專利名稱：一種數(shù)字彩色圖像信號壓縮方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信號的壓縮方法及裝置，尤其涉及一種數(shù)字彩色圖像信號壓縮方法及裝置。
背景技術(shù)：
彩色圖像信號按照其內(nèi)容的運動狀態(tài)，可劃分為靜態(tài)圖像和運動圖像兩大類。按著信號表示形式劃分，彩色圖像又分為連續(xù)彩色圖像和數(shù)字彩色圖像。目前，對數(shù)字彩色圖像信號的壓縮方法存在一些標準和非標準的方法。下面按靜止圖像壓縮和運動圖像壓縮分別介紹。
1.運動圖像壓縮H.261標準國際電報電話咨詢委員會于1990年12月提出了H·216壓縮標準。按此標準組成編/解碼器。編碼器包括幀間差分編、幀內(nèi)正交變換編碼和變安長編碼等。幀間差分編碼采用了運動補償幀間預(yù)測方式，它消除了隨時間變化的冗余信息；正交變換編碼后，可去除幀內(nèi)空間變化的冗余信息。經(jīng)上述兩項措施，可實現(xiàn)壓縮編碼，大大壓縮數(shù)據(jù)量。最后將變字長編碼輸出的數(shù)據(jù)送入緩存器中，在輸出時鐘的作用下，送出等字長的編碼數(shù)據(jù)。為防止緩沖器溢出，利用緩沖器輸出的一個信號對量化器進行控制，如發(fā)現(xiàn)緩沖器快要溢出，則送出一信號使它進入粗量化，這樣，量化器輸出的數(shù)據(jù)量減少，使緩沖器不致溢出。反之，緩沖器送出一控制信號，使量化器進行細量化，致使輸出數(shù)據(jù)量增加。從而實現(xiàn)了自適應(yīng)量化的目的。
MPEG-1標準1992年，運動圖像專家組正式提出了該標準。該標準包括系統(tǒng)、圖像和伴音三個部分。其中運動圖像是標準的核心。MPEG-1標準運動圖像壓縮編碼主要通過兩項基本技術(shù)一是基于16*16塊運動補償，此技術(shù)適用于預(yù)測編碼和插補編碼，它可以減少幀序列時間冗余度；二是基于變換域的壓縮技術(shù)，可以減少空間冗余度。在MPEG-1標準中，變換域不僅使用于幀內(nèi)壓縮，而且對幀間預(yù)測誤差再作變換域變換，以達到進一步壓縮數(shù)據(jù)的目的。MPEG-1標準的各種軟件或硬件實現(xiàn)，加速了多媒體終端的發(fā)展，延伸和完善了通信網(wǎng)絡(luò)。
2.靜止圖像壓縮靜止圖像壓縮主要采用JPEG標準，它的任務(wù)是為圖像壓縮編碼和解碼過程以及壓縮圖像數(shù)據(jù)的編碼表示制定通用的國際標準。JPEG標準定義了兩種基本壓縮編碼算法一種是基于差分脈沖的無失真壓縮編碼算法，它通過簡單的預(yù)測編碼，對中等復(fù)雜程度的彩色圖像可達到2∶1的壓縮編碼。另一種基于離散余弦變換有失真壓縮算法?；陔x散余弦變換的編碼過程是一次掃描完成的，稱為基于離散余弦變換編碼的順序操作方式。還有一種稱為累進操作方式離散余弦變換編碼，即每個圖像分量的編碼要經(jīng)過多次掃描才完成，掃描從粗到細，直到達到滿意的圖像質(zhì)量為止。累進操作方式又可分為兩種方式一是針對變換系數(shù)頻帶范圍的“頻譜選擇法”，另一種是針對變換系數(shù)表示精度的“按位逼近法”；由于目前的國際標準以及其它非標準壓縮方法都將彩色圖像按“場”、“幀”單獨處理，對運動圖像而言，還需增加“運動補償”等各種時空整合技術(shù)。所有編碼技術(shù)都沒有將彩色圖像的“色調(diào)”的冗余信息考慮到編碼過程中，因此，在彩色圖像的壓縮過程中，圖像的“高質(zhì)量”與“高壓縮”的矛盾不能很好的解決。
技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)字彩色圖像信號壓縮方法及裝置，在保證圖像信號質(zhì)量的前提下，大大地提高了圖像的壓縮比。
