CN112203089A - 基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法、系统及装置 - Google Patents

基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法、系统及装置 Download PDF

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CN112203089A CN202011396914.6A CN202011396914A CN112203089A CN 112203089 A CN112203089 A CN 112203089A CN 202011396914 A CN202011396914 A CN 202011396914A CN 112203089 A CN112203089 A CN 112203089A
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Abstract

本发明属于数字图像处理技术领域，具体涉及了一种基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法、系统及装置，旨在解决现有遥感图像压缩码率不易控制且码率分配不合理，导致遥感图像压缩效率低，压缩后图像重建质量低的问题。本发明包括：将待编码图像划分为设定大小，并进行编码参数设定；提取图像块均值并进行量化和熵编码；每次更新图像实际编码码率后，与设定目标码率进行比较，并根据比较结果确定下一步操作；每次迭代编码时，选取复杂度较高的图像块进行稀疏编码，其数量由当前图像实际编码码率、设定目标码率和系数共同决定；在设定的编码码率下完成图像编码。本发明编码码率精准可控，分配合理并能动态调整，可以实现图像的高效、高质量压缩。

Description

基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法、系统及装置
技术领域
本发明属于数字图像处理技术领域，具体涉及了一种基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法、系统及装置。
背景技术
近年来，随着遥感成像技术的迅速发展，遥感图像的空间和光谱分辨率都获得了显著提高，遥感数据也呈现出几何数量级增长的趋势，给有限的传输带宽以及存储空间都带来了沉重的压力。图像压缩技术通过去除冗余信息减少图像数据量，为缓解该问题提供了有效的途径。
根据压缩前后有无信息的损失，图像压缩方法可分为两大类：有损压缩和无损压缩。无损压缩可达到的压缩比十分有限，难以缓解现有的带宽与存储资源与不断增长的数据量之间的矛盾。有损压缩不要求重建图像完全精确的恢复，允许牺牲一部分信息，以换取更高的压缩比，在实际场景中具有更加广泛的应用。在有损图像压缩中，码率和失真是两个关键指标。码率表示对原图像中的一个像素编码所需要的比特数，失真表示重建图像与原始图像之间的差异，通常采用均方误差（MSE）来度量。
变换编码是图像有损压缩方法中最常用的编码方式之一。变换编码，为基于一组变换基，将图像由像素空间变换到变换域空间的一种方法。图像经过编码后，将编码值转换为输出码流，此时需要对输出码流进行码率控制。给定一个目标码率，不仅要使图像实际编码的码率与设定的目标码率之间的差值尽可能小，还需要对码率进行空间上的合理分配，以获得最佳的重建图像质量。现有技术中，一般是将图像划分为不重叠的图像块，然后根据设定的非零编码系数数量对每个图像块分别进行稀疏编码。但是这种方法没有考虑不同图像块之间的差异，对所有的图像块采用了相同的非零编码系数数量，即对所有图像块分配了相等的码率。但实际上，复杂度高的图像块需要更高的码率，而复杂度低的图像块需要较低的码率。因此，采用这种方法的重建图像，在复杂度较高的区域，视觉效果通常较差。另外，其进行实际编码码率估算时并未考虑熵编码以及其他相关参数，导致图像实际的编码码率与设定的目标码率差距较大，需要调整非零编码系数数量的设定值，重新进行稀疏编码、量化和熵编码，若仍不能满足设定的目标码率，则需要不断重复此步骤，直到实际编码码率达到设定的目标码率为止。此过程非常的耗时，并且产生大量的无效计算，严重耗费计算资源。另外，在某些信道条件波动频繁的场景下，目标码率可能出现短时变化，上述方法难以满足实时调整编码码率的需求。
总的来说，现有基于稀疏编码的遥感图像压缩码率不易控制且码率分配不合理，图像压缩过程中难以快速准确地实时调整编码码率，从而导致遥感图像压缩效率低，压缩后图像重建质量低。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有遥感图像压缩码率不易控制且码率分配不合理，导致遥感图像压缩效率低，压缩后图像重建质量低的问题，本发明提供了一种基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，该图像压缩方法包括：
步骤S10，获取待编码图像
Figure 633386DEST_PATH_IMAGE001
及其宽
Figure 208724DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 685973DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 270538DEST_PATH_IMAGE004
，并设定目标码率
Figure 533154DEST_PATH_IMAGE005
、允许码率误差值
Figure 544973DEST_PATH_IMAGE006
、待划分图像块尺寸
Figure 243939DEST_PATH_IMAGE007
和系数
Figure 632195DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤S20，对于所述待编码图像的每一个通道，将所述待编码图像
Figure 982273DEST_PATH_IMAGE001
划分为
Figure 368255DEST_PATH_IMAGE009
的 图像块，并分别将每个图像块转化为一维向量，基于所述一维向量分别提取每个图像块的 均值，将每个图像块减去均值，获得每个图像块的残差；
步骤S30，基于待编码图像的宽
Figure 944730DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 746464DEST_PATH_IMAGE003
以及当前累计编码的总比特数
Figure 91995DEST_PATH_IMAGE010
，计 算当前实际编码率
Figure 325575DEST_PATH_IMAGE011
，并计算当前实际编码率
Figure 123766DEST_PATH_IMAGE011
与目标码率
Figure 463612DEST_PATH_IMAGE005
的差值
Figure 866912DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤S40，若所述差值
Figure 657013DEST_PATH_IMAGE012
在范围
Figure 67135DEST_PATH_IMAGE013
内，则跳转步骤S80；若所述差值
Figure 600884DEST_PATH_IMAGE014
，则 返回上一次迭代的码流集合，并跳转步骤S80；若所述差值
Figure 530794DEST_PATH_IMAGE015
，则跳转步骤S50；
步骤S50，分别对每个图像块的残差计算
Figure 226218DEST_PATH_IMAGE016
范数，结合系数
Figure 202264DEST_PATH_IMAGE008
选取所述
Figure 900224DEST_PATH_IMAGE016
范数中从 大到小的前
Figure 809274DEST_PATH_IMAGE017
个对应的图像块作为当前待编码图像块；
步骤S60，基于给定的过完备基
Figure 82123DEST_PATH_IMAGE018
和稀疏编码算法进行所述当前待编码图像块的残差 的稀疏编码、量化和熵编码，获得当前码流和比特数；
步骤S70，更新当前待编码图像块的残差、累计编码的总比特数
Figure 811045DEST_PATH_IMAGE010
、当前实际编 码率
Figure 76810DEST_PATH_IMAGE011
和码流集合并跳转步骤S30；
步骤S80，待编码图像
Figure 105946DEST_PATH_IMAGE001
的宽
Figure 18538DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 969177DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 382841DEST_PATH_IMAGE004
以及每一个通道的码流集合为所 述待编码图像
Figure 892582DEST_PATH_IMAGE001
的压缩结果。
在一些优选的实施例中，所述当前实际编码率
Figure 366288DEST_PATH_IMAGE011
，其计算方法为：
Figure 210748DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 428102DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 369513DEST_PATH_IMAGE003
分别为待编码图像
Figure 138755DEST_PATH_IMAGE001
的宽和高，
Figure 860724DEST_PATH_IMAGE010
为当前累计编码的总比特数。
在一些优选的实施例中，所述当前待编码图像块，其数量
Figure 491556DEST_PATH_IMAGE017
