CN1399473A

CN1399473A - 一种数字彩色图像信号压缩方法及装置

Info

Publication number: CN1399473A
Application number: CN 01127956
Authority: CN
Inventors: 陈贺新; 付萍; 桑爱军; 王世刚
Original assignee: 陈贺新
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2003-02-26

Abstract

本发明涉及一种信号的压缩方法及装置，尤其涉及一种数字彩色图像信号压缩方法及装置。具体步骤为：数据提取步骤、矩阵分割步骤、矩阵变换步骤、游程编码步骤。具体装置为：数据提取装置、矩阵分割装置、矩阵变换装置、矢量量化装置、游程编码装置。本发明全面考虑了彩色图像的冗余信息，并考虑了时间、空间和色调的相关性及整体性，从而在保证信号质量的前提下提高了数字彩色图像信号的压缩比。

Description

一种数字彩色图像信号压缩方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种信号的压缩方法及装置，尤其涉及一种数字彩色图像信号压缩方法及装置。

背景技术：

彩色图像信号按照其内容的运动状态，可划分为静态图像和运动图像两大类。按着信号表示形式划分，彩色图像又分为连续彩色图像和数字彩色图像。目前，对数字彩色图像信号的压缩方法存在一些标准和非标准的方法。下面按静止图像压缩和运动图像压缩分别介绍。

1.运动图像压缩

H.261标准

国际电报电话咨询委员会于1990年12月提出了H·216压缩标准。按此标准组成编/解码器。编码器包括帧间差分编、帧内正交变换编码和变安长编码等。帧间差分编码采用了运动补偿帧间预测方式，它消除了随时间变化的冗余信息；正交变换编码后，可去除帧内空间变化的冗余信息。经上述两项措施，可实现压缩编码，大大压缩数据量。最后将变字长编码输出的数据送入缓存器中，在输出时钟的作用下，送出等字长的编码数据。为防止缓冲器溢出，利用缓冲器输出的一个信号对量化器进行控制，如发现缓冲器快要溢出，则送出一信号使它进入粗量化，这样，量化器输出的数据量减少，使缓冲器不致溢出。反之，缓冲器送出一控制信号，使量化器进行细量化，致使输出数据量增加。从而实现了自适应量化的目的。

MPEG-1标准

1992年，运动图像专家组正式提出了该标准。该标准包括系统、图像和伴音三个部分。其中运动图像是标准的核心。MPEG-1标准运动图像压缩编码主要通过两项基本技术：一是基于16*16块运动补偿，此技术适用于预测编码和插补编码，它可以减少帧序列时间冗余度；二是基于变换域的压缩技术，可以减少空间冗余度。在MPEG-1标准中，变换域不仅使用于帧内压缩，而且对帧间预测误差再作变换域变换，以达到进一步压缩数据的目的。MPEG-1标准的各种软件或硬件实现，加速了多媒体终端的发展，延伸和完善了通信网络。

2.静止图像压缩

静止图像压缩主要采用JPEG标准，它的任务是为图像压缩编码和解码过程以及压缩图像数据的编码表示制定通用的国际标准。JPEG标准定义了两种基本压缩编码算法：一种是基于差分脉冲的无失真压缩编码算法，它通过简单的预测编码，对中等复杂程度的彩色图像可达到2∶1的压缩编码。另一种基于离散余弦变换有失真压缩算法。基于离散余弦变换的编码过程是一次扫描完成的，称为基于离散余弦变换编码的顺序操作方式。还有一种称为累进操作方式离散余弦变换编码，即每个图像分量的编码要经过多次扫描才完成，扫描从粗到细，直到达到满意的图像质量为止。累进操作方式又可分为两种方式：一是针对变换系数频带范围的“频谱选择法”，另一种是针对变换系数表示精度的“按位逼近法”；

由于目前的国际标准以及其它非标准压缩方法都将彩色图像按“场”、“帧”单独处理，对运动图像而言，还需增加“运动补偿”等各种时空整合技术。所有编码技术都没有将彩色图像的“色调”的冗余信息考虑到编码过程中，因此，在彩色图像的压缩过程中，图像的“高质量”与“高压缩”的矛盾不能很好的解决。

技术内容：

本发明的目的在于提供一种数字彩色图像信号压缩方法及装置，在保证图像信号质量的前提下，大大地提高了图像的压缩比。

本发明是通过如下步骤来完成对数字彩色信号进行压缩的：

数据提取步骤：对应数字彩色图像信号的红、绿兰单色帧图像信号提取具有三个纵序的立方体形数据排列三维矩阵并存贮。

矩阵分割步骤：对所述的三维矩阵进行子矩阵分割；

矩阵变换步骤：对三维子矩阵进行三维广域余弦变换，计算出三维系数矩阵；

矢量量化步骤：对三维系数矩阵进行矢量量化，计算出矢量量化系统三维矩阵；

游程编码步骤：对矢量量化系数三维矩阵进行游程编码，得到数字彩色图像信号三维矩阵的变换压缩编码矩阵完成对数字彩色图像信号的压缩。

本发明所提供数字彩色图像信号压缩装置，它由以下装置组成：数据提取装置：用于对应数字彩色图像信号的红、绿、兰单色帧图像信号提取具有三个纵序的立方体形数据排列三维矩阵并存贮。

