CN107343200B - 一种基于光学方法的多彩色图像压缩及解压缩方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学方法的多彩色图像压缩及解压缩方法及装置，该压缩和解压方法通过依次提取彩色图像，并对提取图像的RGB灰度图的像素值进行分类；利用特定色彩的排序，将彩色图像转变成带有颜色信息的灰度图像，然后利用闪耀光栅对图像进行θ调制，得到多幅灰度图像的叠加图像，完成图像压缩；对叠加图像进行傅里叶变换后得到对应的衍射光斑，利用特制空间滤波器对衍射光斑进行依次滤波，获得灰度图像，依据对应的RGB矩阵，得到彩色图像的RGB灰度图像，合成彩色图像。本发明所述方案中的压缩和解压缩操作简单，将三个通道变成一个通道操作，节省操作设备，减少运行时间，降低成本，能够广泛运用于彩色图像存储﹑加密及传输领域中。
Description
技术领域
本发明属于图像处理领域，特别涉及一种基于光学方法的多彩色图像压缩及解压缩方法及装置。
背景技术
随着信息技术的快速发展，对存储、传播、处理和利用的信息量在急剧增加。图像作为信息传输的重要方式，在信息存储和通信领域中有着非常重要的应用。生活中大多物体都呈现彩色，且彩色图像将不同的色彩和亮度组合起来包含丰富的信息，可以描述更加丰富的内容，随着成像设备和计算机技术的快速发展，越来越多的应用场合需要对彩色图像进行处理和分析，因此彩色图像加密与存储技术有很大的研究价值及空间。近年来，基于灰度图像存储技术相对比较成熟，但是对于彩色图像的加密与存储相比灰度图象在运行时间和操作设备上都要花费更多，并且仅限于单个或几幅彩色图像的加密与压缩存储，故现有技术中存在存储多幅彩色图像所占空间大，在视频传输中所耗资源较多的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于光学方法的多彩色图像压缩及解压缩方法及装置，减少彩色图像所占存储空间，节约成本，解决视频、电影图像等大信息量连续彩色图像的安全存储及传输等难题。
一种基于光学方法的多彩色图像压缩方法，包括以下步骤：
步骤1：对待存储的原始彩色图像进行统一量化，得到量化彩色图像；
所述统一量化是指依次对原始彩色图像的RGB三通道图像上各像素点的像素值除以51处理，并将得到的结果进行四舍五入获得N，将对应像素点的像素值更新为51×N；
量化彩色图像中每一个通道上的像素值取值有六种情况，共有6×6×6＝216种颜色；
步骤2：将量化彩色图像重新编码为灰度级为216的重组灰度图像；
编码顺序为颜色渐变顺序，将RGB值(0,0,0)至(255,255,255)与灰度值1至216一一对应；只要相邻的颜色两两相近，并且保证颜色的变化是一个渐变的过程，就可以将彩色图像恢复出来；
步骤3：对所有重组灰度图像利用闪耀光栅进行θ调制，对调制后的图像进行叠加，得到压缩图像；
其中，不同的重组灰度图像使用不同的闪耀光栅，θ表示光栅的刻槽的倾斜角度，即闪耀光栅的槽型角。
θ调制即利用光栅的分频和空间滤波器的选频来实现复用成像系统的编码；
进一步地，所述步骤2中使用的编码顺序依次为黑、灰、白、红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。
即将量化后的RGB值按照上述顺序依次排列，然后将重新排序后的RGB值依次对应到1-216，如黑色RGB(0,0,0)为排序后的第一个，对应的灰度值为1；白色RGB(255,255,255)为排序后的第6个，对应的灰度值为6；
