CN105245757B - 一种非对称的图像压缩传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种非对称的图像压缩传输方法，可以实现高性能图像压缩传输。该方法通过对图像进行分类组合，形成两幅不同大小的新图像，对新图像进行非对称的压缩，在与JPEG2000标准压缩比相同的情况下，取得了同样的恢复图像质量，该方法把一幅图像分解成两幅图像进行不同速率的数据传输，具有一定的安全保密性。该方法对于梯度较小的一类图像，可以获得更高的恢复图像质量，突破了常规数据压缩方法对一整幅图像压缩传输的局限。

Description

一种非对称的图像压缩传输方法

技术领域

本发明涉及一种图像通信的方法，特别涉及一种把图像进行非对称压缩的方法，属于通信(如数据通信技术等)领域。

背景技术

当前的社会是个信息的社会，信息量特别大，图像数据约占总数据量的80％，因此，数据压缩技术主要针对的是图像压缩，对图像压缩来说，目前主要压缩方法是JPEG与JPEG2000图像压缩标准，前者在因特网上应用广泛，后者在航天航空专用场合应用较广。一般来说，JPEG2000图像压缩标准优于JPEG压缩标准，JPEG2000压缩效果较好，但有些场合人们需要对图像进行I、Q两路非对称传输，需要把一幅图像数据分解为两个部分同时传输，要求具有一定保密性，而接收端又能高质量恢复图像，直接应用JPEG2000压缩标准进行1整幅图像的传输存在困难。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种压缩性能好、基于数据压缩标准的图像数据非对称压缩与传输方法，可用于地面设备之间、地面对航天器、航天器对地、航天器之间的图像多路传输。

本发明的技术方案是：一种非对称的图像压缩传输方法，步骤如下：

1)对一幅大小为W×H的图像A进行分解，形成N幅同大小的子图像An；n＝1,2…N，N为偶数，N＝M1*M2；

2)对每个子图像An，分别计算分类参数Fn，统计Fn小于等于门限T的子图像块个数N1；把N1幅子图像中前N0幅子图像按规定顺序合成一幅图像B0，把剩余N-N0幅子图像按规定顺序合成一幅图像B1；

3)将上述N0幅子图像块对应的位置信息置为0,同时将其它N-N0幅子图像块对应的位置信息置为1，形成附加信息S，S为二值图像，大小为M1*M2；对附加信息S进行加密；

4)把B0用一种压缩方法压缩R1倍，形成压缩数据C0；同时把B1用该种或另一种压缩方法压缩R2倍形成压缩数据C1；

5)把压缩数据C0、C1和附加信息S进行编码，形成2路数据流，并进行正常的数据传输；

6)接收端从2路数据流中提取出C0，C1以及S,根据C0和C1解压缩得到B0和B1；

7)根据附加信息S恢复出子图像A1，…An,进而得出恢复图像A。

步骤2)中图像分类参数Fn计算方法如下：

对每个子图像Fn，子图像水平方向相邻像素差的绝对值F1n和垂直方向相邻像素差的绝对值F2n的加权平均值Fn＝x*F1n+y*F2n，x+y＝1。

步骤2)中合成图像B0和B1的方法如下：

把图像A经过图像分解得到的N0幅子图像按行排列，每行K2幅子图像，共排列K1行，形成B0；把剩余N-N0幅子图像按行排列，每行L2幅子图像，共排列L1行，形成B1,其中N0＝K1*K2，N-N0＝L1*L2。

步骤7)中恢复图像A的方法如下：

根据附加信息S产生一幅W×H的图像G，包含N幅同大小的子图像，附加信息为0对应的子图像值全部为0，称为全0子图像，附加信息为1对应的子图像值全部为1，称为全1子图像；按行顺序取附加信息S中的数值；

如果附加信息中第一个数值为0，则从图像B0中按行顺序取第一个子图像，替换图像G的第一个全0子图像；如果第p个数值为0，则从图像B0中按行顺序取第p个子图像，替换图像G的第p个全0子图像,p＝2…N0；之后从图像B1中按行顺序取第一个子图像，替换图像G的第一个全1子图像；继续从图像B1中按行顺序取第q个子图像，替换图像G的第q个全1子图像，q＝2…N-N0；

