專利名稱：基于下采樣和插值的低碼率圖像壓縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及數(shù)字圖像壓縮，特別是一種基于拉普拉斯 下采樣和基于方向波插值相結(jié)合的低碼率圖像壓縮方法，可用于低碼率圖像的實(shí)時 通信和后期高質(zhì)量的圖像解碼恢復(fù)。
背景技術(shù)：
圖像的壓縮和通信過程常常需要實(shí)時性和高效性。近年來，基于多尺度表示的 圖像漸進(jìn)傳輸編碼，多種質(zhì)量服務(wù)，低碼率下圖像重構(gòu)等多媒體應(yīng)用已經(jīng)有了相當(dāng) 廣泛的應(yīng)用，并且發(fā)展前景可觀。由于具有極其出色的優(yōu)良特性，比如多尺度多分 辨表示，高效的能量聚合能力等，基于離散小波變換DWT的JPEG2000已經(jīng)成為圖像 視頻壓縮領(lǐng)域最為重要的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)之一。在JPEG2000編碼的標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于各種圖 像的壓縮領(lǐng)域時，仍舊遺留了很多問題。比如基于DWT變換的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行 速度以及對內(nèi)存的需求相對基于分塊DCT的JPEG標(biāo)準(zhǔn)來說較為苛刻，計(jì)算復(fù)雜度高 且內(nèi)存需求量大。
傳統(tǒng)的低碼率圖像壓縮方法有基于離散余弦變換DCT的JPEG低碼率壓縮方法， 以及基于離散小波變換DWT的JPEG2000低碼率壓縮方法。其中
基于離散余弦變換DCT的JPEG圖像壓縮方法，是先把圖像分成8X8的圖像塊， 然后分別對每個圖像塊分別進(jìn)行離散余弦變換，最后再對變換后的頻域系數(shù)進(jìn)行編 碼來進(jìn)行壓縮。這種方法雖然可以通過丟棄不重要的高頻系數(shù)得到較低的碼率傳輸， 但是不論從圖像恢復(fù)的客觀PSNR值來看，還是邊緣紋理的主觀清晰度來看都是比較 差的，另外壓縮重構(gòu)的圖像在分塊的邊緣部分還有塊狀振鈴效應(yīng)。
基于離散小波變換DWT的JPEG2000圖像壓縮方法，是先將圖像進(jìn)行離散小波變 換，然后對變換后的頻域系數(shù)進(jìn)行EBCOT編碼來進(jìn)行圖像壓縮。而相關(guān)的低碼率圖 像壓縮方法一般是直接將經(jīng)過變換后頻域系數(shù)中高頻部分的不重要系數(shù)丟棄，只編 碼低頻系數(shù)部分和高頻系數(shù)中的重要系數(shù)。碼率越低，圖像壓縮恢復(fù)時的可用信息 就越少。這種方法在圖像壓縮編碼時沒有合理的聚合相關(guān)信息，并且在圖像恢復(fù)解 碼時沒有預(yù)測丟棄的高頻信息，因此不論從客觀PSNR值還是主觀視覺效果來看，低碼率下壓縮效果不是很好。
另外，由于自然圖像中存在很多重要的紋理信息和邊緣方向信息，而傳統(tǒng)的基 于離散小波變換DWT的JPEG2000低碼率圖像壓縮方法不能有效的處理這種問題是因 為邊緣的方向不可能是完全水平或垂直的，而離散小波變換DWT只能處理嚴(yán)格水平 或垂直的紋理信息，因此它在復(fù)雜紋理信息處理方面沒有多尺度幾何中方向波變換 好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于下采樣和插值的低碼率圖像壓縮方法，以克服 上述兩種方法在低碼率圖像壓縮時客觀PSNR值不高，主觀圖像質(zhì)量中紋理部分不 清晰的缺點(diǎn)，提高圖像壓縮質(zhì)量。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案，包括如下步驟