的计算方法为：
Figure 349791DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 368562DEST_PATH_IMAGE023
为当前实际编码率
Figure 672767DEST_PATH_IMAGE011
与目标码率
Figure 231924DEST_PATH_IMAGE005
的差值，
Figure 85611DEST_PATH_IMAGE024
代表四舍五入操作。
在一些优选的实施例中，步骤S70中更新当前待编码图像块的残差，其方法为：
Figure 72021DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure 627636DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 724905DEST_PATH_IMAGE028
分别代表更新前和更新后的第
Figure 495415DEST_PATH_IMAGE029
个当前待编码图像块的残差，
Figure 528093DEST_PATH_IMAGE030
为过完 备基
Figure 446371DEST_PATH_IMAGE018
中与
Figure 973429DEST_PATH_IMAGE027
最匹配的原子，
Figure 660763DEST_PATH_IMAGE031
表示第
Figure 864342DEST_PATH_IMAGE029
个当前待编码图像块的编码系数。
在一些优选的实施例中，所述过完备基
Figure 207599DEST_PATH_IMAGE018
中与
Figure 646670DEST_PATH_IMAGE027
最匹配的原子
Figure 578723DEST_PATH_IMAGE030
，其获取方法 为：
给定的过完备基
Figure 77838DEST_PATH_IMAGE018
为：
Figure 580494DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 26519DEST_PATH_IMAGE034
为一维向量，代表过完备基
Figure 688445DEST_PATH_IMAGE018
中的第
Figure 984559DEST_PATH_IMAGE035
个原子；
Figure 99145DEST_PATH_IMAGE036
代表实域，
Figure 20965DEST_PATH_IMAGE037
为实域的 维度，
Figure 537397DEST_PATH_IMAGE038
代表过完备基
Figure 581576DEST_PATH_IMAGE018
中包括的原子数量，
Figure 42514DEST_PATH_IMAGE039
代表原子的长度；
计算
Figure 627079DEST_PATH_IMAGE027
和过完备基
Figure 138963DEST_PATH_IMAGE018
中所有原子
Figure 150781DEST_PATH_IMAGE034
的内积，最大内积对应的原子为与
Figure 443222DEST_PATH_IMAGE027
最匹配的原 子
Figure 191998DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure 683022DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure 741108DEST_PATH_IMAGE042
代表求最大值操作，
Figure 52003DEST_PATH_IMAGE043
代表求
Figure 368584DEST_PATH_IMAGE027
与原子
Figure 714115DEST_PATH_IMAGE034
之间的内 积。
在一些优选的实施例中，所述第
Figure 943102DEST_PATH_IMAGE029
个当前待编码图像块的编码系数，其计算方法 为：
Figure 944556DEST_PATH_IMAGE045
其中，
Figure 674614DEST_PATH_IMAGE027
代表更新前的第
Figure 500750DEST_PATH_IMAGE029
个当前待编码图像块的残差，
Figure 290852DEST_PATH_IMAGE030
为过完备基
Figure 451706DEST_PATH_IMAGE018
中与
Figure 985455DEST_PATH_IMAGE027
最匹 配的原子。
在一些优选的实施例中，将所述待编码图像
Figure 243261DEST_PATH_IMAGE001
划分为
Figure 63319DEST_PATH_IMAGE009
的图像块时，若边缘 部分不足
Figure 836103DEST_PATH_IMAGE009
，则使用0进行填充。
本发明的另一方面，提出了一种基于稀疏编码的码率控制的图像压缩系统，该图像压缩系统包括以下模块：
图像获取和参数设定模块，配置为获取待编码图像
Figure 48909DEST_PATH_IMAGE001
及其宽
Figure 957959DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 727681DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 925444DEST_PATH_IMAGE004
， 并设定目标码率
Figure 800996DEST_PATH_IMAGE005
、允许码率误差值
Figure 439919DEST_PATH_IMAGE006
、待划分图像块尺寸
Figure 8304DEST_PATH_IMAGE007
和系数
Figure 614734DEST_PATH_IMAGE008
；
图像划分和残差提取模块，配置为对于所述待编码图像的每一个通道，将所述待编码 图像
Figure 28398DEST_PATH_IMAGE001
划分为
Figure 787407DEST_PATH_IMAGE009
的图像块，并分别将每个图像块转化为一维向量，基于所述一维向 量分别提取每个图像块的均值，将每个图像块减去均值，获得每个图像块的残差；
码率计算和差值获取模块，配置为基于待编码图像的宽
Figure 464376DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 433469DEST_PATH_IMAGE003
以及当前累计编码 的总比特数
Figure 276922DEST_PATH_IMAGE010
，计算当前实际编码率
Figure 280650DEST_PATH_IMAGE011
，并计算当前实际编码率
Figure 800624DEST_PATH_IMAGE011
与目标码率
Figure 257013DEST_PATH_IMAGE005
的差值
Figure 215742DEST_PATH_IMAGE012
；
码率判定和跳转模块，若所述差值
Figure 667452DEST_PATH_IMAGE012
在范围
Figure 843481DEST_PATH_IMAGE013
内，则跳转输出模块；若所述差 值
Figure 787166DEST_PATH_IMAGE014
，则返回上一次迭代的码流集合，并跳转输出模块；若所述差值
Figure 221689DEST_PATH_IMAGE015
，则跳转编 码模块；
编码模块，配置为分别对每个图像块的残差计算
Figure 200010DEST_PATH_IMAGE016
范数，结合系数
Figure 311054DEST_PATH_IMAGE008
选取所述
Figure 476456DEST_PATH_IMAGE016
范 数中从大到小的前
Figure 776988DEST_PATH_IMAGE017
个对应的图像块作为当前待编码图像块，基于给定的过完备基
Figure 485181DEST_PATH_IMAGE018
和 稀疏编码算法进行所述当前待编码图像块的残差的稀疏编码、量化和熵编码，获得当前码 流和比特数；
参数更新和跳转模块，配置为更新当前待编码图像块的残差、累计编码的总比特数
Figure 642492DEST_PATH_IMAGE010
、当前实际编码率
Figure 186868DEST_PATH_IMAGE011
和码流集合并跳转码率计算和差值获取模块；
输出模块，配置为输出待编码图像
Figure 87828DEST_PATH_IMAGE001
的宽
Figure 650528DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 182003DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 321998DEST_PATH_IMAGE004
以及每一个通道的码 流集合作为所述待编码图像
Figure 885703DEST_PATH_IMAGE001
的压缩结果。
本发明的第三方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法。
本发明的第四方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；所述处理器，适于执行各条程序；所述存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法。
本发明的有益效果：
（1）本发明基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，以迭代的方式对各个图像块的残差值进行编码，图像实际的编码码率将随着迭代的次数不断增加，直到达到设定的目标码率停止，从而使码率得到精准的控制。