如果附加信息中第一个数值为1，则从图像B1中按行顺序取第一个子图像，替换图像G的第一个全1子图像；如果第q个数值为1，则从图像B1中按行顺序取第q个子图像，替换图像G的第q个全1子图像,q＝2…N-N0；接着，从图像B0中按行顺序取第一个子图像，替换图像G的第一个全0子图像；继续从图像B0中按行顺序取第p个子图像，替换图像G的第p个全0子图像，p＝2…N0；

根据附加信息从B0及B1图像中按序提取出子图像块来逐步填充图像G，按照以上附加信息的不同情况，当图像G的所有子图像位置被B0和B1中提取出的子图像块填充完毕时，此时的图像G即为解压缩恢复的图像A。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

本发明提出了一种非对称的图像数据压缩传输方法，其特点在于：该方法通过计算图像分类参数F，对图像进行分类，形成非对称图像信息，并压缩传输这些信息，从而提高了压缩传输的安全性能。

本发明是为了提高图像信息压缩效率，改善标准压缩恢复图像质量问题而提出的，通过两路信息不对称压缩，在信息处理过程中对附加信息进行了加密，具有一定保密、防截获的效果。

本发明与目前背景技术相比有下面几点实质性不同及进步：

(1)目前的信息传输总的压缩方法大都没有进行分类处理，只是直接进行数据压缩或传输，如JPEG2000压缩标准等。本方法通过分类，把具有相似特征的图像块集中在一起处理，在一定条件下可以改善图像压缩质量；

(2)本发明所提出的非对称处理方法基于图像分类参数与峰值信噪比PSNR，进行事先计算，得到两幅新图像，压缩比不一致，从而增强了鲁棒性；

(3)本发明所提出的非对称传输方法同时具有一定保密性和防截获性，因为附加信息的含义别人无法猜出，在没有任何先验信息的情况下，单纯根据传输的数据无法恢复原图像；

(4)本发明具有I、Q两路并行传输的特点，有助于高速实现，实用性大大提高；

(5)本发明所提出的非对称传输方法通过对待压缩处理的图像事先进行非对称预处理，再对预处理后形成的新的子图像分别进行数据压缩，一般情况下与JPEG2000的压缩性能相当，在有些情况下可能优于JPEG2000的压缩性能。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2为测试图像1的分解图，(a)表示原图，(b)表示B1，(c)表示B0；

图3为测试图像2的分解图，(a)表示原图，(b)表示B1，(c)表示B0；

图4为测试图像3的分解图，(a)表示原图，(b)表示B1，(c)表示B0。

具体实施方式

图像压缩技术已经广泛应用于国民经济的各个领域，包括遥感卫星、空间探测器等航天器图像压缩，机载航拍图像压缩，地面图像压缩等，特别是以JPEG2000为代表的数据压缩标准更是得到广泛应用。本发明的压缩方法具有鲜明的特点，基于本专利的压缩传输方法，可以在保持图像数据压缩的性能的同时，具有对原图像的保密和隐蔽传输效果，在图像通信领域、信息网络传输领域具有实用价值。

为了说明本文提出的算法的性能，仿真实验中采用了大小为512×512的8比特灰度图像A图像进行信息压缩与解压缩。

对于图像A，W＝512，H＝512,Q＝8，压缩比R计算举例如下：

R＝WHQ/(d1+d2)

设d1＝B0压缩后比特数，d2＝B1压缩后比特数

B0图像压缩比为R0，B1图像压缩比为R1，

B0压缩后数据d1＝N0*Q/R0

B1压缩后数据d2＝(N-N0)*Q/R1

则总压缩比

R＝WH*Q/(N0*Q/R0+(N-N0)*Q/R1)＝WH/(N0/R0+(N-N0)/R1)

