CN1281063C - 动画快速压缩及解压方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压缩比的动画快速压缩及解压方法。该压缩方法依次包括下列步骤：将动画文件内所有图形转换为低色阶图形；遮蔽该低色阶图形中相同的部分；对经过遮蔽的图形进行剪切，保留其有效部分；根据输出设备的特点生成对应的调色板；根据该有效部分的色阶，通过字典压缩获取动画压缩文件。该解压方法依次包括下列步骤：根据压缩字典类型解压动画压缩文件，获取解压图形；根据该解压图形的遮蔽方式将其合成为完整图形；根据输出设备的调色板，确定将该完整图形还原为初始色阶的算法；根据该算法对该完整图形进行转色，获取当前图形；通过贴图在输出设备上播放该当前图形。本发明压缩率高且在数据传输及解压运算上不会造成空间及时间的浪费。

Description

动画快速压缩及解压方法

一、技术领域

本发明涉及一种图形压缩及解压方法，尤其是一种高压缩比的动画快速压缩及解压方法。

二、背景技术

当前，各种便携式电子设备在大家的生活中运用的范围十分广泛，例如移动电话、PDA、MMV、掌上计算机等等。随着多媒体技术的不断发展，由于其所具备的多种声光效应，在上述便携式电子设备上播放这些各种多媒体信息是广大用户的所共同期望的。

动画文件一般都较大，为了适应在便携式电子设备上播放，通常需要对其进行压缩处理。现有的动画压缩方法分为两类：

1、将每一帧内容分别压缩，然后在播放时逐帧解压缩显示出来。此类方法实现简单，但压缩率往往很不理想；

2、将动画内容视为一个整体，将颜色信号与亮度信号及色度信号分离，然后作有损压缩，如MPEG.，其优点是压缩率高，但运算量大。在使用低速芯片的设备上无法流畅播放。大多数此类压缩算法基于24位RGB色域空间。针对当前大量手持设备的LCD仅12bit的色深，在数据传输及解压运算上造成空间及时间的双重浪费。

并且在现有的各种便携式电子设备上，所提供的硬件条件也千差万别。在电子设备上播放多媒体信息，特别是动画文件时，由于需要对压缩的动画文件进行解压，因此对电子设备的硬件，特别是处理器及储存设备有一定的要求，如果想在某些配置较低的电子设备上播放动画时，播放效果往往会不是十分理想。

三、发明内容

本发明解决了背景技术中的动画压缩方法存在的压缩率低以及在数据传输及解压运算上造成空间及时间的双重浪费的技术问题。

本发明的技术解决方案是：一种动画快速压缩方法，其特殊之处在于：该方法依次包括下列步骤：

110)将动画文件内所有图形转换为低色阶图形；

120)遮蔽该低色阶图形中相同的部分；

130)对经过遮蔽的图形进行剪切，保留该遮蔽的图形的有效部分；

140)根据输出设备的特点生成对应的调色板；

150)根据该有效部分的色阶，通过字典压缩获取动画压缩文件。

上述步骤120)中当该低色阶图形使用关键帧遮蔽方式时，其按下列步骤进行：

210)选择动画文件内第一帧为关键帧，其它图形作为后续帧；

220)对后续帧以第一帧为模板进行比较生成遮蔽，在此过程中设定一个数值，当某帧的遮蔽面积小于此数值时，将此帧也当作关键帧，不进行遮蔽，在此之后的动画就以前面的关键帧分别进行比较后取遮蔽面积大的，进入步骤130。