(1) 對原始圖像進(jìn)行拉普拉斯金字塔分解，在低通濾波下采樣后產(chǎn)生低頻子帶
信號；
(2) 對低頻子帶信號進(jìn)行方向自適應(yīng)編碼產(chǎn)生壓縮后的低碼率壓縮圖像的碼流 信息；
(3) 對低碼率壓縮圖像的碼流信息進(jìn)行方向自適應(yīng)提升解碼，產(chǎn)生重構(gòu)的低頻 子帶信號；
(4) 對解碼后的低頻子帶信號進(jìn)行方向波插值恢復(fù)，產(chǎn)生重構(gòu)后的圖像。
本發(fā)明由于采用拉普拉斯金字塔方式的下采樣，避免了頻率混疊現(xiàn)象，增強(qiáng)了 變換系數(shù)的各向異性，保留了所有方向上的圖像信息，它的冗余特性在下采樣時具 有更好的保留圖像紋理信息的作用；另外，這種下采樣方式在濾波中考慮到了相鄰 像素間的相關(guān)性以及相關(guān)性強(qiáng)弱關(guān)系，因此用于低碼率下的圖像重構(gòu)能取得更好的 效果；同時由于本發(fā)明所采用的方向波變換是一種具有方向特性的多尺度幾何變換 方法，不僅保留了標(biāo)準(zhǔn)二維離散小波變換可分離性質(zhì)和簡易性，而且用它進(jìn)行插值 恢復(fù)，能夠更好的保留下采樣后低分辨率圖像中的紋理信息和方向信息，得到具有 相對較高的客觀PSNR值和更好的主觀視覺效果。


圖l是本發(fā)明的流程圖2是本發(fā)明采用的Lena和Baboon兩幅標(biāo)準(zhǔn)測試圖像；
圖3是JPEG2000方法在碼率為0.125bpp時對圖2的壓縮效果圖4是本發(fā)明方法在碼率為0.125bpp時對圖2的壓縮效果圖。
具體實(shí)施例方式
參照圖l，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下
步驟1:對原始圖像進(jìn)行拉普拉斯金字塔分解，在低通濾波下采樣后產(chǎn)生低頻 子帶信號。
1.1) 采用拉普拉斯塔式分解濾波系數(shù)，構(gòu)造雙正交9/7濾波器，其中低通濾波 系數(shù)11={0.037828455，-0.023849465,-0.110624404,0.377402856,0.852698679, 0.377402856,-0.110624404,-0.023849465,0.037828455}，高通濾波系數(shù) g={-0.064538883,-0.040689418,0.418092273,0.788485616,0.418092273，-0.040689418， -0.064538883};
1.2) 對原始圖像進(jìn)行邊緣的鏡像延拓；
1.3) 用構(gòu)造的雙正交9/7濾波器與原始圖像分別進(jìn)行水平和垂直方向的巻積操 作，得到拉普拉斯金字塔濾波下采樣后的低頻子帶圖像。
步驟2:對大小為原始圖像1/4的低頻子帶信號進(jìn)行方向自適應(yīng)編碼產(chǎn)生壓縮 后的低碼率壓縮圖像的碼流信息。
2.1) 選擇主要紋理方向作為變換方向，并在變換方向上對圖像進(jìn)行邊界延拓；
2.2) 在變換方向上將像素采樣點(diǎn)分為奇數(shù)位系數(shù)和偶數(shù)位系數(shù)；
2.3) 對變換方向上的奇數(shù)位系數(shù)和偶數(shù)位系數(shù)用線性組合方式進(jìn)行方向預(yù)測， 得到預(yù)測系數(shù)；
2.4) 對變換方向上的偶數(shù)位系數(shù)和得到的預(yù)測系數(shù)用線性組合方式進(jìn)行方向 提升，得到變換后的系數(shù)；
2.5) 對變換系數(shù)進(jìn)行算術(shù)編碼得到最終可供傳輸或壓縮存儲的碼流。
