CN1280745A - 数字图象压缩率的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数字图象压缩率的控制方法。本方法在于借助缩写称为JPEG的传统方法压缩数字图象。可通过修改JPEG方法的参数、即比例系数来修改图象的压缩率。根据本发明,该比例系数被修改,直到所获得的压缩率在所需压缩率的容许范围内为止。该方法使用对作为比例系数函数的实际压缩率曲线的近似,以便减少为了达到所需压缩率需要迭代的次数。
Description
本发明涉及数字图象压缩率的控制方法。
随着新应用的发现数字图象的量正在与日俱增。但是，为了显示单个数字图象，需要庞大的数据。一般地说，该数据量如此地大，以致按照其原始显示存储及传输图象成本极高并因此是不实际的，从信号数字处理的观点及经济的观点来看均如此。
现在，已经开发出各种图象压缩算法。由于ITU(国际通信联盟)及ISO(国际标准化组织)之间的共同努力，结果产生了以名称JPEG(联合摄影专家组)著称的静止图象压缩标准。该算法被规定在“ITUT推荐项T．81，连续色调的静止图象的数字压缩及编码”(1992年9月)中，并在W．B．Pennebaker及J．L．Mitchell著的“JPEG静止图象压缩标准”-Van Nostrand Reinhold，New York，NY，USA，1993-中有充分的说明。
在使用JPEG算法时，其压缩率、即未压缩图象的位数与压缩图象的位数之比是根据图象的复杂性而变化的。于是，例如，对于基本相同的重现图象质量，带有几朵云彩的天空图象的压缩率是一个体育场中人群图象的压缩率的两倍或三倍、甚至更高。
在许多应用中，希望或必需具有能对所采集的图象的压缩率进行控制的用户程序和／或系统。在一种数字图象摄取装置、如照相机中，重要的是，考虑压缩图象的规模，以便在控制下保持该装置存储器的分配。
在传输静止图象或图象序列的网络中压缩率的控制同样是重要的。在这些网络中，传输一个压缩图象的规定时间是固定的，或至少是受限制的，且不能超过一定的值，这就排除了使用不控制压缩率的编码方案。
本发明旨在实现一种图象压缩方法，其中能以极佳的精度选择压缩率。
为了达到该目的，根据本发明，其特征在于包括以下操作步骤：
-借助具有至少一个允许修改压缩率-即未压缩图象规模与压缩图象规模之比-的参数的传统方法压缩数字图象，
-确定所述传统方法的压缩率，
-检验该压缩率是否在一个给定压缩率值的容许范围内，
-如果该压缩率不包含在容许范围内，修改所述参数，及
-重复图象压缩，直到该压缩率包括在该容许范围内。
根据一个优选实施形式，传统的压缩方法是JPEG方法，及被施加影响的参数是用于修改由JPEG算法所使用的标称矩阵值的比例系数。
在根据本发明的方法中，将有利地确定一个初始比例系数，使用该初始比例系数第一次运用JPEG方法，及如果实际压缩率不在给定压缩率容许范围内，则修改该比例系数时重新运用所述方法。
根据该方法的一个有利实施方式，当实际压缩率小于给定压缩率时增加比例系数，而当实际压缩率大于给定压缩率时减小比例系数。
有利地，比例系数被修改成代表压缩比的至少部分线型模型的函数作为比例系数的函数。
最好，使用所述初始比例系数确定实际压缩率，用具有预定斜率m0的并通过一个点的直线来近似作为代表比例系数的函数的压曲线，该点以初始比例系数作为横坐标及使用初始比例系数运用JPEG方法获得的实际压缩率作为纵坐标，根据近似直线及给定压缩率确定比例系数，重新使用该新的比例系数运用JPEG方法，确定实际压缩率是否在给定压缩率容许范围内，如果实际压缩率在该范围内终止该方法，否则根据作为比例系数的函数的实际压缩率曲线的近似直线确定新的比例系数。
根据一个实施变型，代表作为比例系数的函数的实际压缩率曲线是通过具有不同斜率及形成连续曲线的直线段来有利地近似的。
参考本发明的两个非限制性实施方式及附图的说明将会更好地理解本发明，附图为：
-图1是表示根据本发明的方法的第一实施方式的框图；
-图2a至2d概要地表示图1方法中不同步骤上的压缩率；
-图3是根据本发明的方法的第二实施方式的框图；及
-图4a至4d表示图3方法中不同步骤上的压缩率。
根据本发明的方法是基于JPEG算法并能完全地与其相兼容。该算法的主要步骤规定如下。
