專利名稱：基于自適應(yīng)下采樣和交疊變換的圖像壓縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及圖像壓縮方法，可用于在低碼率下 用于實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度和低功耗圖像壓縮。 背條技術(shù)
圖像，作為信息含量最為豐富的信息載體，成為信息時代必不可少的要素之一。 近年來，哮著視頻會議、可視電話、高清晰電視、遠(yuǎn)程監(jiān)控和遙感成像等技術(shù)的廣 泛應(yīng)用，圖像己成為人們生活中信息交流的主要載體，而高分辨率的圖像也被不同 行業(yè)所需要。隨著成像技術(shù)的發(fā)展，許多設(shè)備己能夠提供高分辨率的數(shù)字圖像以滿 足人們的要求，然而，分辨率的提高使圖像蘊(yùn)含了更大的信息量，這對圖像壓縮提 出了更高的要求。因此必須在保證一定圖像質(zhì)量的前提下，用盡可能少的數(shù)據(jù)量來 表示圖像。
近些年，武筱林、吳楓等人已嘗試用插值的方法去改進(jìn)低碼率下的圖像壓縮并 且在這方面取得了較好成果。他們的方法基本遵從這樣一模式在編碼端對整幅圖 像利用濾波或提升技術(shù)進(jìn)行下釆樣，得到一副低分辨率的圖像，對這幅低分率的圖 像進(jìn)行變換編碼，得到壓縮文件；而在解碼端，先解碼壓縮文件，重構(gòu)低分辨率圖 像，然后再利用插值來提高分辨率，得到解碼圖像。盡管這類方法已能夠在相對低 的碼率下提高編碼性能，但仍有以下不足 一是由于此類方法是對整幅圖像，不管 是平滑區(qū)域還是邊緣區(qū)域都進(jìn)行下采樣，而在邊緣區(qū)域，鄰域之間的相關(guān)性很難被 估計，因此，很難利用一般的插值方法上采樣出清晰的高分辨率圖，從而影響了解 碼圖像的質(zhì)量；二是由于此類方法使用了復(fù)雜度相當(dāng)高的插值方法，所以不適合應(yīng) 用到一些對實(shí)時性、復(fù)雜度要求嚴(yán)格的設(shè)備中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上有技術(shù)的不足，提出一種基于自適應(yīng)下采樣和交疊變 換的圖像壓縮方法，以提高低碼率下圖像的壓縮性能，降低計算復(fù)雜度，滿足許多
3設(shè)備對實(shí)時性、低復(fù)雜度和低功耗的要求。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟包括如下
(1) 對原圖像進(jìn)行DCT變換，用SPECK對變換后的圖像在當(dāng)前碼率下預(yù)編碼， 得到截止比特面的閥值，記為MT;
(2) 把原圖分割成大小為32*32的塊，再對每一個塊做下面的判斷
2a)對當(dāng)前塊進(jìn)行DCT變換，如果大于閾值MT的變換系數(shù)的個數(shù)不超過該 塊中總系數(shù)個數(shù)的1.6%時，對該塊進(jìn)行5/3小波變換，否則，不進(jìn)行 變換，并將該塊標(biāo)記為0;
2b)對5/3小波變換后的塊的低頻子帶進(jìn)行DCT變換，如果大于閾值MT的 變換系數(shù)的個數(shù)仍不超過該低頻子帶中總系數(shù)個數(shù)的1.6%時，該 32*32的塊被標(biāo)記為1,否則，標(biāo)記為0;
2c)將標(biāo)記為1的塊視為平滑塊，對平滑塊進(jìn)行5/3小波變換，舍去高頻子 帶，保留低頻子帶作為下采樣的結(jié)果；
(3) 對下采樣后的圖像先在DCT塊之間進(jìn)行交疊變換，再對交疊變換后的圖像 進(jìn)行離散余弦變換，得到變換系數(shù)；
(4) 對變換后的系數(shù)進(jìn)行系數(shù)交織，得到低頻子帶DC和高頻子帶AC;
(5) 對低頻子帶DC進(jìn)行形狀自適應(yīng)離散余弦變換，并對變換后的系數(shù)再次進(jìn)行 系數(shù)交織，將交織后的低頻子帶DC與高頻子帶AC合并，得到最終的變換 系數(shù)；
(6) 對最終的變換系數(shù)進(jìn)行面向?qū)ο蟮腟PECK編碼，并根據(jù)所要求的碼率舍去 不重要信息，得到壓縮的比特流；