步驟3:對低碼率壓縮圖像的碼流信息進(jìn)行方向自適應(yīng)提升解碼，產(chǎn)生重構(gòu)的 低頻子帶信號；
3.1) 對得到的碼流進(jìn)行算術(shù)解碼得到變換系數(shù)；
3.2) 在變換方向上將得到的變換系數(shù)分成奇數(shù)位系數(shù)和偶數(shù)位系數(shù)；
3.3) 在變換方向上由奇數(shù)位系數(shù)和偶數(shù)位系數(shù)進(jìn)行方向提升的逆向操作得到 預(yù)測系數(shù)；
3.4) 在變換方向上由奇數(shù)位系數(shù)和預(yù)測系數(shù)用線性組合方式進(jìn)行方向預(yù)測的 逆向操作得到方向波反變換后的圖像。步驟4:確定方向圖將解碼后的下采樣圖像在空域中分割成大小為16X16像 素的分割塊，分割塊中代表方向?qū)Φ呐慵痉椒ㄖ性O(shè)定為5個，分別為 "={(0°,90°),(0°,45。),(0。，-45。)，(90。,45。),(90。,-45。)}，沿著這5個方向的變換與隊(duì) 列方向?qū)τ秒p正交9/7—維濾波器組，進(jìn)行變換方向的濾波操作，得到5個變換后 的分割塊，其中濾波系數(shù)和步驟l中采用的濾波系數(shù)相同。每個分割塊中高頻子帶
能量最小化的方向?yàn)樽罴炎儞Q與隊(duì)列方向?qū)?，其中最佳變換方向即為紋理方向，將 所處理的分割塊標(biāo)記為n，方向波變換方向標(biāo)記為d，頻域變換系數(shù)標(biāo)記為『 (，， 則標(biāo)記為n的分割塊所對應(yīng)的最佳紋理方向的計(jì)算公式為
其中頻域變換系數(shù)『"(,f通過沿著d方向?qū)Φ趎個分割塊應(yīng)用方向波變換產(chǎn)生。 分割塊中方向圖的方向由高通子帶集合{《}中使得能量最小化的方向決定，它為分 割塊的局部變換方向與自然圖像紋理方向之間提供了最佳匹配。無明顯紋理方向的 平滑分割塊使用水平和垂直方向的方向?qū)?。最終這些分割塊的方向集合構(gòu)成了方向 圖。
步驟5:高分辨率圖像的初始估計(jì)
對解碼后的下采樣圖像使用雙三次插值得到小波低頻子帶圖像，提取其劇烈變
化點(diǎn)信息得到小波高頻子帶圖像，然后對小波低頻子帶圖像和小波高頻子帶圖像進(jìn)
行小波變換的反變換，重構(gòu)出高分辨圖像的初始估計(jì)。
步驟6:沿著最,紋理方向?qū)Ω叻直媛蕡D像的初始估計(jì)使用方向波變換，在每
個尺度上產(chǎn)生3個方向波高頻子帶圖像，記為HL， LH， HH。方向波變換的特性使
得方向波變換系數(shù)的幅度值的極值lf^丄，w^H/0^)l在不同尺度j=l,2,***J上遵循
以下尺度關(guān)系
1『""』《2氛+1)， 式中尺m表示尺度常量，c^表示局部Lipschitz正則化因子，它們是劇烈變換點(diǎn)
的2個參數(shù)；劇烈變換點(diǎn)通過線性回歸的方式在3個高頻子帶中使用上述公式進(jìn)行
高頻系數(shù)的估計(jì)。
步驟7:通過凸集投影對得到的高分辨率圖像的初始估計(jì)進(jìn)行迭代細(xì)化，方向波插值迭代次數(shù)設(shè)定為5次，但不限于5次，使得預(yù)測的高頻信息不斷的精確化，最終使用方向圖和方向波反變換將得到的3個方向波高頻子帶圖像與原始低分辨率圖像重構(gòu)為最終的高分辨原始圖像。
本發(fā)明的試驗(yàn)效果可以通過以下試驗(yàn)進(jìn)一步說明
1) 試驗(yàn)條件
