視音頻信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　《視音頻信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)》</p><p>　?。?013/2014-1第19周）</p><p><b>　　2014年1月</b></p><p>　　視音頻信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　任 務(wù) 書(shū)</b></p><p><

2、;b>　　一、設(shè)計(jì)目的：</b></p><p>　　1．掌握視音頻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的一般方法，主要包括系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組織和實(shí)施。</p><p>　　2．掌握音頻信號(hào)處理和圖像數(shù)據(jù)處理方法和技術(shù)。</p><p>　　3. 掌握視頻的預(yù)測(cè)編碼處理的編程技術(shù)，并能獨(dú)立完成一般小型視音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)、調(diào)試運(yùn)行等工作。</p>

3、<p>　　3．培養(yǎng)把所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到具體實(shí)踐對(duì)象，并能提出詳細(xì)解決方案的能力。</p><p><b>　　二、任務(wù)要求： </b></p><p>　　請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種處理視頻（連續(xù)圖像）數(shù)據(jù)的壓縮和解壓算法，并編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言為C/C++。</p><p>　　圖像的原始數(shù)據(jù)文件為BMP文件，圖像數(shù)據(jù)請(qǐng)自行獲取，所處理的圖像幀數(shù)不能

4、少于10幀。輸出的編碼文件格式請(qǐng)自行定義。</p><p>　　壓縮算法的環(huán)節(jié)必須包括運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、熵編碼，變換編碼（比如DCT變換）為建議環(huán)節(jié)，不是必須環(huán)節(jié)。</p><p>　　解壓算法需要能夠從壓縮數(shù)據(jù)恢復(fù)圖像數(shù)據(jù)。</p><p>　　請(qǐng)計(jì)算你所完成壓縮算法的壓縮性能（壓縮比）以及圖像質(zhì)量（PSNR）。</p><p><

5、b>　　三、結(jié)果形式：</b></p><p>　　1、算法流程設(shè)計(jì)：關(guān)于所設(shè)計(jì)的視頻壓縮解壓算法流程的詳細(xì)描述。</p><p><b>　　2、算法源代碼。</b></p><p><b>　　3、原始圖像文件。</b></p><p>　　4、算法性能分析報(bào)告：主要包括壓縮算

6、法的壓縮性能（壓縮比）以及圖像質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果。</p><p><b>　　5、上機(jī)正常運(yùn)行。</b></p><p><b>　　四、成績(jī)考核：</b></p><p>　　1．課程設(shè)計(jì)態(tài)度（30分）。</p><p>　　2．遞交的課程設(shè)計(jì)報(bào)告（60分）。</p><p&

7、gt;　　3、上機(jī)運(yùn)行情況（10分）。</p><p>　　評(píng)分按任務(wù)項(xiàng)具體要求的基本要求為標(biāo)準(zhǔn)，總分100分。總成績(jī)折合以五級(jí)制成績(jī)計(jì)（優(yōu)秀、良好、中、及格、不及格）。</p><p>　　要求同學(xué)們獨(dú)立完成，發(fā)現(xiàn)抄襲的，經(jīng)查實(shí)后以0分計(jì)。</p><p>　　五、工作進(jìn)度：（共1周）</p><p>　　《視音頻信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)報(bào)告

8、</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、算法流程設(shè)計(jì)：5</p><p>　　二、算法源代碼：5</p><p>　　三、原始圖像文件：5</p><p>　　四、算法性能分析：5</p><p>　　五、結(jié)果分析、結(jié)論與體會(huì)：5

9、</p><p>　　六、參考文獻(xiàn)及資料：5</p><p><b>　　算法流程設(shè)計(jì)：</b></p><p><b>　　視像數(shù)據(jù)的壓縮算法</b></p><p>　　MPEG-1視像(MPEG-1 Video) 壓縮視像數(shù)據(jù)的基本方法可以歸納成兩個(gè)要點(diǎn)</p><p&g

10、t;　　在空間方向上，采用與JPEG類似的算法來(lái)去掉空間冗余數(shù)據(jù)</p><p>　　在時(shí)間方向上，采用移動(dòng)補(bǔ)償(motion compensation)算法來(lái)去掉時(shí)間冗余數(shù)據(jù)</p><p><b>　　視像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　把視像片段看成由一系列靜態(tài)圖像(picture)組成的視像序列(sequence)</p&g