（2）本发明基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，对复杂度较高的图像块分配更多的码率，而对复杂度较低的图像块分配较少的码率，从而使码率得到合理的分配，可有效提升后续重建图像的视觉效果。
（3）本发明基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，根据当前图像实际的编码码率与设定的目标码率的差值，对每次迭代参与编码的图像块的数量进行动态调整，从而使得图像实际的编码码率快速且准确的达到设定的目标码率。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是现有的基于稀疏编码的图像压缩码率控制方法的流程示意图；
图2是本发明基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法的流程示意图；
图3是本发明基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法实例一的待压缩的灰度遥感图像；
图4是本发明基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法实例二的待压缩的彩色遥感图像；
图5是本发明基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法一种实施例的系统装置图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明提供一种基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，本方法通过迭代的方式对图像块的残差进行稀疏编码，使实际编码码率渐进逼近设定的目标码率，从而达到对码率灵活控制的目的，有助于在信道条件频繁变化的场景下对码率进行实时调整；对复杂度较高的图像块分配更多的码率，对复杂度较低的图像块分配较少的码率，从而使码率得到合理的分配，有助于提升图像的重建视觉效果；根据实际编码码率与设定的目标码率的差值，对每次迭代参与编码的图像块的数量进行动态调整，从而使得实际编码码率快速且准确的达到设定的目标码率。从过上述的过程控制图像编码中的压缩码率，从而实现遥感图像的快速、高低质量的压缩。
现有的交换编码，其国际图像压缩标准JPEG和JPEG 2000，分别采用了离散余弦变 换基（DCT）和离散小波变换基（DWT）。这两种变换基均为正交变换基，假设用
Figure 693122DEST_PATH_IMAGE046
进行表示，即变换基
Figure 67603DEST_PATH_IMAGE018
中每一个原子
Figure 694893DEST_PATH_IMAGE034
的维度
Figure 140918DEST_PATH_IMAGE039
与 原子的数目
Figure 163363DEST_PATH_IMAGE038
相等。近年来的研究表明，高维图像数据通常会在某种过完备变换基上存在 稀疏性，即表征系数中大部分为零，仅使用少量不为零的元素就可以实现对图像的表征。因 此，许多研究者通过学习的方式或者借助数学函数，构造过完备的变换基，即
Figure 833379DEST_PATH_IMAGE047
，由此可得到的稀疏的表征系数，仅对其中的非零编 码系数进行传输，从而达到压缩的目的。
图像经过编码后，将编码值转换为输出码流，此时需要对输出码流进行码率控制。 给定一个目标码率，不仅要使图像实际编码的码率与设定的目标码率之间的差值尽可能 小，还需要对码率进行空间上的合理分配，以获得最佳的重建图像质量。如图1所示，为现有 的基于稀疏编码的图像压缩方法的流程示意图，通常先将图像划分为互不重叠的图像块
Figure 88911DEST_PATH_IMAGE048
，以缓解高维图像数据计算量大的问题。然后，根据设定的非零编 码系数数量
Figure 135364DEST_PATH_IMAGE049
，对每个图像块
Figure 510851DEST_PATH_IMAGE050
分别进行稀疏编码，从过完备基
Figure 555030DEST_PATH_IMAGE018
中寻找最匹配的
Figure 156913DEST_PATH_IMAGE049
个原 子
Figure 616844DEST_PATH_IMAGE051
，并求取编码系数
Figure 987782DEST_PATH_IMAGE052
，使其满足式（1）：
Figure 891279DEST_PATH_IMAGE054
接下来，采用预设的量化码本
Figure 980457DEST_PATH_IMAGE055
对编码值进行量化，每个非零编码系数
Figure 306396DEST_PATH_IMAGE031
需要在量化 码本
Figure 407208DEST_PATH_IMAGE056
中选择一个距离最近的量化码字
Figure 855507DEST_PATH_IMAGE057
进行代替，如式（2） 所示：
Figure 556615DEST_PATH_IMAGE059
其中，
Figure 482983DEST_PATH_IMAGE060
表示
Figure 703880DEST_PATH_IMAGE061
范数，
Figure 260763DEST_PATH_IMAGE062
通常取2。因此，一幅图像实际编码码率
Figure 58955DEST_PATH_IMAGE011
通常采用 式（3）进行估算：
Figure 415112DEST_PATH_IMAGE064
其中，
Figure 615149DEST_PATH_IMAGE065
表示一幅图像所有的图像块数量，
Figure 280617DEST_PATH_IMAGE066
表示平均每个量化码字的比特数，
Figure 566105DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 37537DEST_PATH_IMAGE003
分别表示该图像的宽和高。一般通过式（2）确定非零编码系数数量
Figure 216715DEST_PATH_IMAGE049
的设定值。
首先，上述方法没有考虑不同图像块之间的差异，而是对所有图像块均设定了相同的非零编码系数数量，即对所有图像块分配了相等的码率。但实际上，复杂度高的图像块需要更高的码率，而复杂度低的图像块需要较低的码率。因此，采用这种方法的重建图像，在复杂度较高的区域，视觉效果通常较差。另外，采用式（2）估算的实际编码码率并不准确，因为并未考虑熵编码以及其他相关参数，导致图像实际的编码码率与设定的目标码率差距较大，需要调整非零编码系数数量的设定值，重新进行稀疏编码、量化和熵编码，若仍不能满足设定的目标码率，则需要不断重复此步骤，直到实际编码码率达到设定的目标码率为止。此过程非常的耗时，并且产生大量的无效计算，严重耗费计算资源。另外，在某些信道条件波动频繁的场景下，目标码率可能出现短时变化，上述方法难以满足实时调整编码码率的需求，从而图像压缩效率低、质量低。
本发明的一种基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，该图像压缩方法包括：
步骤S10，获取待编码图像
Figure 177718DEST_PATH_IMAGE001
及其宽
Figure 825868DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 897729DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 698457DEST_PATH_IMAGE004
，并设定目标码率
Figure 564782DEST_PATH_IMAGE005
、允许码率误差值
Figure 28124DEST_PATH_IMAGE006
、待划分图像块尺寸
Figure 513463DEST_PATH_IMAGE007
和系数
Figure 542599DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤S20，对于所述待编码图像的每一个通道，将所述待编码图像
Figure 235618DEST_PATH_IMAGE001
划分为
Figure 717414DEST_PATH_IMAGE009
的 图像块，并分别将每个图像块转化为一维向量，基于所述一维向量分别提取每个图像块的 均值，将每个图像块减去均值，获得每个图像块的残差；
步骤S30，基于待编码图像的宽
Figure 6444DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 93349DEST_PATH_IMAGE003
以及当前累计编码的总比特数
Figure 567056DEST_PATH_IMAGE010
，计 算当前实际编码率
Figure 150529DEST_PATH_IMAGE011
，并计算当前实际编码率
Figure 367883DEST_PATH_IMAGE011
与目标码率
Figure 246978DEST_PATH_IMAGE005
的差值
Figure 891586DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤S40，若所述差值
Figure 551237DEST_PATH_IMAGE012
在范围
Figure 431337DEST_PATH_IMAGE013
内，则跳转步骤S80；若所述差值
Figure 23993DEST_PATH_IMAGE014
，则 返回上一次迭代的码流集合，并跳转步骤S80；若所述差值
Figure 980447DEST_PATH_IMAGE015
，则跳转步骤S50；
步骤S50，分别对每个图像块的残差计算
Figure 924133DEST_PATH_IMAGE016
范数，结合系数
Figure 109389DEST_PATH_IMAGE008
选取所述
Figure 25392DEST_PATH_IMAGE016
