CN110087076B - 一种基于分层块替换的多图像压缩方法 - Google Patents

一种基于分层块替换的多图像压缩方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分层块替换的多图像压缩方法，包括步骤：设定参数；读取输入的图像序列，将图像序列按照一定的顺序进行排列，记录每一幅图像文件的信息；记当前层编号iS＝0，将读入的图像序列按顺序进行切分成块，采用四元组形式对每个块进行定义：替换当前层相似度较高的块，并将替换结果整理成替换记录与替换表；将当前层编号iS加1，若等于总层数nS，则结束分层替换并进行编码输出；否则将当前层的块的边长减半，并将第iS‑1层所有Unique块切分成四个大小相等的子块；剔除掉第iS‑1层的非Unique块后，回到替换当前层相似度较高的块的步骤。本发明能够有效消除图像间的冗余，在处理大量相似图片时，能显著提升压缩比。

Description

一种基于分层块替换的多图像压缩方法
技术领域
本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种基于分层块替换的多图像压缩方法。
背景技术
随着多媒体技术和大数据技术的发展，图像压缩技术逐渐成为一个热点问题。目前常用的图像压缩技术，其原理主要都是利用图片内部的相似性，消除其冗余，对于单个图像有着相当显著的压缩效果。但在遥感、气象以及医学等领域，经常需要处理大量相似的图片，常用的针对单个图像的压缩方法在对多图像进行压缩时，难以得到理想的压缩效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于分层块替换的多图像压缩方法。本发明通过将输入的每一张图片按序切分为一系列块，并且按相似度对块进行分组，将相似度高的块分在同一组当中，每一组只存储其中的一个块的像素信息，其余块的像素均使用此块代替，将未被替换的块再切分成更小的块，进一步做分组替换，以减少冗余，达到压缩的目的。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种基于分层块替换的多图像压缩方法，包括步骤：
设定参数；读取输入的图像序列，将图像序列按照一定的顺序进行排列，记录每一幅图像文件的信息；
记当前层编号iS＝0，将读入的图像序列按顺序进行切分成块，采用四元组形式对每个块进行定义：
替换当前层相似度较高的块，并将替换结果整理成替换记录与替换表；
将当前层编号iS加1，若等于总层数nS，则结束分层替换并进行编码输出；否则将当前层的块的边长减半，并将第iS-1层所有Unique块切分成四个大小相等的子块；
剔除掉第iS-1层的非Unique块后，回到替换当前层相似度较高的块的步骤。
具体地，所述参数为初始块的边长l0以及替换的层数nS。
具体地，将排列后的图像序列记作P0,P1,…,PnP-1，其中，nP表示图像的总数；所述图像文件的信息包括文件名、分辨率信息，第i幅图像的文件名，宽度与高度分别表示为namei，heighti，widthi。
具体地，将读入的图像序列按顺序切分成边长为liS的块，第iS层ID为j的块记作
Figure BDA0002020841930000021
每个块定义为如下形式的四元组：
Figure BDA0002020841930000022
更进一步地，所述四元组中各个元素的计算公式如下所述：
Figure BDA0002020841930000023
表示该块所属的图像编号，计算方式为：
Figure BDA0002020841930000024
其中，nP表示图像的总数，
Figure BDA0002020841930000025
表示图像Pi在第iS层被切分成的块的数量，
Figure BDA0002020841930000026
表示从图像P0至图像Pi-1累计被切分成的块的数量。
x0j和y0j分别表示该块最左上角像素点的x轴坐标与y轴坐标，计算方式如下：
Figure BDA0002020841930000031
Figure BDA0002020841930000032
其中，Mod(·,·)表示取余运算，
Figure BDA0002020841930000033
表示向下取整。
Figure BDA0002020841930000034
表示块的像素值，即编号为
Figure BDA0002020841930000035
的图像在[x0j,x0j+liS)×[y0j,y0j+liS)范围内的像素值。
具体地，所述替换当前层相似度较高的块的步骤中，替换块的方法需满足以下两点要求：
每一个块至多只能被一个块替换；
一个已经被替换的块，不能替换其他的块。
其中，没有被其他块替换的块，称作Unique块，没有替换其他块的Unique块，称作平凡的Unique块。
具体地，所述将替换结果整理成替换记录与替换表的步骤中，每一个非平凡的Unique块，对应一条替换记录，替换记录是形如