矩阵分割装置：用于对所述的三维矩阵进行子矩阵分割；

矩阵变换装置：用于对三维子矩阵进行三维广域余弦变换，计算出三维系数矩阵；

矢量量化装置：用于对三维系数矩阵进行矢量量化，计算出矢量量化系统三维矩阵；

游程编码装置：用于对矢量量化系数三维矩阵进行游程编码，得到数字彩色图像信号三维矩阵的变换压缩编码矩阵，完成对数字彩色图像信号的压缩。

本发明全面考虑了彩色图像的冗余信息，并考虑了时间、空间和色调的相关性及整体性，从而在保证信号质量的前提下提高了数字彩色图像信号的压缩比。

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步的说明。

附图说明：

图1、本发明所指的数字彩色图像信号压缩方法的流程图；

图2、本发明所指的数字彩色图像信号压缩装置的方框图。

具体实施方式：

本发明的核心内容是在数字彩色图像压缩方法和装置中引入了三维矩阵及其算法的定义，而矩阵的矢量量化和游程编码均为现有技术。

三维矩阵基本定义：

由I×J×K个实数a_ijk(1≤i≤I，1≤j≤J，1≤k≤K)构成的I个横行，J个竖列，K个纵序的立方体形数据排列，称为I×J×K阶三维矩阵，记为：A_I、J、K＝[a_uhk]_I、J、K＝其中a_ijk叫做三维矩阵A_I、J、K的元素

三维子矩阵定义定义1：和通常定义下的矩阵一样，对任何一个三维矩阵A_I、J、K都可以用一些横线，竖线和纵线分成尺寸小的三维矩阵，这样的小三维矩阵成为三维矩阵A_I、J、K的三维子矩阵A_U、V、W(a，b，c)(a＝1，2，…，E；b＝1，2，…，F；c＝1，2，…G)，其中E，u＜I；F，v＜J；G，w＜K。

三维矩阵的运算准则

三维矩阵的相等，相加，相乘及变换等准则如下：

相等：

指两个同阶的三维矩阵A_I、J、K＝[a_ijk]_I、J、K和B_I、J、K＝[b_ijk]_I、J、K，有a_ijk＝b_ijk(1≤i≤I；1≤j≤J；1≤k≤K)

加法：

指两个同阶的三维矩阵A_I、J、K＝[a_ijk]_I、J、K和B_I、J、K＝[b_ijk]_I、J、K相加：A_I、J、K+B_I、J、K＝[a_ijk+b_ijk]_I、J、K。乘法：指两个三维矩阵

A_{I_{1} \times J_{1} \times K_{1}} = {[a_{ijk}]}_{I_{1} \times J_{1} \times K_{1}}

和

B_{I_{2} \times J_{2} \times K_{2}} = {[b_{ijk}]}_{I_{2} \times J_{2} \times K}

的如下：横向乘(I类乘法)：

{(A_{I_{1} \times J_{1} \times K_{1}} \cdot B_{I_{2} \times J_{2} \times K_{2}})}_{I} = {[c_{ijk}]}_{I_{3} \times J_{3} \times K_{3}}

其中I₃＝I₂＝I₁，J₃＝J₁，K₃＝K₂，K₁＝J₂，且有

c_{ijk} = Σ_{e = 1}^{k} a_{ije} \cdot b_{iek}

，(i＝1，2，…，I₃；j＝1，2，…，J₃；k＝1，2，…，K₃)竖向乘(II类乘法)：

{(A_{I_{1} \times J_{1} \times K_{1}} \cdot B_{I_{2} \times J_{2} \times K_{2}})}_{II} = {[c_{ijk}]}_{I_{3} \times J_{3} \times K_{3}}

其中I₃＝I₁，J₃＝J₁＝J₂，K₃＝K₂，K₁＝I₂，且有

c_{ijk} = Σ_{e = 1}^{k} a_{ije} \cdot b_{ejk}

，(i＝1，2，…，I₃；j＝1，2，…，J₃；k＝1，2，…，K₃)纵向乘(III类乘法)：

{(A_{I_{1} \times J_{1} \times K_{1}} \cdot B_{I_{2} \times J_{2} \times K_{2}})}_{III} = {[c_{ijk}]}_{I_{3} \times J_{3} \times K_{3}}