上述步骤120)中当该低色阶图形使用次序帧遮蔽方式时，其按下列步骤进行：

230)将动画文件内的每幅图形作为单独帧；

240)从第2帧开始，将每一帧中与前一帧相同的地方进行遮蔽，最后进入步骤130。

一种动画快速解压方法，其特殊之处在于：该方法依次包括下列步骤：

310)根据压缩字典类型解压动画压缩文件，获取解压图形；

320)根据该解压图形的遮蔽方式将其合成为完整图形；

330)根据输出设备的调色板，确定将该完整图形还原为初始色阶的算法；

340)根据该算法对该完整图形进行转色，获取当前图形；

350)通过贴图在输出设备上播放该当前图形。

上述步骤310)中当该解压图形使用关键帧遮蔽方式时，其按下列步骤进行：

410)首先对该压缩文件内的关键帧进行解压；

420)然后对该压缩文件内的遮蔽帧进行解压；

430)根据所裁去的遮蔽部分的位置讯息，将遮蔽帧像素及关键帧的像素合并为完整图形，最后进入步骤320。

上述步骤310)中当该解压图形使用次序帧遮蔽方式时，其按下列步骤进行：

440)首先对该压缩文件内的单独帧进行解压；

450)然后对该压缩文件内的遮蔽帧进行解压，最后进入步骤320。

上述步骤320)中使用次序帧遮蔽方式将解压图形合成为完整图形时，其按下列步骤进行：

510)丢弃解压所得到的遮蔽部分的像素步骤；

520)将解压得到的非遮蔽像素与上一帧进行合成，得到当前帧的完整图形，最后进入步骤330。

与现有的方法相比，本发明提供的压缩及解压方法，综合使用了多种技术和优化方法的高压缩比的动画快速解压缩/解压/显示方案，实现很高的动画压缩率，以及快速的解压显示性能及并充分发挥了主机宽广的色域范围。从而解决了传统方法压缩效率低，解压运算浪费空间及时间等问题，使在低硬件配置的彩色机播放动画能更加流畅。

四、附图说明

图1为本发明的动画快速压缩方法的流程图；

图2为本发明遮蔽该低色阶图形中相同的部分的方法流程图；

图3为本发明的动画快速解压方法的流程图；

图4为本发明根据压缩字典类型解压动画压缩文件的方法流程图；

图5为本发明使用关键帧遮蔽方式时将解压图形合成为完整图形的方法流程图；

图6为本发明具体应用实施例的示意图。

五、具体实施方式

参见图1，本发明的动画压缩方法依次按以下步骤进行：

110)将动画文件内所有图形转换为低色阶图形；

120)遮蔽该低色阶图形中相同的部分；

130)对经过遮蔽的图形进行剪切，保留其有效部分；

140)根据输出设备的特点生成对应的调色板

150)根据该有效部分的色阶，通过字典压缩获取动画压缩文件。

动画文件由一系列内容相似的图形构成，但构成动画的图形的往往是真彩等储存格式的图片，例如为24bit色或更高的图形，其文件大小过大，不适合在配置相对与计算机较低的便携式电子设备中进行播放。所以首先需要将对动画文件内所有图形的资料进行简化，也就是将动画文件内原始图形通过压缩转为256色或16色图形的低色阶图形，以降低图形的资料量及资料复杂度。对一全彩(如24bit色或更高)图形，我们可根据其内容采用抖色或者选色的方法转为256色的图形，仍然可保持图形原有的观感。常见的抖色方法有双线抖色及佛洛伊德-司登堡抖色等方法；选色较常用的方法则有球壳选色等。

抖色或者选色的方法利用人眼对亮度信息敏感而对颜色信息不敏感的特性，以很少的颜色数目取代成千上万种颜色，而有近似的显示效果，使图形资料大为简化与缩小。同其它有损压缩的方法一样，本方案将图形转为256色实际上也会丢弃部分图形信息。采用常见的球壳选色法或佛络伊得-斯腾堡抖色皆可取的较理想的效果。对于使用颜色数本来很少的图形，可以转为16色的图形以进一步降低资料量。

参见图2，当步骤120)中该解压图形使用关键帧遮蔽方式时，其按下列步骤进行：

210)选择动画文件内某一帧为关键帧，其它图形作为后续帧；

220)对后续帧中与关键帧内相同的部分进行遮蔽，然后进入步骤130。

当步骤120)中该解压图形使用次序帧遮蔽方式时，其按下列步骤进行：

230)将动画文件内的每幅图形作为单独帧；

240)从第2帧开始，将每一帧中与前一帧相同的地方进行遮蔽，最后进入步骤130。

采用图形转色压缩的图形在资料内容较为单一时能获得较高的压缩率。但如果每一副图形都以大色块构成，其表现力不免有所折扣。而且即便以较少颜色绘制简单图形，不管压缩算法如何先进，其压缩后的图片尺寸也只会趋近一较小的熵(即无数据冗余的理想值)；对于具有一定具体内容的彩色图形，此值仍相当大。