11、t;<p>　　把視像序列分成許多像組(group of picture，GOP)</p><p>　　把像組中的每一幀圖像分成許多像片(slice)，每個(gè)像片由16行組成</p><p>　　把像片分成16行×16像素/行的宏塊(macroblock，MB)</p><p>　　把宏塊分成若干個(gè)8行×8像素/行的圖塊(block)

12、</p><p>　　使用子采樣格式為4:2:0時(shí)，一個(gè)宏塊由4個(gè)亮度(Y)圖塊和兩個(gè)色度圖塊(Cb和Cr)組成</p><p>　　預(yù)測(cè)圖像P的壓縮編碼算法 </p><p><b>　　算法原理</b></p><p>　　預(yù)測(cè)圖像P的編碼以宏塊(MB)為基本編碼單元，一個(gè)宏塊定義為像素的圖塊，一般取16×

13、16</p><p>　　預(yù)測(cè)圖像P使用兩種類型的參數(shù)表示</p><p>　　當(dāng)前要編碼的圖像宏塊與參考圖像的宏塊之間的差值</p><p>　　宏塊的移動(dòng)矢量(motion vector, MV)</p><p>　　BMP文件組成 BMP文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖形數(shù)據(jù) 四部分組成。 1. BMP文件頭 BMP文件頭數(shù)

14、據(jù)結(jié)構(gòu)含有BMP文件的類型、文件大小和位圖起始位置等信息。 </p><p><b>　　2. 位圖信息頭 </b></p><p>　　3. 顏色表 顏色表用于說(shuō)明位圖中的顏色，它有若干個(gè)表項(xiàng)，每 一個(gè)表項(xiàng)是一個(gè)RGBQUAD類型的結(jié)構(gòu)，定義一種顏色。</p><p>　　4. 位圖數(shù)據(jù) 位圖數(shù)據(jù)記錄了位圖的每一個(gè)像素值，記錄順序是在掃描

15、行內(nèi)是從左到右,掃描行之間是從下到上。</p><p><b>　　具體流程</b></p><p>　　進(jìn)行主框架的搭建，即main函數(shù)的編寫，獲取視頻的幀數(shù)及相應(yīng)的圖片，并聲明bmp圖片的讀入和寫出的函數(shù)、殘差計(jì)算運(yùn)動(dòng)估計(jì)函數(shù)以及游程編碼和解碼函數(shù)，并在main函數(shù)相關(guān)位置調(diào)用readwrite()函數(shù)。</p><p>　　bmp圖片的讀

16、寫函數(shù)的功能進(jìn)行編寫,在本函數(shù)中設(shè)立一個(gè)switch語(yǔ)句進(jìn)行用戶操作判斷，若用戶選擇壓縮操作，則將指定文件讀入，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)及游程編碼的操作，最后將壓縮后的信息寫在.raw文件中。</p><p>　　編寫差值計(jì)算函數(shù)，即diff()函數(shù)，在函數(shù)中，第一幀圖像的殘差值為自身，而后的圖片的殘差圖像為當(dāng)前圖像與前一幀圖像的差值，</p><p>　　將所得到的殘差值進(jìn)行編碼，由于殘差值有較多

17、的0，則這里使用游程編碼，并將結(jié)構(gòu)寫入到.raw文件中。</p><p>　　編寫游程解碼函數(shù)，通過(guò)編碼得到的文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，得到解碼后的bmp圖像。</p><p><b>　　流程圖：</b></p><p>　　壓縮操作 解壓操作 退出操作</p><p><b>　　算法

18、源代碼：</b></p><p>　　main函數(shù)：（程序入口）</p><p>　　int main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　int xsize = 512;//圖像寬</p><p>　　int ysize = 257*3;//圖像高<

19、/p><p>　　unsigned char *image;//用于存放讀入的圖片</p><p>　　unsigned char *header;//記錄文件頭</p><p>　　image = (unsigned char *)malloc((size_t)xsize*ysize);</p><p>　　header = (unsigned

20、 char *)malloc(54);</p><p>　　if (image == NULL) </p><p>　　return -1;</p><p>　　if (header == NULL) </p><p>　　return -1;</p><p>　　readwrite_bmp(image,header,

21、xsize,ysize);//文件的讀入</p><p>　　free(image);</p><p>　　free(header);</p><p><b>　　return 0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　Readwrite_bm

22、p函數(shù)：（進(jìn)行操作判斷，壓縮操作時(shí)讀入位圖信息）</p><p>　　int readwrite_bmp(unsigned char *image,unsigned char *header,int xsize,int ysize)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　int i;</b>&