其中I₃＝I₁，J₃＝J₂，K₃＝K₁＝K₂，J₁＝I₂，且有

c_{ijk} = Σ_{e = 1}^{k} a_{iek} \cdot b_{ejk}

，(i＝1，2，…，I₃；j＝1，2，…，J₃；k＝1，2，…，K₃)三维矩阵广域离散余弦变换(3D-WDCT)定义：

3D-WDCT正变换：

B = {(C_{3} {(C_{2} {(C_{1} A C_{1}^{T})}_{I} C_{2}^{T})}_{II} C_{3}^{T})}_{III}

3D-WDCT逆变换：

A = {(C_{3}^{T} {(C_{2}^{T} {(C_{1}^{T} B C_{1})}_{I} C_{2})}_{II} C_{3})}_{III}

其中“T”表示转置，B为8×8×3变换子矩阵，A为输入图像三维矩阵中8×8×3子矩阵，N＝u×v×w。

一幅尺寸为I×J的彩色图像，有三帧同样大小的红、绿、兰三幅灰度图像组成，因此我们可以用如下的三维矩阵表示：

A_I、J、3＝[a_ijk]_I、J、3，其中(1≤i≤I，1≤j≤J)表示的是彩色图像的空间位置，1≤k≤3代表彩色图像的三个颜色分量。因此，彩色图像的三个分量分别由三维矩阵的三个纵向平面表示。彩色图像的这种表示就把他在各象素的位置关系以及相应的各个分量间的关系建筑在同一模型中。我们就可以用三维矩阵的方法处理图像，充分利用彩色图像在空间和各个分量间的相关性，从而实现进一步的能量压缩。

在JPEG和MPEG标准中，综合考虑计算的复杂性和图像的块效应，图像被划分成8×8的子块，进行余弦变换变换。为了与其兼容及利用现有的技术，并充分考虑到方块效应及计算复杂度，本发明采用8×8×3的子阵分割方法。

具体步骤为：

数据提取步骤：对应数字彩色图像信号的红、绿、兰单色帧图像信号提取具有三个纵序的立方体形数据排列三维矩阵并存贮。

矩阵分割步骤：对所述的三维矩阵进行于矩阵分割，采用8×8×3的三维子矩阵分割方法，即分割后的三维子矩阵为8行、8列和3纵序，分割先按行后按列进行；

游程编码步骤：对矢量量化系数三维矩阵进行游程编码，得到数字彩色图像信号三维矩阵的变换压缩编码矩阵，完成对数字彩色图像信号的压缩。

具体装置为：

数据提取装置：用于对应数字彩色图像信号的红、绿、兰单色帧图像信号提取具有三个纵序的立方体形数据排列三维矩阵并存贮；

矩阵分割装置：用于对所述的三维矩阵进行子矩阵分割，采用8×8×3的三维子矩阵分割方法，即分割后的三维子矩阵为8行、8列和3纵序，分割先按行后按列进行。

Claims

1.数字彩色图像信号压缩方法，其特征在于它由以下步骤组成：

数据提取步骤：对应数字彩色图像信号的红、绿、兰单色帧图像信号提取具有三个纵序的立方体形数据排列三维矩阵并存贮；

矩阵分割步骤：对所述的三维矩阵进行子矩阵分割；

2.根据权利要求1所述的一种数字彩色图像信号压缩方法，其特征在于矩阵分割步骤时采用8×8×3的三维子矩阵分割方法，即分割后的三维子矩阵为8行、8列和3纵序，分割先按行后按列进行。

3.根据权利要求1或2所述的一种数字彩色图像信号压缩方法，其特征在于矩阵变换步骤所采用的三维广域余弦变换公式为：

B = {(C_{3} {(C_{2} {(C_{1} A C_{1}^{T})}_{I} C_{2}^{T})}_{II} C_{3}^{T})}_{III}

“T”表示转置，B为8×8×3变换子矩阵，A为输入图像三维矩阵中8×8×3子矩阵，N＝u×v×w(其中，u＝8，v＝8，w＝3)。

4.一种数字彩色图像信号压缩装置，其特征在于它由以下装置组成：

矩阵分割装置：用于对所述的三维矩阵进行子矩阵分割；

5.根据权利要求4所述的一种数字彩色图像信号压缩装置，其特征在于所述矩阵分割装置进行三维子矩阵分割时采用8×8×3的三维子矩阵分割方法，即分割后的三维子矩阵为8行、8列和3纵序，分割先按行后按列进行。

6.根据权利要求4或5所述的一种数字彩色图像信号压缩装置，具特征在于矩阵变换装置进行三维广域余弦变换时所采用的公式为：

B = {(C_{3} {(C_{2} {(C_{1} A C_{1}^{T})}_{I} C_{2}^{T})}_{II} C_{3}^{T})}_{III}