RU2316908C2 - Method for combined usage of vector quantization and fractal encoding of images - Google Patents

Method for combined usage of vector quantization and fractal encoding of images Download PDF

Info

Publication number
RU2316908C2
RU2316908C2 RU2005133954/09A RU2005133954A RU2316908C2 RU 2316908 C2 RU2316908 C2 RU 2316908C2 RU 2005133954/09 A RU2005133954/09 A RU 2005133954/09A RU 2005133954 A RU2005133954 A RU 2005133954A RU 2316908 C2 RU2316908 C2 RU 2316908C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
image
fractal
block
domain
vector quantization
Prior art date
Application number
RU2005133954/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2005133954A (en
Inventor
Александр Васильевич Тезин (RU)
Александр Васильевич Тезин
Александр Витальевич Шмойлов (RU)
Александр Витальевич Шмойлов
ков Сергей Владимирович Чист (RU)
Сергей Владимирович Чистяков
Михаил Владимирович Стремоухов (RU)
Михаил Владимирович Стремоухов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России)
Priority to RU2005133954/09A priority Critical patent/RU2316908C2/en
Publication of RU2005133954A publication Critical patent/RU2005133954A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2316908C2 publication Critical patent/RU2316908C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Compression Or Coding Systems Of Tv Signals (AREA)
  • Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)
  • Compression Of Band Width Or Redundancy In Fax (AREA)

Abstract

FIELD: digital processing of images, possible use during transmission of images through low speed communication channels.
SUBSTANCE: in accordance to the invention, technical effect is achieved by combined usage of vector quantization and fractal encoding of data during image processing. During that, identical code books are formed in advance in encoder and decoder same as for vector quantization. Then fractal compression method is applied to original image. As domain blocks, either fragments of image being encoded, or code book vector, are used. If rank block is better indicated by domain block, the index of corresponding domain is transmitted to decoder, in opposite case the index of vector, on basis of which the required fragment, used to fill the restored image after fractal decoding, is selected from code book during receipt, is transmitted to decoder.
EFFECT: ensured high quality of transmitted information at high degree of its compression.
3 dwg

Description

Изобретение относится к области цифровой обработки изображений и может быть использовано при передаче изображений по низкоскоростным каналам связи. Техническим результатом изобретения является разработка способа совместного использования векторного квантования и фрактального кодирования изображений, обеспечивающего высокое качество передаваемой информации при высокой степени ее сжатия.The invention relates to the field of digital image processing and can be used when transmitting images on low-speed communication channels. The technical result of the invention is the development of a method for sharing vector quantization and fractal coding of images, ensuring high quality of transmitted information with a high degree of compression.

В [1] представлен классический алгоритм фрактального кодирования изображений, который состоит в следующем. Для каждого рангового блока исходного изображения находят домен и соответствующее преобразование, которое наилучшим образом покрывает данный ранговый блок. Обычно это аффинное преобразование. Аффинное преобразование состоит из трех этапов. Во-первых, к выбранному домену применяется один из восьми базовых поворотов/отражений (четыре поворота на 90 градусов и зеркальное отражение в каждой ориентации). Во-вторых, вращаемая доменная область сжимается, чтобы соответствовать размеру ранговой области. И, наконец, методом наименьших квадратов вычисляются параметры контрастности α и яркости β, соответствующие оптимальным значениям, при которых минимизируется выражение (1)In [1], the classical algorithm for fractal coding of images is presented, which consists in the following. For each ranking block of the source image, find the domain and the corresponding transformation that best covers the ranking block. This is usually an affine transformation. The affine transformation consists of three stages. First, one of eight basic rotations / reflections (four rotations of 90 degrees and mirror reflection in each orientation) is applied to the selected domain. Secondly, the rotated domain region is compressed to fit the size of the ranking region. And finally, the least squares method calculates the parameters of contrast α and brightness β, corresponding to the optimal values at which expression (1) is minimized

Figure 00000002
Figure 00000002

где E(R,D) - метрика между ранговым блоком R и приведенным к нему по размеру доменным блоком D;where E (R, D) is the metric between the rank block R and the domain block D reduced to it in size;

n - число строк в обрабатываемом ранговом блоке;n is the number of rows in the processed rank block;

m - число столбцов в обрабатываемом ранговом блоке.m is the number of columns in the processed rank block.

