預(yù)測編碼的分析與實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　2011—2012學(xué)年第一學(xué)期</p><p>　　課程設(shè)計(jì)名稱： 信息論與編碼課程設(shè)計(jì) </p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 預(yù)測編碼的分析與實(shí)現(xiàn) </p><p>　　完成期限：自

2、 2011 年 12 月 19 日至 2011 年 12 月 25 日共 1 周</p><p><b>　　一．設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　1、深刻理解信源編碼的基本思想與目的；</p><p>　　2、理解預(yù)測編碼方法的基本過程與特點(diǎn)；</p><p>　　3、提高綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)獨(dú)立分

3、析和解決問題的能力；</p><p>　　4、使用MATLAB或其他語言進(jìn)行編程。</p><p><b>　　二．設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　讀入一幅圖像，用以下預(yù)測公式，對圖像進(jìn)行預(yù)測編碼和解碼。</p><p><b>　　三．設(shè)計(jì)要求</b></p><p>

4、;　　比較編解碼后的圖像與原始圖像。</p><p><b>　　四．設(shè)計(jì)條件</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)、MATLAB或其他語言環(huán)境</p><p><b>　　五．參考資料</b></p><p>　　[1]曹雪虹，張宗橙.信息論與編碼.北京：清華大學(xué)出版社，2007.</p>

5、;<p>　　[2]王慧琴.數(shù)字圖像處理.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007.</p><p>　　指導(dǎo)教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： </p><p>　　批準(zhǔn)日期： 年 月 日</p><p><b>　　摘要</b></p>

6、<p>　　通信的數(shù)字化是它能與計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)，而實(shí)現(xiàn)通信數(shù)字化的前提是信源能提供的各種用于傳遞的消息，例如語音、圖像、數(shù)據(jù)、文字等都必須以數(shù)字化形式表示。對圖像數(shù)據(jù)壓縮來說，預(yù)測編碼基本思想是這樣的：模型→利用以往的樣本數(shù)據(jù)→對下一個(gè)新的樣本值進(jìn)行預(yù)測→ 將預(yù)測所得的值與實(shí)際值的差值進(jìn)行編碼→由于差值很小，可以減少編碼的碼位。</p><p>　　本課題通過利用MATLAB

7、這一種科學(xué)的計(jì)算軟件，來完成對圖像的編碼和解碼處理，通過比較原始圖像和編碼解碼后的圖像，來深刻理解掌握預(yù)測編碼的方法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：編碼；MATLAB；預(yù)測編碼</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)原理1</b></p><p>　　2 D

8、PCM編碼解碼3</p><p>　　2.1 DPCM編碼及解碼原理3</p><p>　　3 MATLAB簡介4</p><p>　　3.1 軟件介紹4</p><p><b>　　3.2 應(yīng)用4</b></p><p><b>　　3.3 特點(diǎn)5</b>&

9、lt;/p><p><b>　　3.4 優(yōu)勢5</b></p><p>　?。?）友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境5</p><p>　?。?）簡單易用的程序語言5</p><p>　　（3）強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力6</p><p><b>　　4 設(shè)計(jì)過程6</b>&l

10、t;/p><p><b>　　4.1設(shè)計(jì)原理6</b></p><p>　　4.2 MATLAB程序6</p><p>　　4.3 運(yùn)行結(jié)果及分析8</p><p><b>　　總結(jié)9</b></p><p><b>　　參考資料10</b>&l

11、t;/p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　1.1預(yù)測編碼原理　　 基本思想是這樣的：模型→利用以往的樣本數(shù)據(jù)→對下一個(gè)新的樣本值進(jìn)行預(yù)測→ 將預(yù)測所得的值與實(shí)際值的差值進(jìn)行編碼→由于差值很小，可以減少編碼的碼位。</p><p>　　預(yù)測編碼：就是根據(jù)過去的信號(hào)樣值預(yù)測下一個(gè)樣值，并僅把預(yù)測值與現(xiàn)實(shí)的樣值之差（預(yù)測誤

12、差）加以量化、編碼以后進(jìn)行傳輸?shù)姆绞?，如下圖所示，在接收端，經(jīng)過和發(fā)信端的預(yù)測完全相同的操作，可以得到量化的原信號(hào)，然后再通過低通濾波便可恢復(fù)與原信號(hào)近似的波形。</p><p>　　進(jìn)一步，若變換是線性的則預(yù)測變換器可按下列原理進(jìn)行分解，得如你圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 線性變換預(yù)測編碼原理圖</p><p>　　從上述預(yù)測編碼原理可以看出，實(shí)現(xiàn)

13、預(yù)測編碼要進(jìn)一步考慮下列3個(gè)方面的問題：</p><p>　　(1) 預(yù)測誤差準(zhǔn)則的選取；</p><p>　　(2) 預(yù)測函數(shù)的選取；</p><p>　　(3) 預(yù)測器輸入數(shù)據(jù)的選取。</p><p>　?、?預(yù)測誤差準(zhǔn)則的選?。?</p><p>　　關(guān)于預(yù)測誤差準(zhǔn)則的選取，它是指預(yù)測誤差所依據(jù)的標(biāo)

14、準(zhǔn)，目前大致可采用下列4種類型準(zhǔn)則：</p><p>　　a. 最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則——最基本、最常用。</p><p>　　b. 功率包絡(luò)匹配（PSEM）準(zhǔn)則——僅次于MMSE。</p><p>　　c. 預(yù)測系數(shù)不變性（PCIV）準(zhǔn)則——預(yù)測系數(shù)與輸入信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)，因而能對多種混合信號(hào)進(jìn)行有效的預(yù)測。</p><p>　　d.