范数中从 大到小的前
Figure 746223DEST_PATH_IMAGE017
个对应的图像块作为当前待编码图像块；
步骤S60，基于给定的过完备基
Figure 52571DEST_PATH_IMAGE018
和稀疏编码算法进行所述当前待编码图像块的残差 的稀疏编码、量化和熵编码，获得当前码流和比特数；
步骤S70，更新当前待编码图像块的残差、累计编码的总比特数
Figure 415419DEST_PATH_IMAGE010
、当前实际编 码率
Figure 372880DEST_PATH_IMAGE011
和码流集合并跳转步骤S30；
步骤S80，待编码图像
Figure 264612DEST_PATH_IMAGE001
的宽
Figure 58256DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 959216DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 584232DEST_PATH_IMAGE004
以及每一个通道的码流集合为所 述待编码图像
Figure 538544DEST_PATH_IMAGE001
的压缩结果。
为了更清晰地对本发明基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法进行说明，下面结合图2对本发明实施例中各步骤展开详述。
本发明第一实施例的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，包括步骤S10-步骤S80，各步骤详细描述如下：
步骤S10，获取待编码图像
Figure 678538DEST_PATH_IMAGE001
及其宽
Figure 524135DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 65974DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 689723DEST_PATH_IMAGE004
，并设定目标码率
Figure 520275DEST_PATH_IMAGE005
、允许码率误差值
Figure 763038DEST_PATH_IMAGE006
、待划分图像块尺寸
Figure 34750DEST_PATH_IMAGE007
和系数
Figure 970345DEST_PATH_IMAGE008
。
步骤S20，对于所述待编码图像的每一个通道，将所述待编码图像
Figure 711031DEST_PATH_IMAGE001
划分为
Figure 491905DEST_PATH_IMAGE009
的图像块，并分别将每个图像块转化为一维向量，基于所述一维向量分别提取每 个图像块的均值，将每个图像块减去均值，获得每个图像块的残差。
待编码图像
Figure 211599DEST_PATH_IMAGE001
划分为
Figure 927882DEST_PATH_IMAGE009
的图像块时，若边缘部分不足
Figure 529765DEST_PATH_IMAGE009
，则使用0进 行填充。
步骤S30，基于待编码图像的宽
Figure 504543DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 875482DEST_PATH_IMAGE003
以及当前累计编码的总比特数
Figure 762666DEST_PATH_IMAGE010
，计算当前实际编码率
Figure 789528DEST_PATH_IMAGE011
，并计算当前实际编码率
Figure 177784DEST_PATH_IMAGE011
与目标码率
Figure 29328DEST_PATH_IMAGE005
的差值
Figure 212047DEST_PATH_IMAGE012
；
当前实际编码率
Figure 929467DEST_PATH_IMAGE011
，其计算方法如式（4）所示：
Figure 855835DEST_PATH_IMAGE068
其中，
Figure 60420DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 882883DEST_PATH_IMAGE003
分别为待编码图像
Figure 681075DEST_PATH_IMAGE001
的宽和高，
Figure 286500DEST_PATH_IMAGE010
为当前累计编码的总比特数。
步骤S40，若所述差值
Figure 220957DEST_PATH_IMAGE012
在范围
Figure 902737DEST_PATH_IMAGE013
内，则跳转步骤S80；若所述差值
Figure 188225DEST_PATH_IMAGE014
， 则返回上一次迭代的码流集合，并跳转步骤S80；若所述差值
Figure 331761DEST_PATH_IMAGE015
，则跳转步骤S50；
步骤S50，分别对每个图像块的残差计算
Figure 386305DEST_PATH_IMAGE016
范数，结合系数
Figure 550570DEST_PATH_IMAGE008
选取所述
Figure 182408DEST_PATH_IMAGE016
范数中从 大到小的前
Figure 519849DEST_PATH_IMAGE017
个对应的图像块作为当前待编码图像块。
当前待编码图像块，其数量
Figure 569844DEST_PATH_IMAGE017
的计算方法如式（5）所示：
Figure 436169DEST_PATH_IMAGE070
其中，
Figure 899512DEST_PATH_IMAGE023
为当前实际编码率
Figure 135583DEST_PATH_IMAGE011
与目标码率
Figure 164719DEST_PATH_IMAGE005
的差值，
Figure 342891DEST_PATH_IMAGE024
代表四舍五入操作。
步骤S60，基于给定的过完备基
Figure 90267DEST_PATH_IMAGE018
和稀疏编码算法进行所述当前待编码图像块的 残差的稀疏编码、量化和熵编码，获得当前码流和比特数。
步骤S70，更新当前待编码图像块的残差、累计编码的总比特数
Figure 628564DEST_PATH_IMAGE010
、当前实际 编码率
Figure 715469DEST_PATH_IMAGE011
和码流集合并跳转步骤S30。
更新当前待编码图像块的残差，如式（6）所示：
Figure 189176DEST_PATH_IMAGE072
其中，
Figure 33635DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 250990DEST_PATH_IMAGE028
分别代表更新前和更新后的第
Figure 880816DEST_PATH_IMAGE029
个当前待编码图像块的残差，
Figure 259845DEST_PATH_IMAGE030
为过完 备基
Figure 919497DEST_PATH_IMAGE018
中最匹配的原子，
Figure 550329DEST_PATH_IMAGE031
表示第
Figure 408564DEST_PATH_IMAGE029
个当前待编码图像块的编码系数。
过完备基
Figure 614286DEST_PATH_IMAGE018
中与
Figure 557971DEST_PATH_IMAGE027
最匹配的原子
Figure 726916DEST_PATH_IMAGE030
，其获取方法为：
给定的过完备基
Figure 642919DEST_PATH_IMAGE018
如式（7）所示：
Figure 629330DEST_PATH_IMAGE074
其中，
Figure 698128DEST_PATH_IMAGE034
为一维向量，代表过完备基
Figure 60977DEST_PATH_IMAGE018
中的第
Figure 503590DEST_PATH_IMAGE035
个原子；
Figure 660902DEST_PATH_IMAGE036
代表实域，
Figure 782442DEST_PATH_IMAGE037
为实域的 维度，
Figure 542456DEST_PATH_IMAGE038
代表过完备基
Figure 495369DEST_PATH_IMAGE018
中包括的原子数量，
Figure 698948DEST_PATH_IMAGE039
代表原子的长度；
计算
Figure 838943DEST_PATH_IMAGE027
和过完备基
Figure 746856DEST_PATH_IMAGE018
中所有原子
Figure 914794DEST_PATH_IMAGE034
的内积，最大内积对应的原子为与
Figure 413909DEST_PATH_IMAGE027
最匹配的原 子
Figure 182144DEST_PATH_IMAGE030
，如式（8）所示：
Figure 159328DEST_PATH_IMAGE075
其中，
Figure 945887DEST_PATH_IMAGE077
代表求最大值操作，
Figure 819165DEST_PATH_IMAGE043
代表求
Figure 933752DEST_PATH_IMAGE027
与原子
Figure 589992DEST_PATH_IMAGE034
之间的内 积。
第个当前待编码图像块的编码系数
Figure 106424DEST_PATH_IMAGE031
，其计算方法如式（9）所示：
Figure 573440DEST_PATH_IMAGE079
其中，
Figure 440902DEST_PATH_IMAGE027
代表更新前的第
Figure 900833DEST_PATH_IMAGE029