Если достаточно точного соответствия не получилось, то разбивают ранговые блоки на меньшие по размеру. Продолжают этот процесс до тех пор, пока не добьются приемлемого соответствия, или размер ранговых блоков не достигнет некоторого заранее определенного предела.If the exact match did not work out, then the rank blocks are divided into smaller ones. Continue this process until they reach an acceptable match, or the size of the rank blocks reaches a certain predetermined limit.

В [2] приведен способ векторного квантования, который является одним из разновидностей эффективного блочного кодирования. Применительно к изображениям векторное квантование состоит в следующем. Исходное изображение разбивают на блоки элементов. Блоки отождествляются с векторами, размерность которых определяется числом элементов, входящих в блок. Далее эти исходные векторы сравниваются с кодовыми векторами, составляющими кодовую книгу, и в качестве квантованного вектора выбирается тот из набора кодовых векторов, при котором минимизируется принятая мера искажений, характеризующая расстояние между входным и кодовым векторами. При сформированной кодовой книге индекс кодового вектора однозначно определяет квантованный вектор, так как на приемной стороне имеется такая же кодовая книга (она передается на приемник заранее) и при получении номера индекса на приемной стороне из кодовой книги выбирается соответствующий кодовый вектор и им заполняется то место изображения, которое соответствует месту исходного вектора.In [2], a vector quantization method is presented, which is one of the varieties of efficient block coding. As applied to images, vector quantization is as follows. The original image is divided into blocks of elements. Blocks are identified with vectors whose dimension is determined by the number of elements included in the block. Next, these source vectors are compared with the code vectors making up the code book, and one of the set of code vectors is selected as the quantized vector, at which the adopted measure of distortions characterizing the distance between the input and code vectors is minimized. When the codebook is generated, the code vector index uniquely determines the quantized vector, since there is the same code book on the receiving side (it is transmitted to the receiver in advance), and when the index number is received on the receiving side, the corresponding code vector is selected from the code book and the image location is filled with it that matches the location of the original vector.

Таким образом, метод векторного квантования базируется на предварительном построении кодовых книг на основе процесса обучения конкретных блоков изображения. При этом используемые кодовые книги не сохраняют топологию кодируемых данных, что приводит к значительным ошибкам при кодировании.Thus, the vector quantization method is based on the preliminary construction of code books based on the learning process of specific image blocks. In this case, the used codebooks do not preserve the topology of the encoded data, which leads to significant coding errors.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному способу совместного использования векторного квантования и фрактального кодирования изображений является устройство кодирования и декодирования с использованием векторного квантования по патенту США №5010401, H 04 N 7/13, 1991 г. [3].The closest in technical essence to the claimed method of sharing vector quantization and fractal coding of images is a coding and decoding device using vector quantization according to US patent No. 5010401, H 04 N 7/13, 1991 [3].

Преобразование изображения в указанном прототипе осуществляется следующим образом. Изображение разбивается на блоки по κ отсчетов в каждом (κ - целое положительное), формируются блоки межкадровой разности и запоминаются, формируют библиотеку эталонов (кодовую книгу) для конкретных блоков изображения, код блока изображения определяет адрес блока в кодовой книге, при восстановлении считывают этот блок в буферную память с последующим формированием восстановленного изображения,The image conversion in the specified prototype is as follows. The image is divided into blocks of κ samples in each (κ is a positive integer), inter-frame difference blocks are formed and stored, a standard library (code book) is formed for specific image blocks, the image block code determines the address of the block in the code book, and this block is read during restoration in the buffer memory with the subsequent formation of the restored image,

Недостатком прототипа является то, что построенная таким образом кодовая книга адаптируется только на определенный класс изображений и не может использоваться для кодирования других типов изображений.The disadvantage of the prototype is that the codebook constructed in this way is adapted only to a certain class of images and cannot be used to encode other types of images.

