include

#include

#definePI3.1415926

#defineCLK_TCKCLOCKS_PER_SEC

intN;

voidDCT(double*f,double*F)

{

  intn,m,x;

 double*dTemp=newdouble[N*N];//中间矩阵

 double*coff=newdouble[N*N];//变换系数

 coff[0]=1/sqrt(N);

 for(m=1;m

  coff[m]=sqrt

(2)/sqrt(N);

 memset(dTemp,0,sizeof(double)*N*N);

 memset(F,0,sizeof(double)*N*N);

 //一维变换

 for(n=0;n

  for(m=0;m

   for(x=0;x

    dTemp[m*N+n]+=f[x*N+n]*coff[m]*cos((2*x+1)*PI*m/(2*N));

 //第二次一维变换

 for(m=0;m

  for(n=0;n

   for(x=0;x

    F[m*N+n]+=dTemp[m*N+x]*coff[n]*cos((2*x+1)*PI*n/(2*N));

 delete[]dTemp;

 delete[]coff;

}

voidiDCT(double*f,double*F)

{

 intm,y,x;

 double*dTemp=newdouble[N*N];//中间矩阵

 double*coff=newdouble[N*N];//变换系数

 coff[0]=1/sqrt(N);

 for(m=1;m

  coff[m]=sqrt

(2)/sqrt(N);

 memset(dTemp,0,sizeof(double)*N*N);

 memset(F,0,sizeof(double)*N*N);

 //一维变换

 for(x=0;x

  for(y=0;y

   for(m=0;m

    dTemp[x*N+y]+=F[x*N+m]*coff[m]*cos((2*y+1)*PI*m/(2*N));

 //第二次一维变换

 for(y=0;y

  for(x=0;x

   for(m=0;m

    F[x*N+y]+=dTemp[m*N+y]*coff[m]*cos((2*x+1)*PI*m/(2*N));

 delete[]dTemp;

 delete[]coff;

}

intmain()

  clock_tstart,end;

 start=clock();

 inti;

 longL;

 

 printf("变换维数:

");

 scanf("%d",&N);

 

 double*f=newdouble[N*N];//初始矩阵

 double*F=newdouble[N*N];//变换后输出矩阵 

memset(F,0,sizeof(double)*N*N);//初始化为0

 for(i=0;i

 {

  printf("f[%d][%d]:

",i/N,i%N);

  scanf("%lf",&f[i]);

 }

 printf("循环次数:

");

 scanf("%d",&L);

//输出初始矩阵

 printf("变换前:

\n");

 for(i=1;i<=N*N;i++)

 {

  printf("%f\t",f[i-1]);

  if(i%N==0)

   printf("\n");

 }

 for(i=0;i

  DCT(f,F);//变换

//输出变换后矩阵

 printf("变换后:

\n");

 for(i=1;i<=N*N;i++)

 {

  printf("%f\t",F[i-1]);

  if(i%N==0)

   printf("\n");

 } 

for(i=0;i

 iDCT(f,F);

 //输出反变换后矩阵

 printf("反变换后:

\n");

 for(i=1;i<=N*N;i++)

 {  printf("%f\t",f[i-1]);

  if(i%N==0)

   printf("\n");

 }

 //printf("\n");

 delete[]f;

 delete[]F;

 end=clock();

 printf("耗时:

%f\n",(double)(end-start)/CLK_TCK);

 return0; 

}

===================================================================

MPEG4中逆DCT变换

一旦DCT系数F[u][v]被恢复,那么就可以用逆DCT变换来获得逆变换值f[y][x],这些只要被饱和到-256≤f[y][x]≤255。

对短头格式,由于不存在隔行模式,因此全部用帧DCT变换,就是一般的情况。

非短头格式时,如果使用隔行模式,并且dct_type等于1,此时使用场DCT变换,场DCT变换的算法同帧DCT变换完全一样,只是输出的时候需要将按场组织的宏块转换为按帧组织的宏块。

下面简单介绍一下DCT变换和逆变换的过程。

矩阵大小为NxN的二维DCT变换为:

u,v,x,y=0,1,2,⋯N-1

其中x,y是原始域中的空间坐标

u,v是变换域中的空间坐标

逆DCT变换定义为:

如果每个像素为n比特,则DCT变换的输入为n+1比特,逆DCT变换的输出为n+1比特。

DCT变换后的DCT系数的长度为n+4比特,动态范围为[-2n+3:

