6、DPCM编解码

对苏

于 2022-07-12 17:44:04 发布

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文章标签：音视频 c++ 视频编解码

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/m0_51333023/article/details/125680949

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本文详细介绍了DPCM（差分预测编码调制）的原理，包括预测器和量化器的设计，并探讨了PSNR在图像质量评估中的应用。通过实验，对比了不同量化比特下的DPCM效果，发现量化比特数越小，重建图像质量越差。同时，分析了DPCM结合熵编码与直接熵编码的压缩效率，指出DPCM能有效提高压缩效率，尤其是在预测误差图像的概率分布更利于熵编码的情况下。

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一、实验原理

1. DPCM编解码原理

DPCM是差分预测编码调制的缩写，是比较典型的预测编码系统。在DPCM系统中，需要注意的是预测器的输入是已经解码以后的样本。之所以不用原始样本来做预测，是因为在解码端无法得到原始样本，只能得到存在误差的样本。因此，在DPCM编码器中实际内嵌了一个解码器，如编码器中虚线框中所示。

在一个DPCM系统中，有两个因素需要设计：预测器和量化器。理想情况下，预测器和量化器应进行联合优化。实际中，采用一种次优的设计方法：分别进行线性预测器和
量化器的优化设计。

2. PSNR的计算

PSNR（峰值信噪比）是一种度量图像失真的方式，它的单位是dB。本实验使用PSNR作为图像质量评价的指标。峰值信噪比与图像质量近似成正比关系。PSNR值越大，就代表失真越少，图像质量越好。

二、实验代码

① dpcm.h

#pragma once
#ifndef DPCM_H_
#define DPCM_H_

void DPCM(unsigned char* y_buffer, unsigned char* differ_buffer, unsigned char* rebuild_buffer, int width, int height, int bitnum);
#endif

#pragma once

② dpcm.cpp

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<math.h>

void DPCM(unsigned char* y_buffer, unsigned char* differ_buffer, unsigned char* rebuild_buffer, int width, int height, int bitnum)
{
	for (int i = 0; i < height; i++)
	{
		for (int j = 0; j < width; j++)
		{
			if (j == 0)
			{
				differ_buffer[i * width] = ((y_buffer[i * width] - 128) + 255) / pow(2, (double)(9 - bitnum));
				rebuild_buffer[i * width] = differ_buffer[i * width] * pow(2, (double)(9 - bitnum)) - 255 + 128;
			}
			else
			{
				differ_buffer[i * width + j] = ((y_buffer[i * width + j] - rebuild_buffer[i * width + j - 1]) + 255) / pow(2, (double)(9 - bitnum));
				rebuild_buffer[i * width + j] = differ_buffer[i * width + j] * pow(2, (double)(9 - bitnum)) - 255 + rebuild_buffer[i * width + j - 1];
			}
			if (differ_buffer[i * width + j] > 255)
				differ_buffer[i * width + j] = 255;
			if (differ_buffer[i * width + j] < 0)
				differ_buffer[i * width + j] = 0;
			if (rebuild_buffer[i * width + j] > 255)
				rebuild_buffer[i * width + j] = 255;
			if (rebuild_buffer[i * width + j] < 0)
				rebuild_buffer[i * width + j] = 0;
		}
	}
}

③ main.cpp

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include"math.h"
#include"DPCM.h"
void calculate_fre(unsigned char* buffer, double* frequency, int width, int height)
{
	int size = width * height;
	for (int i = 0; i < size; i++)
	{
		frequency[buffer[i]]++;
	}
	for (int k = 0; k < 256; k++)
	{
		frequency[k] /= size;
	}
}
int main(int argc, char** argv)
{
	const char* ori_name = argv[1];
	const char* differ_name = argv[2];
	const char* rebu_name = argv[3];
	int bitnum = atoi(argv[4]);
	FILE* ori_file = NULL;
	FILE* differ_file = NULL;
	FILE* rebu_file = NULL;
	if ((ori_file = fopen(ori_name, "rb")) == NULL)
		printf("Failed to open the original picture\n");
	else
		printf("succeeded to open the original picture\n");

	if ((differ_file = fopen(differ_name, "wb")) == NULL)
		printf("Failed to open the difference picture\n");
	else
		printf("succeeded to open the difference picture\n");

	if ((rebu_file = fopen(rebu_name, "wb")) == NULL)
		printf("Failed to open the rebulid picture\n");
	else
		printf("succeeded to open the rebulid picture\n");

	int width = 256;
	int height = 256;
	unsigned char* y_buffer = new unsigned char[width * height];
	unsigned char