CN105163122A - 一种基于图像块相似性的图像压缩及解压缩方法 - Google Patents

Abstract

一种基于图像块相似性的图像压缩及解压缩方法，通过对图像数据进行分块，选取其中的图像块作为基准图像块，然后通过计算图像块之间的PSNR来寻找相似的图像块，在找到相似图像块后将图像块编号或经处理得到的数据通过信息隐藏方法隐藏到基准图像块中，然后只对基准图像块进行图像压缩，最后将压缩后的图像数据按照一定的信息格式进行传输；接收端根据信息格式中的字节提取每一个基准图像块的数据并对其进行解压缩，然后利用解隐藏算法得到隐藏的相似图像块编号等信息，然后根据基准图像块和相似图像块编号恢复原始图像数据。本方法将待压缩图像数据量减少1/3,从而减少图像压缩处理资源的消耗，将现有图像的压缩性能提高1.5倍,进一步提高传输效率。

Description

一种基于图像块相似性的图像压缩及解压缩方法

技术领域

本发明涉及一种基于图像块相似性的图像压缩及解压缩方法，属于图像压缩技术领域。

背景技术

图像数据的实时传输所产生的数据十分庞大，如果不经过处理将会对存储器容量和计算机的处理速度带来挑战，通过图像压缩技术降低原始数据量可以提高了传输效率，降低所需存储器的存储空间。图像之所以能够压缩主要有两方面原因：1.源图像的各像素之间，在行、列方向上都存在较大的相关性，因此可以采用编码算法来减少或消除这些相关性，就能实现图像的压缩。2.图像信源的数据可分为有效信息量和冗余信息量，在不损害图像有效信息量的前提下，去除冗余量，就能减小图像的数据，达到压缩的目的。

对于像遥感图像这种数据量庞大的图像来说，直接对原始数据量进行分块图像压缩，将会增加设备的复杂度，并且随着分辨率的提高，对于大压缩比的数据传输系统而言，图像算法的压缩性能受到很大挑战。

现有的分块图像压缩方法是在对原始图像数据进行分块处理后，图像的数据量并没有减少，对于原始数据量庞大的图像来说，这样进行图像压缩需要消耗更多的硬件资源，对图像算法的压缩性能也有很大压力。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于图像块相似性的图像压缩及解压缩方法，结合信息隐藏技术，在对图像进行压缩前通过对原始图像数据进行分块处理，判决出与基准图像块相似的图像块，只对基准图像块进行压缩，将待压缩图像数据量减少1/3，从而减少图像压缩处理资源的消耗，将现有图像的压缩性能提高1.5倍,进一步提高传输效率。

本发明解决的技术方案为：一种基于图像块相似性的图像压缩方法，包括步骤如下：

(1)设定原始图像的像素为M×N，将原始图像分块为k个小块图像，分块后的每个小块图像B的像素为m×n，则得到的图像块个数k个小块图像B分别表示为序列B₁，B₂，...B_k；

(2)设定阈值T，在序列B₁，B₂，...B_k中，i从1开始，将B_i与B_i以外的图像块B_j逐一进行PSNR计算得到多个PSNR的值，将每个PSNR的值和阈值T相比较，该PSNR计算得到的值大于等于阈值T，则判定进行PSNR计算的这两个图像块B_i与B_j相似，并记录与B_i相似的图像块B_j的编号为b_i，B_i作为基准图像块，用B_i替换B_j；若PSNR计算得到的值小于阈值T，则判定进行PSNR计算的这两个图像块B_i与B_j不相似，B_i和B_j不进行替换，更新序列B₁，B₂，...B_k，1≤i≤k,1≤j≤k；i≠j；

(3)当i≠k时,将i加1后，判断此时B_i是否在步骤(2)更新后的序列中，若此时B_i在步骤(2)更新后的序列中，返回步骤(2)；若此时B_i不在步骤(2)更新后的序列中，则i的值再每次加1，直至B_i在步骤(2)更新后的序列中，返回步骤(2)，直至i＝k时，停止进行PSNR计算；

