CN1306721A - 双色图象的图象数据压缩的方法 - Google Patents

双色图象的图象数据压缩的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及将数字图象数据压缩降低数据量的方法,此时将图象点矩阵分成为块,将块分类为一种颜色—块,两种颜色—块和多种颜色—块和将各种类型的块按照不同的方法进行压缩。一种颜色—块的颜色以及在两种颜色—块中的前景颜色和背景颜色在不同的图象区域中可以是不同的。跟随一种颜色—块用过程延续编码进行压缩。将两种颜色—块作为比特图案进行压缩,此时比特标志了,那个图象点有前景颜色和那个有背景颜色。其中在比特图案上只将两种颜色—块的其前景颜色和背景颜色分布与前面行的颜色分布有差别的那些行进行编码。特包括前景颜色图象点的多种颜色—块分成为由多种颜色—块与具有透明背景颜色的两种颜色—块的重叠。可以将本方法与用于多种颜色—块的变换编码(例如JPEG)组合在一起。

Description

双色图象的图象数据压缩的方法
本发明涉及到数字图象处理领域和将数字制成图象的图象数据或者被存储图象的图象数据降低数据量的图象数据压缩方法。将图象数据压缩方法使用在数字图象处理的很多领域，以便通过降低数据量节省存储位置，数据传输时间和因此节约成本。
一个重要的应用领域是处理很大数据量的电子复制技术。在复制技术中制成印刷页的印刷样板，印刷样板包括所有准备印刷的页元素如文本、图表和照片。在电子制作印刷样板情况时这些元素是以数字数据形式出现的。为了图象例如将制成数据，如果将照片在扫描机上点式和行式扫描时，将每个图象点分解为颜色成分和将些成分的色值数字化。一般来说将文本和图表数据在计算机中直接由文本处理程序和图纸程序产生。根据以后使用的输出过程，例如在彩色打印机上输出或者在传统印刷机上印刷，产生页元素的数据和存储为颜色成分红、绿和兰(RGB)或者制作成四色印刷机的印刷颜色蓝绿色、红紫色、黄色和黑色(CMYK)。
在另外的工作过程中在处理站的彩色显示器的视觉检查情况下或者按照被存储的设计程序将数字化文本、图表和图象自动电子装配，也就是说例如在处理站的存储区对应于设计将页元素组合成印刷页。将制作完的印刷页转换成为适合于输出的数据格式和存储。每种印刷颜色(RGB以及CMYK)的印刷页数据被称为分色数据。用分色数据制作传统印刷机的印刷版或者将其传送给快速彩色印刷机或者传送给数字印刷机和在那里印刷出来。印刷页分色数据的足够的分辨率例如为24图象点/mm(600图象点/英寸)。如果将每个图象点存储四个色值(CMYK)和将色值密度各自用8比特(=一个字节)数字化，则对于大小为DIN A4的印刷页的数据量为
210mm×297mm×24×24×4=143,700,480字节(1)也就是说大约为144兆字节。这个数据量还要乘以印刷品的页数。在电子复制技术中则必须处理很大的数据量。因此有效地压缩这些数据量是有很大意义的。
人们可以将印刷页区分为具有两种类型的图象数据区域，一方面是在区域中包括从图象点到图象点有很多变化的颜色，例如被扫描的照片，和在另外的区域中只包括两种颜色。对于两种图象数据类型已知有对于各个类型不同的最佳压缩方法，也就是说达到尽可能大的压缩系数和不会或者尽可能小地歪曲图象信息。
对于压缩在区域中具有很多不同颜色的图象数据已知一种变换编码方法。在其中将图象数据分成为例如8×8图象点的数据块，将数据块用频率表示进行变换(类似于傅立叶变换)，和只将对图象信息重要的频率成分用编码形式进行存储。已知这种方法的一种扩展方法被称为JPEG(联合摄影工程师集团)和已经国际标准化了。
