数据压缩实验四：DPCM 压缩系统的实现和分析

一：实验原理

1.DCPM编码原理

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。DCPM编码是对模拟信号幅度抽样的差值进行量化编码的调制方式，这种方式是用已经过去的抽样值来预测当前的抽样值，对它们的差值进行编码。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，下面分别是编码器系统框图和解码器系统框图，可以看出，虚线框中框出的即为编码器中内嵌的解码器。

上图中，xn为输入的信号，通过与预测值相减得到预测误差dn，dn经量化后得到d^n。d^n一方便送到信道进行传输，另一方面用于更新预测值。

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。本次实验中，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，通过对一个256级的灰度图像（或者彩色图像的亮度部分）进行DPCM编码，验证DCPM编码的编码效率。

二：实验流程及代码分析

实验流程框图：

关键代码分析：

本实验工程目录如下：

Huffman编码器工程目录如下：（Huffman编码上一实验已给出，这里不再赘述）

该DCPM编码实验主要包括一个主文件和一个rgb2yuv函数文件，是在实验2的基础上经添加相关代码，添加的代码下面将一一给出，rgb2yuv函数在之前实验2中已给出，这里不再赘述。

main.cpp文件中：

/*初始化变量*/

//定义变量char* bmpFileName = NULL;char* yuvFileName = NULL;/*add by yangyulan*/char* yuv1FileName = NULL;//用于存储重建图像的文件char* qFileName = NULL;//用于存储量化误差图像的文件/*end by yangyulan*/bmpFileName = argv[1];yuvFileName = argv[2];/*add by yangyulan*/yuv1FileName = argv[3];qFileName =  argv[4];u_int8_t* q = NULL;//指向量化误差buffer的指针/*end by yangyulan*/u_int8_t* rgbBuf = NULL;u_int8_t* yBuf = NULL;u_int8_t* uBuf = NULL;u_int8_t* vBuf = NULL;

/*打开文件*/

/*add by yangyulan */FILE *yuv1File=  fopen(yuv1FileName, "ab");if (yuv1File  == NULL) {printf("can not find yuv file\n");exit(1);}FILE *qFile=  fopen(qFileName, "ab");if (qFile  == NULL) {printf("can not find q file\n");exit(1);}/*end by yangyulan*/

/*开辟缓冲区*/

/*add by yangyulan*/q = (u_int8_t*)malloc(width*height);/*end by yangyulan*/

/*将原图像进行rgb2yuv处理并输出灰度文件后，进行如下DPCM编码处理*/

/*add by yangyulan*/for ( int i = 0; i < height; i++){float yp=128;//yp为预测值for (int j = 0; j < width; j++){float m=(float)*(yBuf+i*width+j)-yp;//差值m/=2;//量化*(q+i*width+j)=(u_int8_t)(m+128);//量化误差//m*=2;//反量化*(yBuf+i*width+j)=(u_int8_t)(m+yp);//重建后的样本yp=(float)*(yBuf+i*width+j);//更新预测值}}//将重建后的值写入文件fwrite(yBuf, 1, width*height, yuv1File);++videoFramesWritten;//将量化误差写入文件fwrite(q,1,width*height,qFile);/*end by yangyulan*/

三：实验结果

本实验经DCPM编码后共生成三个yuv文件：原图像文件，经DPCM编码后重建图像文件和量化误差文件。

原图像预测误差图像重建图像   
从上图可以看出，经过DPCM编码之后的重建图像比未经编码的原图像质量有所下降，原因在于在对预测误差的8比特量化引起了量化误差。

图像文件（包括原图像和DPCM编码后的预测误差图像）经Huffman编码后的概率分布图和压缩比：

原图像预测误差图像原图像概率分布预测误差图像概率分布原图像压缩比预测误差图像压缩比2.220                              1.107                    1.1031.5241.1562.6811.1212.500      

从上表可以看出，将经过DPCM编码的预测误差图像送入Huffman编码器，相对于未经DPCM编码的图像，其符号的概率分布更加集中，这表示可以用更加少的码字来进行编码，降低了平均码长，从而提高了压缩效率。

四：实验结论

1、经过DPCM编码，可以提高数据所占的比特数，降低所占内存，从而提高传输效率。但因为DPCM编码为有损编码，在进行量化的过程中会引入量化误差，因此相较于原图像，其图像质量会有所下降。

2、将图像进行DPCM有损编码后，送入到Huffman无损编码器，可以很大程度上降低平均码长，提高压缩效率。