(4)若步骤(2)未找到与B_i相似的图像块B_j，则进行步骤如下：

(a)将步骤(2)中的阈值T与步骤(2)中得到的多个PSNR的值做差，将差值从小到大排列成一个序列，从序列的第p个差值开始，p从1开始，即从差值最小的进行PSNR计算的两个图像块开始，将该差值对应的两个图像块中的一个图像块作为基准图像B_n，另一个图像块作为对比图像块，并统计这两个图像块相差的最大像素值，将该最大像素值对应的对比图像块上该位置的像素值H_i利用基准图像B_n同样位置的像素值进行替代，然后再计算这两个图像块的PSNR值，将该PSNR的值和阈值T相比较，若得到的PSNR值大于等于阈值T，则判定已经找到相似的图像块，并将这些像素值H_i及位置信息进行记录；若得到的PSNR值仍小于阈值T，进行步骤(b)；

(b)将p的值加1，返回步骤(a),直至步骤(a)中差值的序列中所有差值遍历完毕，若步骤(a)未找到相似的图像块，则进行步骤(c)；若找到相似图像块，记录这些像素值H_i及位置信息；

(c)将步骤(2)中的阈值T与步骤(2)中得到的多个PSNR的值做差，将差值从小到大排列成一个序列，从序列的第p个差值开始，p从1开始，即从差值最小的进行PSNR计算的两个图像块开始，将该差值对应的两个图像块中的一个图像块作为基准图像B_n，另一个图像块作为对比图像块，并统计这两个图像块相差的次最大像素值，将该次最大像素值对应的对比图像块上该位置的像素值L_i利用基准图像B_n同样位置的像素值进行替代，然后再计算这两个图像块的PSNR值，将该PSNR的值和阈值T相比较，若得到的PSNR值大于等于阈值T，则判定已经找到相似的图像块，并将这些像素值L_i及位置信息进行记录；若得到的PSNR值仍小于阈值T，进行步骤(d)；

(d)将p的值加1，返回步骤(a),直至步骤(a)中差值的序列中所有差值遍历完毕,若步骤(a)未找到相似的图像块，则判定无法找到相似的图像块，寻找结束；

(5)若步骤(2)找到相似图像块，将与步骤(2)的图像块B_i相似图像块编号为b_i，对b_i进行二进制编码得到二进制码流，然后将该二进制码流利用信息隐藏算法存储在对应的B_i图像块中；若步骤(2)找到相似图像块,对步骤(2)得到的B_i进行N倍图像压缩，与B_i相似的图像块不再进行压缩；

(6)若步骤(4)找到相似图像块，将与步骤(4)的图像块B_n的相似图像块编号为b_n，将b_n及步骤(4)的H_i、L_i的值和位置信息进行二进制编码后，组成二进制码流，然后利用信息隐藏算法存储在对应的B_n图像块中；若步骤(4)找到相似图像块，对步骤(4)得到的B_n进行N倍图像压缩，与B_n相似的图像块不再进行压缩；

(7)对步骤(5)和步骤(6)压缩后的图像数据进行传输，在对步骤(5)和步骤(6)每一个图像块压缩完成后，需要对压缩的每一个图像块进行打包形成数据包，数据包包括头部和载荷数据,在数据包头部包括同步字节、帧类型字节和压缩的图像块B_i或B_n的编号信息，即压缩的图像块B_i或B_n在步骤(1)序列B中的位置；同步字节为A₁、A₂，A₁和A₂同时出现表示定位到数据包的开始，直至再次出现A₁和A₂表示这个数据包的下一个数据包开始；帧类型字节包括两种，分别是01与02，01代表载荷数据中所隐藏的为步骤(2)中相似图像块编号为b_i的数据包，02代表载荷数据中所隐藏的为步骤(4)中相似图像块编号为b_n的数据包，载荷数据为压缩后的图像块数据B_i或B_n。

一种基于图像块相似性的图像恢复方法，包括步骤如下：

(1)将压缩图像的数据包，根据同步字节A₁A₂判决每一个数据包，然后根据图像块B_i或B_n的编号信息，识别出该B_i或B_n的编号信息对应的数据包中的载荷数据，即为与B_i或B_n对应的压缩后的图像块数据；