(7) 在解碼端，根據(jù)傳輸?shù)谋忍亓鹘鈮嚎s，得到最終的解碼圖像。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明由于采用自適應(yīng)下采樣方法，只對圖像的平滑區(qū)域下采樣，解決了傳統(tǒng) 的基于下采樣的圖像壓縮方法對邊緣區(qū)域重構(gòu)質(zhì)量不理想的問題。同時由于本發(fā)明在DCT塊之間進(jìn)行了交疊變換，能有效消除由DCT變換引起的方塊效應(yīng)，獲得較好 的主觀視覺效果。此外由于本發(fā)明采用了復(fù)雜度小的插值方法，克服了傳統(tǒng)基于下 采樣的圖像壓縮方法實(shí)時性差的缺點(diǎn)。


圖l是本發(fā)明的壓縮流程圖； 圖2是本發(fā)明的解壓縮流程圖； 圖3是本發(fā)明編碼前的操作結(jié)果圖；其中， 圖3(a)是自適應(yīng)下采樣后的圖， 圖3(b)是系數(shù)交織后的圖， 圖3 (c)是圖3 (b)的低頻子帶DC的放大圖， 圖3 (d)是經(jīng)過SA-DCT變換后的DC子帶； 圖4是本發(fā)明利用5/3小波下采樣的示意圖； 圖5是本發(fā)明系數(shù)交織示意圖；其中， 圖5(a)是原始系數(shù)分布圖， 圖5(b)是交織后系數(shù)分布圖； 圖6是本發(fā)明與JPEG2000的重構(gòu)圖像主觀視覺效果比較圖。
具體實(shí)施例方式
參照圖l，本發(fā)明的圖像壓縮過程如下
步驟l，對原始圖像做DCT變換，用SPECK對變換后的圖像在當(dāng)前碼率下預(yù)編 碼，得到截止比特面的閾值，記為MT;
步驟2，將原圖分割成大小為32*32的塊，再對每一個塊做下面的判斷 (2a)對當(dāng)前塊進(jìn)行DCT變換，如果大于閾值MT的系數(shù)的個數(shù)不超過該塊中 總系數(shù)個數(shù)的1.6%時，對該塊進(jìn)行5/3小波變換，否則，不進(jìn)行變換， 并將該塊標(biāo)記為0;
(2b)對5/3小波變換的塊的低頻子帶再進(jìn)行DCT變換，如果大于閾值MT的 系數(shù)的個數(shù)也不超過該低頻子帶中總系數(shù)個數(shù)的1. 6%時，該32*32的塊 被標(biāo)記為l，否則，標(biāo)記為O;
(2c)將標(biāo)記為l的塊視為平滑塊，對平滑塊進(jìn)行5/3小波變換，舍去高頻子帶，保留低頻子帶作為下采樣的結(jié)果，如圖4所示，其中，圖4(a)是原圖像塊， 圖4(b)是5/3小波變換后的圖像塊，圖4(c)是下采樣后的圖像塊； 由步驟(2a) (2c)可以得到如圖3(a)所示的下采樣結(jié)果圖。 步驟3，對下采樣后的圖依次進(jìn)行交疊變換和DCT變換。 具體過程如下
(3a)在DCT變換之前，選擇在未被下采樣的DCT塊邊界處進(jìn)行交疊變換，以 去除塊間的相關(guān)性。交疊變換矩陣P定義為下式
2
其中，i是單位矩陣，j是反單位矩陣，
_0
0
1
v是自由控制矩陣，
v = j(C2)tO (3)
C^2和C-/2分別是8個點(diǎn)的第二類型離散余弦變換DCT-II和第四類型 離散余弦變換DCT-IV。 (3b)對交疊變換后的圖像進(jìn)行16點(diǎn)的DCT變換。 步驟4，對變換后的圖像進(jìn)行系數(shù)交織，得到低頻子帶DC和高頻子帶AC，如 圖3 (b)所示。
系數(shù)交織，是將變換系數(shù)交織成小波樹狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由低頻子帶DC和高頻 子帶AC構(gòu)成。具體交織過程如下
(4a)初始化循環(huán)次數(shù)變量2=4,子帶級數(shù)^1; (4b)將每個塊的DC系數(shù)取出放在一起組成低頻子帶DC; (4c)將每個塊的DC系數(shù)所對應(yīng)的子系數(shù)取出放入相應(yīng)位置組成高頻子帶 AC*;
「i0i j
0vj匿i
(1)
0 1
1 0
(2)(4d)設(shè)2=2-1， A= A+l;將上一級子系數(shù)對應(yīng)的子系數(shù)取出放入相應(yīng)位置組