Figure BDA0002020841930000036
Figure BDA0002020841930000037
的有序集合，其中
Figure BDA0002020841930000038
表示第iS层第k个非平凡的Unique块的ID，
Figure BDA0002020841930000039
为第iS层，被ID为
Figure BDA00020208419300000310
的块所替换的块的ID。在第iS层的所有替换记录，形成该层的替换表。
具体地，具体切分方式如下所述：
将
Figure BDA00020208419300000311
切分后，得到
Figure BDA00020208419300000312
Figure BDA0002020841930000041
Figure BDA0002020841930000042
Figure BDA0002020841930000043
四个子块，其中
Figure BDA0002020841930000044
Figure BDA0002020841930000045
Figure BDA0002020841930000046
Figure BDA0002020841930000047
Figure BDA0002020841930000048
Figure BDA0002020841930000049
为编号为
Figure BDA00020208419300000410
的图像中，坐标位于[x04*j+k,x04*j+k+lis)×[y04*j+k,y04*j+k+liS)范围内的像素值(k＝0,1,2,3)。
具体地，在剔除掉第iS-1层的非Unique块后，回到步骤替换当前层相似度较高的块的替换过程中，不替换由第iS-1层的非平凡Unique块切分而形成的块。
具体地，所述结束分层替换并进行编码输出的步骤中，包括：
将设定的参数，即初始块的边长l0与替换的层数nS，以及各个图像文件的文件名和分辨率信息，编码并写入到编码文件中。
将各层的替换表按照层编号的顺序，编码并写入到编码文件中。
将最后一层的所有Unique块的像素信息，按照块ID从小到大的顺序，经压缩后写入到编码文件中，输出编码文件。
具体地，所述根据编码文件恢复图像的解码步骤包括：
从编码文件中读取初始块的边长l0与替换的层数nS，各个图像文件的文件名、分辨率信息，各层的替换表，以及最后一层所有Unique块的像素信息。
生成最后一层Unique块的ID集合UniqueIDSet；
将生成的UniqueIDSet按升序排序，利用读取的各个图像文件的文件名、分辨率信息，即可恢复图像。
更进一步地，所述生成最后一层Unique块的ID集合UniqueIDSet的步骤，包括：
计算最后一层块的长度lnS-1＝l0/2nS-1；
初始化UniqueIDSet＝{0,1,2,…,Nlb-1}；其中，Nlb表示以边长为lnS-1对原始图像序列进行分块所得到的块数；
令iS＝0，q＝4nS-1；对于第iS层的替换表中的每一条记录
Figure BDA0002020841930000051
Figure BDA0002020841930000052
将ID序列
Figure BDA0002020841930000053
Figure BDA0002020841930000054
从UniqueIDSet中删除，最后一层ID为
Figure BDA0002020841930000055
的块，其像素分别由ID为
Figure BDA0002020841930000056
的块替换；
将iS加1，若iS＝nS，则结束生成最后一层Unique块的ID集合UniqueIDSet；否则将q除以4，回到从UniqueIDSet中删除ID序列的步骤。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
本发明克服了现有技术消除利用图像间冗余的局限性，通过替换图像间相似块的方式，实现了图像间冗余的消除，进而提高了在压缩多幅图像的情况下的压缩比。
附图说明
图1是一种基于分层块替换的多图像压缩方法的具体流程图。
图2是本发明中编码输出方法的具体流程图。
图3是本发明中恢复图像的解码方法的具体流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
一种基于分层块替换的多图像压缩方法，包括步骤：
S1、设定参数；读取输入的图像序列，将图像序列按照一定的顺序进行排列，记录每一幅图像文件的信息；
具体地，所述参数为初始块的边长l0以及替换的层数nS。
具体地，将排列后的图像序列记作P0,P1,…,PnP-1，其中，nP表示图像的总数；所述图像文件的信息包括文件名、分辨率信息，第i幅图像的文件名，宽度与高度分别表示为namei，heighti，widthi。
S2、记当前层编号iS＝0，将步骤S1读入的图像序列按顺序进行切分成块，采用四元组形式对每个块进行定义：