待压缩的图象被分成8×8的象素块。然后按顺序对每个象素以相同方式分开地处理。对于一个8×8象素块的本发明方法的各步骤将描述于下。
每个块与一个8行、8列的矩阵相关，以下称其为“块矩阵”。
将该矩阵乘以一个缩写为2D-DCT(2维-离散余弦变换)的公知线性变换核，如在JPEG算法中所规定的。该离散余弦变换(DCT)将空间域中的8×8象素变换为频率域中的8×8系数。该变换的目的是去原始数据的相关性及在变换频谱的低频部分中在少量系数之间重新分配信号能量。
该变换产生了一个结果矩阵，它包含在矩阵左上方区域中的相对大值及其余的相对小值。包含大值的区域规模取决于图象的复杂性。
基于心理视觉分析，规定了一个标称矩阵。该矩阵用于量化从视觉观点出发使用小量化步长关系重大的DCT系数，而对于其余的系数使用大量化步长。
DCT系数的量化是压缩的主要机制，但也丢失了信息。本系统通过执行量化器输出的平均信息量编码增加压缩程度。
标称矩阵可借助一个称为比例系数的系数来进行定标，该系数可取大于零的任何实数值。通过修改该系数值，可以修改由JPEG方法给出的压缩率。比例系数的值愈大，所获得的压缩率愈大，反之亦然。
本发明使用一种不会使图象质量有任何降级的方法，确定了通过进行最少数目的迭代求得比例系数的有效方式。
所提出的方法是基于发明人展示的事实，即比例系数与用JPEG压缩方法所获得的压缩率之间的关系是准线性的特性。
以下参照图1及2来描述本方法的第一实施方式。
如已描述的，本发明是基于这样的发现，即在比例系数与图象压缩率之间可以确立一种关系。这种关系可以用将比例系数SF置于横坐标轴及将压缩率CR置于纵坐标轴的曲线图表示。
本方法的该第一实施形式是基于：压缩率作为比例系数的函数是一个严格线性模型。
在该方法的第一步骤10中，确定最后要达到的压缩率。该压缩率被称为给定压缩率并缩写为CRT。它在图2a至2d中被用标记为110的直线表示。该压缩率可在压缩率控制系统中明确地被确定，或由用户主要根据所需图象的质量、待存储到数据存储器中的图象数目或传输通道容量来确定。
在该方法的同一步骤10中，确定一个初始的比例系数SF1。通常，该初始比例系数仅确定一次以后不再确定。根据该方法所述实施例方式，将该初始比例系数确定为1。
在第二步骤11中，使用JPEG来压缩输入图象，在该同一步骤中计算实际压缩率CR1。
在该方法的步骤12中，确定所获得的实际压缩率CR1及给定压缩率CR1之间的相对误差。如果该相对误差小于一个预定阈值，如+5％，则终止该方法并存储或传输图象。这相应于图1中的步骤30。给定压缩率及实际压缩率之差在图2d中以ΔCR表示。
在相反的情况下，步骤13在于确定代表作为比例系数的函数的压缩率的直线，该直线模拟作为比例系数的函数的压缩率的实际曲线。该直线通过具有横坐标为SF1=1及纵坐标为CR1的点P1。其斜率m0在压缩率的控制系统中被确定。该斜率被确定为一组测试图象的平均斜率。
该直线以下列方式描述：
cr=m0·sf+b0式中cr为压缩率，sf为比例系数及b0为原始纵坐标。该直线在图2b，2c及2d上的标记为111。
b0的值由下式给出：
b0=CR1-m0·SF1
然后，在该方法的步骤14中借助上述确定的直线来确定与要获得的压缩率相对应的比例系数值。
在给定压缩率上，有：CRT=m0·SF2+b0由此得到： SF2=(CRT-b0)／m0
这允许计算作为给定压缩率及由第一次近似获得的实际压缩率的函数的一个新的比例系数。
在该方法步骤上，用比例系数SF2重新运用JPEG算法，这相应于图1中步骤15。在该同一步骤中，确定出实际压缩率CR2。这相应于图2c。在图2c中表示出具有坐标值SF2及CR2的点P2。
在步骤16中，将所获得的值于压缩率值CRT相比较。如果它们的差值小于5％，则结束该方法。
在相反的情况下，使用一个模拟的直线，它通过具有横坐标为SF1=1及纵坐标为CR1点P1及通过具有横坐标为SF2及纵坐标为CR2点P2。这在步骤17中执行。该直线在图2d中其标记为112。它具有下式给出的斜率：
m1=(CR2-CR1)／(SF2-SF1)如上地，确定出一个新的模型：
cr=m1·sf+b1式中： b1=CR1-(m1·SF1)=CR2-(m1·SF2)在给定压缩率CRT的点上，有：