当存储多幅图像的时候，按照这个顺序对每幅图进行量化编码排序，最后恢复的彩色图像与原始彩色图像相比，色差不会有太大的出入，按照这个顺序排序既能够保证颜色的变化是一个渐渐变化的过程，又不会发生颜色跳变；
进一步地，所述步骤3中，在θ调制阶段利用计算机仿真模拟生成槽型角不同的闪耀光栅，且通过对同一槽型角的光栅采用不同的旋转角度，从而生成多个槽形角和旋转方向不同的闪耀光栅，用于调制多幅输入图像；
其中，所述闪耀光栅的传输函数为：
式中，λ表示照射光的波长，θ表示光栅的刻槽的倾斜角度，即闪耀光栅的槽型角，取值范围为(5.73°，24.23°)，α为光束入射角，取值范围为[-90°,90°]，β为光束反射角，取值范围为[-90°,90°]；x为入射光束在x方向距离前一个入射光点的水平距离，d为光栅周期，入射光束垂直或按非垂直的固定角度入射到光栅，光栅周期d的取值范围为[2，100]个像素，g(x)的取值范围为(0，1)。
闪耀光栅的槽型角决定了调制图像所对应衍射光斑的位置半径，从而通过调制光栅槽型角和旋转角度，实现多幅图像的叠加压缩存储；
一种基于光学方法的多彩色图像解压缩方法，包括以下步骤：
步骤A：获取利用上述一种基于光学方法的多彩色图像压缩方法得到的压缩图像；
步骤B：对压缩图像进行傅里叶变换得到压缩图像的衍射光斑，利用空间滤波器对衍射光斑滤波，将过滤得到的各个衍射光斑进行傅里叶逆变换，依次恢复出多幅重组灰度图像；
空间滤波器的透过率函数为：
式中，fx，fy为频谱空间的坐标，fcxi，fcyi为i第个圆斑滤波器的中心坐标，与对应的衍射光斑中心的坐标取值相同，Ri表示第i个圆斑滤波器的滤波孔径，取值为对应衍射光斑与相邻光斑之间的最小间距，T(fx,fy)的范围是(0，1)；
步骤C：按照上述一种基于光学方法的多彩色图像压缩方法中的编码顺序，对步骤B恢复的重组灰度图像进行彩色图像还原。
一种基于光学方法的多彩色图像压缩装置，包括：
量化单元，用于对待存储的原始彩色图像进行统一量化，得到量化彩色图像；
所述统一量化是指依次对原始彩色图像的RGB三通道图像上各像素点的像素值除以51处理，并将得到的结果进行四舍五入获得N，将对应像素点的像素值更新为51×N；
编码单元，用于将量化彩色图像重新编码为灰度级为216的重组灰度图像；
调制与叠加单元，用于对所有重组灰度图像利用闪耀光栅进行θ调制，对调制后的图像进行叠加，得到压缩图像；
其中，不同的重组灰度图像使用不同的闪耀光栅，θ表示光栅的刻槽的倾斜角度，即闪耀光栅的槽型角。
进一步地，所述编码单元使用的编码顺序依次为黑、灰、白、红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。
进一步地，所述调制与叠加单元在θ调制阶段利用计算机仿真模拟生成槽型角不同的闪耀光栅，且通过对同一槽型角的光栅采用不同的旋转角度，从而生成多个槽形角和旋转方向不同的闪耀光栅，用于调制多幅输入图像；
其中，所述闪耀光栅的传输函数为：
式中，λ表示照射光的波长，θ表示光栅的刻槽的倾斜角度，即闪耀光栅的槽型角，取值范围为(5.73°，24.23°)，α为光束入射角，取值范围为[-90°,90°]，β为光束反射角，取值范围为[-90°,90°]；x为入射光束在x方向距离前一个入射光点的水平距离，d为光栅周期，入射光束垂直或按非垂直的固定角度入射到光栅，光栅周期d的取值范围为[2，100]个像素，g(x)的取值范围为(0，1)。
一种基于光学方法的多彩色图像解压缩装置，包括：
图像获取单元，用于获取利用上述一种基于光学方法的多彩色图像压缩装置得到的压缩图像；
图像解压单元，用于对压缩图像进行傅里叶变换得到压缩图像的衍射光斑，利用空间滤波器对衍射光斑滤波，将过滤得到的各个衍射光斑进行傅里叶逆变换，依次恢复出多幅重组灰度图像；