本發(fā)明是通過如下步驟來完成對數(shù)字彩色信號進行壓縮的數(shù)據(jù)提取步驟對應(yīng)數(shù)字彩色圖像信號的紅、綠蘭單色幀圖像信號提取具有三個縱序的立方體形數(shù)據(jù)排列三維矩陣并存貯。
矩陣分割步驟對所述的三維矩陣進行子矩陣分割；矩陣變換步驟對三維子矩陣進行三維廣域余弦變換，計算出三維系數(shù)矩陣；矢量量化步驟對三維系數(shù)矩陣進行矢量量化，計算出矢量量化系統(tǒng)三維矩陣；游程編碼步驟對矢量量化系數(shù)三維矩陣進行游程編碼，得到數(shù)字彩色圖像信號三維矩陣的變換壓縮編碼矩陣完成對數(shù)字彩色圖像信號的壓縮。
本發(fā)明所提供數(shù)字彩色圖像信號壓縮裝置，它由以下裝置組成數(shù)據(jù)提取裝置用于對應(yīng)數(shù)字彩色圖像信號的紅、綠、蘭單色幀圖像信號提取具有三個縱序的立方體形數(shù)據(jù)排列三維矩陣并存貯。
矩陣分割裝置用于對所述的三維矩陣進行子矩陣分割；矩陣變換裝置用于對三維子矩陣進行三維廣域余弦變換，計算出三維系數(shù)矩陣；矢量量化裝置用于對三維系數(shù)矩陣進行矢量量化，計算出矢量量化系統(tǒng)三維矩陣；游程編碼裝置用于對矢量量化系數(shù)三維矩陣進行游程編碼，得到數(shù)字彩色圖像信號三維矩陣的變換壓縮編碼矩陣，完成對數(shù)字彩色圖像信號的壓縮。
本發(fā)明全面考慮了彩色圖像的冗余信息，并考慮了時間、空間和色調(diào)的相關(guān)性及整體性，從而在保證信號質(zhì)量的前提下提高了數(shù)字彩色圖像信號的壓縮比。
下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明做進一步的說明。


圖1、本發(fā)明所指的數(shù)字彩色圖像信號壓縮方法的流程圖；圖2、本發(fā)明所指的數(shù)字彩色圖像信號壓縮裝置的方框圖。
具體實施例方式本發(fā)明的核心內(nèi)容是在數(shù)字彩色圖像壓縮方法和裝置中引入了三維矩陣及其算法的定義，而矩陣的矢量量化和游程編碼均為現(xiàn)有技術(shù)。
三維矩陣基本定義由I×J×K個實數(shù)aijk(1≤i≤I，1≤j≤J，1≤k≤K)構(gòu)成的I個橫行，J個豎列，K個縱序的立方體形數(shù)據(jù)排列，稱為I×J×K階三維矩陣，記為AI、J、K＝[auhk]I、J、K＝ 其中aijk叫做三維矩陣AI、J、K的元素三維子矩陣定義定義1和通常定義下的矩陣一樣，對任何一個三維矩陣AI、J、K都可以用一些橫線，豎線和縱線分成尺寸小的三維矩陣，這樣的小三維矩陣成為三維矩陣AI、J、K的三維子矩陣AU、V、W(a，b，c)(a＝1，2，…，E；b＝1，2，…，F(xiàn)；c＝1，2，…G)，其中E，u＜I；F，v＜J；G，w＜K。
三維矩陣的運算準則三維矩陣的相等，相加，相乘及變換等準則如下相等指兩個同階的三維矩陣AI、J、K＝[aijk]I、J、K和BI、J、K＝[bijk]I、J、K，有aijk＝bijk(1≤i≤I；1≤j≤J；1≤k≤K)加法指兩個同階的三維矩陣AI、J、K＝[aijk]I、J、K和BI、J、K＝[bijk]I、J、K相加AI、J、K+BI、J、K＝[aijk+bijk]I、J、K。