23、lt;/p><p>　　int choice= -1;</p><p>　　FILE *fp,*ifp;</p><p>　　char fname_bmp[20]; </p><p>　　unsigned char *pre;</p><

24、;p>　　pre=(unsigned char *)malloc((size_t)xsize*ysize); //分配空間 </p><p>　　for(i=0;i<xsize*ysize;i++) pre[i]=0;//初始化</p><p>　　unsigned char *temp;</p><p>　　temp=(unsigned char *

25、)malloc((size_t)xsize*ysize);</p><p>　　for(i=0;i<xsize*ysize;i++) temp[i]=0;//初始化</p><p>　　while(choice)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　printf("********

26、**************************************\n");</p><p>　　printf("*請(qǐng)選擇操作： *\n");</p><p>　　printf("*1、圖像壓縮； *\n");</p><

27、;p>　　printf("*2、圖像解壓； *\n");</p><p>　　printf("*3、退出； *\n");</p><p>　　printf("*********************************************

28、*\n\n");</p><p>　　scanf("%d",&choice);</p><p>　　switch(choice)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　case 1:</b></p><p>

29、　　ifp=fopen("test.rmvb", "wb");</p><p>　　for(i=0;i<10;i++) //圖像序列</p><p><b>　　{</b></p><p>　　sprintf(fname_bmp, "xj%d.bmp", i);

30、//把格式化的數(shù)據(jù)寫入某個(gè)字符串中 當(dāng)前文件名</p><p>　　if (!(fp = fopen(fname_bmp, "rb")))</p><p>　　return -1;</p><p>　　fread(header, sizeof(unsigned char), 54, fp);//讀取文件的header信息</p>&

31、lt;p>　　fread(image, sizeof(unsigned char), (size_t)(long)xsize*ysize, fp);//讀取圖片信息存入image數(shù)組中</p><p>　　diff(ifp,header,temp,pre,image,xsize,ysize);//調(diào)用運(yùn)動(dòng)估計(jì)函數(shù)</p><p>　　fclose(fp);</p>&

32、lt;p><b>　　}</b></p><p>　　fclose(ifp);</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 2:</b></p><p>　　runlength_de(pre,temp,header,xsize,

33、ysize);//解壓</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 3:</b></p><p><b>　　exit(0);</b></p><p><b>　　break;</b></p>&l

34、t;p><b>　　default:</b></p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　free(pre);</p><p

35、>　　free(temp);</p><p>　　return 0;}</p><p>　　Diff( )函數(shù)：（將各圖像進(jìn)行殘差計(jì)算）</p><p>　　void diff(FILE *ifp,unsigned char *header,unsigned char *temp,unsigned char *pre,unsigned char *now,i

36、nt xsize,int ysize)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　int i,j;</b></p><p>　　unsigned char *diff;</p><p>　　/*for( i = 0; i <xsie; i++ )</p>

37、<p><b>　　{</b></p><p>　　for( j = 0; j < ysize; j++ )</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(int k=3;k>0;k--){</p><p>　　for(int m=i-k;m<i+

38、k;m=m+k){</p><p>　　for(int n=j-k;n<j+k;n=n+k){</p><p>　　if(m!=i||n!=j){</p><p><b>　　cnt=</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　

39、　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}*/</b></p><p>　　diff=(unsigned char *)malloc((size_t)xsize*ysize);//空間申請(qǐng)</p><p>　　for(i=0;i<xsize

40、;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(j=0;j<ysize;j++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　diff[i*ysize+j]=now[i*ysize+j]-pre[i*ysize+j];</p>&l

41、t;p>　　pre[i*ysize+j]=now[i*ysize+j];//對(duì)每張圖片計(jì)算其殘差圖像。首張圖片的殘差圖像為其本身，后續(xù)圖片的殘差圖像為當(dāng)前圖像與前一幀圖像的差值。</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　runlength_en(ifp,di

42、ff,header,xsize,ysize);</p><p>　　free(diff);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　Runlength_en( )函數(shù)：（將所得到的殘差值進(jìn)行游程編碼）</p><p>　　int runlength_en(FILE *ifp,unsigned char

43、 *diff,unsigned char *header,int xsize,int ysize) //游程編碼</p><p><b>　　{</b></p><p>　　int i,j,k,sign,num,tmp;</p><p><b>　　FILE *fa;</b></p><p>　　