空间滤波器的透过率函数为：
式中，fx，fy为频谱空间的坐标，fcxi，fcyi为i第个圆斑滤波器的中心坐标，与对应的衍射光斑中心的坐标取值相同，Ri表示第i个圆斑滤波器的滤波孔径，取值为对应衍射光斑与相邻光斑之间的最小间距，T(fx,fy)的范围是(0，1)；
彩色还原单元，按照上述一种基于光学方法的多彩色图像压缩装置中的编码顺序，对重组灰度图像进行彩色还原，完成解压处理。
有益效果
本发明提出了一种基于光学方法的多彩色图像压缩及解压缩方法及装置，该压缩和解压方法通过依次提取彩色图像，并对提取图像的RGB灰度图的像素值进行分类，实现颜色的量化压缩，利用特定色彩的排序，将彩色图像转变成带有颜色信息的灰度图像，然后利用闪耀光栅对图像进行θ调制，得到多幅灰度图像叠加成图像，完成图像压缩；对叠加图像进行傅里叶变换后得到对应的衍射光斑，利用特制空间滤波器对衍射光斑进行依次滤波，获得灰度图像，根据灰度图像的各个像素值，找到与之对应的RGB矩阵，遍历灰度图像，得到彩色图像的RGB灰度图像，合成彩色图像。本发明所述方案中的压缩和解压缩操作简单，将三个通道变成一个通道操作，节省操作设备，减少运行时间，降低成本，能够广泛运用于彩色图像存储﹑加密及传输领域中，提高了传输效率，经过操作得到的图像清晰，恢复程度高，有较大的应用空间。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为待压缩的原始彩色图像；
图3为图2的量化后彩色图像；
图4为经过编码后的灰度图像；
图5为经过光栅调制后的所有图像的叠加图像；
图6为叠加图像在频谱平面的衍射光斑分布图；
图7为空间滤波器示意图；
图8为经过滤波后得到的灰度图像；
图9为对图5解压后的解码出的彩色图像。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明做进一步地说明。
如图1所示，一种基于光学方法的多彩色图像压缩及解压缩方法，包括以下步骤：
步骤1：对待存储的原始彩色图像进行统一量化，得到量化彩色图像；
如图2所示，为选取的16幅原始彩图像，图像大小为512pixel×512pixel。
所述统一量化是指依次对原始彩色图像的RGB三通道图像上各像素点的像素值除以51处理，并将得到的结果进行四舍五入获得N，将对应像素点的像素值更新为51×N；
量化彩色图像中每一个通道上的像素值取值有六种情况，共有6×6×6＝216种颜色；
对彩色图像进行颜色量化，量化后的图像如图3所示，具体步骤如下：
依次提取彩色图像RGB三个通道的灰度图像；
R(i,j)，G(i,j)，B(i,j)分别表示原图像中位于第i行j列像素在RGB通道上的灰度值；
将每个彩色图像R(i,j)，G(i,j)，B(i,j)重新定义，逐个读取R(i,j)的值，分别除以51，采取四舍五入取整的方法，得到的结果为N，此时令R(i,j)＝51×N；
这样R(i,j)的取值就有0，51，102，153，204，255六种，同理G(i,j)，B(i,j)也分别有六种取值；
经过上述过程，就得到重新定义的RGB灰度图像，并合成新彩色图像图像，像素512pixel×512pixel，用新彩色图像表示原彩色图像；
步骤2：将量化彩色图像重新编码为灰度级为216的重组灰度图像；
编码顺序为颜色渐变顺序，将RGB值(0,0,0)至(255,255,255)与灰度值1至216一一对应；只要相邻的颜色两两相近，并且保证颜色的变化是一个渐变的过程，就可以将彩色图像恢复出来；