+2n+3-1]。

对我们来说这里的n等于8。

NxN的逆DCT变换的实现必须符合IEEE的关于8x8的逆DCT变换的实现的标准,即IEEEStandardSpecificationfortheImplementationsof8by8InverseDiscreteCosineTransform,Std1180-1990,December 6,1990,不过有下列修改:

1)IEEE规范中的3.2小节的item

(1)中最后一句话被替换为:

<>

2)IEEE规范中的3.3小节的text被替换为:

<>

3)LetFbethesetof4096blocksBi[y][x](i=0..4095)definedasfollows:

a)Bi[0][0]=i-2048

b)Bi[7][7]=1ifBi[0][0]iseven,Bi[7][7]=0ifBi[0][0]isodd

c)AllothercoefficientsBi[y][x]otherthanBi[0][0]andBi[7][7]areequalto0

ForeachblockBi[y][x]thatbelongstosetFdefinedabove,anIDCTthatclaimstobecompliantshalloutputablockf[y][x]thatasapeakerrorof1orlesscomparedtothereferencesaturatedmathematicalinteger-numberIDCTfíí(x,y).Inotherwords,|f[y][x]-fíí(x,y)|shallbe<=1forallxandy.

NOTE1lause 2.3Std1180-1990“ConsiderationsofSpecifyingIDCTMismatchErrors”requiresthespecificationofperiodicintra-picturecodinginordertocontroltheaccumulationofmismatcherrors.Everymacroblockisrequiredtoberefreshedbeforeitiscoded132timesaspredictivemacroblocks.MacroblocksinB-pictures(andskippedmacroblocksinP-pictures)areexcludedfromthecountingbecausetheydonotleadtotheaccumulationofmismatcherrors.Thisrequirementisthesameasindicatedin1180-1990forvisualtelephonyaccordingtoITU-TRecommendationH.261.

NOTE2WhilsttheIEEEIDCTstandardmentionedaboveisanecessaryconditionforthesatisfactoryimplementationoftheIDCTfunctionitshouldbeunderstoodthatthisisnotsufficient.Inparticularattentionisdrawntothefollowingsentencefromsubclause5.4:

“Wherearithmeticprecisionisnotspecified,suchasthecalculationoftheIDCT,theprecisionshallbesufficientsothatsignificanterrorsdonotoccurinthefinalintegervalues.”

逆DCT变换的过程这里不再详述,需要实现这个的可以去参考这个标准。

在实际应用中一般通过两次1-DIDCT变换来完成2-DIDCT变换,这种方法通常被称为行-列法。

一般来说,后者在结构上的对称性更好,并且可以重复使用硬件资源,所以在我们的芯片设计选用一种行-列法来进行IDCT单元的结构研究。

二维IDCT可以分解成二次一维IDCT运算,如以下公式。

在结构上,上两式所定义的运算使用了相同的运算“核”(如以下公式所示),它们具有相似性。

因此利用三角函数的各种关系,可以得到“核”的快速算法。

其中,

为了便于理解,可将快速算法表示成蝶形图,如下图。

将对模块进行一维IDCT变换的结果存储起来,转置输出,再进行一次IDCT变换,即为相应的二维IDCT变换。

图4-8折叠结构的二维IDCT单元 

一行数据(一行有8个像素数据)在该单元中的处理流程是:

1—>2—>3—>4—>5—>6—>7—>8。

 

DCT变换探究

1前言

此文适合于那些对DCT或对Haar小波的Mallat算法有一定了解的人。

由于我还是高一新丁,文学底子很薄弱,对于一些技术方面的知识,我是有口说不出,无法用文字表达出来,因此这里提供的知识只是我所知道的1/4左右,还有3/4我不知该如何表达,特别是第三节“深入研究DCT”,我个人认为简直是浅入!

如果你只是菜鸟,不但想看懂此文,而且还要看懂其他的类似文章,那么我教你一个最快的学习方法:

设X={10,20}

分解的方法:

低频=10+20=30,高频=10-20=-10,

即Y={30,-10}

合并的方法:

X(0)=(低频+高频)/2=(30+(-10))/2=10,X

(1)=X(0)-高频=10-(-10)=20

即X={10,20}

只要搞清楚低频和高频是怎么来的和如何合并的即可。

2DCT简介

DCT全名为DiscreteCosineTransform,中文名为离散余弦变换。

在众人皆知的JPEG编码中,就是使用了DCT来压缩图像的。

为什么DCT可以压缩图像?