15、 最大誤差（ME）準(zhǔn)則——主要用于遙控?cái)?shù)據(jù)壓縮。 </p><p><b>　?、?預(yù)測函數(shù)的選取</b></p><p>　　一般采用工程上比較容易實(shí)現(xiàn)的線性預(yù)測，預(yù)測精度與K值大小有直接關(guān)系，K越大，精度越高，但設(shè)備越復(fù)雜。</p><p>　　所以要根據(jù)設(shè)計(jì)要求及實(shí)際效果來確。 </p><p>　?、?預(yù)測器輸入

16、數(shù)據(jù)的選取</p><p>　　指選取何處的原始數(shù)據(jù)作為預(yù)測器的依據(jù)。一般可分為三類:</p><p>　　a. 直接從信源輸出選取待測瞬間I的前K位，作為預(yù)測器的依據(jù)（△PCM）。</p><p>　　b. 誤差函數(shù)的輸出端反饋到預(yù)測器中的待測瞬間i位以前的K位（DPCM）</p><p>　　c. 將a、b相結(jié)合的噪聲反饋型編碼（NFC）

17、。 </p><p>　　2 DPCM編碼解碼</p><p>　　DPCM預(yù)測壓縮算法　　DPCM是差分脈沖編碼調(diào)制算法，主要用于圖象壓縮。　　DPCM的基本工作原理如下：　　比較相鄰的兩個(gè)像素，如果兩個(gè)像素之間存在差異，將差異之處的差值傳送出去，若比較的像素之間沒有差異，則不傳送差值。 </p><p>　　2.1 DPCM編碼及解碼原理</p&g

18、t;<p>　　圖2-1 DPCM編碼原理圖</p><p>　　系統(tǒng)包括，發(fā)送、接收和信道傳輸三個(gè)部分。發(fā)送端由編碼器、量化器、預(yù)測器和加／減法器組成；接收端包括解碼器和預(yù)測器等；信道傳送以虛線表示。由圖可見DPCM系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，容易用硬件實(shí)現(xiàn)（接收端的預(yù)測器和發(fā)送端的預(yù)測器完全相同）的優(yōu)點(diǎn)。圖中輸入信號(hào)f(i,j)是坐標(biāo)為像素點(diǎn)的實(shí)際灰度值，是由已出現(xiàn)先前相鄰像素點(diǎn)的灰度值對該像素點(diǎn)的預(yù)測

19、灰度值。是預(yù)測誤差。假如發(fā)送端不帶量化器，直接對預(yù)測誤差進(jìn)行編碼、傳送，接收端可以無誤差地恢復(fù)。這是可逆的無失真的DPCM編碼，是信息保持編碼；但是，如果包含量化器，這時(shí)編碼器對編碼，量化器導(dǎo)致了不可逆的信息損失，這時(shí)接收端，經(jīng)解碼恢復(fù)出的灰度信號(hào)，不是真正的，以表示這時(shí)的輸出?？梢娨肓炕鲿?huì)引起一定程度的信息損失，使圖像質(zhì)量受損。但是，為了壓縮比特?cái)?shù)，利用人眼的視覺特性，對圖像信息丟失不易覺察的特點(diǎn)，帶有量化器有失真的DPCM編碼系

20、統(tǒng)還是普遍被采用。</p><p>　　3 MATLAB簡介</p><p><b>　　3.1 軟件介紹</b></p><p>　　MATLAB是很實(shí)用的數(shù)學(xué)軟件它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值運(yùn)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處

21、理與通訊、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 </p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MA

22、TLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。</p><p><b>　　3.2 應(yīng)用</b></p><p>　　MATLAB 產(chǎn)品族可以用來進(jìn)行以下各種工作： </p><p><b>　　● 數(shù)值分析 </b></p><p>　　● 數(shù)值和符號(hào)計(jì)算 </p>

23、;<p>　　● 工程與科學(xué)繪圖 </p><p>　　● 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 </p><p><b>　　● 圖像處理技術(shù) </b></p><p>　　● 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) </p><p>　　● 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 </p><p><b>　　3.3 特點(diǎn)&l

24、t;/b></p><p>　　●此高級語言可用于技術(shù)計(jì)算 </p><p>　　●此開發(fā)環(huán)境可對代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理 </p><p>　　●交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計(jì)及求解問題 </p><p>　　●二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù) </p><p>　　●各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶

25、界面 </p><p><b>　　3.4 優(yōu)勢</b></p><p>　　（1）友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境</p><p>　　MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的

26、瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。 </p><p>　　（2）簡單易用的程序語言</p&

27、gt;<p>　　MATLAB一個(gè)高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C＋＋語言基礎(chǔ)上的，因此語法特征與C＋＋語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可

28、移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。 </p><p>　?。?）強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力</p><p>　　MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，

29、可以用它來代替底層編程語言，如C復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。</p><p><b>　　4 設(shè)計(jì)過程</b></p><p><b>　　4.1設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　預(yù)測的理論基礎(chǔ)主要是估計(jì)理論。估計(jì)就是用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組成一個(gè)統(tǒng)計(jì)量作為一物理量的估值或預(yù)測值。&

30、lt;/p><p>　　本課程設(shè)計(jì)要是通過簡化預(yù)測公式對輸入圖像進(jìn)行線性編碼，即</p><p><b>　　（2.2.1）</b></p><p>　　這里以灰度圖像為例，通過使用Matlab的文件讀寫函數(shù) fopen ，fwrite和 fclose，將計(jì)算所得的誤差以最小的位深度寫入文件中。</p><p>　　4.2

31、 MATLAB程序</p><p>　　I2=imread('cell.tif');</p><p>　　I=double(I2);</p><p>　　fid=fopen('mydata.dat','w');</p><p>　　[m,n]=size(I);</p><p&

32、gt;　　J=ones(m,n);</p><p>　　J(1:m,1)=I(1:m,1);</p><p>　　J(1,1:n)=I(1,1:n);</p><p>　　J(1:m,n)=I(1:m,n);</p><p>　　J(m,1:n)=I(m,1:n);</p><p>　　for k=2:m-1</

33、p><p>　　for 1=2:n-1</p><p>　　J(k,1)=I(k,1)-(J(k,1-1)/2+J(k-1,1)/4+J(k-1,1-1)/8+J(k-1,1+1)/8);</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p>&l

34、t;p>　　J=round(J);</p><p>　　cont=fwrite(fid,J,'int8');</p><p>　　cc=fclose(fid);</p><p>　　可以看出，上面代碼實(shí)現(xiàn)的壓縮比是4:1。調(diào)用下邊的代碼對以上編碼文件進(jìn)行解碼，并通過顯示原始文件和解壓后的文件比較壓縮效果。</p><p>

35、;　　fid=fopen('mydata.dat','r'); </p><p>　　I1=fread(fid,cont,'int8'); </p><p><b>　　tt=1;</b></p><p><b>　　for 1=1:n</b></p>&l

36、t;p><b>　　for k=1:m</b></p><p>　　I(k,1)=I1(tt);</p><p><b>　　tt=tt+1;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p

37、><p>　　I=double(I);</p><p>　　J=ones(m,n);</p><p>　　J(1:m,1)=I(1:m,1);</p><p>　　J(1,1:n)=I(1,1:n);</p><p>　　J(1:m,n)=I(1:m,n);</p><p>　　J(m,1:n)=I

38、(m,1:n);</p><p>　　for k=2:m-1</p><p>　　for 1=2:n-1</p><p>　　J(k,1)=I(k,1)-(J(k,1-1)/2+J(k-1,1)/4+J(k-1,1-1)/8+J(k-1,1+1)/8);</p><p><b>　　end</b></p>

39、<p><b>　　end</b></p><p>　　cc=fclose(fid);</p><p>　　J=uint8(J);</p><p>　　subplot(1,2,1),imshow(I2); </p><p>　　subplot(1,2,2),imshow(J);</p>

40、<p>　　4.3 運(yùn)行結(jié)果及分析</p><p>　?。╝）編碼前（b）編碼后</p><p>　　通過比較發(fā)現(xiàn)原始圖像和編碼后的解碼圖像稍有差別。雖然編碼后圖像稍微有些變化，但影響不大。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多東西，加深了我對信息論

41、與編碼這門課的理解，同時(shí)也加深了我對預(yù)測編碼的理解以及對書本知識(shí)的進(jìn)一步了解。提高了自己分析和解決問題的能力。預(yù)測編碼是先進(jìn)行預(yù)測，得出預(yù)測值然后與實(shí)際值進(jìn)行比較。在做本次課程設(shè)計(jì)的過程中，通過翻閱各種資料。認(rèn)識(shí)來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個(gè)期末測試之前的課程設(shè)計(jì)對我們的作用是非常大的。但這一周之后，我對編碼技術(shù)有了更深的理解，知道了自己的不足，同時(shí)也明白了所學(xué)知識(shí)的重要性，培養(yǎng)了自己對課程學(xué)

42、習(xí)的興趣。</p><p>　　通過上機(jī)實(shí)踐，以加深對編碼理論的理解，加深了對本課程所學(xué)知識(shí)的理解和把握，鞏固了用MATLAB的操作使用。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1]王慧琴.數(shù)字圖像處理.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007.</p><p>　　[2]夏娜.信息編碼與加密實(shí)踐