利用DPCM&Huffman编码实现数据压缩_C语言实现

一、实验原理

       DPCM是差分预测编码调制的缩写，它利用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。差值编码可以提高编码频率，这种技术已应用于模拟信号的数字通信之中。图像内的像素值之间并非相互独立，某一像素与周围像素之间存在一定的关系，这一关系导致整幅图像的信息熵不是很大。DPCM利用当前像素值减去前一像素值，得到差值，以减少图像之间的冗余，原理图如下。

      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。

二、实验流程

      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、上方预测均可；量化器采用8比特均匀量化。

      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。还可对预测误差进行1比特、2比特和4比特的量化设计。

      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。将原始图像文件输入输入Huffman编码器，得到输出码流、给出概率分布图并计算压缩比。最后比较两种系统（DPCM+熵编码和仅进行熵编码）之间的编码效率（压缩比和图像质量）。

三、实验代码

     首先，根据之前的方法，将一幅bmp文件转化为yuv文件。将yuv分量作为本次实验的样本，进行DPCM后进行Huffman编码。

     由于第一个像素没有预测，所以假设为128，第一个像素预测为128，算出误差。

void DPCM(int Xdim, int Ydim, void *Yin, void *d_buff, void *re_buff, int q_bits){long i, j;unsigned char *y, *diff, *re;y = (unsigned char *)Yin;diff = (unsigned char *)d_buff;re = (unsigned char *)re_buff;int wc;//原始误差  int a = pow(2.0, q_bits);//量化级数int lhjg = 512 / a; //量化间隔：（-255，255）/（2^q_bits）int temp;for (i = 0; i < Ydim; i++){    //对每一列第一个像素值进行预测量化wc = y[Xdim*i] - 128;//假设第一行预测值为128  diff[Xdim*i] = (wc + 255) / lhjg;//量化值  temp = (diff[Xdim*i] - 255 / lhjg)*lhjg + 128;//重建电平  //=(diffy[Xdim] -64)*2+ 128;这种写法错误  if (temp>235) temp = 235;//保护电平（16,235）if (temp < 16) temp = 16;re[Xdim*i] = temp;for (j = 1; j < Xdim; j++){    //对该行剩下像素量化预测  wc = y[Xdim*i + j] - re[Xdim*i + j - 1];//当前值-上一像素重建值  diff[Xdim*i + j] = (wc + 255) / lhjg;//量化值  temp = (diff[j + Xdim*i] - 255 / lhjg)*lhjg + re[j - 1 + Xdim*i];//重建电平  //(diffy[Xdim+j] +127)*lhjg+rey[Xdim+j-1];错误  if (temp>235) temp = 235;//保护电平（16,235）if (temp < 16) temp = 16;re[Xdim*i + j] = temp;}}}

四、实验结果

      差分编码是针对图像空间信息冗余的编码方法，Huffman编码是针对统计信息冗余的编码方法。若二者相结合，先减少空间冗余，再减少统计冗余，将起到很好的压缩效果。

      下面是实验结果图，自左向右分别是：原图、预测误差图像、重现图像。

原始图像的概率分布图与预测误差图像的概率分布图

1.任意文件一

2.任意文件二

3. 狗.jpg

4.鸟.jpg

5. 噪声.jpg

6.圆圈.jpg

7.lena.jpg

8.水果.jpg

9. DPCM&Huffman编码与Huffman编码 压缩比较

文件名   原始图像压缩后压缩比预测误差压缩后压缩比11.75MB1555KB1.15241.75MB701 KB2.556320.98MB770KB1.30330.98MB405 KB2.4778Camman96KB61KB1.573896KB39 KB2.4615Clown96KB70KB1.371496KB47 KB2.0426Fruit96KB70 KB1.371496KB42 KB2.2857Lena96KB69 KB1.391396KB

45 KB

2.1333Noise96KB65 KB1.476996KB73 KB1.3151Odie96KB20 KB4.896KB17 KB5.6471Birds576KB520 KB1.1077576KB333 KB1.7297Zone96KB60 KB1.696KB72 KB1.3333
由对比可以看出，DPCM+Huffman编码的压缩效率优于Huffman编码。