(2)对步骤(1)压缩后的图像块数据解压缩，进行数据恢复，得到压缩前的图像块B_i或B_n的原始数据；

(3)通过帧类型字节对数据包进行判断，若帧类型字节为01，则载荷数据中所隐藏的数据是与B_i相似的图像块b_i，若帧类型字节为02则是与B_n相似的图像块b_n；

若载荷数据中所隐藏的数据为与B_i相似的b_i，则对步骤(2)得到图像块B_i的原始数据进行解隐藏得到与B_i相似的图像块编号b_i；

若载荷数据中所隐藏的数据为与B_n相似的b_n，则对步骤(2)得到图像块B_n的原始数据进行解隐藏得到图像块b_n及与b_n对应的H_i，L_i的值和位置信息；

(4)若步骤(3)得到的相似的图像块编号为b_i，在步骤(2)和(3)得到每一个B_i图像块和与B_i相似的图像块编号b_i后，先将B_i图像块数据根据压缩的图像块B_i的编号信息放置在序列中的相应位置，然后在b_i相应的位置用B_i图像块的数据进行填充，直到最后一个B_i图像块结束，则获得完整的原始图像；

若步骤(3)得到的相似的图像块编号为b_n，在步骤(2)和(3)得到每一个B_n图像块和与之相似的图像块编号b_i后，先将B_n图像块数据根据压缩的图像块B_n的编号信息放置在序列中的相应位置，，然后在b_i相应的位置用B_n图像块的数据进行填充，再根据H_i，L_i的位置信息,将B_n图像块的相应位置的值替换为H_i，L_i的值，直到最后一个B_n图像块结束，则获得完整的原始图像。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过压缩方法中的步骤(2)，(3)，(4)，利用PSNR计算直接得到或通过替换像素值得到与基准图像块相似的图像块，在图像压缩时只对基准图像块进行压缩，减少了图像压缩时的数据量，从而减轻图像压缩处理的压力；

(2)本发明通过压缩方法中的步骤(5)，(6)，将相似图像块的编号或替换的像素值及位置信息排列成一定格式的二进制码流，利用信息隐藏算法存储到基准图像块中，实现了减少原有的图像块数，而又不破坏基准图像块的数据的目的，从而可以进一步提高图像压缩性能；

(3)本发明通过压缩方法中的步骤(8)，在对每一个压缩后的基准图像块作为一个数据帧进行传输，通过添加同步字节，帧类型字节及编号信息，将图像数据传输效率提高30％，实现了压缩图像数据的高效传输。

附图说明

图1为本发明压缩及解压缩过程流程图；

图2为本发明图像块编号的隐藏格式示意图；

图3为本发明压缩后图像数据传输格式示意图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：提供一种基于图像块相似性的图像压缩方法，首先对图像数据进行分块，选取其中的图像块作为基准图像块，然后通过依次计算图像块之间的PSNR来寻找相似的图像块，当PSNR大于等于T时即认为找到相似的图像块，并记录其图像块编号；若未找到，则首先选出PSNR最接近T的图像块，将它们之间像素值相差最大的进行替代后再计算PSNR得到相似的图像块，依次类推，接着将图像块编号或经处理得到的数据通过信息隐藏方法隐藏到基准图像块中，然后只对基准图像块进行图像压缩，最后将压缩后的图像数据按照一定的信息格式进行传输；

在接收端收到压缩的数据后，首先根据信息格式中的字节提取每一个基准图像块的数据并对其进行解压缩，从解压缩的数据中利用解隐藏算法得到隐藏的相似图像块编号等信息，然后根据基准图像块和相似图像块编号恢复原始图像数据。

以标准图像库中lena.bmp，boats.bmp，airplane.bmp，peppers.bmp，baboon.bmp图像为例说明该方法，图像大小为512x512。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，如图1所示，

图像压缩过程：

1.对原始图像进行分块：将这些标准图像划分为8x8的图像块，共4096个，B₁，B₂，...B₄₀₉₆；

2.设定阈值T，在B₁，B₂，...B₄₀₉₆中，i从1开始，将B_i与B_i以外的图像块B_j逐一进行PSNR计算得到多个PSNR的值。

PSNR，即峰值信噪比，表示信号最大可能功率和它的表示精度的破坏性噪声功率的比值。在图像压缩等领域，峰值信噪比被用作信号重建质量的测量方法，简单地通过均方差(MSE)进行定义：