由于动画是上下有一定关联的序列画面，将每一幅图形都可以看作是一帧。所以，本发明采用遮蔽(Shadow Mask)技术来简化待压缩图形。对动画来说，每一帧画面都可能和其前面或后面的画面有所相同。而不同的部分，也就是变化的部分往往只占到全部画面的20％不到。假定我们已知上一画面的内容，那么下一画面只需知道不同的20％就可以绘制出来。基于这种思想，在压缩之前先对所有的图形进行内容比较，将相同的冗余部分变为MaskShadow，这样就使得Mask Shadow占到待压图形的大部分面积，也就是说去除了冗余内容的Shadowed图形文件中绝大部分面积都是同一种颜色，也就是Mask Shadow的颜色。经过上述处理过的图形压缩后的图形资料量从总体上已远小于只采用转色压缩的结果。

本发明使用的遮蔽技术包括关键帧遮蔽及次序帧(Sequenced Mask)遮蔽两种方式。假定有一组动画共十帧，如后九帧同第一帧比较平均每帧帧相同的像素为70％，而同第二帧比较则可能平均每帧相同的像素为80％。全部都比一遍则需比较几十次，如帧数较多则全部比较的次数以平方关系随帧数上升。

其中，关键帧法遮蔽方式的原则如下：先以第一帧为关键帧，其后的帧以此帧为模板进行比较生成Mask Shadow，在此过程中设定一个Gain值，当某帧的Mask Shadow的面积小于此Gain值，即认为动画内容同前一帧相比发生了较大变化，即将此帧也当作关键帧，不进行遮蔽。在此之后的动画就以前面的关键帧分别进行比较然后取遮蔽面积大的，并将其所使用关键帧ID记入此遮蔽图。此方法的好处是各帧内容相对独立，可单独解出。

次序帧(Sequenced Mask)遮蔽方式原则如下：即假定每一帧同上一帧相似度最高(实际往往也如此)，每一帧都以上一帧为模板生成遮蔽部分。此方法的解压合成速度快，但每一帧对上一帧有依赖性，适合顺序播放。

对动画文件内的图形进行了遮蔽处理后，就需要对其进行进一步的剪切处理：只保留其有效部分，本发明是通过使用智能裁减的技术来完成对图形的这项工作的。当动画内容被Shadow Mask处理过之后，其压缩大小相对处理前已经大大缩小，但对于一定尺寸的图形，既使其中没有任何内容(例如全白)，其压缩后也还是有一定尺寸。此处引入智能裁减的方法进一步减小资料，此方法的思想是如果大块的连续区域都为Mask Shadow所覆盖，则干脆将此区域抛弃，而只记下其位置。经此裁减之后遮蔽过的图形面积也大大缩小，其压缩后尺寸就更小，相似度很高的帧有时甚至会仅剩下几百，几十甚至零字节。

在剪切过程完毕后，进入色彩的处理阶段，本发明是通过使用色盘调整技术来进行的。由于所处理的是256/16色图形，当播放该图形时，输出设备可能是4096色的，所以需要根据输出设备的色深生成对应的冗余合成调色板，将该保留部分的色阶映像到该调色板上。本发明在这里加入了24bit真彩色向4096色调色板调整的过程，并针对16色/256色图形分别生成16色合成调色板和256色奇偶冗余调色板。由于并非所有的图形都拥有256种颜色，所以针对非256色的图形，仅保留其实际用到的颜色的调色板项，而将未用到的项目予以删除，将256色奇偶冗余的调色板裁掉以占用最小的空间。

色盘调整过程完毕后，就进入压缩阶段的最后一个步骤根据该图形所保留的有效部分的色阶，选择适当的字典将其压缩为基于该色阶存格式的动画压缩文件。由于在前面的步骤中已经将动画文件内的原始图形转换为16/256色的低色阶图形，此时就可以根据基于16/256色的字典对其进行压缩。