步骤A：对216种颜色按照黑、灰、白、红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序进行排序，相邻的颜色两两相近，完成颜色的渐变；
将每个颜色的RGB值的行矩阵依次写入216×3的矩阵，得到矩阵即为颜色矩阵记为矩阵W；
步骤B：将各个颜色的对应RGB矩阵与颜色矩阵W的行标K相对应，行标就是各个颜色RGB矩阵对应灰度值，黑色RGB矩阵为(0,0,0)，则对应的灰度值即为1，以此类推，每个颜色的RGB矩阵就与灰度值一一对应；
步骤C：将新彩色图像编码为灰度图像记为I，具体过程如下；
提取新彩色图像的R(i,j)，G(i,j)，B(i,j)，将R(i,j)，G(i,j)，B(i,j)构成新的矩阵D，即D(R(i,j),G(i,j),B(i,j))；
在颜色矩阵W中寻找与D(R(i,j),G(i,j),B(i,j))相同的行矩阵，行标为K是颜色矩阵W的第K行，D矩阵为一个行向量，D(R(i,j),G(i,j),B(i,j))，R(i,j)，G(i,j)，B(i,j)各表示一个值，此时，I(i,j)灰度值即为K，重复此操作512×512次，即可得与彩色图像相对应的灰度图像；
步骤D：对多幅颜色量化的彩色图像重复步骤C，得到多幅灰度图像，如图4所示；
步骤3：对所有重组灰度图像利用闪耀光栅进行θ调制，对调制后的图像进行叠加，得到压缩图像，如图5所示；
利用计算机仿真模拟生成槽型角不同的闪耀光栅，且通过对同一槽型角的光栅采用不同的旋转角度，从而生成多个槽形角和旋转方向不同的闪耀光栅；将编码后灰度图像的灰度值与不同的闪耀光栅的位相相乘，通过调制光栅槽型角和旋转角度，实现多幅图像的叠加存储；
其中，所述闪耀光栅的传输函数为：
式中，λ表示照射光的波长，θ表示光栅的刻槽的倾斜角度，即闪耀光栅的槽型角，取值范围为(5.73°，24.23°)，α为光束入射角，取值范围为[-90°,90°]，β为光束反射角，取值范围为[-90°,90°]；x为入射光束在x方向距离前一个入射光点的水平距离，d为光栅周期，入射光束垂直或按非垂直的固定角度入射到光栅，光栅周期d的取值范围为[2，100]个像素，g(x)的取值范围为(0，1)。
其中，不同的重组灰度图像使用不同的闪耀光栅，θ表示光栅的刻槽的倾斜角度，即闪耀光栅的槽型角。
步骤4：如图6所示，对压缩图像进行傅里叶变换得到压缩图像的衍射光斑，利用空间滤波器(如图7所示)对衍射光斑滤波，将过滤得到的各个衍射光斑进行傅里叶逆变换，依次恢复出多幅重组灰度图像如图8所示；
空间滤波器的透过率函数为：
式中，fx，fy为频谱空间的坐标，fcxi,fcyi为i第个圆斑滤波器的中心坐标，与对应的衍射光斑中心的坐标取值相同，Ri表示第i个圆斑滤波器的滤波孔径，取值为对应衍射光斑与相邻光斑之间的最小间距，T(fx,fy)的范围是(0，1)。
步骤5：对所得灰度图像的像素值取整，根据灰度图像的像素值即颜色矩阵的行标K，去寻找颜色矩阵所对应RGB矩阵，将矩阵的RGB像素值写入到对应的RGB灰度图像的像素中；得到彩色图像的RGB灰度图，最后合成彩色图像。
滤波后的灰度图像记为L，L(i,j)表示第i行j列像素的灰度值，对L(i,j)取整，使灰度图像的各个像素值都为整数；
取整后灰度图像的L(i,j)值，即为颜色矩阵的行标，W(L(i,j),:)即为1×3的矩阵,将矩阵第一列的值写入R’(i,j)，第二列写入到G’(i,j)，第三列写入到B’(i,j)，执行多此循环，就可得到R’，G’，B’的灰度图像，将R’，G’，B’的灰度图像合成彩色图像；
对滤波后每幅灰度图像重复上述操作，就可得到解码后的彩色图像，如图9所示。
