一种JPEG图像的无损压缩与解压缩方法转让专利
申请号 : CN200810073769.0
文献号 : CN100591089C
文献日 : 2010-02-17
发明人 : 王文延
申请人 : 广西师范大学
摘要 :
权利要求 :
1、一种JPEG图像无损压缩的方法，其特征在于它包括下列步骤：1)将JPEG图像文件按规整规则进行可逆变换，得到变换后的JPEG 图像文件；
所述对JPEG图像文件进行可逆变换的规整规则，包括以下步骤：①以二进制方式读取JPEG图像文件，并对得到的二进制数序列进行 分组；其中，所述分组是从第一个比特位开始，按每8个比特位为一组；
②将每组二进制代码转换成无符号十进制数，并将第一组二进制代码 转换成的无符号十进制数保存于新建数组H中；所述第一个分组数据转换 成的无符号十进制数占用1个字节的空间；
③顺序建立256个数组E[i]，i＝0-255；
④按由小到大的顺序遍历转换成的无符号十进制数，将每个父数据后 面出现的子数据，存放在步骤③所建立的第i个数组E[i]中，其中i＝父 数据；
⑤判断遍历是否结束，若是则统计完成遍历后每个数组的长度，并存 放于新建数组G中；若否则继续步骤④；其中，数组G中记录每个数组的 长度的元素占用4个字节的空间；
⑥将256个E[i]数组中的内容依次首尾相连保存于新建数组I中；
⑦将数组H、数组G和数组I中的内容依次首尾相连合并，保存于新 建数组J中，数组J即为变换后的JPEG图像文件。
2)将变换后的JPEG图像文件用LZ77编码或其改进算法进行压缩， 压缩处理结束。
2、一种JPEG图像的解压缩方法，其特征在于它包括下列步骤：1)用LZ77编码或其改进算法对压缩的JPEG图像文件进行解压，得 到经可逆变换后的JPEG图像文件；
2)将可逆变换后的JPEG图像文件用规整规则进行反规整，得到原始 JPEG图像文件；
所述对可逆变换后的JPEG图像文件用规整规则进行反规整，包括以 下步骤：①以二进制方式读取该可逆变换后的JPEG图像文件到新建数组J中， 并对数组J中的二进制数序列进行数据分组；其中，所述分组是从第一个 比特位开始，前8个比特位作为第一组，第一组之后的256个组从第9个 比特位开始以每32个比特位作为一组，除去上述比特位之后该数组中剩 下的所有二进制代码以每8个比特位作为一组；
②将每组数据转换成无符号十进制数，并读取出第一个无符号十进制 数存放于新建数组H中；读取出用于存放子数据的数组的长度元素，并将 该长度元素依次存放于新建数组G中；其中，所述第一个分组数据转换成 的无符号十进制数占用1个字节的空间；所述用于表示存放子数据的数组 的长度元素共256个，每个元素占4个字节的空间；
③顺序建立256个数组E[i]，i＝0-255；
④将数组J中剩余的数据，按数组G中子数据数组的长度分别依次存 放于步骤③建立的数组E[i]中；
⑤建立A数组，将H数组中数据存放于A数组第一个位置；
⑥顺序读取A数组的数据作为父数据，在256个数组群E[i]中寻找 i＝父数据的数组E[i]中第一个没有已读标志的数据作为子数据，并将该子 数据存于A数组中继该父数据之后的下一个空位置，同时将对应数组E[i] 中的该子数据的标志位置为已读；
⑦扫描256个数组E[i]，并检查其中所有数据的标志位是否全部为已 读，若否则继续步骤⑥；若是则停止扫描，将数组A保存为文件，该文件 即为原始JPEG图像文件。
说明书 :
(一)技术领域：
本发明涉及一种数据的压缩和解压缩方法，具体涉及一种JPEG图像 的无损压缩与解压缩方法。
(二)背景技术：