基于资料字典模型的压缩以其相对其他算法快速解压性能成为首选。其中可使用有LZ77、LZSS、LZW、LZA及LZH等多种。算法上的差异使的对不同类型的资料敏感程度不一。对不同图形的压缩率也有所不同。上述算法在压缩图形资料时都有一共性，即资料复杂度和压缩率的关系很大。简单说就是，当图形中少数颜色的内容占的面积越大，压缩率越高。

针对以上特点，本发明选用基于256色及16色存储格式进行压缩，其原因如下，4096色为12bit像素格式，由于交错存储，像素被打碎，交错组合造成数据复杂度提高，压缩后压缩率不高。而使用256色每像素一个字节，当有大色块时其数据单一重复，压缩率高。而16色则因其16种颜色总共只可能有256种资料组合，且源资料量较小，而能获得较少的资料复杂度及不错的压缩率。

本发明并不限使用何种具体压缩算法，但只要是上述方法之一或其它基于资料字典的方法，均可利用本方案取得高度的压缩效果。

参见图3，本发明的动画压缩方法依次按以下步骤进行：

310)根据压缩字典类型解压动画压缩文件，获取解压图形；

320)根据该解压图形的遮蔽方式将其合成为完整图形；

330)根据输出设备的调色板，确定将该完整图形还原为初始色阶的算法；

340)根据该算法对该完整图形进行转色，获取当前图形；

350)通过贴图在输出设备上播放该当前图形。

当需要在各种便携式电子设备上播放经过压缩处理的动画文件时，就需要对其进行解压处理。首先，确定压缩处理时所选择的字典类型，根据类型将压缩文件解压缩。然后取定在压缩过程中所选择的遮蔽方式，也就是解压图形的遮蔽方式，根据遮蔽方式执行相应的后续操作。

如果确定在解压的图形中使用次序帧遮蔽方式时，通过直接解压合成(Direct Unmask Uncompress)来合成完整图形，如果确定在解压的图形中使用关键帧遮蔽方式时，那么将使用解结合成技术来合成完整图形。

参见图4，当步骤320)中该解压图形使用关键帧遮蔽方式时，其按下列步骤进行：

410)首先对该压缩文件内的关键帧进行解压；

420)然后对该压缩文件内的遮蔽帧进行解压；

430)根据所裁去的遮蔽部分的位置讯息，将遮蔽帧像素及关键帧的像素合并为完整图形，最后进入步骤320。

当步骤320)中该解压图形使用次序帧遮蔽方式时，其按下列步骤进行：

440)首先对该压缩文件内的单独帧进行解压；

450)然后对该压缩文件内的遮蔽帧进行解压，最后进入步骤320。

如果确定在解压的图形中使用次序帧遮蔽方式时，通过直接解压合成(Direct Unmask Uncompress)来合成完整图形，这个过程是在与图形的解压缩过程将同时进行。如果解出的是遮蔽像素，则丢弃，否则贴到上一帧图形的对应位置上。此法在解压完成后就得到了当前的图形。速度相当快。适合于顺序播放的动画。

如果确定在解压的图形中使用关键帧遮蔽方式时，那么将使用解压合成技术来合成完整图形，解压过程仅仅是把关键帧及遮蔽帧从压缩文件中解压出来。

参见图5，当步骤320)中使用次序帧遮蔽方式将解压图形合成为完整图形时，其按下列步骤进行：

510)丢弃解压所得到的遮蔽部分的像素步骤；

520)将解压得到的非遮蔽像素与上一帧进行合成，得到当前帧的完整图形，最后进入步骤330。

使用关键帧遮蔽方式时，图形被解压，一幅遮蔽图要依赖关键帧或前一帧的内容来还原其本来的内容。间接合成用于关键帧法压缩的动画，当一个遮蔽图被解压时，先解出关键帧(此帧也可能在内存中缓冲，以直接使用加快速度)，然后解出遮蔽帧，将遮蔽帧上的未遮蔽像素与关键帧合并成生为一帧就已还原出这一帧。