根据彩色图像的恢复图我们可以得出图像恢复质量主要取决于以下几个方面：
滤波器中每个圆孔要与频域衍射光斑各个光斑的位置和大小相吻合，并且要保证每个圆孔能够滤出大部分的图像信息；
滤波器孔径过大会引入串扰，使图像的颜色恢复受到其他彩色图像影响，滤波孔径太小，将会丢失太多图片信息，导致图像轮廓模糊；
颜色矩阵W每种颜色之间的排序要安排合理，由于编码的灰度图像经过一系列操作后，灰度值会在一定范围内发生变化，这样与之对的颜色也会发生变化；
合理的颜色排序，能够保证即使灰度值发生变化，颜色的变化也不灰太大，不会发生颜色突然跳变，只是使颜色变深或者变浅，并不影响视觉效果；
对比图3与图9，可以看到彩色图像被清晰的恢复出来。在本例中一张叠加图像可以存储上百幅灰度图像，每幅灰度图像经过解码后可以恢复出彩色图像，这样就完成用灰度图像表示彩色图像，减小实验操作的难度，节约存储空间，存储效率是原来存储灰度图像的三倍，为彩色图像的加密与存储提供了一条有效途径。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种基于光学方法的多彩色图像压缩方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对待存储的原始彩色图像进行统一量化，得到量化彩色图像；
所述统一量化是指依次对原始彩色图像的RGB三通道图像上各像素点的像素值除以51处理，并将得到的结果进行四舍五入获得N，将对应像素点的像素值更新为51×N；
步骤2：将量化彩色图像重新编码为灰度级为216的重组灰度图像；
步骤A：对216种颜色按照黑、灰、白、红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序进行排序，相邻的颜色两两相近，完成颜色的渐变；
将每个颜色的RGB值的行矩阵依次写入216×3的矩阵，得到矩阵即为颜色矩阵记为矩阵W；
步骤B：将各个颜色的对应RGB矩阵与颜色矩阵W的行标K相对应，行标就是各个颜色对应的灰度值；
步骤C：将量化彩色图像编码为灰度图像记为，具体过程如下；
提取量化彩色图像R(i,j)，G(i,j)，B(i,j)，将R(i,j)，G(i,j)，B(i,j)构成新的矩阵D，即D(R(i,j),G(i,j),B(i,j))；
在颜色矩阵W中寻找与D(R(i,j),G(i,j),B(i,j))相同的行矩阵，行标为K是颜色矩阵W的第K行，D矩阵为一个行向量，D(R(i,j),G(i,j),B(i,j))，R(i,j)，G(i,j)，B(i,j)各表示一个值，此时，I(i,j)灰度值即为K，重复此操作512×512次，即可得与彩色图像相对应的灰度图像；
步骤D：对多幅颜色量化的彩色图像重复步骤C，得到多幅灰度图像；
步骤3：对所有重组灰度图像利用闪耀光栅进行θ调制，对调制后的图像进行叠加，得到压缩图像；
其中，不同的重组灰度图像使用不同的闪耀光栅，θ表示光栅的刻槽的倾斜角度，即闪耀光栅的槽型角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，在θ调制阶段利用计算机仿真模拟生成槽型角不同的闪耀光栅，且通过对同一槽型角的光栅采用不同的旋转角度，从而生成多个槽形角和旋转方向不同的闪耀光栅，用于调制多幅输入图像；
其中，所述闪耀光栅的传输函数为：
式中，λ表示照射光的波长，θ表示光栅的刻槽的倾斜角度，即闪耀光栅的槽型角，取值范围为(5.73°，24.23°)，α为光束入射角，取值范围为[-90°,90°]，β为光束反射角，取值范围为[-90°,90°]；x为入射光束在x方向距离前一个入射光点的水平距离，g(x)的取值范围为(0，1)。