对于压缩在区域中具有两种颜色的图象数据已知过程延续编码方法，在其中将具有相同颜色图象点行段的位置和长度进行编码。有一维和二维工作的过程延续编码。在一维方法中将在一个图象行上相同颜色的连续图象点进行计数和将过程延续作为编码字进行存储。在二维方法中将现实图象行过程延续与相应过去的图象行过程延续的差进行编码。对于两种方式的过程延续编码在传真-传输技术中有很广泛的和标准化的方法。已知另外的适合于压缩具有两种颜色图象数据的方法被称为LZW(Lempel,Ziv,Welch)。此外将图象点的重复序列进行编码，这些图象点不一定必须所有是相同颜色的。
已知压缩具有两种颜色图象数据的方法的缺点是，这些方法不可能以简单的方式用多种颜色图象数据的变换编码进行压缩。此外在电子复制技术中使用的高分辨率的两种颜色图象数据已知的压缩方法不够有效。原则上也可以将变换编码使用在整个印刷页上。但是在两种颜色的图象区域中有可能达到的压缩系数却很小，和此外解压缩的图象数据有可能不具有允许的误差。例如相反也有可能将LZW-方法使用在整个的印刷页上。但是在多种颜色的图象区域中有可能达到很小的压缩系数。
因此本发明的任务是，避免压缩两种颜色图象数据已知方法的缺点和规定一种有效的和容易实现的方法，无误差地压缩两种颜色图象数据和适合于与压缩多种颜色图象数据的变换编码相组合。此任务是通过权利要求1和从属权利要求2至13解决的。
下面借助于附图1至16详细叙述本发明。
附图表示：
附图1从具有两种颜色图象区域中的一个放大部分，
附图2将两种颜色图象区域分成为图象点和图象点的块，
附图3对两种颜色-块的前景颜色和背景颜色进行编码，
附图4将一种颜色-块的块颜色进行编码，
附图5将一种颜色-块序列进行编码，
附图6建立两种颜色-块的指令编码字，
附图7对两种颜色-块进行编码的例子，
附图8对两种颜色-块序列进行编码，
附图9将具有系数2分扫描的两种颜色-块进行编码，
附图10将具有系数4分扫描的两种颜色-块进行编码，
附图11将多种颜色-块序列跳跃式进行编码，
附图12将多种颜色-一种颜色-块分成为多种颜色-子
      块和两种颜色-子块，
附图13对两种颜色-块上透明的背景颜色进行编码，
附图14对两种颜色-块上不-透明的背景颜色进行编码，
附图15对“直接”模式进行编码，
和
附图16对于具有系数2分扫描的“直接”模式进行编码。
附图1表示了从具有两种颜色的图象区域中的一个放大部分，在这种情况下是白色背景上的黑色文本。在这里两种颜色图象区域的颜色是黑色作为前景颜色和白色作为背景颜色。两种颜色也可能是任意的其他颜色，例如深蓝色作为前景颜色和浅黄色作为背景颜色。以下先决条件是，图象数据是按照其分色成分(RGB以及CMYK)分开出现的，也就是说将具有N行和每行M图象点和每个颜色成分字节的RGB-图象的所有图象点的红色-成分组合成为M×N字节的分色图象。同样将图象的所有绿色-成分和所有蓝色-成分各自组合成为M×N字节的分色图象。将这些分色图象可以用于分析压缩图象数据如三个被分开的每个为M×N字节的“灰值图象”，只是在这种情况下字节值不是真正的灰值而是相应印刷颜色的密度值。在按照本发明的两种颜色图象数据压缩方法的优异实施形式中将分色图象分开压缩。这可以通过多个压缩单元平行地或者通过一个压缩单元先后进行。此实施形式将在下面叙述，从其中出发，将准备压缩的分色图象表现为M×N字节的矩阵。
附图2表示了附图1剪裁部分的分色图象的图象点(1)。按照本发明方法将图象点分成为块(2)，块最好具有8×8图象点。在附图2例子中人们看出，在其中所有图象点只有一种颜色。这些块被称为一种颜色-块。也有一些块，在其中不仅出现前景颜色的图象点而且出现背景颜色的图象点。这些块被称为两种颜色-块。
在图象上将水平连续的块在压缩时按行进行编码。使用一个或者多个连续的编码字对颜色、过程延续、块结构等进行编码。每个编码字或者是由一个指令编码字单独的或者由一个指令编码字和后面的数据字构成的。由指令编码字中得出，是否后面跟随着数据字和必要时是多少个数据字。在指令编码字的第一个比特上以明确的方式标志出将那些用编码字序列进行编码。所有的指令编码字和所有的数据字各自为一个字节长。