JPEG格式的图片具有图像质量高的特点，而在计算机存储及计算机 网络传输图像中广泛使用，现有的普通数码相机的照片也大都采用JPEG 格式。因JPEG图片的图像质量较高，因而其占用的空间相对也较大，以 一部800万像素的数码相机来说，其产生的JPEG图像可高达5M字节。 为了节省存储空间，并减少图像在传输过程中所耗费的时间，通常将原 JPEG图像文件进行压缩后再保存或传输。现有的压缩方法有两类，一类 为无损压缩，这种压缩方法把数据看作是信息和冗余度的结合，其工作的 机理是去除或减少数据中的冗余度，因而不会导致原数据的丢失。另一类 为有损压缩，这种压缩不但去掉或减少数据中的冗余度，而且还忽略一些 不太重要的细节，因而拥有可观的压缩比，但这种压缩方法会丢失原文件 的某些信息，导致解压后的文件和原文件存在一定的差别。现有的无论是 无损压缩还是有损压缩的压缩方法，都是将原JPEG图像文件直接进行压 缩，这样虽然可达到一定的压缩比，减少一定的存储空间和传输耗时，但 其实原JPEG图像文件中由于其排放的序列的不同而存在一定的冗余度， 这种冗余度在不对原JPEG图像文件作规整的前提下是不能去除的，如何 对原JPEG图像文件作出更有效的规整便成为提高压缩比的又一手段。
(三)发明内容：
本发明为解决上述问题而提供一种在将JPEG图像文件进行压缩前对 该文件进行有效规整，以去除原文件中本身存在的冗余的JPEG图像的无 损压缩与解压缩方法；这种方法不但可以在原有压缩比的基础上再有效去 除3-10％的冗余，同时不影响JPEG图像文件的压缩/解压缩效果，且易于 实现。
本发明JPEG图像的无损压缩与解压缩方法中，所述JPEG图像无损 压缩的方法，其步骤如下：
1)将JPEG图像文件按规整规则进行可逆变换，得到变换后的JPEG 图像文件；
2)将变换后的JPEG图像文件用LZ77编码或其改进算法进行压缩， 压缩处理结束。
上述步骤1)中对JPEG图像文件进行可逆变换的规整规则，包括以下 步骤：
①以二进制方式读取JPEG图像文件，并对得到的二进制数序列进行 分组；
所述分组是从二进制数的第一个比特位开始，一般按每8个比特位为 一组，如果不够8位的，则在不够的这组二进制数的前面补0并补够8位；
②将每组二进制代码转换成无符号十进制数，并将第一组二进制代码 转换成的无符号十进制数保存于新建数组H中；
由于第一个分组数据转换成的无符号十进制数在0-255之间，为了节 省空间，可将该无符号十进制数设定为占用1个字节的空间；
③顺序建立256个数组E[i]，i＝0-255；用于存放与i对应的父数据 之后的子数据；对于任意两个相邻分组而言，位于前面的分组数据设为父 数据，位于后面的分组数据设为子数据；
④按由小到大的顺序遍历转换成的无符号十进制数，将每个父数据后 面出现的子数据，存放在步骤③所建立的第i个数组E[i]中，其中i＝父 数据，若不存在与i相同的父数据，则该数组E[i]为空；
⑤判断遍历是否结束，若是则统计完成遍历后每个数组的长度，并存 放于新建数组G中；若否则继续步骤④；
所述数组G中记录每个数组的长度的元素一般占用4个字节的空间；
⑥将256个E[i]数组中的内容依次首尾相连保存于新建数组I中；
⑦将数组H、数组G和数组I中的内容依次首尾相连合并，保存于新 建数组J中，数组J即为变换后的JPEG图像文件。
本发明所述的JPEG图像的解压缩方法，包括下列步骤：
1)用LZ77编码或其改进算法对压缩的JPEG图像文件进行解压，得 到可逆变换后的JPEG图像文件；
2)将经可逆变换后的JPEG图像文件用规整规则进行反规整，得到原 始JPEG图像文件。
上述步骤2)中，所述将可逆变换后的JPEG图像文件用规整规则进行 反规整，包括以下步骤：
①以二进制方式读取该可逆变换后的JPEG图像文件到新建数组J中， 并对数组J中的二进制数序列进行分组；
所述分组是从第一个比特位开始，前8个比特位作为第一组，第一组 之后的256个组从第9个比特位开始以每32个比特位作为一组，除去上 述比特位之后该数组中剩下的所有二进制代码的二进制代码以每8个比特 位作为一组；
②将每组数据转换成无符号十进制数，并读取出第一个无符号十进制 数存放于新建数组H中；读取出用于存放子数据的数组的长度元素，并将 该长度元素依次存放于新建数组G中；
上述读取的规则按压缩时存入数据所占用的空间来顺序读取，即读取 数组J中占用1个字节空间的无符号十进制数放入数组H中；读取该无符 号十进制数之后的每4个字节为一个元素的数组长度于数组G中；