个当前待编码图像块的残差，
Figure 475034DEST_PATH_IMAGE030
为过完备基
Figure 486852DEST_PATH_IMAGE018
中与
Figure 435085DEST_PATH_IMAGE027
最匹 配的原子。
步骤S80，待编码图像
Figure 88921DEST_PATH_IMAGE001
的宽
Figure 189732DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 372451DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 152189DEST_PATH_IMAGE004
以及每一个通道的码流集合为 所述待编码图像
Figure 704655DEST_PATH_IMAGE001
的压缩结果。
下面以两幅图像的具体压缩过程来详细说明本发明基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法的流程。
如图3所示，为本发明基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法实例一的待压缩的灰度遥感图像：
步骤A101，获取待编码图像
Figure 784606DEST_PATH_IMAGE001
、图像尺寸556×946，通道数1，设定的目标码率
Figure 544752DEST_PATH_IMAGE080
、允许码率误差值
Figure 342944DEST_PATH_IMAGE081
、待划分图像块尺寸
Figure 932057DEST_PATH_IMAGE082
、系数
Figure 335356DEST_PATH_IMAGE083
。
步骤A102，初始的实际编码总比特数
Figure 125458DEST_PATH_IMAGE084
，初始的实际编码码率
Figure 20733DEST_PATH_IMAGE085
以及初始的码流集合
Figure 820061DEST_PATH_IMAGE086
。
Figure 500704DEST_PATH_IMAGE087
代表空集。
步骤A103，将待编码图像
Figure 196127DEST_PATH_IMAGE001
划分为8×8大小的图像块，图像边缘不足8×8的部分使 用0进行填充，总共划分的图像块图像如式（10）所示：
Figure 172174DEST_PATH_IMAGE089
步骤A104，将8325个图像块分别转化为长度为64的一维向量，并将所有图像块拼接在 一起，构成维度为64×8325的二维矩阵
Figure 119401DEST_PATH_IMAGE090
。
步骤A105，对矩阵
Figure 28451DEST_PATH_IMAGE091
的每一个图像块
Figure 550568DEST_PATH_IMAGE092
分别求取均值，得到均值序列
Figure 545069DEST_PATH_IMAGE093
，并将所述矩阵
Figure 295987DEST_PATH_IMAGE091
的每一个图像块
Figure 528386DEST_PATH_IMAGE092
分别减去该列对应的均 值
Figure 565612DEST_PATH_IMAGE094
，得到残差矩阵
Figure 204666DEST_PATH_IMAGE095
。
步骤A106，采用预先存储的量化码本
Figure 618330DEST_PATH_IMAGE055
，对均值序列
Figure 377338DEST_PATH_IMAGE096
进行量化，先将均值序列
Figure 585466DEST_PATH_IMAGE096
归一化到[-1,1],然后对
Figure 757821DEST_PATH_IMAGE096
中的每一个元素
Figure 99809DEST_PATH_IMAGE094
，在
Figure 103537DEST_PATH_IMAGE055
中寻找距离最近的量化码字
Figure 623512DEST_PATH_IMAGE057
，即
Figure 79901DEST_PATH_IMAGE097
，
Figure 38630DEST_PATH_IMAGE094
则使用
Figure 522963DEST_PATH_IMAGE057
进行替代，记量化的均值序列为
Figure 338472DEST_PATH_IMAGE098
。
步骤A107，采用算术编码算法，对
Figure 157523DEST_PATH_IMAGE098
进行熵编码，得到码流
Figure 716681DEST_PATH_IMAGE099
和编码比特 数
Figure 554056DEST_PATH_IMAGE100
。
步骤A108，更新图像实际的编码比特总数
Figure 743729DEST_PATH_IMAGE101
，更新实际 的编码码率
Figure 174710DEST_PATH_IMAGE102
，更新码流集合
Figure 147345DEST_PATH_IMAGE103
，由于 当前图像实际的编码码率与设定的目标码率的差值
Figure 980172DEST_PATH_IMAGE104
， 初始化迭代次数
Figure 763582DEST_PATH_IMAGE105
，确定参与编码的图像块数目
Figure 416281DEST_PATH_IMAGE106
。
步骤A109，计算残差矩阵
Figure 520503DEST_PATH_IMAGE107
中每个图像块的
Figure 83202DEST_PATH_IMAGE016
范数，作为该图像块的复杂度，并以 复杂度由高到低的顺序对所有图像块进行排序，选取排在前2160的图像块，并记录这些图 像块在
Figure 411415DEST_PATH_IMAGE107
中的序号，记为
Figure 941623DEST_PATH_IMAGE108
。
步骤A110，基于预先存储的过完备基
Figure 380694DEST_PATH_IMAGE018
，采用OMP算法，依次对所选取的2160个图 像块寻找最匹配的原子，记录原子的序号为
Figure 797900DEST_PATH_IMAGE109
，并求取编码系数
Figure 500277DEST_PATH_IMAGE110
。
步骤A111，采用预先存储的量化码本
Figure 127568DEST_PATH_IMAGE055
，对编码系数
Figure 984710DEST_PATH_IMAGE110
进行量化。
步骤A112，采用算术编码算法，对图像块序号
Figure 912215DEST_PATH_IMAGE108
、最匹配原子的序号
Figure 457597DEST_PATH_IMAGE109
和量化 后的编码系数进行熵编码，分别得到码流
Figure 306604DEST_PATH_IMAGE111
、
Figure 556320DEST_PATH_IMAGE112
、
Figure 197385DEST_PATH_IMAGE113
和编码比特 数
Figure 38303DEST_PATH_IMAGE114
、
Figure 249972DEST_PATH_IMAGE115
、
Figure 100116DEST_PATH_IMAGE116
。
步骤A113，更新当前图像实际编码比特总数
Figure 97154DEST_PATH_IMAGE117
，当前实际编码码率为
Figure 312234DEST_PATH_IMAGE118
，更新码流集合
Figure 401413DEST_PATH_IMAGE119
。由于当前图像实际的编 码码率与设定的目标码率的差值
Figure 399456DEST_PATH_IMAGE120
，迭代次数
Figure 156059DEST_PATH_IMAGE121
，确定参与编码的图像块数目
Figure 463413DEST_PATH_IMAGE122
。
步骤A114，对参与编码的图像块的残差值进行更新。
重复步骤A109-步骤A114，记录每次迭代后，图像实际的编码码率的变化，如表1所示：
表1
迭代次数
Figure 774309DEST_PATH_IMAGE123
 图像实际的编码码率
Figure 903939DEST_PATH_IMAGE011
1 0.207
2 0.306
3 0.388
4 0.459
5 0.522
步骤A115，由于
Figure 124835DEST_PATH_IMAGE124
时，图像实际的编码码率=0.522，与设定的目标码率的差值
Figure 478456DEST_PATH_IMAGE125
，因此丢弃
Figure 902747DEST_PATH_IMAGE124
的编码结果，返回
Figure 632805DEST_PATH_IMAGE126
时的码流集合
Figure 973788DEST_PATH_IMAGE127
。
步骤A116，
Figure 498310DEST_PATH_IMAGE126
时的码流集合
Figure 908432DEST_PATH_IMAGE127
，编码图像
Figure 645444DEST_PATH_IMAGE001
的宽
Figure 699987DEST_PATH_IMAGE128
、高
Figure 270777DEST_PATH_IMAGE129
和通道数
Figure 309140DEST_PATH_IMAGE130
为待编码图像
Figure 7100DEST_PATH_IMAGE001
的压缩结果。
如图4，为本发明基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法实例二的待压缩的彩色遥感图像：
步骤B101，获取待编码图像
Figure 916150DEST_PATH_IMAGE001
、图像尺寸808×958，通道数3，设定的目标码率
Figure 251317DEST_PATH_IMAGE080