乘法指兩個三維矩陣AI1×J1×K1=[aijk]I1×J1×K1]]>和BI2×J2×K2=[bijk]I2×J2×K]]>的如下橫向乘(I類乘法)(AI1×J1×K1·BI2×J2×K2)I=[cijk]I3×J3×K3]]>其中I3＝I2＝I1，J3＝J1，K3＝K2，K1＝J2，且有cijk=Σe=1kaije·biek]]>，(i＝1，2，…，I3；j＝1，2，…，J3；k＝1，2，…，K3)豎向乘(II類乘法)(AI1×J1×K1·BI2×J2×K2)II=[cijk]I3×J3×K3]]>其中I3＝I1，J3＝J1＝J2，K3＝K2，K1＝I2，且有cijk=Σe=1kaije·bejk]]>，(i＝1，2，…，I3；j＝1，2，…，J3；k＝1，2，…，K3)縱向乘(III類乘法)(AI1×J1×K1·BI2×J2×K2)III=[cijk]I3×J3×K3]]>其中I3＝I1，J3＝J2，K3＝K1＝K2，J1＝I2，且有cijk=Σe=1kaiek·bejk]]>，(i＝1，2，…，I3；j＝1，2，…，J3；k＝1，2，…，K3)三維矩陣廣域離散余弦變換(3D-WDCT)定義 3D-WDCT正變換B=(C3(C2(C1AC1T)IC2T)IIC3T)III]]>3D-WDCT逆變換A=(C3T(C2T(C1TBC1)IC2)IIC3)III]]>其中“T”表示轉(zhuǎn)置，B為8×8×3變換子矩陣，A為輸入圖像三維矩陣中8×8×3子矩陣，N＝u×v×w。
一幅尺寸為I×J的彩色圖像，有三幀同樣大小的紅、綠、蘭三幅灰度圖像組成，因此我們可以用如下的三維矩陣表示AI、J、3＝[aijk]I、J、3，其中(1≤i≤I，1≤j≤J)表示的是彩色圖像的空間位置，1≤k≤3代表彩色圖像的三個顏色分量。因此，彩色圖像的三個分量分別由三維矩陣的三個縱向平面表示。彩色圖像的這種表示就把他在各象素的位置關(guān)系以及相應(yīng)的各個分量間的關(guān)系建筑在同一模型中。我們就可以用三維矩陣的方法處理圖像，充分利用彩色圖像在空間和各個分量間的相關(guān)性，從而實現(xiàn)進一步的能量壓縮。
在JPEG和MPEG標準中，綜合考慮計算的復(fù)雜性和圖像的塊效應(yīng)，圖像被劃分成8×8的子塊，進行余弦變換變換。為了與其兼容及利用現(xiàn)有的技術(shù)，并充分考慮到方塊效應(yīng)及計算復(fù)雜度，本發(fā)明采用8×8×3的子陣分割方法。
具體步驟為數(shù)據(jù)提取步驟對應(yīng)數(shù)字彩色圖像信號的紅、綠、蘭單色幀圖像信號提取具有三個縱序的立方體形數(shù)據(jù)排列三維矩陣并存貯。
矩陣分割步驟對所述的三維矩陣進行于矩陣分割，采用8×8×3的三維子矩陣分割方法，即分割后的三維子矩陣為8行、8列和3縱序，分割先按行后按列進行；矩陣變換步驟對三維子矩陣進行三維廣域余弦變換，計算出三維系數(shù)矩陣；矢量量化步驟對三維系數(shù)矩陣進行矢量量化，計算出矢量量化系統(tǒng)三維矩陣；游程編碼步驟對矢量量化系數(shù)三維矩陣進行游程編碼，得到數(shù)字彩色圖像信號三維矩陣的變換壓縮編碼矩陣，完成對數(shù)字彩色圖像信號的壓縮。
具體裝置為數(shù)據(jù)提取裝置用于對應(yīng)數(shù)字彩色圖像信號的紅、綠、蘭單色幀圖像信號提取具有三個縱序的立方體形數(shù)據(jù)排列三維矩陣并存貯；矩陣分割裝置用于對所述的三維矩陣進行子矩陣分割，采用8×8×3的三維子矩陣分割方法，即分割后的三維子矩陣為8行、8列和3縱序，分割先按行后按列進行。
矩陣變換裝置用于對三維子矩陣進行三維廣域余弦變換，計算出三維系數(shù)矩陣；矢量量化裝置用于對三維系數(shù)矩陣進行矢量量化，計算出矢量量化系統(tǒng)三維矩陣；游程編碼裝置用于對矢量量化系數(shù)三維矩陣進行游程編碼，得到數(shù)字彩色圖像信號三維矩陣的變換壓縮編碼矩陣，完成對數(shù)字彩色圖像信號的壓縮。
權(quán)利要求