PSNR＝10*log10(255*255/MSE)dB

MSE表示两幅图像的均方误差。

参数设置：

待压缩图像A：512*512

分块大小：64*64

B0分块个数为N0＝16，B1分块个数N-N0＝48

实例1：测试图像Lena；如图2所示；

表1 Lena测试图像性能记录表

实例2：测试图像Baboon；如图3所示；

表2 Baboon测试图像性能记录表

实例3：测试图像Airfield，如图4所示；

表3 Airfield测试图像性能记录表

如图1所示，本发明方法具体实施例如下：

一种非对称的图像压缩传输方法，步骤如下：

1)对一幅大小为W×H的图像A进行分解，形成N幅同大小的子图像An；n＝1,2…N，N为偶数，N＝M1*M2；W＝512，H＝512

2)对每个子图像An，分别计算分类参数Fn，统计Fn小于等于门限T的子图像块个数N1；把N1幅子图像中前N0幅子图像按规定顺序合成一幅图像B0，把剩余N-N0幅子图像按规定顺序合成一幅图像B1，门限T＝T0＞1；

3)将上述N0幅子图像块对应的位置信息置为0,同时将其它N-N0幅子图像块对应的位置信息置为1，形成附加信息S，S为二值图像，大小为M1*M2；对附加信息S进行加密；

4)把B0用一种压缩方法压缩R1倍，形成压缩数据C0；同时把B1用该种或另一种压缩方法压缩R2倍形成压缩数据C1；

5)把压缩数据C0、C1和附加信息S进行编码，形成数据流C，并进行正常的数据传输；

6)接收端从数据流C中提取出C0，C1以及S,根据C0和C1解压缩得到B0和B1；

7)根据附加信息S恢复出子图像A1，…An，进而得出恢复图像A。

步骤2)中图像分类参数F计算方法如下：

对每个子图像Fn，子图像水平方向相邻像素差的绝对值F1n和垂直方向相邻像素差的绝对值F2n的加权平均值Fn＝x*F1n+y*F2n，x+y＝1。

典型取法：

x＝0,y＝1或

x＝1,y＝0,或

x＝y＝1/2

步骤2)中合成图像B0和B1的方法如下：

把图像A经过图像分解得到的N0幅子图像按行排列，每行K2幅子图像，共排列K1行，形成B0；把剩余N-N0幅子图像按行排列，每行L2幅子图像，共排列L1行，形成B1,其中N0＝K1*K2，N-N0＝L1*L2。

步骤7)中恢复图像A的方法如下：

根据附加信息S产生一幅W×H的图像G，包含N幅同大小的子图像，附加信息为0对应的子图像值全部为0，称为全0子图像，附加信息为1对应的子图像值全部为1，称为全1子图像；按行顺序取附加信息S中的数值；

如果附加信息中第一个数值为0，则从图像B0中按行顺序取第一个子图像，替换图像G的第一个全0子图像；如果第p个数值为0，则从图像B0中按行顺序取第p个子图像，替换图像G的第p个全0子图像,p＝2…N0；之后从图像B1中按行顺序取第一个子图像，替换图像G的第一个全1子图像；继续从图像B1中按行顺序取第q个子图像，替换图像G的第q个全1子图像，q＝2…N-N0；

如果附加信息中第一个数值为1，则从图像B1中按行顺序取第一个子图像，替换图像G的第一个全1子图像；如果第q个数值为1，则从图像B1中按行顺序取第q个子图像，替换图像G的第q个全1子图像,q＝2…N-N0；接着，从图像B0中按行顺序取第一个子图像，替换图像G的第一个全0子图像；继续从图像B0中按行顺序取第p个子图像，替换图像G的第p个全0子图像，p＝2…N0。

根据附加信息从B0及B1图像中按序提取出子图像块来逐步填充图像H，按照以上附加信息的不同情况，当图像G的所有子图像位置被B0和B1中提取出的子图像块填充完毕时，此时的图像G即为解压缩恢复的图像A。

总之，本发明提出了一种非对称的图像压缩传输方法，可以实现高性能图像压缩。该方法通过对图像进行分类组合，形成两幅不同大小的新图像，对新图像进行非对称的压缩，一般情况下在与整幅图像JPEG2000压缩比相同时，达到了同样的恢复图像质量，而PSNR基本相当。该方法对于梯度小的一类图像，可以获得更高的恢复图像质量。该方法可以基于JPEG2000压缩方法进行I、Q两路非对称传输得到高质量的恢复图像，突破了数据压缩标准的对整幅图像压缩传输的局限。两路图像本身具有置乱的效果，具有信息隐蔽传输的效果，此外，通过两路信息不对称压缩，在信息处理过程中对附加信息进行了加密，具有一定保密、防截获的效果。该方法适用于原来图像压缩方法可以应用的场合以及其它有损压缩方法可以应用的场合，在数据非对称、多路安全传输领域具有广阔的应用前景。