3.一种基于光学方法的多彩色图像解压缩方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：获取利用权利要求1-权利要求2任一项所述方法获得的压缩图像；
步骤B：对压缩图像进行傅里叶变换得到压缩图像的衍射光斑，利用空间滤波器对衍射光斑滤波，将过滤得到的各个衍射光斑进行傅里叶逆变换，依次恢复出多幅重组灰度图像；
空间滤波器的透过率函数为：
式中，fx，fy为频谱空间的坐标，fcxi，fcyi为i第个圆斑滤波器的中心坐标，与对应的衍射光斑中心的坐标取值相同，Ri表示第i个圆斑滤波器的滤波孔径，取值为对应衍射光斑与相邻光斑之间的最小间距，T(fx,fy)的范围是(0，1)；
步骤C：按照权利要求1-权利要求2任一项中的编码顺序，对步骤B恢复的重组灰度图像进行彩色图像还原。
4.一种基于光学方法的多彩色图像压缩装置，其特征在于，包括：
量化单元，用于对待存储的原始彩色图像进行统一量化，得到量化彩色图像；
所述统一量化是指依次对原始彩色图像的RGB三通道图像上各像素点的像素值除以51处理，并将得到的结果进行四舍五入获得N，将对应像素点的像素值更新为51×N；
编码单元，用于将量化彩色图像重新编码为灰度级为216的重组灰度图像；
调制与叠加单元，用于对所有重组灰度图像利用闪耀光栅进行θ调制，对调制后的图像进行叠加，得到压缩图像；
其中，不同的重组灰度图像使用不同的闪耀光栅，θ表示光栅的刻槽的倾斜角度，即闪耀光栅的槽型角；
所述编码单元使用的编码顺序依次为黑、灰、白、红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，将编码排序后的颜色RGB值依次写入216*3的矩阵中，将各个颜色的对应RGB矩阵与颜色矩阵W的行标K相对应，行标就是各个颜色对应的灰度值，并类推矩阵中对应的灰度值，然后提取新的彩色图像构成新的矩阵，重复操作后得到重组灰度图像。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述调制与叠加单元在θ调制阶段利用计算机仿真模拟生成槽型角不同的闪耀光栅，且通过对同一槽型角的光栅采用不同的旋转角度，从而生成多个槽形角和旋转方向不同的闪耀光栅，用于调制多幅输入图像；
其中，所述闪耀光栅的传输函数为：
式中，λ表示照射光的波长，θ表示光栅的刻槽的倾斜角度，即闪耀光栅的槽型角，取值范围为(5.73°，24.23°)，α为光束入射角，取值范围为[-90°,90°]，β为光束反射角，取值范围为[-90°,90°]；x为入射光束在x方向距离前一个入射光点的水平距离，g(x)的取值范围为(0,1)。
6.一种基于光学方法的多彩色图像解压缩装置，其特征在于，包括：
图像获取单元，用于获取利用权利要求4-权利要求5任一项所述装置获得的压缩图像；
图像解压单元，用于对压缩图像进行傅里叶变换得到压缩图像的衍射光斑，利用空间滤波器对衍射光斑滤波，将过滤得到的各个衍射光斑进行傅里叶逆变换，依次恢复出多幅重组灰度图像；
空间滤波器的透过率函数为：
式中，fx，fy为频谱空间的坐标，fcxi，fcyi为i第个圆斑滤波器的中心坐标，与对应的衍射光斑中心的坐标取值相同，Ri表示第i个圆斑滤波器的滤波孔径，取值为对应衍射光斑与相邻光斑之间的最小间距，T(fx,fy)的范围是(0,1)；
彩色还原单元，按照权利要求4-权利要求5任一项所述装置中的编码顺序，对重组灰度图像进行彩色还原，完成解压处理。
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