由于图形在压缩过程中被转换为256/16色，与输出设备色深不同，所以在作解压时需要通过对其进行转色将资料转为输出设备色深。为减小运算量可仅根据遮蔽信息转换未遮蔽的部分。

当压缩图形被合成为完成图形后，首先进入根据输出设备的色深生成对应的冗余合成调色板，制定将该完整图形中的色阶还原为原始图形中的色阶的算法的步骤。本发明使用了快速转色(Fast Map Palette)技术来制定这种算法。

通过上面的解压缩出的图形资料都还是16色或256色的图形资料，要最终能够显示，还要把它转成4096色。

一般转色方法通过调色板将16色映像到4096色，需将16色数据(4bit/pixel)从一个字节中取出，然后再调色板中找到其所对应的颜色(12bit/pixel)，然后将此12bit数据向目标图形合成。这其中涉及几次字节的拆分，合成、转换效率低下。

为了能够取得快速的转色过程，在压缩图形中携带了16色合成调色板，避免了位运算。所谓合成调色板对12bit色来说，每像素要占1.5字节空间，那么，两像素共有3字节，将来两像素看成一个颜色操作，则源数据每次操作1字节，目标数据每次操作3字节。由于十六种颜色任意两像素结合为一个字节，其可能性仅256种，所以可预先合成一各256项的调色板，使两个像素使用一个调色板项，这样转换的过程就变为：取出两个像素数据(一个字节)，调色板中找到其所对应的颜色项(24bit，三个字节)，将颜色项写入目标图形，完全避免了位运算，转换效率大大提高。

对于256色如采用合成调色板转色则调色板太大，此处使用奇偶冗余调色板技术。此方法要素为，每种颜色建立4字节的调色板，两个字节为奇像素，两个字节为偶像素。交替使用以减少位运算而获致高速。为了能让速度进一步提高，对于16色转色中，将上述两种方法结合起来，构成冗余合成调色板，在CPU上取得了进一步的性能提升。

冗余调色板的设计思想是使用16bit来放置一个12bit的调色板项，使此颜色项从调色板中取出时能够避免位拆分，从而减少运算时间。在32位处理器上，CPU访问数据总线(BUS)一次取出4个位[元]组，如要取三个则反而要增加一些运算转为三个。所以将合成调色板的颜色项也做一冗余处理，使用4个字节放置24位的颜色项，可进一步加快转色运算的速度。

算法制定好后，将根据该算法，经过转色将合成好的图形显示出来。本发明提供了两种方式来进行转色，一种为全域转色方式，另外一种为局域转色方式。

全域转色(Global Area Map Palette)方式利用了关键帧中包含其它帧中没有的图像数据的特点，因此针对关键帧使用全域转色法，将整副图像配合冗余合成调色板进行转换。

局域转色(Local Area Map Palette)方式利用了裁减后的图形对前一帧的依赖，由前述技术可知，针对次序帧(Sequenced Mask)方式的图形每帧图形都是前一帧图形的局部改变。所以，此处只要采用灵巧的方法配合冗余合成调色板对发生改变的部分像素进行转色就可以得到正确的结果。由于这一部分的像素仅是全部图形面积的一小部分。局域转色使得转色操作的资料大大减少。从而使转色速度明显提高。

最后，通过贴图在输出设备上播放该当前图形。

本发明提供了全域贴图(Global Area BitTransfer)和局域贴图(LocalArea BitTransfer)两种方式。

对于关键帧，使用全域贴图法，将整个图像抛入显示缓冲，从而进行播放。

局域贴图的方法同局域转色的方法有点类似，在我们最终显示时我们也不必把全部的图形资料抛到屏幕，只要把发生改变的部分抛到屏幕就可以得到正确的结果。由于这一部分的像素仅是全部图形面积的一小部分。局域贴图使得贴图操作的资料大大减少。从而使贴图速度也明显提高。

