CN114449241B - 一种适用于图像压缩的色彩空间转化算法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于视频编码技术领域，具体为一种适用于图像压缩的色彩空间转化算法。本发明方法包括：对于在RGB域上待编码的图片，通过对编码器得到其预测值和原始像素值之间的残差进行主成分分析，得到可以有效去除残差相关性的线性变换矩阵；通过此变换矩阵对图形进行变换后再进行压缩和编码。相比于使用标准BT.601直接进行变换，本发明具有更高效地去相关能力，从而可以有效地提升图像编码器对图像的压缩能力。

Description

一种适用于图像压缩的色彩空间转化算法
技术领域
本发明属于视频编码技术领域，具体为一种适用于图像压缩的色彩空间转化算法。
背景技术
图像信息是互联网多媒体中的重要信息组成部分。有效地减少其消耗的存储空间一直是重要的研究任务。传统编码器在设计时，较少地从色彩空间的角度进行考虑。而标准中，比如BT.601规定的YUV的色彩空间包含了大量的冗余。这意味着，设计更好的色彩空间转化技术可以有效地提升编解码器的压缩能力。此外，针对特定编解码器优化的色彩空间转化的工作则自然地可以进一步提升压缩性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于图像压缩的色彩空间转化算法，以有效地提升编码器的压缩性能。
本发明方法的原理推导如下：
首先，定义变换矩阵T和偏置系数P的变换，以实现RGB到YUV的转换：
如果变换矩阵T和偏置系数P被规定为和BT.601的标准一致，那么得到的YUV变换结果也是一致的。这里，我们希望找到更好的变换矩阵T和偏置系数P以实现YUV之间更强的去相关。为此，对公式(1)的两端同时减去T[RT GT BT]T得到：
由于这里的T和[RT GT BT]T均是未知的，没有约束，所以不妨添加约束认为T是[R-RT G-GT B-BT]T的特征向量。根据主成分分析法的原理，知道其在三行上的相关性从线性的角度来看，被完全去除了。使得[Y-Ypred U-Upred V-Vpred]T等于这一项，得到：
整理可得：
由公式(1)，可以得到近似等式：
联立公式(4)和(5)，可以找到需要的[RTGTBT]T一组近似解：
在求解出[RT GT BT]T之后，就可以使用主成分分析法，求解出变换矩阵T和偏置系数P，从而得到近似完全去除残差相关性的色彩空间转化方法。在编码端进行正变换，从RGB到变换域，在解码端进行相应的反变换，从变换域到RGB域。具体地，本发明提出适用于图像压缩的色彩空间转化算法，具体步骤如下：
(1)首先需要计算残差。
将输入图片送入到图像编码器中，得到预测的图像；使用预测图像和原始图像做差，得到残差图像；
(2)对残差进行去相关操作。
对残差进行主成分分析，可以得到变换矩阵T和偏置系数P；在此变换矩阵T变换下得到的残差是去线性相关的，使用此偏置P对输入图像进行变换，得到的变换域图像；其经过压缩时，因为预测值被减去了，所以得到残差仍然是去相关的；
(3)图像信息和变换信息的编码和解码。
将变换后的图像送入到图像编码器进行有损编解码；同时，变换矩阵T和偏置P也送入无损的熵编码器进行编码，得到全部的码流；在解码端，利用编码得到的码流解码得到两部分：在变换域中的有损的图像，以及变换矩阵和偏置；
(4)图像反变换。
将变换矩阵T和偏置P作用在解码图像上，可以将变换域的图像变回到原始RGB域上，从而完成整个编解码过程。
本发明通过变换矩阵对图形进行变换后再进行压缩和编码。相比于使用标准BT.601直接进行变换，具有更高效地去相关能力，从而可以有效地提升图像编码器对图像的压缩能力。
附图说明
图1本发明方法流程图示。
具体实施方式
下面以H.266/VVC编码标准的参考软件VTM为例，介绍如何将所设计的方法融入其中以提升其编码性能。
(1)对于输入的在RGB域上的图像x，将其直接送入到图像编码器中，通过DC模式，按照16x16划分，计算得到每一个块的均值，以此作为预测图像计算出残差图像r:
(2)对残差r进行主成分分析，可以得到变换矩阵T和偏置系数P。使用此变换和偏置对输入图像进行变换，得到的变换域图像y：
y＝Tx+P， (8)
(3)图像信息和变换信息的编码和解码。将变换后的图像y送入到图像编码器VTM进行有损编解码。同时，变换矩阵和偏置也需要送入无损的熵编码器进行编码，得到全部的码流。在解码端，可利用编码得到的码流解码得到两部分：在变换域中的有损的图像，无损压缩的变换矩阵和偏置。其中有损压缩过程可以写为：
(4)图像反变换，通过将变换矩阵T和偏置系数P作用在解码图像上，可以将变换域的图像变回到原始RGB域上，得到RGB域的解码图像
事实上，因为变换矩阵往往是正交矩阵，这里的逆变换也可以使用变换矩阵T的转置，而非求逆来减少计算量。即解码图像可以通过如下的式子计算得到：

Claims (1)

1.一种适用于图像压缩的色彩空间转化算法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)首先计算残差图像，具体为，将RGB域的输入图像送入到图像编码器中，得到预测图像；使用预测图像和输入图像做差，得到残差图像；
(2)对残差图像进行去相关操作，具体为，对残差图像进行主成分分析，得到变换矩阵T和偏置系数P；使用所述变换矩阵T和偏置系数P对输入图像进行色彩空间转化，得到YUV变换域图像；
(3)图像信息和变换信息的编码和解码，具体为，将所述YUV变换域图像送入图像编码器进行有损编码；将所述变换矩阵T和偏置系数P送入无损熵编码器进行无损编码，进而得到全部码流；在解码端，对编码得到的所述全部码流进行解码，得到YUV变换域中的有损图像，以及所述变换矩阵T和偏置系数P；
(4)图像反变换，具体为，将所述变换矩阵T和偏置系数P作用在所述有损图像上，使得YUV变换域的图像变回到RGB域上，进而得到RGB域的解码图像，从而完成整个编解码过程。
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