成高頻子帶ACw
(4e)判斷z是否為0，若不為0則返回(4d)，若為0，則系數(shù)交織完成，所 有高頻子帶ACfc組成子帶高頻AC。 由步驟(4a) (4e)得到如圖5 (b)所示的系數(shù)交織結(jié)果，從圖5 (a)可見， 系數(shù)交織前，原始系數(shù)呈塊狀分布，DC系數(shù)分布不集中，其中1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9代表DC系數(shù)，灰色符號代表DC系數(shù)所對應(yīng)的子系數(shù)，其他符號代表高 頻系數(shù)，從圖5 (b)可見，交織后的系數(shù)呈樹狀分布，DC系數(shù)被集中置于左上角， 構(gòu)成低頻子帶DC，其余高頻系數(shù)構(gòu)成高頻子帶AC,這種樹狀結(jié)構(gòu)使能量更加集中， 更易于編碼。
步驟5，對如圖3 (c)所示的DC子帶進(jìn)行SA-DCT變換，并對得到的變換系 數(shù)再次進(jìn)行系數(shù)交織，得到二次變換后的DC子帶，與AC子帶合并得到最終的變 換圖像。SA-DCT變換的結(jié)果如圖3 (d)所示，具體過程如下
(5a)在自適應(yīng)下采樣中已標(biāo)記出了被下采樣的塊，根據(jù)標(biāo)記結(jié)果和系數(shù)交織的
原理，確定在DC子帶被丟棄系數(shù)的位置； (5b)將低頻子帶分成16*16的塊，對每個塊做SA-DCT變換先將每一個塊保
留的系數(shù)按列向上排，對每列進(jìn)行相應(yīng)點(diǎn)數(shù)的一維DCT變換，把這些系數(shù)
靠左排，對每行做一維DCT變換，每一行保留了幾個系數(shù)就做幾點(diǎn)的DCT，
這樣就完成了SA-DCT變換。 步驟6，對最終的變換系數(shù)進(jìn)行OB-SPECK編碼，具體步驟如下 (6a)對變換后的系數(shù)進(jìn)行編碼初始化，得到初始信息，即先根據(jù)最高比特面
，得到初始比特面，并令比特面"= _，其中，
c,》.是變換系數(shù)；再將整幅圖像作為一個塊放入不重要塊集合LIS中，得
到初始的LIS;然后設(shè)重要系數(shù)集合LSP = 0 ; (6b)對LIS中的塊進(jìn)行排序，并對重新排序后的子塊依次進(jìn)行測試，其中因下 采樣被丟棄的子塊不被測試，若變換系數(shù)滿足2"—C,」<2"+1，則認(rèn)為該
系數(shù)為重要系數(shù)，或該變換系數(shù)所在的塊是重要塊；
7(6c)對重要系數(shù)集合LSP進(jìn)行細(xì)化，并對比特面進(jìn)行循環(huán)更新，得到壓縮比 特流文件。
參照圖2，本發(fā)明的圖像解壓縮過程如下
步驟A，對編碼端傳送來的比特流進(jìn)行所述步驟6的逆過程，得到解碼圖像。
步驟B，對解碼圖像的低頻子帶DC進(jìn)行系數(shù)反交織，即將呈小波樹狀結(jié)構(gòu)分布 的系數(shù)重新排列成塊狀分布，并對反交織后的低頻子帶DC進(jìn)行SA-DCT逆變換，得 到重構(gòu)的低頻子帶DC;
步驟C，將重構(gòu)的低頻子帶DC和解碼圖像的高頻子帶AC合并，并對合并后的圖 像依次進(jìn)行系數(shù)反交織、DCT逆變換以及交疊逆變換，得到下采樣后的重構(gòu)圖像。
步驟D，對被下采樣的區(qū)域利用Cubic插值恢復(fù)，得到最終的重構(gòu)圖。
本發(fā)明的效果可以通過以下具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步說明。
1. 實(shí)驗(yàn)條件與內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)是取大小為512X512，灰度為8比特的圖像Barbara、 Lena、 Goldhill和Baboon的4幅圖像，分別按照上述編碼和解碼的步驟進(jìn)行編碼和解碼， 并分別在壓縮比b卯為0.125bpp、0. 25bpp以及0. 5bpp的條件下對比了在質(zhì)量漸進(jìn) 模式下的峰值信噪比PSNR性能。其中在無算術(shù)編碼的情況下，對比了 SPECK、 SPIHT 方法和本發(fā)明方法的峰值信噪比PSNR性能；在有算術(shù)編碼的情況下，對比了 SPECK-AC、 SPIHT-AC、 JPEG2000、帶有交疊變換的SPECK-AC和帶算術(shù)編碼的本發(fā)明 方法的峰值信噪比PSNR性能。