③顺序建立256个数组E[i]，i＝0-255；用于存放与i对应的父数据 之后的子数据；
④将数组J中剩余的数据，按数组G中子数据数组的长度分别依次存 放于步骤3)建立的数组E[i]中；
⑤建立A数组，将H数组中数据存放于A数组第一个位置；
⑥顺序读取A数组的数据作为父数据，在256个数组群E[i]中寻找 i＝父数据的数组E[i]中第一个没有已读标志的数据作为子数据，并将该子 数据存于A数组中继该父数据之后的下一个空位置，同时将对应数组E[i] 中的该子数据的标志位置为已读；
⑦扫描256个数组E[i]，并检查其中所有数据的标志位是否全部为已 读，若否则继续步骤⑥；若是则停止扫描，将数组A保存为文件，该文件 即为原始JPEG图像文件。
本发明与现有的压缩/解压缩方法相比，在进行压缩之前首先将要压 缩的JPEG图像文件进行可逆变换，以去除原文件本身存在的冗余，再用 LZ77编码或其改进算法进行压缩，这样可在原有的压缩比的基础上再去除 3-10％的冗余，还能保证JPEG图像文件的压缩/解压缩质量，且易于实现。
(四)附图说明：
图1：对JPEG图像文件进行可逆变换处理的流程图；
图2：对解压后的JPEG图像文件进行还原处理的流程图。
附图标记：
101、图像数据以二进制方式读出，并将二进制数序列从第一个比特 位开始，按每8个比特位为一组的形式进行分组；
102、将每组二进制代码转换成无符号十进制数，并将第一组二进制 代码转换成的无符号十进制数保存于新建数组H中；
103、顺序建立256个数组E[i]；
104、按由小到大的顺序遍历转换成的无符号十进制数，将每个父数 据后面出现的子数据，存放上述步骤所建立的第i个数组E[i]中，其中 i＝父数据；
105、遍历结束，统计完成遍历后每个数组的长度；
106、将256个E[i]数组中的内容依次首尾相连保存于新建数组I中；
107、将数组H、数组G和数组I中的内容依次首尾相连合并，保存于 新建数组J中，数组J即为变换后的JPEG图像文件。
201、以二进制方式读取该可逆变换后的JPEG图像文件到新建数组J 中，并对数组J中的二进制数序列进行分组；
202、将每组数据转换成无符号十进制数，并读取出第一个无符号十 进制数存放于新建数组H中；读取出用于存放子数据的数组的长度元素， 并将该长度元素依次存放于新建数组G中；
203、顺序建立256个数组E[i]；
204、读取数组J中剩余的数据，按数组G中子数据数组的长度分别 依次存放于步骤3)建立的数组E[i]中；
205、建立A数组，将H数组中数据存放于A数组第一个位置；
206、顺序读取A数组的数据作为父数据，在256个数组群E[i]中寻 找i＝父数据的数组E[i]中第一个没有已读标志的数据作为子数据，并将 该子数据存于A数组中继该父数据之后的下一个空位置，同时将对应数组 E[i]中的该子数据的标志位置为已读；
207、扫描256个数组E[i]，并检查其中所有数据的标志位是否全部 为已读，若否则继续步骤⑥；若是则停止扫描，将数组A保存为文件，该 文件即为原始JPEG图像文件。
(五)具体实施方式：
本发明所述的JPEG图像的无损压缩与解压缩方法，包括对JPEG图 像文件的压缩与解压缩，其中对JPEG图像的无损压缩方法是将JPEG图 像文件中的内容进行信号重排即可逆变换后再用LZ77或winzip、gzip、 winrar等软件进行无损压缩。