采用圖像壓縮中常用的標(biāo)準(zhǔn)圖像Lena 512x512和Baboon 512x512，如圖2所示，其中圖2(a)是Lena512X512原始圖像，圖2(b)是Baboon512X512原始圖像。在0.125bpp碼率下對這兩幅圖像使用標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000方法，如圖3所示，其中圖3(a)是使用JPEG2000方法的Lena重構(gòu)圖，圖3(b)是使用JPEG2000方法的Baboon重構(gòu)圖。在0.125bpp碼率下對這兩幅圖像使用本發(fā)明方法，如圖4所示，其中圖4(a)是使用本發(fā)明方法的Lena重構(gòu)圖，圖4(b)是使用本發(fā)明方法的Baboon重構(gòu)圖。
2) 試驗(yàn)結(jié)果分析
對這兩種方法的壓縮重構(gòu)效果進(jìn)行對比，其中圖3(a)和圖4(a)主要顯示了JPEG2000方法和本發(fā)明方法的客觀PSNR對比結(jié)果，其中圖3(b)和圖4(b)主要顯示了 JPEG2000方法和本發(fā)明方法的主觀視覺對比效果。
從圖3(a)和圖4(a)的對比可以看出，本發(fā)明對Lena的重構(gòu)圖具有較好的客觀PSNR值，其中PSNR為壓縮效果的客觀評價值，值越大說明壓縮效果越好。
從圖3(b)和圖4(b)的對比可以看出，本發(fā)明對Baboon的重構(gòu)圖具有較好的主觀評測效果MSSIM，其中MSSIM為壓縮效果的主觀評價值，范圍為[O,l]，值越大說明壓縮恢復(fù)圖像的主觀效果越好。
從圖3和圖4的整體試驗(yàn)對比可以看出，本發(fā)明對邊緣和紋理的保持比較好，低碼率下能夠獲得更高的客觀PSNR值和更好的主觀效果，尤其是紋理比較豐富的地方。本發(fā)明在邊緣和細(xì)節(jié)信息的保持方面明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000方法，比如經(jīng)本發(fā)明壓縮重構(gòu)后Lena的帽沿及帽子上的紋理比較突出，方向特征明顯，邊緣比較清晰。而用標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000方法后，Lena帽沿比較模糊，帽子上的紋理也呈現(xiàn)過分平滑的模糊網(wǎng)格，沒有自適應(yīng)的方向特征。
綜上，在低碼率壓縮條件下，本發(fā)明不僅客觀PSNR值較高而且主觀視覺效果也比較好，在邊緣紋理保持方面優(yōu)勢大，更重要的是它的壓縮框架結(jié)構(gòu)使得計(jì)算復(fù)雜度比較低。
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權(quán)利要求
1.一種基于下采樣和插值的低碼率圖像壓縮方法，包括如下步驟(1)對原始圖像進(jìn)行拉普拉斯金字塔分解，在低通濾波下采樣后產(chǎn)生低頻子帶信號；(2)對低頻子帶信號進(jìn)行方向白適應(yīng)編碼產(chǎn)生壓縮后的低碼率壓縮圖像的碼流信息；(3)對低碼率壓縮圖像的碼流信息進(jìn)行方向自適應(yīng)提升解碼，產(chǎn)生重構(gòu)的低頻子帶信號；(4)對解碼后的低頻子帶信號進(jìn)行方向波插值恢復(fù)，產(chǎn)生重構(gòu)后的圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的低碼率圖像壓縮方法，其中所述的在低通濾波下釆樣產(chǎn)生低頻子帶信號，按如下步驟進(jìn)行2a)構(gòu)造雙正交9/7濾波器組，該濾波器組的系數(shù)采用拉普拉斯變換中的濾波器組系數(shù)；2b)用構(gòu)造得到的濾波器組對原始圖像信號進(jìn)行巻積操作，獲得低通濾波下采樣低頻子帶信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的低碼率圖像壓縮方法，其中所述的對低碼率壓