、允许码率误差值
Figure 121184DEST_PATH_IMAGE081
、待划分图像块尺寸
Figure 996736DEST_PATH_IMAGE082
、系数
Figure 150505DEST_PATH_IMAGE083
。
步骤B102，初始的实际编码总比特数
Figure 453311DEST_PATH_IMAGE084
，初始的实际编码码率
Figure 810474DEST_PATH_IMAGE085
以及初始的码流集合
Figure 427400DEST_PATH_IMAGE086
。
Figure 311042DEST_PATH_IMAGE087
代表空集。
步骤B103，将待编码图像
Figure 410848DEST_PATH_IMAGE001
划分为8×8大小的图像块，图像边缘不足8×8的部分使 用0进行填充，总共划分的图像块图像如式（11）所示：
Figure 379941DEST_PATH_IMAGE132
步骤B104，依次将3个通道的12120个图像块分别转化为长度为64的一维向量，并将所 有图像块拼接在一起，构成3个维度为64×12120的二维矩阵
Figure 738241DEST_PATH_IMAGE133
，
Figure 476390DEST_PATH_IMAGE134
和
Figure 324260DEST_PATH_IMAGE135
。
步骤B105，分别对矩阵
Figure 905283DEST_PATH_IMAGE136
、
Figure 660749DEST_PATH_IMAGE137
和
Figure 659929DEST_PATH_IMAGE138
的每一个图像块分别求取均值，得到均值 序列
Figure 209859DEST_PATH_IMAGE139
、
Figure 779643DEST_PATH_IMAGE140
和
Figure 542063DEST_PATH_IMAGE141
，并将所述3个矩阵
Figure 254804DEST_PATH_IMAGE136
、
Figure 382160DEST_PATH_IMAGE137
和
Figure 547562DEST_PATH_IMAGE138
的每一个图像块分别减去该列 对应的均值，得到残差矩阵
Figure 769465DEST_PATH_IMAGE142
、
Figure 602292DEST_PATH_IMAGE143
和
Figure 962866DEST_PATH_IMAGE144
。
步骤B106，采用预先存储的量化码本
Figure 490930DEST_PATH_IMAGE055
，对均值序列
Figure 657470DEST_PATH_IMAGE139
、
Figure 970901DEST_PATH_IMAGE140
和
Figure 299115DEST_PATH_IMAGE141
进行量化， 记量化的均值序列为
Figure 314475DEST_PATH_IMAGE145
、
Figure 956809DEST_PATH_IMAGE146
和
Figure 498649DEST_PATH_IMAGE147
。
步骤B107，采用算术编码算法，对
Figure 387976DEST_PATH_IMAGE145
、
Figure 15267DEST_PATH_IMAGE146
和
Figure 133395DEST_PATH_IMAGE147
进行熵编码，得到码流
Figure 529742DEST_PATH_IMAGE099
和编码比特数
Figure 403020DEST_PATH_IMAGE148
。
步骤B108，更新图像实际的编码比特总数
Figure 143705DEST_PATH_IMAGE149
，更新实际 的编码码率
Figure 190158DEST_PATH_IMAGE150
，更新码流集合
Figure 581957DEST_PATH_IMAGE103
，由于当 前图像实际的编码码率与设定的目标码率的差值
Figure 422874DEST_PATH_IMAGE151
，初始化 迭代次数
Figure 149390DEST_PATH_IMAGE105
，确定参与编码的图像块数目
Figure 937217DEST_PATH_IMAGE152
。
步骤B109，依次计算残差矩阵
Figure 308156DEST_PATH_IMAGE142
、
Figure 195341DEST_PATH_IMAGE143
和
Figure 550098DEST_PATH_IMAGE144
中每个图像块的
Figure 123093DEST_PATH_IMAGE016
范数，得到3组
Figure 348538DEST_PATH_IMAGE016
范数，用以衡量图像块的复杂度，每组分别选取复杂度排在前2224的图像块，并记录这 些图像块在
Figure 99DEST_PATH_IMAGE142
、
Figure 186361DEST_PATH_IMAGE143
和
Figure 112728DEST_PATH_IMAGE144
中的序号，记为
Figure 848472DEST_PATH_IMAGE108
。
步骤B110，基于预先存储的过完备基
Figure 202093DEST_PATH_IMAGE018
，采用OMP算法，依次对所选取的2224个图 像块寻找最匹配的原子，记录原子的序号为
Figure 875651DEST_PATH_IMAGE109
，并求取编码系数
Figure 808972DEST_PATH_IMAGE110
。
步骤B111，采用预先存储的量化码本
Figure 9009DEST_PATH_IMAGE055
，对编码系数
Figure 159630DEST_PATH_IMAGE110
进行量化。
步骤B112，采用算术编码算法，对图像块序号
Figure 710697DEST_PATH_IMAGE108
、最匹配原子的序号
Figure 854234DEST_PATH_IMAGE109
和量化 后的编码系数进行熵编码，分别得到码流
Figure 908777DEST_PATH_IMAGE111
、
Figure 73042DEST_PATH_IMAGE112
、
Figure 970460DEST_PATH_IMAGE113
和编码比特 数
Figure 776742DEST_PATH_IMAGE153
、
Figure 92317DEST_PATH_IMAGE154
、
Figure 958642DEST_PATH_IMAGE155
。
步骤B113，更新当前图像实际编码比特总数
Figure 844820DEST_PATH_IMAGE156
，当前实际编码码率为
Figure 454793DEST_PATH_IMAGE157
，更新码流集合
Figure 359295DEST_PATH_IMAGE119
。由于当前图像实际的编 码码率与设定的目标码率的差值
Figure 865363DEST_PATH_IMAGE158
，迭代次数
Figure 347160DEST_PATH_IMAGE121
，确定参与编码的图像块数目
Figure 885458DEST_PATH_IMAGE159
。
步骤B114，对参与编码的图像块的残差值进行更新。
重复步骤B109-步骤B114，记录每次迭代后，图像实际的编码码率的变化，如表2所示：
表2
迭代次数
Figure 34679DEST_PATH_IMAGE123
 图像实际的编码码率
Figure 383752DEST_PATH_IMAGE011
1 0.143
2 0.223
3 0.293
4 0.354
5 0.409
6 0.459
7 0.504
步骤B115，由于
Figure 352845DEST_PATH_IMAGE160
时，图像实际的编码码率=0.504，与设定的目标码率的差值
Figure 507883DEST_PATH_IMAGE161
，在允许码率误差值范围内。
步骤B116，
Figure 137710DEST_PATH_IMAGE160
时的码流集合
Figure 782318DEST_PATH_IMAGE127
，编码图像
Figure 379652DEST_PATH_IMAGE001
的宽
Figure 135118DEST_PATH_IMAGE162
、高
Figure 852408DEST_PATH_IMAGE163
和通道数
Figure 871179DEST_PATH_IMAGE164
为待编码图像
Figure 814864DEST_PATH_IMAGE001
的压缩结果。
本发明第二实施例的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩系统，该图像压缩系统包括以下模块：
图像获取和参数设定模块，配置为获取待编码图像及其宽
Figure 249388DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 227708DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 574638DEST_PATH_IMAGE004
，并 设定目标码率
Figure 5620DEST_PATH_IMAGE005
、允许码率误差值
Figure 306151DEST_PATH_IMAGE006
、待划分图像块尺寸
Figure 14344DEST_PATH_IMAGE007
和系数
Figure 906077DEST_PATH_IMAGE008
；
图像划分和残差提取模块，配置为对于所述待编码图像的每一个通道，将所述待编码 图像
Figure 214567DEST_PATH_IMAGE001
划分为
Figure 115527DEST_PATH_IMAGE009
的图像块，并分别将每个图像块转化为一维向量，基于所述一维向 量分别提取每个图像块的均值，将每个图像块减去均值，获得每个图像块的残差；
码率计算和差值获取模块，配置为基于待编码图像的宽
