CN105306936B - 一种基于块压缩感知的图像编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于块压缩感知的图像编码方法，首先根据图像块尺寸和测量数设计测量矩阵；然后设计量化位数，得到图像块测量值的量化位数矩阵；接着利用测量矩阵与量化位数，对图像进行编码得到比特流；最后将比特流解码，得到重构图像。本发明能够兼顾编码的质量、速度及实用化，进一步提高图像的压缩率、简化编码过程，改善了重构性能。
Description
技术领域
本发明涉及数字图像、数字视频压缩编码的技术领域，特别是一种基于块压缩感知的图像编码方法。
背景技术
由于传统图像编码需要全采样再压缩，编码端所需存储空间大，且复杂性高，诱发了压缩感知理论的提出和发展，它可以从低于奈奎斯特率的线性投影中精确恢复原始信号。作为二维图像的应用，块压缩感知（BCS）可以大大减轻采样负担，但也面临着随机采样操作需要巨大的存储空间和重构过程消耗庞大计算量的挑战。
由于基于平滑兰德韦伯投影（SPL）算法能够快速实现压缩感知重构，同时通过施加平滑消除块效应，达到提高重构图像质量的目的。然而，通过BCS-SPL的重构图像质量远不及我们的需要。目前，许多研究者开发了关于BCS-SPL的改进算法用于提高图像重构质量，如将BCS-SPL扩展到更多方向域，使用多假设预测，及其多尺度变型，甚至加入标量量化和脉码调制等。提高图像重构质量的另一种方法是设计一个更好的测量矩阵。例如，优化投影(OP) ，基于学习的对偶的KSVD，基于回归模型的BCS测量矩阵。然而通过字典训练的测量矩阵的构造耗时长，基于回归模型的测量矩阵生成器构造复杂，且随机性强，不易于实用化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于块压缩感知的图像编码方法，兼顾编码的质量、速度及实用化，进一步提高图像的压缩率、简化编码过程，改善了重构性能。
本发明采用以下方案实现：一种基于块压缩感知的图像编码方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：根据图像块尺寸和测量数设计测量矩阵；
步骤S2：设计量化位数，得到图像块测量值的量化位数矩阵；
步骤S3：利用步骤S1的测量矩阵与步骤S2的量化位数，对图像进行编码得到比特流；
步骤S4：将步骤S3得到比特流解码，得到重构图像。
进一步的，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：根据图像块的尺寸生成的DCT矩阵，其中；
步骤S12：根据Z字形顺序将所述DCT矩阵的行向量重新排序得到排序矩阵；
步骤S13：根据给定的测量数m，截取排序矩阵的前m行，得到测量矩阵A。
进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：根据自然图像的DCT系数的能量分布特点，构造从低频向高频呈递增趋势的量化表；
步骤S22：将所述量化表中的元素均替换为以2为底的对数值，并求其与原始系数位数的补，得到图像块测量值的量化位数矩阵。
进一步的，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：将图像块扫描为的图像块矢量；
步骤S32：将已构造的的测量矩阵乘以图像块矢量得到的测量值矢量；
步骤S33：按照步骤S2设计的量化位数，从测量值矢量中取出相应的位数串接而成比特流。
进一步的，所述步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S41：对步骤S3得到的比特流进行反量化，得到近似的测量值矢量；
步骤S42：将各块的测量值矢量组合成测量值矩阵；
步骤S43：利用SPL重构算法生成重构图像。
进一步的，所述步骤S43具体包括以下步骤：
步骤S431：初始化变量k=0，重构初始解，其中A为测量矩阵，Y为测量值矩阵；
步骤S432：依次进行像素域维纳滤波、第一次兰德韦伯投影、变换域的硬阈值收缩、反变换到像素域、第二次兰德韦伯投影操作；
步骤S433：判断输出结果误差是否在设定范围内，若是，则输出结果；否则令变量，并返回步骤S432。
与现有技术相比，本发明将传统图像编码中的变换、量化和扫描融合为一个压缩采样步骤，提出Z字形离散余弦变换矩阵的构造方法，及相应的编解码方案，采用本发明的方法处理图像，所需的数据量少，重构质量高，重构速度快。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明实施例的数据块。
图3为本发明实施例的DCT变换系数。
图4为本发明实施例中Z字形扫描示意图。
图5为本发明实施例的量化表。
图6为本发明实施例的量化位数矩阵。
图7为本发明实施例的矢量化扫描示意图。
图8为本发明实施例的图像块矢量。
图9为本发明实施例的SPL重构算法流程示意图。
图10（a）为本发明实施例中Lena512.bmp图像的重构性能中峰值信噪比示意图。
图10（b）为本发明实施例中Lena512.bmp图像的重构性能中重构时间示意图。
图11（a）为本发明实施例中Barbara512.bmp图像的重构性能中峰值信噪比示意图。
图11（b）为本发明实施例中Barbara512.bmp图像的重构性能中重构时间示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供了一种基于块压缩感知的图像编码方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：根据图像块尺寸和测量数设计测量矩阵；
步骤S2：设计量化位数，得到图像块测量值的量化位数矩阵；
