基于Python二维离散余弦变换(DCT)及其反变换(IDCT)---程序对比

本文探讨了二维离散余弦变换(DCT)的基本原理,并提供了使用OpenCV库与自编程序进行DCT和反变换(IDCT)的对比。通过实例展示了如何在Python中应用DCT,同时比较了自定义实现与OpenCV内置函数的效果。

1.二维离散余弦变换(DCT)的原理见博客:点击打开链接

其中DCT和IDCT的变换基为:


OpenCV自带有DCT的程序,函数用法为:dst = cv2.dct(src), 其中src必须为float类型,uint8不能正常运行。

自己编写的dct程序和OpenCV自带的dct对比程序如下:

#二维图像的离散变余弦换(DCT)
#Python3.5
#库:cv2+numpy+matplotlib
#作者:James_Ray_Murphy

import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

img = cv2.imread('baoguo1.jpg', 0)

img1 = img.astype('float')

C_temp = np.zeros(img.shape)
dst = np.zeros(img.shape)


m, n = img.shape
N = n
C_temp[0, :] = 1 * np.sqrt(1/N)

for i in range(1, m):
     for j in range(n):
          C_temp[i, j] = np.cos(np.pi * i * (2*j+1) / (2 * N )
) * np.sqrt(2 / N )
二维离散余弦变换2D DCT)在图像和视频处理领域应用广泛,但也存在一些缺点和可改进的方面。 ### 缺点 - **块效应**:二维离散余弦变换通常是分块进行的,在块与块的边界处可能会出现不连续的情况,产生明显的块效应,尤其在压缩比较高时,这种效应会更加明显,严重影响图像的视觉质量。 - **高频信息损失**:为了实现数据压缩,在变换后通常会丢弃一些高频系数,这会导致图像的细节和纹理信息丢失,使得图像变得模糊,对于包含丰富细节的图像,这种损失会更加显著。 - **计算复杂度高**:二维离散余弦变换的计算量较大,特别是对于大尺寸的图像或视频,需要消耗较多的计算资源和时间,这在实时处理场景中可能成为瓶颈。 ### 可改进之处 - **改进分块方式**:可以采用重叠分块的方法,减少块与块之间的不连续性,从而减轻块效应。例如,在进行离散余弦变换之前,对图像进行重叠分块处理,然后在逆变换后进行加权平均,以平滑块边界。 - **自适应量化**:根据图像的局部特征,自适应地调整量化矩阵,对于包含重要信息的区域,采用较细的量化,以保留更多的细节;对于次要区域,采用较粗的量化,以提高压缩比。这样可以在一定程度上减少高频信息的损失。 - **快速算法优化**:研究和应用更高效的快速算法,如快速离散余弦变换(FDCT),可以显著降低计算复杂度,提高处理速度。许多编程语言和库都提供了优化后的离散余弦变换函数,如Python的`scipy.fftpack.dct`函数。 以下是一个使用Python和`scipy`库进行二维离散余弦变换的示例代码: ```python import numpy as np from scipy.fftpack import dct, idct import matplotlib.pyplot as plt # 生成一个示例图像 image = np.random.rand(100, 100) # 进行二维离散余弦变换 dct_image = dct(dct(image, axis=0, norm='ortho'), axis=1, norm='ortho') # 进行逆二维离散余弦变换 reconstructed_image = idct(idct(dct_image, axis=0, norm='ortho'), axis=1, norm='ortho') # 显示原始图像和重构图像 plt.figure(figsize=(10, 5)) plt.subplot(1, 2, 1) plt.imshow(image, cmap='gray') plt.title('Original Image') plt.subplot(1, 2, 2) plt.imshow(reconstructed_image, cmap='gray') plt.title('Reconstructed Image') plt.show() ```
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