图1为将JPEG图像文件进行可逆变换处理 的流程图，如图所示，对JPEG图像文件进行可逆变换，首先将JPEG图像 文件以二进制方式读出，并将二进制数序列从第一个比特位开始，按每8 个比特位为一组的形式进行分组(步骤101)；然后，将每组二进制代码转 换成无符号十进制数，并将第一组二进制代码转换成的无符号十进制数保 存于新建数组H中(步骤102)；该无符号十进制数设定为占用1个字节的 空间；顺序建立256个数组E[i]，i＝0-255(步骤103)，用于存放与i 对应的父数据之后的子数据；再按由小到大的顺序遍历转换成的无符号十 进制数，将每个父数据后面出现的子数据，存放上述步骤所建立的第i个 数组E[i]中，其中i＝父数据(步骤104)，若不存在与i相同的父数据， 则该数组E[i]为空；判断遍历是否结束，若是则统计完成遍历后每个数组 的长度，并存放于新建数组G中；若否则继续步骤遍历(步骤105)，其中 数组G中记录每个数组的长度的元素一般占用4个字节的空间；将256个 E[i]数组中的内容依次首尾相连保存于新建数组I中(步骤106)；将数组 H、数组G和数组I中的内容依次首尾相连合并，保存于新建数组J中， 数组J即为变换后的JPEG图像文件(步骤107)。
对JPEG图像的解压缩方法是将压缩的JPEG图像文件用LZ77或 winzip、gzip、winrar等软件进行解压，再将解压后的文件还原成原始的 JPEG图像文件。图2为解压后的JPEG图像文件进行还原处理的流程图， 如该图所示，对解压后的JPEG图像文件进行还原处理，首先以二进制方 式读取该可逆变换后的JPEG图像文件到新建数组J中，并对数组J中的 二进制数序列进行分组(步骤201)，分组方式为从第一个比特位开始，以 每8个比特位为一组；将每组数据转换成无符号十进制数，并读取出第一 个无符号十进制数存放于新建数组H中；读取出用于存放子数据的数组的 长度元素，并将该长度元素依次存放于新建数组G中(步骤202)，其读取 的规则按压缩时存入数据所占用的空间来顺序读取，即读取数组J中占用 1个字节空间的无符号十进制数放入数组H中；读取该无符号十进制数之 后的每4个字节为一个元素的数组长度于数组G中；顺序建立256个数组 E[i]，i＝0-255(步骤203)；读取数组J中剩余的数据，按数组G中子数 据数组的长度分别依次存放于步骤3)建立的数组E[i]中(步骤204)；建 立A数组，将H数组中数据存放于A数组第一个位置(步骤205)；顺序读 取A数组的数据作为父数据，在256个数组群E[i]中寻找i＝父数据的数 组E[i]中第一个没有已读标志的数据作为子数据，并将该子数据存于A 数组中继该父数据之后的下一个空位置，同时将对应数组E[i]中的该子数 据的标志位置为已读(步骤206)，当某一父数据i的数组E[i]长度大于1 时，顺序读取该数组E[i]中的标志位未置为已读的数据；扫描256个数组 E[i]，并检查其中所有数据的标志位是否全部为已读，若否则继续步骤⑥ (步骤207)；若是则停止扫描，将数组A保存为文件，该文件即为原始 JPEG图像文件(步骤208)。
下面下以实例对本发明进行说明。
假设某JPEG图像文件A，
一、上述A文件的无损压缩过程如下：
以二进制方式读取出以下代码：A文件＝
{0110101000101110110110110010110011001111100000010010111010 000001}
将上述二进制代码进行分组并转换成无符号十进制数为：
A文件＝106 46 219 44 207 129 46 129
将106存放于新建数组H中，H＝{106}，该数据占一个字节空间； 建立256个数组E[i]，i＝0-255；E[0]＝{}、E[1]＝{}、...、E[254] ＝{}、E[255]＝{}；
按由小到大的顺序遍历上述无符号十进制数，并将其后出现的子数据 存放于与该子数据对应的父数据的数组中，
E[0]＝{}；
E[1]＝{}；
…
E[44]＝{207}；
…
E[46]＝{219 129}；
…
E [106]＝{46}；
…
E[129]＝{46}；
…
E[207]＝{129}；
…
E[219]＝{44}；
…
E[254]＝{}；
E[255]＝{}。
遍历结束，统计每个数组的长度，即E[0]为0，E[1]为0、…、E[44] 为1、…、E[46]为2、…、E[106]为1、…、E[129]为1、…、E[207]为 1、…、E[219]为1、…、E[254]为0、E[255]为0，并将这些表示长度的 元素以每个元素占用4个字节空间的大小存入新建数组G中，即G＝