Figure 412647DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 944123DEST_PATH_IMAGE003
以及当前累计编码 的总比特数
Figure 84117DEST_PATH_IMAGE010
，计算当前实际编码率
Figure 414866DEST_PATH_IMAGE011
，并计算当前实际编码率
Figure 222285DEST_PATH_IMAGE011
与目标码率
Figure 596766DEST_PATH_IMAGE005
的差值
Figure 224057DEST_PATH_IMAGE012
；
码率判定和跳转模块，若所述差值
Figure 670081DEST_PATH_IMAGE012
在范围
Figure 191061DEST_PATH_IMAGE013
内，则跳转输出模块；若所述差 值
Figure 861077DEST_PATH_IMAGE014
，则返回上一次迭代的码流集合，并跳转输出模块；若所述差值
Figure 116609DEST_PATH_IMAGE015
，则跳转编 码模块；
编码模块，配置为分别对每个图像块的残差计算
Figure 897483DEST_PATH_IMAGE016
范数，结合系数
Figure 617178DEST_PATH_IMAGE008
选取所述
Figure 84193DEST_PATH_IMAGE016
范 数中从大到小的前
Figure 686076DEST_PATH_IMAGE017
个对应的图像块作为当前待编码图像块，基于给定的过完备基
Figure 146007DEST_PATH_IMAGE018
和 稀疏编码算法进行所述当前待编码图像块的残差的稀疏编码、量化和熵编码，获得当前码 流和比特数；
参数更新和跳转模块，配置为更新当前待编码图像块的残差、累计编码的总比特数
Figure 782525DEST_PATH_IMAGE010
、当前实际编码率
Figure 918977DEST_PATH_IMAGE011
和码流集合并跳转码率计算和差值获取模块；
输出模块，配置为输出待编码图像
Figure 945839DEST_PATH_IMAGE001
的宽
Figure 334095DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 434906DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 617626DEST_PATH_IMAGE004
以及每一个通道的码 流集合作为所述待编码图像
Figure 85779DEST_PATH_IMAGE001
的压缩结果。
如图5所示，为本发明基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法一种实施例的系统装置图，系统装置中预先存储有过完备基和量化码本，分别用于稀疏编码和量化，包括：
输入模块，用于接收设定的目标码率、待编码图像、图像块尺寸等参数；
预处理模块，用于将待编码图像划分为互不重叠的图像块、提取各个图像块的均值、提取各个图像块去除均值后的残差值；
缓存模块，用于缓存数据，包括当前图像实际的编码码率、设定的目标码率、待传输码流等；
图像块编码模块，用于选择参与编码的图像块、对所选图像块进行稀疏编码；
量化模块，用于根据预设的量化码本，对输入本模块的数据进行量化；
熵编码模块，用于对本模块的数据进行熵编码，得到待传输码流和编码比特数；输出模块，用于将待传输码流及其他相关的参数发送给信道。
其中，图像编码模块包括：
图像块选择模块，用于在所有图像块中选择复杂度较高的图像块，参与后续的稀疏编码；
稀疏编码模块，用于根据预设的过完备基，为所选取的复杂度较高的图像块寻找最匹配的原子，并求取编码系数。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第三实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法。
本发明第四实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，其特征在于，该图像压缩方法包括：
步骤S10，获取待编码图像
Figure 393429DEST_PATH_IMAGE001
及其宽
Figure 841728DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 762410DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 688778DEST_PATH_IMAGE004
，并设定目标码率
Figure 660407DEST_PATH_IMAGE005
、允许码率误差值
Figure 14028DEST_PATH_IMAGE006
、待划分图像块尺寸
Figure 546641DEST_PATH_IMAGE007
和系数
Figure 152066DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤S20，对于所述待编码图像的每一个通道，将所述待编码图像
Figure 86524DEST_PATH_IMAGE001
划分为
Figure 735680DEST_PATH_IMAGE009
的 图像块，并分别将每个图像块转化为一维向量，基于所述一维向量分别提取每个图像块的 均值，将每个图像块减去均值，获得每个图像块的残差；
步骤S30，基于待编码图像的宽
Figure 21168DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 23759DEST_PATH_IMAGE003
以及当前累计编码的总比特数
Figure 953669DEST_PATH_IMAGE010
，计 算当前实际编码率
Figure 914671DEST_PATH_IMAGE011
，并计算当前实际编码率
Figure 47975DEST_PATH_IMAGE011
与目标码率
Figure 854257DEST_PATH_IMAGE005
的差值
Figure 763307DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤S40，若所述差值
Figure 504998DEST_PATH_IMAGE012
在范围
Figure 765078DEST_PATH_IMAGE013
内，则跳转步骤S80；若所述差值
Figure 499685DEST_PATH_IMAGE014
，则返 回上一次迭代的码流集合，并跳转步骤S80；若所述差值
Figure 263241DEST_PATH_IMAGE015
，则跳转步骤S50；
步骤S50，分别对每个图像块的残差计算
Figure 441413DEST_PATH_IMAGE016
范数，结合系数
Figure 657631DEST_PATH_IMAGE008
选取所述
Figure 71294DEST_PATH_IMAGE016
范数中从大 到小的前
Figure 581035DEST_PATH_IMAGE017
个对应的图像块作为当前待编码图像块；
步骤S60，基于给定的过完备基
Figure 789163DEST_PATH_IMAGE018
和稀疏编码算法进行所述当前待编码图像块的残差 的稀疏编码、量化和熵编码，获得当前码流和比特数；
步骤S70，更新当前待编码图像块的残差、累计编码的总比特数
Figure 633622DEST_PATH_IMAGE010
、当前实际编码 率
Figure 585397DEST_PATH_IMAGE011
和码流集合并跳转步骤S30；
步骤S80，待编码图像
Figure 323546DEST_PATH_IMAGE001
的宽
Figure 92788DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 283598DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 914431DEST_PATH_IMAGE004
以及每一个通道的码流集合为所述 待编码图像
Figure 507086DEST_PATH_IMAGE001
的压缩结果。
2.根据权利要求1所述的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，其特征在于，所述 当前实际编码率
Figure 57016DEST_PATH_IMAGE011
，其计算方法为：
Figure 626800DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 185957DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 508485DEST_PATH_IMAGE003
分别为待编码图像
Figure 229317DEST_PATH_IMAGE001
的宽和高，
Figure 784932DEST_PATH_IMAGE010
为当前累计编码的总比特数。
3.根据权利要求1所述的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，其特征在于，所述 当前待编码图像块，其数量
Figure 616621DEST_PATH_IMAGE017
的计算方法为：
Figure 449448DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 950968DEST_PATH_IMAGE023
为当前实际编码率
Figure 869245DEST_PATH_IMAGE011
与目标码率
Figure 384585DEST_PATH_IMAGE005