具体地，将读入的图像序列按顺序切分成边长为liS的块，第iS层ID为j的块记作
Figure BDA0002020841930000061
每个块定义为如下形式的四元组：
Figure BDA0002020841930000062
更进一步地，所述四元组中各个元素的计算公式如下所述：
Figure BDA0002020841930000063
表示该块所属的图像编号，计算方式为：
Figure BDA0002020841930000064
其中，nP表示图像的总数，
Figure BDA0002020841930000065
表示图像Pi在第iS层被切分成的块的数量，
Figure BDA0002020841930000071
表示从图像P0至图像Pi-1累计被切分成的块的数量。
x0j和y0j分别表示该块最左上角像素点的x轴坐标与y轴坐标，计算方式如下：
Figure BDA0002020841930000072
Figure BDA0002020841930000073
其中，Mod(·,·)表示取余运算，
Figure BDA0002020841930000074
表示向下取整。
Figure BDA0002020841930000075
表示块的像素值，即编号为
Figure BDA0002020841930000076
的图像在[x0j,x0j+liS)×[y0j,y0j+liS)范围内的像素值。
S3、替换当前层相似度较高的块，并将替换结果整理成替换记录与替换表；
具体地，记当前层的块序列为
Figure BDA0002020841930000077
步骤S3中替换当前层相似度较高的块的方法为：
步骤S31、令j＝1，j′＝0。
步骤S32、将块
Figure BDA0002020841930000078
与
Figure BDA0002020841930000079
看做是分辨率为liS×lis的图像块，计算块
Figure BDA00020208419300000710
与
Figure BDA00020208419300000711
的PSNR，其中，PSNR(Peak Signal to Noise Ratio，峰值信噪比)为图像间块的相似性度量指标，大小为M×N的两幅图像A和B的PNSR的计算公式如下：
Figure BDA00020208419300000712
其中，MSE(A,B)表示图像A与图像B的均方误差，其计算公式如下：
Figure BDA00020208419300000713
其中，Aij,Bij分别为图像A，B的第i行第j列的像素值
若PSNR大于等于40，则使用块
Figure BDA0002020841930000081
替换块
Figure BDA0002020841930000082
后转步骤S35；否则转步骤S33。
步骤S33、将j′加1。
步骤S34、若j′＝j，转步骤S35；否则判断块
Figure BDA0002020841930000083
是否已被替换，若已被替换，则转步骤S33，否则转步骤S32。
步骤S35、将j加1，若j＝nb则结束步骤S5，否则转步骤S31。
更进一步地，所述替换当前层相似度较高的块的步骤中，替换块的方法需满足以下两点要求：
每一个块至多只能被一个块替换；
一个已经被替换的块，不能替换其他的块。
其中，没有被其他块替换的块，称作Unique块，没有替换其他块的Unique块，称作平凡的Unique块。
具体地，所述步骤S3中将替换结果整理成替换记录与替换表的方法为：
每一个非平凡的Unique块，对应一条替换记录，替换记录是形如
Figure BDA0002020841930000084
的有序集合，其中
Figure BDA0002020841930000085
表示第iS层第k个非平凡的Unique块的ID，
Figure BDA0002020841930000086
为第iS层，被ID为
Figure BDA0002020841930000087
的块所替换的块的ID。在第iS层的所有替换记录，形成该层的替换表。
S4、将当前层编号iS加1，若等于总层数nS，则结束分层替换并进行编码输出；否则将当前层的块的边长减半，并将第iS-1层所有Unique块切分成四个大小相等的子块；
具体地，所述步骤S4中的切分方法为：
将
Figure BDA0002020841930000091
切分后，得到
Figure BDA0002020841930000092
Figure BDA0002020841930000093
Figure BDA0002020841930000094
Figure BDA0002020841930000095
四个子块，其中
Figure BDA0002020841930000096
Figure BDA0002020841930000097
Figure BDA0002020841930000098
Figure BDA0002020841930000099