步骤S3：利用步骤S1的测量矩阵与步骤S2的量化位数，对图像进行编码得到比特流；
步骤S4：将步骤S3得到比特流解码，得到重构图像。
在本实施例中，图像的分块大小为，如图2所示，每个像素及DCT系数（如图3所示）的位数为8位。
在本实施例中，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：根据图像块的尺寸（）生成（）的DCT矩阵，其中；
步骤S12：根据Z字形顺序（如图4所示）将所述DCT矩阵的行向量重新排序得到排序矩阵；
步骤S13：根据给定的测量数m，截取排序矩阵的前m行，得到测量矩阵A；其中对应的测量值矢量为，对应的测量值矢量为。
较佳地，，，，；
其中，。
在本实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：根据自然图像的DCT系数的能量分布特点，构造从低频向高频呈递增趋势的量化表，如图5所示；
步骤S22：将所述量化表中的元素均替换为以2为底的对数值，并求其与原始系数位数的补，得到图像块测量值的量化位数矩阵，如图6所示。
在本实施例中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：将图像块扫描为的图像块矢量，如图7以及图8所示；
步骤S32：将已构造的的测量矩阵乘以图像块矢量得到的测量值矢量，的表达式见上文；
步骤S33：按照步骤S2设计的量化位数，从测量值矢量中取出相应的位数串接而成比特流。
在本实施例中，所述步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S41：对步骤S3得到的比特流进行反量化，即每个截取的测量值矢量乘以量化系数得到近似的测量值矢量；
步骤S42：将各块的测量值矢量组合成测量值矩阵；
步骤S43：利用SPL重构算法生成重构图像。
在本实施例中，如图9所示，所述步骤S43具体包括以下步骤：
步骤S431：初始化变量k=0，重构初始解，其中A为测量矩阵，Y为测量值矩阵；
步骤S432：依次进行像素域维纳滤波、第一次兰德韦伯投影、变换域的硬阈值收缩、反变换到像素域、第二次兰德韦伯投影操作；
步骤S433：判断输出结果误差是否在设定范围内，若是，则输出结果；否则令变量，并返回步骤S432。
较佳地，利用本发明的基于块压缩感知的图像编码方法（BDCTZ-SPL）和随机采样的块压缩感知方法（BCS-SPL），通过Matlab工具分别对512×512的经典图像Lena和Barbara进行仿真测试，图像块尺寸取8×8，实验平台是配置为Intel(R) Core(TM) i5-2520M CPU,主频2.50Ghz，内存3.05G的联想笔记本。在低采样率时，重构的峰值信噪比（PSNR）和重构时间曲线如图10（a）、10（b）、11（a）、11（b）所示。实验结果表明，本发明的方法重构的PSNR比BCS-SPL约高出5—8dB，重构时间更短。
该方法可以直接应用于块压缩感知中，也可以嵌入到现有的JPEG编解码模块中，从而简化压缩采样过程，并提高重构质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种基于块压缩感知的图像编码方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：根据图像块尺寸和测量数设计测量矩阵；
步骤S2：设计量化位数，得到图像块测量值的量化位数矩阵；
步骤S3：利用步骤S1的测量矩阵与步骤S2的量化位数，对图像进行编码得到比特流；
步骤S4：将步骤S3得到的比特流解码，得到重构图像；
所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：根据图像块的尺寸生成的DCT矩阵，其中；
步骤S12：根据Z字形顺序将所述DCT矩阵的行向量重新排序得到排序矩阵；
步骤S13：根据给定的测量数m，截取排序矩阵的前m行，得到测量矩阵A；
所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：根据自然图像的DCT系数的能量分布特点，构造从低频向高频呈递增趋势的量化表；
步骤S22：将所述量化表中的元素均替换为以2为底的对数值，并求其与原始系数位数的补，得到图像块测量值的量化位数矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种基于块压缩感知的图像编码方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：将图像块扫描为的图像块矢量；
步骤S32：将已构造的的测量矩阵乘以图像块矢量得到的测量值矢量；
步骤S33：按照步骤S2设计的量化位数，从测量值矢量中取出相应的位数串接而成比特流。
3.根据权利要求1所述的一种基于块压缩感知的图像编码方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S41：对步骤S3得到的比特流进行反量化，得到近似的测量值矢量；
步骤S42：将各块的测量值矢量组合成测量值矩阵；
步骤S43：利用SPL重构算法生成重构图像。
4.根据权利要求3所述的一种基于块压缩感知的图像编码方法，其特征在于：所述步骤S43具体包括以下步骤：
步骤S431：初始化变量k=0，重构初始解，其中A为测量矩阵，Y为测量值矩阵；
步骤S432：依次进行像素域维纳滤波、第一次兰德韦伯投影、变换域的硬阈值收缩、反变换到像素域、第二次兰德韦伯投影操作；
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