请对一个RBG图像手动实现JPEG压缩,复杂的过程可以使用库函数,Python实现,并请详细注释代码意思

时间: 2024-02-19 18:01:37 浏览: 34
首先,我们需要导入必要的库和读入一张RGB图像。这里使用Python的Pillow库来读入图像。 ```python from PIL import Image import numpy as np # 读入RGB图像 img = Image.open('test.jpg').convert('RGB') ``` 接下来,我们需要将RGB图像进行分块并对每个分块进行离散余弦变换(Discrete Cosine Transform, DCT)。这里我们使用Scipy库中的DCT函数来实现。具体过程是将RGB图像拆分成8x8的小块,对每个小块进行DCT变换,并将结果存储在8x8的矩阵中。 ```python from scipy.fftpack import dct # 拆分成8x8小块 blocks = [] for i in range(0, img.height-7, 8): for j in range(0, img.width-7, 8): blocks.append(np.asarray(img.crop((j, i, j+8, i+8)))) # 对每个小块进行DCT变换 dct_blocks = [] for block in blocks: dct_block = np.zeros((8, 8, 3)) for i in range(3): dct_block[:, :, i] = dct(dct(block[:, :, i], axis=0, norm='ortho'), axis=1, norm='ortho') dct_blocks.append(dct_block) ``` 接下来,我们需要对每个小块进行量化(Quantization)。这里我们使用一个8x8的量化矩阵,该矩阵中的每个元素代表对应位置的系数在量化后的值。量化的过程就是将DCT变换后得到的矩阵与量化矩阵相乘得到量化后的矩阵。 ```python # 量化矩阵 quantization_matrix = np.array([[16, 11, 10, 16, 24, 40, 51, 61], [12, 12, 14, 19, 26, 58, 60, 55], [14, 13, 16, 24, 40, 57, 69, 56], [14, 17, 22, 29, 51, 87, 80, 62], [18, 22, 37, 56, 68, 109, 103, 77], [24, 35, 55, 64, 81, 104, 113, 92], [49, 64, 78, 87, 103, 121, 120, 101], [72, 92, 95, 98, 112, 100, 103, 99]]) # 对每个小块进行量化 quantized_blocks = [] for block in dct_blocks: quantized_block = np.zeros((8, 8, 3)) for i in range(3): quantized_block[:, :, i] = np.round(block[:, :, i] / quantization_matrix) quantized_blocks.append(quantized_block) ``` 接下来,我们需要对量化后的小块进行编码。这里我们采用霍夫曼编码(Huffman Encoding)的方法。具体过程是将每个小块的系数按照霍夫曼编码表进行编码,并将编码结果存储到二进制文件中。 ```python from collections import Counter # 构建霍夫曼编码表 def build_huffman_table(freq_dict): nodes = [] for symbol, freq in freq_dict.items(): nodes.append((freq, symbol, '')) while len(nodes) > 1: nodes = sorted(nodes, key=lambda x: x[0]) left = nodes[0] right = nodes[1] for node in left[1:]: node[2] = '0' + node[2] for node in right[1:]: node[2] = '1' + node[2] nodes = [(left[0] + right[0], left, right)] + nodes[2:] huffman_table = {} for node in nodes[0][1:]: huffman_table[node[1]] = node[2] return huffman_table # 编码并保存到二进制文件 encoded_blocks = [] with open('output.bin', 'wb') as f: for block in quantized_blocks: # 将矩阵展开成一维数组 flattened = block.flatten().tolist() # 统计每个系数出现次数 freq_dict = Counter(flattened) # 构建霍夫曼编码表 huffman_table = build_huffman_table(freq_dict) # 将每个系数按照编码表进行编码 encoded = '' for symbol in flattened: encoded += huffman_table[symbol] # 将编码结果转换为二进制并写入文件 while len(encoded) % 8 != 0: encoded += '0' encoded_bytes = bytes([int(encoded[i:i+8], 2) for i in range(0, len(encoded), 8)]) f.write(encoded_bytes) ``` 最后,我们需要将编码后的二进制文件进行解码,并还原成RGB图像。解码的过程就是将二进制文件读入并按照霍夫曼编码表进行解码,将解码后的系数乘以量化矩阵得到DCT系数,然后将DCT系数进行逆DCT变换得到原始的RGB图像。 ```python from bitarray import bitarray # 从二进制文件中读取编码结果 encoded_blocks = [] with open('output.bin', 'rb') as f: encoded_bytes = f.read() encoded_bits = bitarray() encoded_bits.frombytes(encoded_bytes) encoded = encoded_bits.to01() # 解码 decoded_blocks = [] for i in range(len(quantized_blocks)): block = np.zeros((8, 8, 3)) # 将编码结果按照霍夫曼编码表进行解码 current_code = '' for j in range(8*8*3): current_code += encoded[j] if current_code in huffman_table: block.flat[j] = int(huffman_table[current_code]) current_code = '' # 将解码后的系数乘以量化矩阵得到DCT系数 dct_block = np.zeros((8, 8, 3)) for k in range(3): dct_block[:, :, k] = block[:, :, k] * quantization_matrix # 将DCT系数进行逆DCT变换得到原始的RGB图像 decoded_block = np.zeros((8, 8, 3)) for l in range(3): decoded_block[:, :, l] = dct(dct_block[:, :, l], axis=0, norm='ortho') decoded_block[:, :, l] = dct(decoded_block[:, :, l], axis=1, norm='ortho') decoded_blocks.append(decoded_block) # 还原RGB图像 decoded_img = Image.new('RGB', (img.width, img.height)) index = 0 for i in range(0, img.height-7, 8): for j in range(0, img.width-7, 8): decoded_img.paste(Image.fromarray(np.uint8(decoded_blocks[index])), (j, i)) index += 1 # 保存还原后的RGB图像 decoded_img.save('decoded.jpg') ``` 完整代码如下:

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