1.數(shù)字彩色圖像信號壓縮方法，其特征在于它由以下步驟組成數(shù)據(jù)提取步驟對應(yīng)數(shù)字彩色圖像信號的紅、綠、蘭單色幀圖像信號提取具有三個縱序的立方體形數(shù)據(jù)排列三維矩陣并存貯；矩陣分割步驟對所述的三維矩陣進行子矩陣分割；矩陣變換步驟對三維子矩陣進行三維廣域余弦變換，計算出三維系數(shù)矩陣；矢量量化步驟對三維系數(shù)矩陣進行矢量量化，計算出矢量量化系統(tǒng)三維矩陣；游程編碼步驟對矢量量化系數(shù)三維矩陣進行游程編碼，得到數(shù)字彩色圖像信號三維矩陣的變換壓縮編碼矩陣，完成對數(shù)字彩色圖像信號的壓縮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字彩色圖像信號壓縮方法，其特征在于矩陣分割步驟時采用8×8×3的三維子矩陣分割方法，即分割后的三維子矩陣為8行、8列和3縱序，分割先按行后按列進行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種數(shù)字彩色圖像信號壓縮方法，其特征在于矩陣變換步驟所采用的三維廣域余弦變換公式為B=(C3(C2(C1AC1T)IC2T)IIC3T)III]]> “T”表示轉(zhuǎn)置，B為8×8×3變換子矩陣，A為輸入圖像三維矩陣中8×8×3子矩陣，N＝u×v×w(其中，u＝8，v＝8，w＝3)。
4.一種數(shù)字彩色圖像信號壓縮裝置，其特征在于它由以下裝置組成數(shù)據(jù)提取裝置用于對應(yīng)數(shù)字彩色圖像信號的紅、綠、蘭單色幀圖像信號提取具有三個縱序的立方體形數(shù)據(jù)排列三維矩陣并存貯；矩陣分割裝置用于對所述的三維矩陣進行子矩陣分割；矩陣變換裝置用于對三維子矩陣進行三維廣域余弦變換，計算出三維系數(shù)矩陣；矢量量化裝置用于對三維系數(shù)矩陣進行矢量量化，計算出矢量量化系統(tǒng)三維矩陣；游程編碼裝置用于對矢量量化系數(shù)三維矩陣進行游程編碼，得到數(shù)字彩色圖像信號三維矩陣的變換壓縮編碼矩陣，完成對數(shù)字彩色圖像信號的壓縮。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種數(shù)字彩色圖像信號壓縮裝置，其特征在于所述矩陣分割裝置進行三維子矩陣分割時采用8×8×3的三維子矩陣分割方法，即分割后的三維子矩陣為8行、8列和3縱序，分割先按行后按列進行。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種數(shù)字彩色圖像信號壓縮裝置，具特征在于矩陣變換裝置進行三維廣域余弦變換時所采用的公式為B=(C3(C2(C1AC1T)IC2T)IIC3T)III]]> “T”表示轉(zhuǎn)置，B為8×8×3變換子矩陣，A為輸入圖像三維矩陣中8×8×3子矩陣，N＝u×v×w(其中，u＝8，v＝8，w＝3)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種信號的壓縮方法及裝置，尤其涉及一種數(shù)字彩色圖像信號壓縮方法及裝置。具體步驟為數(shù)據(jù)提取步驟、矩陣分割步驟、矩陣變換步驟、游程編碼步驟。具體裝置為數(shù)據(jù)提取裝置、矩陣分割裝置、矩陣變換裝置、矢量量化裝置、游程編碼裝置。本發(fā)明全面考慮了彩色圖像的冗余信息，并考慮了時間、空間和色調(diào)的相關(guān)性及整體性，從而在保證信號質(zhì)量的前提下提高了數(shù)字彩色圖像信號的壓縮比。
文檔編號H04N9/79GK1399473SQ0112795
公開日2003年2月26日 申請日期2001年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月19日
發(fā)明者陳賀新, 付萍, 桑愛軍, 王世剛 申請人:陳賀新