参见图6，第一排的四幅图形是动画文件内的所包含的原始图形，不难看出上面动画内容中有不少相似的部分。

第二排的四幅图形是经过遮蔽后的图形。在这里选用关键帧的方式对四幅原始图形中相同的地方进行遮蔽以第一帧为模板，假定遮蔽部分颜色为黑色。可以看出，从第二帧起，同第一帧内容相同的部分都被遮蔽部分取代。这使得后面几帧的资料内容大大简单化。也就是说压缩的效率会大大提高。

第三排的四幅图形是对经过遮蔽后的图形进行智能裁减后的结果。如图所示，裁减后附图只剩下几个与关键帧内容不同的小图块，资料量大大减少了。

综上所述，通过对以上十大创新关键技术的结合使用，本发明在实现了高度的动画压缩率(160*160动画平均每帧不到1k字节)的同时提供了快速的播放性能(160*160动画已超过10帧/秒)以及尽可能多的色彩运用空间(因内嵌调色板，美工可以任选所需的若干种颜色，而不必局限于标准色板)。

通过以上流程实施的动画压缩解压，对一般动画可取得10∶1---30∶1的高度压缩率，而动画的播放也快于现有的其它压缩方法。在低端处理器(Toshiba T900(18MHZ)平台上播放160*160尺寸的彩色动画可达10fps。

Claims (7)

1、一种动画快速压缩方法，其特征在于：该方法依次包括下列步骤：

110)将动画文件内所有图形转换为低色阶图形；

120)遮蔽该低色阶图形中相同的部分；

130)对经过遮蔽的图形进行剪切，保留该遮蔽的图形的有效部分；

140)根据输出设备的特点生成对应的调色板；

150)根据该有效部分的色阶，通过字典压缩获取动画压缩文件。

2、根据权利要求1所述的动画快速压缩方法，其特征在于：所述步骤120)中当该低色阶图形使用关键帧遮蔽方式时，其按下列步骤进行：

210)选择动画文件内第一帧为关键帧，其它图形作为后续帧；

220)对后续帧以第一帧为模板进行比较生成遮蔽，在此过程中设定一个数值，当某帧的遮蔽面积小于此数值时，将此帧也当作关键帧，不进行遮蔽，在此之后的动画就以前面的关键帧分别进行比较后取遮蔽面积大的，进入步骤130。

3、根据权利要求1所述的动画快速压缩方法，其特征在于：所述步骤120)中当该低色阶图形使用次序帧遮蔽方式时，其按下列步骤进行：

230)将动画文件内的每幅图形作为单独帧；

240)从第2帧开始，将每一帧中与前一帧相同的地方进行遮蔽，最后进入步骤130。

4、一种动画快速解压方法，其特征在于：该方法依次包括下列步骤：

310)根据压缩字典类型解压动画压缩文件，获取解压图形；

320)根据该解压图形的遮蔽方式将其合成为完整图形；

330)根据输出设备的调色板，确定将该完整图形还原为初始色阶的算法；

340)根据该算法对该完整图形进行转色，获取当前图形；

350)通过贴图在输出设备上播放该当前图形。

5、根据权利要求4所述的动画快速解压方法，其特征在于：所述步骤310)中当该解压图形使用关键帧遮蔽方式时，其按下列步骤进行：

410)首先对该压缩文件内的关键帧进行解压；

420)然后对该压缩文件内的遮蔽帧进行解压；

430)根据所裁去的遮蔽部分的位置讯息，将遮蔽帧像素及关键帧的像素合并为完整图形，最后进入步骤320。

6、根据权利要求4所述的动画快速解压方法，其特征在于：所述步骤310)中当该解压图形使用次序帧遮蔽方式时，其按下列步骤进行：

440)首先对该压缩文件内的单独帧进行解压；

450)然后对该压缩文件内的遮蔽帧进行解压，最后进入步骤320。

7、根据权利要求6所述的动画快速解压方法，其特征在于：所述步骤320)中使用次序帧遮蔽方式将解压图形合成为完整图形时，其按下列步骤进行：

510)丢弃解压所得到的遮蔽部分的像素步骤；

520)将解压得到的非遮蔽像素与上一帧进行合成，得到当前帧的完整图形，最后进入步骤330。

Images