一个m×n的图像矩阵重建前后分别为F和G，那它们的均方差可以定义为：

$MSE=\frac{1}{mn}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(G_{i,j}-F_{i,j})}^2$

而PSNR定义为：

$PSNR=10\lg \frac{{\mathrm{MAX}}^2}{MSE}$

其中，MAX表示像素信息的最大数值，在图像编码一般情况下，每个采样点用8位表示，那么MAX的值为255。

将每个PSNR的值和阈值T相比较，该PSNR计算得到的值大于等于阈值T，则判定进行PSNR计算的这两个图像块B_i与B_j相似，并记录与B_i相似的图像块B_j的编号b_i，B_i作为基准图像块,用B_i替换B_j；若PSNR计算得到的值小于阈值T，则判定进行PSNR计算的这两个图像块B_i与B_j不相似，B_i和B_j不进行替换，更新B₁，B₂，...B₄₀₉₆，1≤i≤4096，1≤j≤4096，i≠j；

3.当i≠4096时,将i加1后，判断此时B_i是否在步骤(1)更新后的序列中，若此时B_i在步骤(1)更新后的序列中，返回步骤(2)；若此时B_i不在步骤(1)更新后的序列中，则i的值再每次加1，直至B_i在步骤(1)更新后的序列中，返回步骤(1)；当i＝4096时，停止进行PSNR计算，表1表示了不同图像在阈值T的取值下得到的相似图像块的数目；表1不同图像所取的T的值及相似的图像块的数目

举例说明：在lena图像中，与B₁相似的图像块为B₃₅，B₂₅₇，B₁₀₂₈，B₃₁₁₅，B₄₀₉₅，则对应的基准图像块为B₁，得到的相似图像块b_i编号即为35，257，1028，3115，4095。这里通过步骤(2)的比较计算直接得到了相似图像块，故不再进行计算B_n，H_i，L_i的值。

4.将b_i的编号进行二进制编码，利用最低有效位的信息隐藏算法将以上编码后的编号分别隐藏进与其对应的基准图像块B_i中，图像块编号隐藏格式如附图2所示；

举例说明：将b_i(B₃₅，B₂₅₇，B₁₀₂₈，B₃₁₁₅，B₄₀₉₅)的编号35，257，1028，3115，4095进行二进制编码为100011，100000001，10000000100，110000101011，111111111111。利用最低有效位信息隐藏算法将这些二进制序列隐藏到基准图像块B₁中。

5.对图像进行压缩：对除去b_i的剩余基准图像块利用JPEG2000图像压缩算法进行4倍压缩，替换后减少的图像块即相当于对原始图像进行了一次压缩，压缩倍数＝1/(1-(相似图像块数/4096))＝1.5倍，实际压缩倍数为1.5x4＝6倍；

6.对压缩后的图像数据按照图3所示的数据格式进行传输，这里所对应的帧类型字节为01；举例说明：数据包头部中B_i的编号信息在例子中所对应的编号即为1。

图像恢复过程：

1.接收端收到压缩后的图像数据后根据同步字节A₁A₂识别出每个图像块的数据，然后根据图像块编号识别出相应的图像块；

举例说明：根据数据包头部中B_i的编号信息为1，即得到的数据包的载荷数据为B₁的压缩后的图像数据。

2.对图像块的压缩数据进行解压缩，得到压缩前每个图像块的原始数据；

3.通过帧类型字节(01)判断出载荷数据中所隐藏的数据为相似的图像块，利用相应的解隐藏算法恢复出隐藏的图像块编号b_i；

举例说明：在B₁的解压缩后的图像数据恢复出的图像块编号b_i为35，257，1028，3115，4095。

4.将每个图像块按照编号排列在相应的位置，编号为b_i的图像块则直接以编号为B_i的图像块的数据填充，得到完整的图像数据。

举例说明：将B₁图像块放置在序列B中的第一个位置，图像块b_i编号b_i为35，257，1028，3115，4095，即在序列B中的第35，257，1028，3115，4095位置用B₁图像块的数据进行填充。