附图3表示在两种颜色-块中用于前景颜色和背景颜色进行编码的编码字序列。编码字序列是由一个指令编码字(3)和两个后面的数据字(4)构成的。第一个数据字是正在被处理的分色图象上前景颜色的密度。第二个数据字是正在被处理的分色图象上背景颜色相应的密度。当压缩开始时将这个编码字序列一次存储在被压缩的数据中。如果前景颜色或者背景颜色变化时，将编码字序列重新插入被压缩的数据中。这意味着，对于解压缩过程被编码的颜色一直适合于所有后面两种颜色-块，直到出现新的编码字序列用于前景颜色和背景颜色编码时。
附图4a和4b表示用于一种颜色-块的块颜色进行编码的两种方法。一种编码方法是由一个指令编码字(3)后面跟着说明块颜色密度的数据字(4)(附图4a)。如果将两种颜色-块的前景颜色和背景颜色已经存储在被压缩的数据中时，可以使用其他紧凑的编码方法。如果块颜色与前景颜色或者与背景颜色相同时，用两种方法之一的没有后面数据字的指令编码字(3)进行编码(附图4b)。直到块颜色改变和将新的块颜色编码插入被压缩的数据时，对块颜色进行编码也适合于所有后面的一种颜色-块。
附图5表示了对相同颜色的连续的一种颜色-块进行编码。在后面的6比特上包括一个过程延续为1至63，这说明，有多少相同颜色的一种颜色-块连续地跟随在后面。如果一种颜色-块的序列长于63时，将其分为长度为63的多个过程延续和一个剩余过程延续。对于每个子过程延续将一个指令编码字按照附图5插入被压缩的数据中。在附图2例子中最上面的块行包括具有背景颜色的一种颜色-块的过程延续。
附图6表示了对两种颜色-块(2)进行编码的指令编码字(3)的结构。按照本发明方法在一个两种颜色-块上检查，是否在块(2)的行2至8上的前景颜色和背景颜色的分布样板各自等于或者不同于前一行的分布。将这个信息在指令编码字后面的7比特中进行编码。将指令编码字(3)后面的7比特的1分配给块(2)的每个2至8行。在比特上的逻辑0表示，相应的行是前一行的重复。逻辑1表示相应的行包括有前景颜色和背景颜色的新图案。将块中第一行的分布图案和第2至第8行的分布图案，这些是不重复的，作为数据字悬挂在指令编码字上。
附图7再一次表示了对两种颜色-块进行编码的例子。指令编码字(3)在最后和最后前一行的比特上包括一个逻辑0，因为块(2)的2和3行是重复行1。4、5和6行与各个前面的行比较包括前景颜色和背景颜色的新的分布图案。因此将被分配给指令编码字的比特设置为1。7行和8行是重复6行。因此将被分配给指令编码字的比特设置为0。在例子中相应地跟随着指令编码字有四个数据字(4)。数据字包括不重复1、4、5和6行的比特图案。在比特图案上的每个比特是一个相应的图象点和标志了，是否图象点包括背景颜色(=逻辑0)或者前景颜色(=逻辑1)。对两种颜色-块进行编码则是由一个指令编码字跟随着1至8数据字构成的。第一个数据字始终是1行的比特图案，其余数据字的数目和行的分配是由指令编码字后面的7比特产生的。
附图8表示了对相同的两种颜色-块序列进行编码，编码如何在文本或图表的水平线上出现。指令编码字(3)在最后的4比特上包括一个过程延续为1至15，这说明，跟随在后面被编码的两种颜色-块是怎样经常重复。过程延续也有可能说明，在这之前被编码的两种颜色-块是怎样经常重复。选择那一个方案是一个实施费用的问题。如果序列长于15，将序列分成为长度为15的多个过程延续和一个剩余过程延续和将编码相应地多次重复。
在印刷页中有具有两种颜色的图象数据区域，对于这个区域可以允许比较小的分辨率。这是指区域，在其中出现两个紧密并列颜色，也就是说两种颜色之间的对比度很小。这样的区域例如是颜色溶化，这包括在比较大的面积上从一个颜色均匀过渡到另一个颜色。虽然在其中出现很多中间色，但是在大小为8×8块的局部区域中然而原则上却只有两种颜色。在这样的区域中还可以进一步提高压缩，如果在其中也降低分辨率时。按照本发明方法对于这种情况安排了专门的编码。