2. 視覺效果比較結(jié)果
如圖6所示，對比了本發(fā)明方法與JPEG2000分別對Lena和Barbara兩幅圖像 在0. 125bpp的碼率下得到的重構(gòu)圖像主觀視覺效果。其中圖6(a)是Lena的原圖像， 圖6(b)是JPEG2000下的Lena重構(gòu)圖，圖6(c)是本發(fā)明下的Lena重構(gòu)圖，圖6(d) 是Barbara的原圖像，圖6(e)是JPEG2000下的Barbara重構(gòu)圖，圖6(f)是本發(fā)明 下的Barbara的重構(gòu)圖，從圖6可見，由于交疊變換的作用，本發(fā)明方法對圖像的 紋理和邊緣信息保持的較好，視覺效果明顯好于JPEG2000。
3. 峰值信噪比PSNR對比結(jié)果如表1所示。表1 不同方法的峰值信噪比PSNR性能比較
無算術(shù)編碼有算術(shù)編碼圖像碼率SPECKSPIHT本發(fā) 明方 法SPECK -ACSPIHT -ACJPEG 2000帶有交 疊變換 的SPE CK-AC本發(fā)明 方法+ 算術(shù)編 碼
ra0. 12524. 8924. 4726. 7524. 9824.8625.0226.9927. 22
0. 2527. 6427. 2229. 9027. 7627. 5828. 2730. 0030. 35
0.531.3230. 9433.5031.5431.4032. 1533. 7234.01
0. 12530. 8030. 7230. 8331.0031. 1031.0330. 8431.21
Lena0. 2533. 7733.733.9234. 0334. 1234. 1533. 9734. 33
0.536. 8636. 8537.0037. 1037.2237.2837. 1137. 35
Finge r0. 12521.7821.6521.6421.9321.8721. 7322. 3822. 52
0.2524. 0823.8424.6624. 3224.2524. 3724. 8425. 05
0.527.427. 1728.0627. 7927. 6727. 8628. 3628. 53
Baboo n0.12521.5521.4921.5921.6321.7221. 5021. 7021.77
0. 2522. 9722. 9323.1623. 1023. 2623. 1023. 3223. 38
0.525. 2725.2125.4525.4025. 6425. 5225.6625. 77
從表1可見，在無算術(shù)編碼時用本發(fā)明方法獲得的峰值信噪比PSNR明顯優(yōu)于現(xiàn) 有的SPECK和SPIHT方法，而且在大多數(shù)情況下本發(fā)明方法獲得的峰值信噪比PSNR 達(dá)到甚至優(yōu)于采用算術(shù)編碼的SPECK-AC、 SPIHT-AC方法，接近JPEG2000。當(dāng)添加 算術(shù)編碼后，本發(fā)明帶有算術(shù)編碼的方法獲得的峰值信噪比PSNR仍然明顯優(yōu)于 SPECK-AC、 SPIHT-AC和JPEG2000。同時，本發(fā)明方法中添加的算術(shù)編碼是與SPHIT 和SPECK相同的算術(shù)編碼，而非JPEG2000中所采用的高階算術(shù)編碼，因此本發(fā)明方 法既具有比SPECK-AC 、 SPIHT-AC和JPEG2000更高的峰值信噪比PSNR性能，又具 有低的復(fù)雜度，易于硬件實(shí)現(xiàn)。另外，與帶有交疊變換的SPECK-AC相比，本發(fā)明的 方法也具有明顯優(yōu)勢，這說明本發(fā)明中的自適應(yīng)下采樣起到了一定作用。
9
權(quán)利要求