表2本方法与JPEG2000对标准图像的压缩性能

表2中本方法得到结果是图像经过本方法预处理后经无损图像压缩得到的恢复图像的PSNR值，由表2可以看出，在图像压缩前采用本方法原始数据进行预处理，替换完的图像数据量相当于对图像进行1.5倍压缩，然后再利用JPEG2000进行4倍压缩，即对原始图像进行了1.5倍x4倍＝6倍压缩，由表2可以看出本方法进行6倍压缩的PSNR值与JPEG2000进行6倍压缩的PSNR值接近，但实际上本方法只使用JPEG2000对图像进行了4倍压缩，提升了图像的压缩性能；而且本方法不需要进行复杂的数学运算，只需计算每个图像块之间的PSNR值，与JPEG2000压缩方法相比，复杂度大大下降，减少了存储器等硬件资源的消耗。以下图像分别是经本方法得到的恢复图像及原始图像的比较图，压缩后解压效果好。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种基于图像块相似性的图像压缩方法，其特征在于：包括步骤如下：

(1)设定原始图像的像素为M×N，将原始图像分块为k个小块图像，分块后的每个小块图像B的像素为m×n，则得到的图像块个数k个小块图像B分别表示为序列B₁，B₂，...B_k；

(2)设定阈值T，在序列B₁，B₂，...B_k中，i从1开始，将B_i与B_i以外的图像块B_j逐一进行PSNR计算得到多个PSNR的值，将每个PSNR的值和阈值T相比较，该PSNR计算得到的值大于等于阈值T，则判定进行PSNR计算的这两个图像块B_i与B_j相似，并记录与B_i相似的图像块B_j的编号为b_i，B_i作为基准图像块，用B_i替换B_j；若PSNR计算得到的值小于阈值T，则判定进行PSNR计算的这两个图像块B_i与B_j不相似，B_i和B_j不进行替换，更新序列B₁，B₂，...B_k，1≤i≤k,1≤j≤k；i≠j；

(3)当i≠k时,将i加1后，判断此时B_i是否在步骤(2)更新后的序列中，若此时B_i在步骤(2)更新后的序列中，返回步骤(2)；若此时B_i不在步骤(2)更新后的序列中，则i的值再每次加1，直至B_i在步骤(2)更新后的序列中，返回步骤(2)，直至i＝k时，停止进行PSNR计算；

(4)若步骤(2)未找到与B_i相似的图像块B_j，则进行步骤如下：

(a)将步骤(2)中的阈值T与步骤(2)中得到的多个PSNR的值做差，将差值从小到大排列成一个序列，从序列的第p个差值开始，p从1开始，即从差值最小的进行PSNR计算的两个图像块开始，将该差值对应的两个图像块中的一个图像块作为基准图像B_n，另一个图像块作为对比图像块，并统计这两个图像块相差的最大像素值，将该最大像素值对应的对比图像块上该位置的像素值H_i利用基准图像B_n同样位置的像素值进行替代，然后再计算这两个图像块的PSNR值，将该PSNR的值和阈值T相比较，若得到的PSNR值大于等于阈值T，则判定已经找到相似的图像块，并将这些像素值H_i及位置信息进行记录；若得到的PSNR值仍小于阈值T，进行步骤(b)；

(b)将p的值加1，返回步骤(a),直至步骤(a)中差值的序列中所有差值遍历完毕，若步骤(a)未找到相似的图像块，则进行步骤(c)；若找到相似图像块，记录这些像素值H_i及位置信息；

(c)将步骤(2)中的阈值T与步骤(2)中得到的多个PSNR的值做差，将差值从小到大排列成一个序列，从序列的第p个差值开始，p从1开始，即从差值最小的进行PSNR计算的两个图像块开始，将该差值对应的两个图像块中的一个图像块作为基准图像B_n，另一个图像块作为对比图像块，并统计这两个图像块相差的次最大像素值，将该次最大像素值对应的对比图像块上该位置的像素值L_i利用基准图像B_n同样位置的像素值进行替代，然后再计算这两个图像块的PSNR值，将该PSNR的值和阈值T相比较，若得到的PSNR值大于等于阈值T，则判定已经找到相似的图像块，并将这些像素值L_i及位置信息进行记录；若得到的PSNR值仍小于阈值T，进行步骤(d)；