高速数据传输技术已经广泛应用于遥感卫星、空间探测器等航天器及各类卫星数传系统，在今后必将得到更广泛应用。如星上数据传输系统经常会出现I、Q两路或多路图像数据传输的场景，为该方法提供了应用平台。

非对称压缩传输技术可以应用于航天器及各类卫星数传系统技术中，在JPEG2000压缩情况下可得到广泛应用。本发明能把一路图像分解为2路图像压缩、同时传输，具有传输效率高，图像恢复质量高、具有保密和防截获等特点，同时该方法具有复杂度低等实用性的特点，在航天器工程、卫星数据安全传输系统中都具有实用价值。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种非对称的图像压缩传输方法，其特征在于步骤如下：

1)对一幅尺寸大小为W×H的图像A进行分解，形成N幅同大小的子图像An；n＝1,2…N，N为偶数，N＝M1*M2；

2)对每个子图像An，分别计算分类参数Fn，统计Fn小于等于门限T的子图像块个数N1；把N1幅子图像中前N0幅子图像按规定顺序合成一幅图像B0，把剩余N-N0幅子图像按规定顺序合成一幅图像B1；所述分类参数Fn计算方法如下：

对每个子图像An，子图像水平方向相邻像素差的绝对值F1n和垂直方向相邻像素差的绝对值F2n的加权平均值Fn＝x*F1n+y*F2n，x+y＝1；

3)将上述N0幅子图像块对应的位置信息置为0,同时将其它N-N0幅子图像块对应的位置信息置为1，形成附加信息S，S为二值图像，大小为M1*M2；对附加信息S进行加密；

4)把B0用一种压缩方法压缩R1倍，形成压缩数据C0；同时把B1用该种或另一种压缩方法压缩R2倍形成压缩数据C1；

5)把压缩数据C0、C1和附加信息S进行编码，形成2路数据流，并进行正常的数据传输；

6)接收端从2路数据流中提取出C0，C1以及S,根据C0和C1解压缩得到B0和B1；

7)根据附加信息S恢复出子图像A1，…An,进而得出恢复图像A，具体方法为：

根据附加信息S产生一幅W×H的图像G，包含N幅同大小的子图像，附加信息为0对应的子图像值全部为0，称为全0子图像，附加信息为1对应的子图像值全部为1，称为全1子图像；按行顺序取附加信息S中的数值；

如果附加信息中第一个数值为0，则从图像B0中按行顺序取第一个子图像，替换图像G的第一个全0子图像；如果第p个数值为0，则从图像B0中按行顺序取第p个子图像，替换图像G的第p个全0子图像,p＝2…N0；之后从图像B1中按行顺序取第一个子图像，替换图像G的第一个全1子图像；继续从图像B1中按行顺序取第q个子图像，替换图像G的第q个全1子图像，q＝2…N-N0；

如果附加信息中第一个数值为1，则从图像B1中按行顺序取第一个子图像，替换图像G的第一个全1子图像；如果第q个数值为1，则从图像B1中按行顺序取第q个子图像，替换图像G的第q个全1子图像,q＝2…N-N0；接着，从图像B0中按行顺序取第一个子图像，替换图像G的第一个全0子图像；继续从图像B0中按行顺序取第p个子图像，替换图像G的第p个全0子图像，p＝2…N0；

根据附加信息从B0及B1图像中按序提取出子图像块来逐步填充图像G，按照以上附加信息的不同情况，当图像G的所有子图像位置被B0和B1中提取出的子图像块填充完毕时，此时的图像G即为解压缩恢复的图像A。

2.根据权利要求1所述的一种非对称的图像压缩传输方法，其特征在于：步骤2)中合成图像B0和B1的方法如下：

把图像A经过图像分解得到的N0幅子图像按行排列，每行K2幅子图像，共排列K1行，形成B0；把剩余N-N0幅子图像按行排列，每行L2幅子图像，共排列L1行，形成B1,其中N0＝K1*K2，N-N0＝L1*L2。