1、一種基于自適應(yīng)下采樣和交疊變換的圖像壓縮方法，包括如下步驟(1)對原圖像進(jìn)行DCT變換，用SPECK對變換后的圖像在當(dāng)前碼率下預(yù)編碼，得到截止比特面的閾值，記為MT；(2)將原圖分割成大小為32*32的塊，再對每一個塊做下面的判斷2a)對當(dāng)前塊進(jìn)行DCT變換，如果大于閾值MT的變換系數(shù)的個數(shù)不超過該塊中總系數(shù)個數(shù)的1.6％時，對該塊進(jìn)行5/3小波變換，否則，不進(jìn)行變換，并將該塊標(biāo)記為0；2b)對5/3小波變換后的塊的低頻子帶進(jìn)行DCT變換，如果大于閾值MT的變換系數(shù)的個數(shù)仍不超過該低頻子帶中總系數(shù)個數(shù)的1.6％時，該32*32的塊被標(biāo)記為1，否則，標(biāo)記為0；2c)將標(biāo)記為1的塊視為平滑塊，對平滑塊進(jìn)行5/3小波變換，舍去高頻子帶，保留低頻子帶作為下采樣的結(jié)果；(3)對下采樣后的圖像依次進(jìn)行交疊變換及離散余弦變換，得到變換系數(shù)；(4)對變換后的系數(shù)進(jìn)行系數(shù)交織，得到低頻子帶DC和高頻子帶AC；(5)對低頻子帶DC進(jìn)行形狀自適應(yīng)離散余弦變換，并對變換后的系數(shù)再次進(jìn)行系數(shù)交織，將交織后的低頻子帶DC與高頻子帶AC合并，得到最終的變換系數(shù)；(6)對最終的變換系數(shù)進(jìn)行面向?qū)ο蟮腟PECK編碼，并根據(jù)所要求的碼率舍去不重要信息，得到壓縮的比特流；(7)在解碼端，根據(jù)傳輸?shù)谋忍亓鹘鈮嚎s，得到最終的解碼圖像。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像壓縮方法，其步驟(3)所述的對下采樣后的圖像依次交疊變換及離散余弦變換，按如下過程進(jìn)行(3a)在DCT變換之前，選擇在未被下采樣的DCT塊邊界處進(jìn)行交疊變換，以去除塊間的相關(guān)性；(3b)對交疊變換后的圖像進(jìn)行16點(diǎn)的DCT變換。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像壓縮方法，其中步驟(4)所述的系數(shù)交織，是將變換系數(shù)交織成小波樹狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由低頻子帶DC和高頻子帶AC構(gòu)成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像壓縮方法，其中步驟(6)所述的對最終的變換系數(shù)進(jìn)行面向?qū)ο蟮腟PECK編碼，是指只編碼經(jīng)過下采樣后保留下來的系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于自適應(yīng)下采樣和交疊變換的圖像壓縮方法，主要解決現(xiàn)有基于下采樣的壓縮方法性能低及復(fù)雜度高的問題。其過程是1.對原圖進(jìn)行自適應(yīng)下采樣；2.先對自適應(yīng)下采樣后的圖在未被下采樣的DCT塊之間進(jìn)行交疊變換，再對整幅圖進(jìn)行DCT變換；3.將變換后的系數(shù)交織成小波樹狀結(jié)構(gòu)，得到低頻子帶DC和高頻子帶AC；4.對低頻子帶DC做形狀自適應(yīng)DCT變換，并再次進(jìn)行系數(shù)交織；5.利用面向?qū)ο蟮腟PECK編碼方法對呈小波樹狀結(jié)構(gòu)的系數(shù)進(jìn)行編碼，得到壓縮的比特流；6.對傳輸?shù)浇獯a端的比特流進(jìn)行解壓縮，得到最終的重構(gòu)圖像。本發(fā)明在低碼率下可獲得高于傳統(tǒng)圖像壓縮方法的性能，并且擁有低的復(fù)雜度，可用于對復(fù)雜度和實(shí)時性要求嚴(yán)格的低碼率圖像編碼。
文檔編號H04N7/30GK101583032SQ20091002308
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者公茂果, 吳家驥, 昆 姜, 張向榮, 焦李成, 爽 王, 石光明, 艷 邢, 馬文萍 申請人:西安電子科技大學(xué)