(d)将p的值加1，返回步骤(a),直至步骤(a)中差值的序列中所有差值遍历完毕,若步骤(a)未找到相似的图像块，则判定无法找到相似的图像块，寻找结束；

(5)若步骤(2)找到相似图像块，将与步骤(2)的图像块B_i相似图像块编号为b_i，对b_i进行二进制编码得到二进制码流，然后将该二进制码流利用信息隐藏算法存储在对应的B_i图像块中；若步骤(2)找到相似图像块,对步骤(2)得到的B_i进行N倍图像压缩，与B_i相似的图像块不再进行压缩；

(6)若步骤(4)找到相似图像块，将与步骤(4)的图像块B_n的相似图像块编号为b_n，将b_n及步骤(4)的H_i、L_i的值和位置信息进行二进制编码后，组成二进制码流，然后利用信息隐藏算法存储在对应的B_n图像块中；若步骤(4)找到相似图像块，对步骤(4)得到的B_n进行N倍图像压缩，与B_n相似的图像块不再进行压缩；

(7)对步骤(5)和步骤(6)压缩后的图像数据进行传输，在对步骤(5)和步骤(6)每一个图像块压缩完成后，需要对压缩的每一个图像块进行打包形成数据包，数据包包括头部和载荷数据,在数据包头部包括同步字节、帧类型字节和压缩的图像块B_i或B_n的编号信息，即压缩的图像块B_i或B_n在步骤(1)序列B中的位置；同步字节为A₁、A₂，A₁和A₂同时出现表示定位到数据包的开始，直至再次出现A₁和A₂表示这个数据包的下一个数据包开始；帧类型字节包括两种，分别是01与02，01代表载荷数据中所隐藏的为步骤(2)中相似图像块编号为b_i的数据包，02代表载荷数据中所隐藏的为步骤(4)中相似图像块编号为b_n的数据包，载荷数据为压缩后的图像块数据B_i或B_n。

2.一种基于图像块相似性的图像恢复方法，其特征在于：包括步骤如下：

(1)将压缩图像的数据包，根据同步字节A₁A₂判决每一个数据包，然后根据图像块B_i或B_n的编号信息，识别出该B_i或B_n的编号信息对应的数据包中的载荷数据，即为与B_i或B_n对应的压缩后的图像块数据；

(2)对步骤(1)压缩后的图像块数据解压缩，进行数据恢复，得到压缩前的图像块B_i或B_n的原始数据；

(3)通过帧类型字节对数据包进行判断，若帧类型字节为01，则载荷数据中所隐藏的数据是与B_i相似的图像块b_i，若帧类型字节为02则是与B_n相似的图像块b_n；

若载荷数据中所隐藏的数据为与B_i相似的b_i，则对步骤(2)得到图像块B_i的原始数据进行解隐藏得到与B_i相似的图像块编号b_i；

若载荷数据中所隐藏的数据为与B_n相似的b_n，则对步骤(2)得到图像块B_n的原始数据进行解隐藏得到图像块b_n及与b_n对应的H_i，L_i的值和位置信息；

(4)若步骤(3)得到的相似的图像块编号为b_i，在步骤(2)和(3)得到每一个B_i图像块和与B_i相似的图像块编号b_i后，先将B_i图像块数据根据压缩的图像块B_i的编号信息放置在序列中的相应位置，然后在b_i相应的位置用B_i图像块的数据进行填充，直到最后一个B_i图像块结束，则获得完整的原始图像；

若步骤(3)得到的相似的图像块编号为b_n，在步骤(2)和(3)得到每一个B_n图像块和与之相似的图像块编号b_i后，先将B_n图像块数据根据压缩的图像块B_n的编号信息放置在序列中的相应位置，，然后在b_i相应的位置用B_n图像块的数据进行填充，再根据H_i，L_i的位置信息,将B_n图像块的相应位置的值替换为H_i，L_i的值，直到最后一个B_n图像块结束，则获得完整的原始图像。