CRT=m1·SF3+b1由此可得： SF3=(CRT-b1)／m1
该值SF3的确定是在该方法的步骤18中执行的。我们再使用一次JPEG算法以获得实际压缩率CR3。这相应于图1中步骤19。
在步骤20上，将该实际压缩率CR3与给定压缩率CRT相比较，及如果这两个压缩率的差小于预定值，则终止该方法。
在相反的情况下，该方法将使用作为近似直线的通过后两点并具有计算出的坐标对SF及CR的直线。
该方法被进行下去，直到实际压缩率值相对给定压缩率在可接受限度内。通常，该状态可在一次至三次迭代后实现，这时实际压缩率及给定压缩率之间的相对差值应小于或等于5％。此外，图2d表示出作为比例系数的函数的实际压缩率曲线。该曲线的标记为113。
图3及4表示根据本发明的方法的第二实施方式，其中可进行多次迭代。通过使用初始比例系数SF1=2及使用对代表作为比例系数的函数的实际压缩率的更好近似曲线如上所述地开始该方法可达此目的。
在图1及2所示的实施方式中，作为比例系数的函数的压缩率被近似为一直线，而在图3及4所示的实施方式中，压缩率被近似为形成连续曲线的一些直线段，作为在使用SF1作比例系数的迭代后获得的实际压缩率的函数，在比例系数不同区域中的各线段的斜率不同。
在步骤40中，引入了给定压缩率CRT。
在步骤41中，使用给定的比例系数，例如2运用JPEG方法来确定实际压缩率CR1。
在步骤42中，将CR1的值与给定值CRT相比较。如果这两个值的相对误差小于一个预定阈值，如5％，则终止该方法并存储或传输图象。这相应于步骤50。在相反情况下，该方法以上述步骤继续进行。
对作为比例系数的函数的压缩率曲线的近似可以确定出不同斜率的区域。每个区域由具有给定斜率的线段形成。每个区域的斜率将根据下列表中的等式m=f(CR1)作为值CR1的函数来选择，在表中作为具体实施例确定出形成6个直线段的6个区域。
| 区号 | 比例系数 | 斜率 |
| 1 | sf＜1．0 | m1=0．4939CR1-0．7964 |
| 2 | 1．0≤sf＜1．5 | m2=0．3947CR1-0．3122 |
| 3 | 1．5≤sf＜2．0 | m3=0．2894CR1+0．6224 |
| 4 | 2．0≤sf≤5．0 | m4=0．1565CR1+1．6517 |
| 5 | 5．0＜sf≤10．0 | m5=OCR1+3．0175 |
| 6 | Sf＞10 | m6=-0．1098CR1+3．8832 |
作为实际值CR1的函数，应选择最适合的直线，即最近似作为比例系数的函数的压缩率实际曲线的直线。这是在图3所示的方法步骤43中实现的。
然后，在步骤44中，使用由合适斜率m及点(CR1，CR2)给定的线段模型来确定与给定压缩率CRT相对应的比例系数SF2。再使用SF2运用方法JPEG，其结果得到CR2。
在步骤45中，如果计算出的该压缩率CR2与给定压缩率CRT之间的相对差值小于一个预定阈值，例如5％，该方法即终止。在相反情况下，执行该方法的进一步迭代。
迭代的次数取决于所需的精度，当一旦在取决该精度值的限度内达到给定压缩率时，便终止该方法。
现在参照图4a至4d来描述一个具体的实施方式。在该实施方式中，假定所求的比例系数包含在5及6之间。
该方法的各步骤被描述如下。
给出一个给定压缩率，其缩写为CRT，如图4a中所示。该图还包括一个代表作为比例系数函数的压缩率的曲线200。
使用一个等于2的比例系数来压缩输入图象。所产生的压缩率称为CR1(见图4a)。
如果CRT及CR1之间的相对误差的绝对值小于一个预定阈值，例如5％，则结束该方法。在相反情况下，它将继续下去。
然后，借助上述表格确定与作为比例系数函数的压缩率相近似的直线的斜率。在上述例中，比例系数与区5相对应，其中5．0＜sf≤10。但是，从点(2，CR1)开始，首先要使用表中的区4。通过具有值m4及点(SF1=2，CR1)就隐含地确定了原始纵坐标b4，正如标记为201的模拟直线cr=m4．sf+b4所示。然后使用该模拟直线求出与压缩率cr=CRT相对应的比例系数。该求得的比例系数称为SF2(见图4a)。
在图示的情况下，SF2＞5。接着使用模拟直线201即cr=m4．sf+b4来求与比例系数sr=5对应的压缩率CR。该操作确定了点(5，CRV)(见图4b)。