Figure BDA00020208419300000910
Figure BDA00020208419300000911
为编号为
Figure BDA00020208419300000912
的图像中，坐标位于[x04*j+k,x04*j+k+lis)×[y04*j+k,y04*j+k+lis)范围内的像素值(k＝0,1,2,3)。
S5、剔除掉第iS-1层的非Unique块后，仅将步骤S4中切分后的所有块作为当前层的块，回到步骤S3。
具体地，在剔除掉第iS-1层的非Unique块后，回到步骤替换当前层相似度较高的块的替换过程中，不替换由第iS-1层的非平凡Unique块切分而形成的块。
具体地，所述结束分层替换并进行编码输出的步骤中，包括：
A1、将设定的参数，即初始块的边长l0与替换的层数nS，以及各个图像文件的文件名和分辨率信息，编码并写入到编码文件中。
A2、将各层的替换表按照层编号的顺序，编码并写入到编码文件中。
A3、将最后一层的所有Unique块的像素信息，按照块ID从小到大的顺序，经压缩后写入到编码文件中，输出编码文件。
具体地，所述根据编码文件恢复图像的解码步骤包括：
B1、从编码文件中读取初始块的边长l0与替换的层数nS，各个图像文件的文件名、分辨率信息，各层的替换表，以及最后一层所有Unique块的像素信息。
B2、生成最后一层Unique块的ID集合UniqueIDSet；
B3、将生成的UniqueIDSet按升序排序，利用读取的各个图像文件的文件名、分辨率信息，即可恢复图像。
更进一步地，所述步骤B2包括：
B21、计算最后一层块的长度lnS-1＝l0/2nS-1；
B22、初始化UniqueIDSet＝{0,1,2,…,Nlb-1}；其中，Nlb表示以边长为lnS-1对原始图像序列进行分块所得到的块数；
B23、令iS＝0，q＝4nS-1；对于第iS层的替换表中的每一条记录
Figure BDA0002020841930000101
将ID序列
Figure BDA0002020841930000102
从UniqueIDSet中删除，最后一层ID为
Figure BDA0002020841930000103
的块，其像素分别由ID为
Figure BDA0002020841930000104
的块替换；
B24、将iS加1，若iS＝nS，则结束步骤B2；否则将q除以4，回到步骤B23。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于分层块替换的多图像压缩方法，其特征在于，包括步骤：
设定参数；读取输入的图像序列，将图像序列按照一定的顺序进行排列，记录每一幅图像文件的信息；
记当前层编号iS＝0，将读入的图像序列按顺序进行切分成块，采用四元组形式对每个块进行定义；
具体如下：所述将读入的图像序列按顺序进行切分成块的步骤中，将读入的图像序列按顺序切分成边长为liS的块，第iS层ID为j的块记作
Figure FDA0002899989390000011
每个块定义为如下形式的四元组：
Figure FDA0002899989390000012
所述四元组中各个元素的计算公式如下所述：
Figure FDA0002899989390000013
表示该块所属的图像编号，计算方式为：
Figure FDA0002899989390000014
其中，nP表示图像的总数，
Figure FDA0002899989390000015
表示图像Pi在第iS层被切分成的块的数量，
Figure FDA0002899989390000016
表示从图像P0至图像Pi-1累计被切分成的块的数量；
x0j和y0j分别表示该块最左上角像素点的x轴坐标与y轴坐标，计算方式如下：
Figure FDA0002899989390000017
Figure FDA0002899989390000018
其中，Mod(·，·)表示取余运算，
Figure FDA0002899989390000019
表示向下取整；
Figure FDA00028999893900000110
表示块的像素值，即编号为
Figure FDA00028999893900000111
的图像在[x0j，x0j+liS)×[y0j，y0j+liS)范围内的像素值；
替换当前层相似性度量指标大于等于40的块，并将替换结果整理成替换记录与替换表；
将当前层编号iS加1，若等于总层数nS，则结束分层替换并进行编码输出；否则将当前层的块的边长减半，并将第iS-1层所有Unique块切分成四个大小相等的子块；
剔除掉第iS-1层的非Unique块后，回到替换当前层相似性度量指标大于等于40的块的步骤。
2.根据权利要求1所述的一种基于分层块替换的多图像压缩方法，其特征在于，所述参数为初始块的边长l0以及替换的层数nS；将排列后的图像序列记作P0，P1，...，PnP-1，其中，nP表示图像的总数；所述图像文件的信息包括文件名、分辨率信息，第i幅图像的文件名，宽度与高度分别表示为namei，heighti，widthi。