附图9a表示了一个两种颜色-块(2)，通过系数为2的分扫描将其水平方向和垂直方向的分辨率降低。此外只将用圆圈标志的图象点(5)的颜色进行编码。附图9b表示了由一个指令编码字(3)和两个数据字(4)组成的有关的编码字序列。将分扫描图象点(5)中的一个分配给两个数据字的每个16比特，并且比特标志了，是否相应图象点包括背景颜色(=逻辑0)或者包括前景颜色(=逻辑1)。对于具有降低分辨率的这种两种颜色-块进行编码时由于简化原因不进行检查，是否块的行在垂直方向重复，因为图象数据因此不再允许明显地进一步压缩。用这种检查和与两种颜色-块类似的相应的编码不降低分辨率(附图6和附图7)当然也是可以想像的。
附图10表示了在水平方向和垂直方向将两种颜色-块的分辨率降低系数4进行编码的情况。在附图10a上用圆圈标志了分扫描图象点(5)。附图10b表示了由一个指令编码字(3)组成的有关编码，在其中各自将分扫描图象点(5)分配给最后四个比特，和比特标志了，相应的图象点是否包括背景颜色(=逻辑0)或者包括前景颜色(=逻辑1)。将具有降低分辨率的相同的两种颜色-块序列同样按照附图8作为过程延续进行编码。
因为原则上具有8×8图象点块的两种颜色的图象数据按照本发明的压缩编码方法工作，非常适合于具有变换编码的例如多种颜色图象数据压缩的JPEG方法，这同样是用8×8图象点块工作的。如果图象数据不仅包括多种颜色区域(典型的是照片)而且只有两种颜色区域(典型的是文本和图表)，则与以后使用的压缩方法无关地首先将图象数据分成为8×8图象点的块。通过压缩前的简单分析对于每个块确定，决是否包括多种颜色图象点或者只具有两种颜色或者只具有一种颜色。然后将多种颜色-块例如用JPEG方法压缩和将一种颜色-块或者两种颜色-块用按照本发明方法压缩。用这种方法将两种类型的块用高的压缩系数和很好的图象质量进行编码。此时将一种颜色-块和两种颜色-块无质量损失地进行压缩(如果不降低分辨率时)，这对于文本和图表特别重要。
在按照本发明的两种颜色-块的压缩方法中还安排了专门的编码字用于与多种颜色-块的变换编码相组合，这种编码字减轻了与多种颜色-块的其他压缩方法的组合。
附图11表示了应该跳过一定数量的多种颜色-块情况时的编码，多种颜色-块位于首先被编码的一种颜色-块和然后准备编码的一种颜色-或者两种颜色-块之间。数据字(4)跟随在指令编码字(3)后面，数据字包括有数字0至255。这个数字说明准备跳过多种颜色-块时过程延续(Lauflaenge)减少1。
在不仅包括图象而且包括文本的图象数据中经常出现一种颜色的文本与一个图象的重叠。因此在8×8块中出现一部分图象点是多种颜色和其余部分图象点是一种颜色的。假如将这种块用JPEG方法压缩，则由于变换编码的典型的改造误差决定了在解压缩时使文本边缘变得模糊。文本将可能失去其边缘的清晰度。用按照本发明的方法可以将文本部分在8×8块中无误差地进行压缩。此外将混合的多种颜色-一种颜色-块分成两个子块，一个子块包括图象部分多种颜色的图象点和一个子块包括文本部分一种颜色的图象点。
附图12表示了将多种颜色-一种颜色-块(6)分成多种颜色-子块(7)和两种颜色-子块(8)。为了构成两种颜色-子块将多种颜色的图象点由背景颜色代替。将多种颜色-子块(7)用JPEG方法压缩，和将两种颜色-子块()8用按照本发明方法按照附图6和附图7进行压缩。然而与正常的两种颜色-块的区别是将具有背景颜色的图象点在解压缩时用被解压缩的多种颜色-子块的图象点填充。为了将关于背景颜色的其他处理信息传送给解压缩装置，将“透明”指令编码字插入。这意味着，如果将被解压缩的两种颜色-子块重叠在被解压缩的多种颜色-子块上，将跟随在后面的两种颜色-块中具有背景颜色的图象点作为透明处理。附图13表示了透明的指令编码字(3)。为了反向连接将指令编码字“不透明”插入在不透明模式上。这意味着，将背景颜色在跟随后面的两种颜色-块作为不-透明处理，也就是如同在附图6和附图7中已经叙述过的。附图14表示了不-透明的指令编码字(3)。