我想这个问题有很多人都想知道,但其实这是错误的说法!

因为DCT在图像压缩中仅仅起到扶助的作用,给它n个数据,经变换后仍然会得出n个数据,DCT只不过消除了这n个数据的冗余性和相关性。

即,用很少的数据就能大致还原出这n个数据,其他的一些DCT系数只起到修正的作用,可有可无。

DCT有一个缺点,就是计算量很大!

因为如果按照DCT的标准变换公式(二维)来实现8x8点阵的变换需要将近上万次计算!

后来提出了一种优化方法,即将二维的DCT分解为两个一维的DCT,这样一来计算量就可以减少为原来的1/4。

但是计算量依然巨大,不具有使用价值,后来在1988年有人提出了一种快速算法叫AAN,它也是将二维的DCT分解成一维的形式,但是二维计算量已减少到只有600来次了,JPG和MPEG编码中的DCT就是使用AAN算法实现的。

DCT还有一个缺点,就是不能无损变换,因为DCT系数都是一些无理数,目前为止,依然无法解决。

3深入研究

首先让我们来看看AAN算法的第一阶级变换代码:

ForI=0To3

J=7-I

Y(I)=X(I)+X(J)

Y(J)=X(I)-X(J)

NextI

设X={10,20,30,40,50,60,70,80}

那么Y={90,90,90,90,-10,-30,-50,-70}

可以看出,这一阶级的低频部分(相加得出的数据)全部相等,而高频部分则呈线性或者是有规律的。

DCT之所以能以较少的数据大致还原图像,就是因为通过预测高频部分而达到的。

那么为何高频部分可以预测呢?

请仔细看上面的代码,可以看出DCT是由外到内来进行处理的,由于像素与像素间有一定的关联性,所以靠的越近的像素之间的差就应该越小,越远就因该越大,但也并不是说所有的数据都具有这种规律,因此DCT预测出来的高频数据就会和原高频数据不大相同,它们之间的差便是第二节提出的修正数据。

第二阶级变换则是在第一阶级变换的基础上再次分解出低、高频,和预测高频,得出修正值。

第三阶级……。

最后,再将DCT系数按照重要程度由大到小,由左到右,重排列即可。

例:

X={10,20,30,40,50,60,70,80}

经过FDCT后:

Y={127,-64,0,-7,-0,-2,0,-1}

其中127是最最重要的,而-64次之,以此类推。

可以发现,-7,-2,-1的能量都很小,说明这三个修正值可以忽略,当忽略后,

得Y={127,-64,0,0,0,0,0,0}

经过IDCT后:

X={14,18,27,39,51,63,72,76}

这与原始数据:

X={10,20,30,40,50,60,70,80}

是非常接近的,肉眼很难发觉。

4为何JPEG2000放弃DCT

在JPEG2000里,放弃了基于块的DCT,而改为了小波变换。

为何要放弃DCT呢?

我认为最根本的原因还是跟DCT的计算量有关,第二节已经指出,为了减少计算量,我们不得不使用只能处理8X8点阵的AAN快速算法(目前,也只有基于8X8点阵的),对于一幅图像,必须将其分割成无数个8X8大小的“块”,对块进行变换。

在低码率下,就会产生方块效应,要解决这个问题,唯有不使用基于区块的AAN快速算法,而是使用直接变换法,但计算量惊人!

由于小波变换计算量很少,便于直接处理图像数据,因此就不会产生块效应,但假如用小波也进行基于8X8点阵的块变换,在低码率下,同样也会有块效应!

只要是基于块变换的,那么在低码率下就会出现块效应,无论是DCT还是小波。

因此,如果忽略DCT直接处理的计算量问题的话,我认为压缩效率会比JPEG2000更好!