44、char A[20];</p><p>　　char str[512][257*3];</p><p>　　fwrite(header,sizeof(unsigned char),54,ifp);</p><p>　　unsigned char *buf;</p><p>　　sign=0;k=0;</p><p>　

45、　buf=(unsigned char *)malloc((size_t)xsize*ysize*2);</p><p>　　for(i=0;i<xsize;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(j=0;j<ysize;j++)//按行逐個(gè)取殘差值</p><p>&l

46、t;b>　　{</b></p><p>　　if(sign==0) //第一副圖像的殘差取自身的</p><p><b>　　{</b></p><p>　　tmp=diff[i*ysize+j];</p><p><b>　　sign=1;</b></p><

47、p><b>　　num=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else//后續(xù)圖像</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(tmp==diff[i*ysize+j])//相等時(shí)個(gè)數(shù)加</p>&l

48、t;p><b>　　{</b></p><p>　　//if(num<ysize) </p><p><b>　　num++;</b></p><p><b>　　//else</b></p><p><b>　　//{</b></p&g

49、t;<p>　　//buf[k]=tmp;</p><p>　　//buf[k+1]=num;</p><p>　　//k+=2;//每次村兩個(gè)數(shù)據(jù)</p><p>　　//tmp=diff[i*ysize+j];</p><p><b>　　//sign=1;</b></p><p&g

50、t;<b>　　//num=1;</b></p><p><b>　　//}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else//不同時(shí)將計(jì)算好的值及個(gè)數(shù)進(jìn)行存入相應(yīng)數(shù)組</p><p><b>　　{</b></p>

51、;<p>　　buf[k]=tmp;</p><p>　　buf[k+1]=num;</p><p><b>　　k+=2;</b></p><p>　　tmp=diff[i*ysize+j];</p><p><b>　　sign=1;</b></p><p>

52、;<b>　　num=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　str[i][j]=tmp;</p><p><b>　　}</b></p><p><b

53、>　　}</b></p><p>　　fwrite(&k,sizeof(unsigned int),1,ifp);</p><p>　　fwrite(buf,sizeof(unsigned char),k,ifp);//存入編碼后的值</p><p>　　sprintf(A, "A0%d.raw", round);//文

54、件的輸出</p><p>　　if(!(fa=fopen(A,"wb")))</p><p>　　printf("error to open A.raw\n");</p><p>　　fwrite(str,sizeof(str),1,fa);</p><p>　　fclose(fa);</p>

55、;<p>　　free(buf);round++;</p><p><b>　　return 0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　runlength_de( )函數(shù)：（讀取之前壓縮后的文件信息，并用游程解碼進(jìn)行譯碼）</p><p>　　int r

56、unlength_de(unsigned char *diff,unsigned char *temp,unsigned char *header,int xsize,int ysize) //游程解碼</p><p><b>　　{</b></p><p>　　FILE *ofp,*ifp;</p><p>　　int i,j,k,leng

57、th;</p><p>　　unsigned char *buf;</p><p>　　ifp = fopen("test.rmvb", "rb");</p><p>　　char fname_out[128];</p><p>　　buf=(unsigned char *)malloc((size_t

58、)xsize*ysize*2);</p><p>　　for(int m=0;m<10;m++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　sprintf(fname_out, "%d_out.bmp", m);//解壓后圖片的文件名格式</p><p>　　if (!(ofp

59、 = fopen(fname_out, "wb"))) //</p><p>　　return -1; </p><p>　　fread(header,sizeof(unsigned char),54,ifp);//讀取文件頭信息</p><p>　　fread(&length,sizeof(int),1,ifp);

60、//讀取文件信息</p><p>　　fread(buf,sizeof(unsigned char),length,ifp);//讀取編碼后的信息</p><p><b>　　k=0;</b></p><p>　　for(i=0;i<xsize;i++)</p><p><b>　　{</b>

61、;</p><p>　　for(j=0;j<ysize;j++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(buf[k+1]>0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　diff[i*ysize+j]=buf[k];&

62、lt;/p><p>　　buf[k+1]--;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　k+=2;</b></p&g

63、t;<p>　　diff[i*ysize+j]=buf[k];</p><p>　　buf[k+1]--;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p&g

64、t;　　for(i=0;i<xsize;i++)</p><p>　　for(j=0;j<ysize;j++)</p><p>　　temp[i*ysize+j]=diff[i*ysize+j]+temp[i*ysize+j];//運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償</p><p>　　fwrite(header,sizeof(unsigned char),54,ofp);<