的差值，
Figure 806339DEST_PATH_IMAGE024
代表四舍五入操作。
4.根据权利要求1所述的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，其特征在于，步骤S70中更新当前待编码图像块的残差，其方法为：
Figure 868973DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure 884334DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 323405DEST_PATH_IMAGE028
分别代表更新前和更新后的第
Figure 989879DEST_PATH_IMAGE029
个当前待编码图像块的残差，
Figure 488993DEST_PATH_IMAGE030
为过完备 基
Figure 850704DEST_PATH_IMAGE018
中与
Figure 968833DEST_PATH_IMAGE027
最匹配的原子，
Figure 365179DEST_PATH_IMAGE031
表示第
Figure 395715DEST_PATH_IMAGE029
个当前待编码图像块的编码系数。
5.根据权利要求4所述的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，其特征在于，所述 过完备基
Figure 510301DEST_PATH_IMAGE018
中与
Figure 166542DEST_PATH_IMAGE027
最匹配的原子
Figure 417394DEST_PATH_IMAGE030
，其获取方法为：
给定的过完备基
Figure 258311DEST_PATH_IMAGE018
为：
Figure 984828DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 303814DEST_PATH_IMAGE034
为一维向量，代表过完备基
Figure 550118DEST_PATH_IMAGE018
中的第
Figure 561937DEST_PATH_IMAGE035
个原子；
Figure 119957DEST_PATH_IMAGE036
代表实域，
Figure 134312DEST_PATH_IMAGE037
为实域的 维度，
Figure 359757DEST_PATH_IMAGE038
代表过完备基
Figure 152263DEST_PATH_IMAGE018
中包括的原子数量，
Figure 728738DEST_PATH_IMAGE039
代表原子的长度；
计算
Figure 389527DEST_PATH_IMAGE027
和过完备基
Figure 594112DEST_PATH_IMAGE018
中所有原子
Figure 213312DEST_PATH_IMAGE034
的内积，最大内积对应的原子为与
Figure 886870DEST_PATH_IMAGE027
最匹配的原子
Figure 351349DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure 911906DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure 436428DEST_PATH_IMAGE042
代表求最大值操作，
Figure 721916DEST_PATH_IMAGE043
代表求
Figure 865453DEST_PATH_IMAGE027
与原子
Figure 654417DEST_PATH_IMAGE034
之间的内 积。
6.根据权利要求5所述的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，其特征在于，所述 第
Figure 740054DEST_PATH_IMAGE029
个当前待编码图像块的编码系数
Figure 247258DEST_PATH_IMAGE031
，其计算方法为：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
其中，
Figure 460065DEST_PATH_IMAGE027
代表更新前的第
Figure 369115DEST_PATH_IMAGE029
个当前待编码图像块的残差，
Figure 861539DEST_PATH_IMAGE030
为过完备基
Figure 121619DEST_PATH_IMAGE018
中与
Figure 466012DEST_PATH_IMAGE027
最匹配 的原子。
7.根据权利要求1所述的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法，其特征在于，将所 述待编码图像
Figure 370514DEST_PATH_IMAGE001
划分为
Figure 407740DEST_PATH_IMAGE009
的图像块时，若边缘部分不足
Figure 14171DEST_PATH_IMAGE009
，则使用0进行填 充。
8.一种基于稀疏编码的码率控制的图像压缩系统，其特征在于，该图像压缩系统包括以下模块：
图像获取和参数设定模块，配置为获取待编码图像
Figure 427835DEST_PATH_IMAGE001
及其宽
Figure 186844DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 394971DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 364064DEST_PATH_IMAGE004
，并 设定目标码率
Figure 941938DEST_PATH_IMAGE005
、允许码率误差值
Figure 680087DEST_PATH_IMAGE006
、待划分图像块尺寸
Figure 934482DEST_PATH_IMAGE007
和系数
Figure 390871DEST_PATH_IMAGE008
；
图像划分和残差提取模块，配置为对于所述待编码图像的每一个通道，将所述待编码 图像
Figure 880758DEST_PATH_IMAGE001
划分为
Figure 863627DEST_PATH_IMAGE009
的图像块，并分别将每个图像块转化为一维向量，基于所述一维向 量分别提取每个图像块的均值，将每个图像块减去均值，获得每个图像块的残差；
码率计算和差值获取模块，配置为基于待编码图像的宽
Figure 679136DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 232608DEST_PATH_IMAGE003
以及当前累计编码 的总比特数
Figure 526186DEST_PATH_IMAGE010
，计算当前实际编码率
Figure 865026DEST_PATH_IMAGE011
，并计算当前实际编码率
Figure 851436DEST_PATH_IMAGE011
与目标码率
Figure 157784DEST_PATH_IMAGE005
的差值
Figure 989474DEST_PATH_IMAGE012
；
码率判定和跳转模块，若所述差值
Figure 556721DEST_PATH_IMAGE012
在范围
Figure 573088DEST_PATH_IMAGE013
内，则跳转输出模块；若所述差值
Figure 491365DEST_PATH_IMAGE014
，则返回上一次迭代的码流集合，并跳转输出模块；若所述差值
Figure 2112DEST_PATH_IMAGE015
，则跳转编码 模块；
编码模块，配置为分别对每个图像块的残差计算
Figure 423866DEST_PATH_IMAGE016
范数，结合系数
Figure 752079DEST_PATH_IMAGE008
选取所述
Figure 518172DEST_PATH_IMAGE016
范 数中从大到小的前
Figure 957244DEST_PATH_IMAGE017
个对应的图像块作为当前待编码图像块，基于给定的过完备基
Figure 374450DEST_PATH_IMAGE018
和 稀疏编码算法进行所述当前待编码图像块的残差的稀疏编码、量化和熵编码，获得当前码 流和比特数；
参数更新和跳转模块，配置为更新当前待编码图像块的残差、累计编码的总比特数
Figure 873564DEST_PATH_IMAGE010
、当前实际编码率
Figure 235276DEST_PATH_IMAGE011
和码流集合并跳转码率计算和差值获取模块；
输出模块，配置为输出待编码图像
Figure 337093DEST_PATH_IMAGE001
的宽
Figure 999018DEST_PATH_IMAGE002
、高
Figure 278821DEST_PATH_IMAGE003
和通道数
Figure 393407DEST_PATH_IMAGE004
以及每一个通道的码 流集合作为所述待编码图像
Figure 812099DEST_PATH_IMAGE001
的压缩结果。
9.一种存储装置，其中存储有多条程序，其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现权利要求1-7任一项所述的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法。
10.一种处理装置，包括：
存储装置，适于存储多条程序；
以及处理器，适于执行多条程序；
其特征在于，所述多条程序适于由处理器加载并执行以实现权利要求1-7任一项所述的基于稀疏编码的码率控制的图像压缩方法。
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