(具体原因暂不讨论)

5DCT的改进

下面的代码是我对DCT变换的改进,它具有以下特性

l无损变换

l计算量少

l原位计算

经改进后,它已不再叫作DCT了,可以认为是一种新的算法,只不过是在DCT的基础上修改而来。

以下是正变换:

X为输入端,Y为输出端

设X={10,20,30,40,50,60,70,80}

那么Y={45,40,0,0,0,0,0,0}

'----------------------------------第一阶级

ForI=0To3

J=7-I

Y(J)=X(J)-X(I)

Y(I)=X(I)+Fix(Y(J)/2)

NextI

'-----------------------------------第二阶级

ForH=0To4Step4

ForI=0To1

J=3-I

X(J+H)=Y(J+H)-Y(I+H)

X(I+H)=Y(I+H)+Fix(X(J+H)/2)

NextI

NextH

'-----------------------------------第三阶级

ForI=0To6Step2

Y(I+1)=X(I+1)-X(I)

Y(I)=X(I)+Fix(Y(I+1)/2)

NextI

'-----------------------------------预测

Y(3)=Y(3)-Y

(2)

Y(6)=Y(6)-Y(7)

Y(7)=Y(7)-Y(4)

'重要性排序与AAN一样,皆为{0,4,2,6,1,5,7,3},此略

为何能无损?

为何能原位?

和具体实现原理暂时略,以后我会补上

6参考

[1]丁贵广,计文平,郭宝龙VisualC++6.0数字图像编码p44,p57,p170

 

快速DCT变换

仿效FFT的FDCT方法有与DCT无关的复数运算部分,选用代数分解法可以降低运

算量,达到高速运算的目的。

代数分解法实现如下:

对一维DCT表达式直接展开,

寻找各点表达式中共同项,仿FFT蝶形关系,将表达式中的共同项作为下一级节

点,依次进行多次,最后得到变换结果。

一、DCT部分

例子:

Definecos(n*pi/16)Cn

F(0,v)=0.5*C(0)*[x(0)+x

(1)+x

(2)+x(3)+x(4)+x(5)+x(6)+x(7)]

F(1,v)=0.5*C(0)*[x(0)*C1+x

(1)*C3+x

(2)*C5+x(3)*C7+x(4)*C9

             +x(5)*C11+x(6)*C13+x(7)*C15]

          =0.5*{[x(0)-X(7)]C1+[X

(1)-X(6)]*C3+[X

(2)-x(5)]*C5

              +[x(3)-x(4)]*C7]

从上面的式子可以看到07,16,25,34可以作为第一次运算的相加节点,将所有节点

的表达式列出后,可发现一个规律,得到一蝶形图,按之编程,如下:

#define C10.9808

#define C20.9239

#define C30.8315

#define C40.7071

#define C50.5556

#define C60.3827

#define C70.1951

//先做行DCT

voidfdctrow(double*blk)

doubleS07,S16,S25,S34,S0734,S1625;

doubleD07,D16,D25,D34,D0734,D1625;

S07=blk[0]+blk[7];

S16=blk[1]+blk[6];

S25=blk[2]+blk[5];

S34=blk[3]+blk[4];

S0734=S07+S34;

S1625=S16+S25;

D07=blk[0]-blk[7];

D16=blk[1]-blk[6];

D25=blk[2]-blk[5];

D34=blk[3]-blk[4];

D0734=S07-S34;

D1625=S16-S25;

blk[0]=0.5*(C4*(S0734+S1625));

blk[1]=0.5*(C1*D07+C3*D16+C5*D25+C7*D34);

blk[2]=0.5*(C2*D0734+C6*D1625);

blk[3]=0.5*(C3*D07-C7*D16-C1*D25-C5*D34);

blk[4]=0.5*(C4*(S0734-S1625));

blk[5]=0.5*(C5*D07-C1*D16+C7*D25+C3*D34);

blk[6]=0.5*(C6*D0734-C2*D1625);

blk[7]=0.5*(C7*D07-C5*D16+C3*D25-C1*D34);

}

//再做列DCT

voidfdctcol(double*blk)

{

doubleS07,S16,S25,S34,S0734,S1625;

doubleD07,D16,D25,D34,D0734,D1625;

S07=blk[0*8]+blk[7*8];

S16=blk[1*8]+blk[6*8];

S25=blk[2*8]+blk[5*8];

S34=blk[3*8]+blk[4*8];

S0734=S07+S34;

S1625=S16+S25;

D07=blk[0*8]-blk[7*8];

D16=blk[1*8]-blk[6*8];

D25=blk[2*8]-blk[5*8];

D34=blk[3*8]-blk[4*8];

D0734=S07-S34;

D1625=S16-S25

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