{0，0，…，1，…，2，…，1，…，1，…，1，…，1，…，0，0}；
按i从小到大的顺序，将256个E[i]数组中的内容依次首尾相连保存 于新建数组I中，即I＝{207，219，129，46，46，129，44}；
将数组H、数组G和数组I中的内容依次首尾相连合并，保存于新建 数组J中，数组J＝{106，0，0，…，1，…，2，…，1，…，1，…，1，…， 1，…，0，0，207，219，129，46，46，129，44}，将该数组保存为文件， 即完成对JPEG图像文件的可逆变换；
再将上述经可逆变换的文件用LZ77编码或winzip、gzip、winrar等 软件进行压缩，压缩处理结束。
二、压缩后的A文件的解压过程：
首先用用LZ77编码或winzip、gzip、winrar等软件对压缩的JPEG 图像文件进行解压，得到可逆变换后的JPEG图像文件；
以二进制方式读取上述可逆变换后的JPEG图像文件到新建数组J中， 数组 J＝{011010100000000000000000000000000000000000000000000000000000 000000000000…00000000000000000000000000000001…000000000000000 00000000000000010…00000000000000000000000000000001…0000000000 0000000000000000000001…00000000000000000000000000000001…00000 000000000000000000000000001…0000000000000000000000000000000000 000000000000000000000000000000110011111000000100101110001011101 000000100101100}，并从第一个比特位开始，将前8个比特位作为一组， 将该组数据转换成无符号十进制数存放于新建数组H中，数据H＝{106}；
从第9个比特位开始，以每4个字节为一个元素的数组长度，转换成 无符号十进制数后存放于新建数组G中，共读取256个数据长度元素，数 组G＝{0，0，…，1，…，2，…，1，…，1，…，1，…，1，…，0，0}；
顺序建立256个数组E[i]，i＝0-255，E[0]＝{}、E[1]＝{}、…、 E[254]＝{}、E[255]＝{}；
读取数组J中剩余的数据，以每8个比特位作为一组并转换成无符号 十进制数，按数组G中子数据数组的长度分别依次存放于上述步骤建立的 数组E[i]中，即
E[0]＝{}；
E[1]＝{}；
…
E[44]＝{207}；
…
E[46]＝{219 129}；
…
E[106]＝{46}；
…
E[129]＝{46}；
…
E[207]＝{129}；
…
E[219]＝{44}；
…
E[254]＝{}；
E[255]＝{}。；
建立A数组，将H数组中数据存放于A数组第一个位置，即A＝{106}；
顺序读取A数组的数据作为父数据，在256个数组群E[i]中寻找i＝ 父数据的数组E[i]中第一个没有已读标志的数据作为子数据，并将该子数 据存于A数组中继该父数据之后的下一个空位置，同时将对应数组E[i] 中的该子数据的标志位置为已读，如当父数据为106时，寻找106之后的 子数据放于数据A中106之后的位置，即A＝{106，46}，并将该46子数据 的标志位置为已读；再寻找46之后的子数据放于数据A中46之后的位置， 即A＝{106，46，219}，并将该219子数据的标志位置为已读；再寻找219 之后的子数据放于数据A中219之后的位置，即A＝{106，46，219，44}， 并将该44子数据的标志位置为已读；如此类推，直至数组E[i]中的所有 数据的标志位均为已读，此时，数组A＝{106，46，219，44，207，129， 46，129}；
将数组A保存为文件，该文件即为原始JPEG图像文件，解压缩过程 完成。