将CR1的值代入上述表的区5中，以求得用于区域5＜sf≤10的模拟直线的斜率m5。在图4b中该模型的标记为202。通过具有值m5及点(5，CRV)就隐含地确定了值b5，正如模拟直线cr=m5．sf+b5所示。
这时使用该模型求出与压缩率cr=CRT相对应的比例系数。该求得的比例系数称为SF2。在SF2前面的值变为SF2’。
然后使用由值SF2定标的标称矩阵来压缩输入图象。CR2被称为产生的压缩率(见图4c)。
如果CRT及CR1之间的相对误差的绝对值小于一个预定阈值，例如5％，则结束该方法。否则，它将继续下去。
为了更精确地接近CRT的值，这时需要调整原始纵坐标b5。斜率m5及点(SF2，CR2)就隐含地确定了更精确的、作为比例系数函数的输入图象压缩率的特征的模型cr=m5．sf+b5’。使用该新模型，可确定与压缩率cr=CRT相对应的比例系数。该比例系数被称为SF3。
最后，使用SF3作为标称矩阵的比例系数来压缩输入图象。CR3被称为产生的压缩率(见图4d)。如果CR3及CRT之间的相对误差小于一个预定阈值，则结束该方法。在相反情况下，该方法将以类似上述的方式继续下去。
虽然在该方案中所应用的基本原理与上述方法中的原理相同，但比上述实施方式能更快地达到给定压缩率CRT。
根据本发明的方法能选择压缩率及由此选择存储图象所需的存储空间或所需的传输时间。
该压缩率的选择可由用户选择执行，或在设计编码系统时，以不能修改的方式规定多个压缩率值。
本发明不被限制在所述的实施形式上，而应覆盖对于本领域的技术人员显而易见的所有变型。尤其是，初始比例系数可被修改，以便能更快地达到所需的结果。同样，对作为比例系数函数的压缩率的曲线的模拟可以优化。此外，可根据所需精度来选择压缩率值的容差。
更确切地，刚才对本发明的说明所涉及的情况是其中给定压缩率可选择在与大量可能的应用系统相对应的值的范围内。但是，如果给定压缩率被限制在某些预先规定的恒定值上，可以优化比例系数与压缩率的关系，并可维持在本发明的范围内，以致使该系统会聚到给定压缩率所需的迭代次数可减少到2。
Claims (7)
1．数字图象压缩率的控制方法，其特征在于包括以下操作步骤：
-借助一种包括至少一个允许修改压缩率-即未压缩图象规模与压缩图象规模之比-的参数的传统方法压缩数字图象，
-确定所述传统方法的压缩率，
-检验该压缩率是否在一个给定压缩率值的容许范围内，
-如果该压缩率不包含在容许范围内，修改所述参数，及
-重复图象压缩，直到该压缩率包括在该容许范围内。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于：传统的压缩方法是联合摄影专家组、即缩写称为JPEG的方法，及被施加影响的所说参数是用于修改JPEG处理算法所使用的标称矩阵值的比例系数。
3．根据权利要求2的方法，其特征在于：该方法包括确定一个初始比例系数，使用该初始比例系数第一次运用JPEG方法，及然后如果实际压缩率不在给定压缩率容许范围内，则修改该比例系数重新运用所述方法。
4．根据权利要求2或3的方法，其特征在于，该比例系数为：
-当实际压缩率小于给定压缩率时增加，及
-当实际压缩率大于给定压缩率时减小。
5．根据权利要求4的方法，其特征在于：比例系数被修改成至少代表压缩率的部分线性的 模型的函数作为该比例系数的函数。
6．根据权利要求3的方法，其特征在于：
-使用所述初始比例系数确定实际压缩率，
-用具有预定斜率m0并通过一个点的直线来近似代表作为比例系数的函数的压缩率的曲线，该点以初始比例系数作为横坐标及使用初始比例系数运用JPEG方法获得的实际压缩率作为纵坐标，
-根据近似直线及给定压缩率确定比例系数，
-使用该新的比例系数运用JPEG方法，
-检验实际压缩率是否在给定压缩率容许范围内，
-如果实际压缩率在该范围内终止该方法，否则
-根据作为比例系数的函数的实际压缩率曲线的近似直线确定新的比例系数。
7．根据权利要求6的方法，其特征在于：代表实际压缩的曲线近似成由具有不同斜率及形成连续曲线的直线段的比例系数的函数。
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