65、;/p><p>　　fwrite(temp,(size_t)xsize*ysize,1,ofp);</p><p>　　fclose(ofp);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　free(buf);</p><p>　　fclose(ifp);</p><

66、;p><b>　　return 0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　原始圖像文件：</b></p><p><b>　　四、算法性能分析：</b></p><p>　　壓縮算法的環(huán)節(jié)必須包括運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)

67、補(bǔ)償、熵編碼，變換編碼（比如DCT變換）為建議環(huán)節(jié)，不是必須環(huán)節(jié)。</p><p>　　本程序用到的壓縮算法為：先利用運(yùn)動(dòng)估計(jì)得到圖像殘差值，再根據(jù)所得到的殘差值進(jìn)行游程編碼，并將結(jié)果保存到.raw文件中。</p><p>　　解壓算法需要能夠從壓縮數(shù)據(jù)恢復(fù)圖像數(shù)據(jù)。</p><p>　　本程序使用switch條件判斷語(yǔ)句進(jìn)行操作判斷，當(dāng)選擇解碼操作時(shí)，就先讀入原先

68、編碼所得的raw文件中的數(shù)據(jù)，在使用游程編碼的解碼進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的恢復(fù)。</p><p>　　請(qǐng)計(jì)算你所完成壓縮算法的壓縮性能（壓縮比）以及圖像質(zhì)量（PSNR）。</p><p>　　圖像原始大小為：385kb</p><p>　　壓縮后的大小為：386kb</p><p>　　壓縮比為：385/386</p><p>

69、　　結(jié)果分析、結(jié)論與體會(huì)：</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p><b>　　運(yùn)行界面：</b></p><p><b>　　原圖像：</b></p><p><b>　　壓縮后的文件：</b></p><p&

70、gt;<b>　　解碼所得圖像：</b></p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　本次所編寫的算法大致分為四個(gè)步驟，先是用readwrite_bmp（）函數(shù)進(jìn)行讀取文件；再用diff(）進(jìn)行殘差值的計(jì)算；再將所得到的殘差值進(jìn)行游程編碼；最后根據(jù)壓縮所得文件進(jìn)行解碼。</p><p><b>

71、;　　心得體會(huì)：</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容雖然在本學(xué)期的各個(gè)實(shí)驗(yàn)中大部分都涉及到，雖然每次實(shí)驗(yàn)基本能自己進(jìn)行編寫和理解，但是在本次綜合性的作業(yè)中還是遇到了很大的麻煩。對(duì)于題目中每個(gè)要求大致能編寫相關(guān)算法，也知道程序大致的框架，但是不會(huì)整合的將這些功能連接到一起，在調(diào)用及參數(shù)上的關(guān)系理解還是有些混亂，也使得這次自己嘗試完整的編寫的代碼沒(méi)能將所要求的功能進(jìn)行綜合。而后參考了別人的代碼

72、進(jìn)行編寫，一開(kāi)始對(duì)于bmp文件格式的不了解，不怎么能讀懂圖像文件的寫入算法，后來(lái)通過(guò)百度相關(guān)知識(shí)，知道了bmp圖像文件的基本結(jié)構(gòu)（如：BMP文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖形數(shù)據(jù)，并且對(duì)其文件頭進(jìn)行了深部的了解）；而對(duì)其所用的參數(shù)也不是很清晰，對(duì)代碼的理解方面帶來(lái)了麻煩，后來(lái)通過(guò)慢慢的整合分析，基本明白了參考程序，并開(kāi)始隨著他的思想進(jìn)行編寫，并對(duì)于他所編的我覺(jué)得比較麻煩一些算法進(jìn)行一定的改變（如：將原本的全搜索改成了三步搜索）。通

73、過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，鞏固了本學(xué)期視音頻課程所學(xué)的知識(shí)，也學(xué)到了很多課上所未怎么涉及的內(nèi)容。通過(guò)本次編程，掌握了視音頻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的一般方法（主要包括系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組織和實(shí)施）；掌握了音頻信號(hào)處理和圖像</p><p>　　六、參考文獻(xiàn)及資料：</p><p>　　1、《多媒體技術(shù)基礎(chǔ)》第三版，清華大學(xué)出版社</p><p>　　2、位圖文件組成:百度文庫(kù)</