3.根据权利要求1所述的一种基于分层块替换的多图像压缩方法，其特征在于，所述替换当前层相似性度量指标大于等于40的块的步骤中，替换块的方法需满足以下两点要求：
每一个块至多只能被一个块替换；
一个已经被替换的块，不能替换其他的块；
其中，没有被其他块替换的块，称作Unique块，没有替换其他块的Unique块，称作平凡的Unique块。
4.根据权利要求3所述的一种基于分层块替换的多图像压缩方法，其特征在于，所述将替换结果整理成替换记录与替换表的步骤中，每一个非平凡的Unique块，对应一条替换记录，替换记录是形如
Figure FDA0002899989390000021
Figure FDA0002899989390000022
的有序集合，其中
Figure FDA0002899989390000023
表示第iS层第k个非平凡的Unique块的ID，
Figure FDA0002899989390000024
为第iS层，被ID为
Figure FDA0002899989390000025
的块所替换的块的ID；在第iS层的所有替换记录，形成该层的替换表。
5.根据权利要求1所述的一种基于分层块替换的多图像压缩方法，其特征在于，所述将第iS-1层所有Unique块切分成四个大小相等的子块的步骤中，具体切分方式为：
将
Figure FDA0002899989390000031
切分后，得到
Figure FDA0002899989390000032
Figure FDA0002899989390000033
Figure FDA0002899989390000034
Figure FDA0002899989390000035
四个子块，其中
Figure FDA0002899989390000036
Figure FDA0002899989390000037
Figure FDA0002899989390000038
Figure FDA0002899989390000039
Figure FDA00028999893900000310
Figure FDA00028999893900000311
为编号为
Figure FDA00028999893900000312
的图像中，坐标位于[x04*j+k，x04*j+k+liS)×[y04*j+k，y04*j+k+liS)范围内的像素值(k＝0，1，2，3)。
6.根据权利要求4所述的一种基于分层块替换的多图像压缩方法，其特征在于，在剔除掉第iS-1层的非Unique块后，回到步骤替换当前层相似性度量指标大于等于4的块的替换过程中，不替换由第iS-1层的非平凡Unique块切分而形成的块。
7.根据权利要求1所述的一种基于分层块替换的多图像压缩方法，其特征在于，所述结束分层替换并进行编码输出的步骤中，包括：
将设定的参数，即初始块的边长l0与替换的层数nS，以及各个图像文件的文件名和分辨率信息，编码并写入到编码文件中；
将各层的替换表按照层编号的顺序，编码并写入到编码文件中；
将最后一层的所有Unique块的像素信息，按照块ID从小到大的顺序，经压缩后写入到编码文件中，输出编码文件。
8.根据权利要求1所述的一种基于分层块替换的多图像压缩方法，其特征在于，所述根据编码文件恢复图像的解码步骤包括：
从编码文件中读取初始块的边长l0与替换的层数nS，各个图像文件的文件名、分辨率信息，各层的替换表，以及最后一层所有Unique块的像素信息；
生成最后一层Unique块的ID集合UniqueIDSet；
将生成的UniqueIDSet按升序排序，利用读取的各个图像文件的文件名、分辨率信息，即可恢复图像；
所述生成最后一层Unique块的ID集合UniqueIDSet的步骤，包括：
计算最后一层块的长度lnS-1＝l0/2nS-1；
初始化UniqueIDSet＝{0，1，2，...，Nlb-1}；其中，Nlb表示以边长为lnS-1对原始图像序列进行分块所得到的块数；
令iS＝0，q＝4nS-1；对于第iS层的替换表中的每一条记录
Figure FDA0002899989390000041
Figure FDA0002899989390000042
将ID序列
Figure FDA0002899989390000043
Figure FDA0002899989390000044
从UniqueIDSet中删除，最后一层ID为
Figure FDA0002899989390000045
的块，其像素分别由ID为
Figure FDA0002899989390000046
的块替换；
将iS加1，若iS＝nS，则结束生成最后一层Unique块的ID集合UniqueIDSet；否则将q除以4，回到从UniqueIDSet中删除ID序列的步骤。
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