縮圖像的碼流信息進(jìn)行方向自適應(yīng)提升編碼，按如下步驟進(jìn)行3a)對低頻子帶信號進(jìn)行方向?yàn)V波和方向變換，并進(jìn)行邊界延拓；3b)對變換方向上的奇數(shù)位系數(shù)進(jìn)行方向預(yù)測得到預(yù)測系數(shù)；3c)對變換方向上的偶數(shù)位系數(shù)和得到的預(yù)測系數(shù)進(jìn)行方向提升，得到變換后的系數(shù)；3d)對得到的變換系數(shù)進(jìn)行算術(shù)編碼得到最終的壓縮碼流。
4. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的低碼率圖像壓縮方法，其中所述的對低頻子帶信號進(jìn)行方向波插值恢復(fù)，按如下步驟進(jìn)行4a)在空域把圖像分成大小為16X16像素的分割塊，將每個分割塊沿著集合Z) = {(0°，90°)，(0°，45°)，(0°，_45°)，(90°，45°)，(90°，-45°)}中的每對變換與隊(duì)列方向?qū)τ秒p正交9/7 —維濾波器組進(jìn)行變換方向的濾波操作；4b)每個分割塊中高頻子帶能量最小化的方向?yàn)樽罴炎儞Q與隊(duì)列方向?qū)?，這些分割塊的方向集合構(gòu)成了方向映射圖；4c)在產(chǎn)生的方向映射圖中將確定的最佳紋理方向?qū)Χx為相應(yīng)分割塊的方向?qū)Σ⑦M(jìn)行標(biāo)識處理；4d)對沒有主要紋理方向的平滑塊使用水平和垂直方向的濾波操作；4e)對低分辨率圖像使用雙三次插值得到小波低頻子帶圖像，提取其劇烈變化點(diǎn)信息得到小波高頻子帶圖像；4f)對小波低頻子帶圖像和小波高頻子帶圖像進(jìn)行小波變換的反變換，重構(gòu)出高分辨圖像的初始估計(jì)；4g)沿著最佳紋理方向?qū)Ω叻直媛蕡D像的初始估計(jì)使用方向波變換，在每個尺度上產(chǎn)生3個方向波高頻子帶圖像，記為HL， LH， HH;4h)通過凸集投影對得到的高分辨率圖像的初始估計(jì)進(jìn)行迭代細(xì)化，當(dāng)滿足設(shè)定的迭代次數(shù)時，使用方向圖和方向波反變換將得到的3個方向波高頻子帶圖像與原始低分辨率圖像重構(gòu)為最終的高分辨原始圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于下采樣和插值重構(gòu)的低碼率圖像壓縮方法，主要解決現(xiàn)有低碼率圖像壓縮客觀PSNR值不高，主觀圖像質(zhì)量中紋理邊緣部分不清晰的缺點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)步驟為(1)對原始圖像進(jìn)行拉普拉斯金字塔分解，在低通濾波下采樣后產(chǎn)生低頻子帶信號；(2)對低頻子帶信號進(jìn)行方向自適應(yīng)編碼產(chǎn)生壓縮后的低碼率壓縮圖像的碼流信息；(3)對低碼率壓縮圖像的碼流信息進(jìn)行方向自適應(yīng)提升解碼，產(chǎn)生重構(gòu)的低頻子帶信號；(4)對解碼后的低頻子帶信號進(jìn)行方向波插值恢復(fù)，產(chǎn)生重構(gòu)后的圖像。本發(fā)明具有低碼率壓縮客觀PSNR值高，邊緣及紋理細(xì)節(jié)比較清晰的優(yōu)點(diǎn)，能夠用于實(shí)時壓縮圖像傳輸?shù)母哔|(zhì)量恢復(fù)。
文檔編號H04N7/24GK101668196SQ200910024058
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者彪 侯, 公茂果, 吳家驥, 棟 李, 焦李成, 爽 王, 石光明, 馬文萍 申請人:西安電子科技大學(xué)