在特殊情况下可以要求，将8×8图象点的块直接作为分色密度矩阵进行存储，例如如果块包括多于两种颜色时和因此可以不用两种颜色-压缩进行编码，但是另外一方面也不应该用JPEG方法进行编码，以便不使其变得模糊。对于这种情况按照本发明方法出现一种“直接”模式，在附图15上表示了其编码。在引导的指令编码字(3)后面跟随着64个数据字(4)，数据字包括64个图象点的分色密度。这种模式又可以在水平和垂直方向与降低系数2的分辨率相组合，这样只将16个不同图象点(5)的分色密度按照附图9a悬挂在指令编码字上。附图16表示了相应的编码。
按照本发明方法叙述了将分色图象分开压缩。然而也可以用图象数据其他分类的数据格式进行，例如用一种数据格式，在其中将每个图象点的三个(RGB)或者四个(CMYK)分色-字节先后进行存储。然后在前面叙述过的编码字序列中只将包括分色密度的每个数据字用三个或者四个字节的颜色说明加以代替。
按照本发明的方法也不仅限于对8×8图象点的块进行编码。也可以使用在任意的非正方形块的大小上，如果两种颜色-块的编码(附图6，附图7，附图9，附图10)的指令编码字和数据字的长度和块的“直接”编码(附图15，附图16)的数据字的数目相应地相互匹配时。
在指令编码字上不能变化的比特分布同样不仅限于在附图上表示的分布。如果各种指令编码字保持可以区别时，也可以选择其他的分布。

Claims (13)

1．将以M×N图象点矩阵出现的数字图象数据压缩降低数据量的压缩方法，其特征为，
a)将M×N图象点矩阵分成为u×v图象点的块，
b)将块进行分类
-只包括块-颜色的图象点块
-包括前景颜色图象点和背景颜色图象点的块(两种颜色-块)，和
-包括具有多种颜色的图象点的块(多种颜色-块)，和
c)将一种颜色-块、两种颜色-块和多种颜色-块的图象数据按照不同的方法进行压缩。
2．按照权利要求1的方法，其特征为，
块的大小为8×8图象点。
3．按照权利要求1或2的方法，其特征为，
将包括前景颜色图象点的多种颜色-块分成为多种颜色-子块和两种颜色-子块，在其中在多种颜色-子块中采用多种颜色-图象点和具有前景颜色的图象点包括任意的颜色和在两种颜色-子块中采用具有前景颜色的图象点和多种颜色-图象点包括有透明的背景颜色，和将多种颜色-子块如同多种颜色-块一样和将两种颜色-子块如同两种颜色-块一样进行压缩。
4．按照权利要求1或2的方法，其特征为，
将具有相同块颜色的连续的一种颜色-块作为过程延续进行编码。
5．按照权利要求1至3之一的方法，其特征为，
将两种颜色-块作为比特图案进行编码，此时将两种颜色-块的图象点分配给比特图案的每个比特和比特图案的比特标志了，是否被分配的图象点有前景颜色或者背景颜色。
6．按照权利要求5的方法，其特征为，
比特图案只包括两种颜色-块的那些行的图象点的比特，其前景颜色和背景颜色的分布与两种颜色-块前面的行的相应分布是不同的。
7．按照权利要求5的方法，其特征为，
比特图案只包括两种颜色-块的图象点的分扫描部分数量的比特。
8．按照权利要求5至7之一的方法，其特征为，
将具有相同比特图案的连续的两种颜色-块作为过程延续进行编码。
9．按照权利要求1至8之一的方法，其特征为，
一种颜色-块的块颜色在图象数据的不同区域中是不同的。
10．按照权利要求1至8之一的方法，其特征为，
前景颜色和背景颜色在图象数据的不同区域中是不同的。
11．按照权利要求1至10之一的方法，其特征为，
当压缩一种颜色-块和两种颜色-块时将应该跳过去的连续的多种颜色-块作为过程延续进行编码。
12．按照权利要求1至11之一的方法，其特征为，
将多种颜色-块用变换编码方法(例如JPEG)进行压缩。
13．按照权利要求1至11之一的方法，其特征为，
将多种颜色-块不进行压缩。
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