Целью данного изобретения является разработка способа совместного использования векторного квантования и фрактального кодирования изображений, обеспечивающего улучшение качества восстановления изображения и уменьшение времени декодирования по сравнению с фрактальным методом сжатия для любого типа изображений при сохранении скорости передачи и длине формата кадра.The aim of the present invention is to develop a method of sharing vector quantization and fractal coding of images, providing improved image recovery quality and reduced decoding time compared to the fractal compression method for any type of image while maintaining the transmission speed and frame format length.

Суть предлагаемого способа заключается в комбинировании фрактального способа сжатия с векторным квантованием. Сначала к исходному изображению применяется описанный в [1] фрактальный алгоритм сжатия. После этого поиск наиболее подходящего домена осуществляется из кодовой книги. Это связано с тем, что для ранговых областей с большим динамическим диапазоном бывает сложно подобрать домен с еще большим динамическим диапазоном, поэтому для кодирования таких областей используется кодовая книга. Формирование кодовой книги осуществляется итерационным кластерным алгоритмом, известным также как алгоритмом k-средних, описанным в [2]. В соответствии с данным алгоритмом выбирают некоторую последовательность изображений, принадлежащих различным классам. Далее эту последовательность преобразуют в последовательность входных векторов или обучающую последовательность, по которым формируется кодовая книга. При этом входные векторы должны обладать большим динамическим диапазоном, так как кодовая книга должна содержать блоки, отображающие резкие грани между фрагментами изображения, поскольку именно в таких случаях могут возникнуть проблемы с поиском подходящего домена. Такая ситуация обычно возникает из-за ограничений на динамический диапазон искомого домена, который, как правило, должен быть больше динамического диапазона ранговой области. На участках с резкими границами динамический диапазон очень велик и часто оказывается, что он достигает своего максимального значения. В этом случае не существует домена со строго большим динамическим диапазоном и ранговая область замещается наиболее похожим блоком из кодовой книги. Блоки выбраны так, что их структура не зависит от разрешения, и это дает ему дополнительное преимущество в сочетании с фрактальным методом.The essence of the proposed method is to combine the fractal compression method with vector quantization. First, the fractal compression algorithm described in [1] is applied to the original image. After that, the search for the most suitable domain is carried out from the codebook. This is due to the fact that for ranking areas with a large dynamic range it can be difficult to select a domain with an even larger dynamic range, therefore, a codebook is used to encode such areas. The codebook is formed by an iterative cluster algorithm, also known as the k-means algorithm described in [2]. In accordance with this algorithm, a certain sequence of images belonging to different classes is selected. Next, this sequence is converted into a sequence of input vectors or a training sequence by which a code book is formed. In this case, the input vectors should have a large dynamic range, since the codebook should contain blocks that display sharp edges between fragments of the image, since it is in such cases that problems may arise with finding a suitable domain. Such a situation usually arises due to restrictions on the dynamic range of the desired domain, which, as a rule, should be greater than the dynamic range of the rank domain. In areas with sharp boundaries, the dynamic range is very large and it often turns out that it reaches its maximum value. In this case, there is no domain with a strictly large dynamic range and the rank area is replaced by the most similar block from the codebook. Blocks are chosen so that their structure does not depend on resolution, and this gives it an additional advantage in combination with the fractal method.

Кроме улучшения качества восстановления изображений, уменьшается время их декодирования. Если кодовая книга составлена из векторов, имеющих большой динамический диапазон, которые содержатся в кодируемом изображении, то уже с первой итерации блоки, которые сжимались с использованием кодовой книги, получают окончательные правильные значения. Соответственно, это влияет на скорость сходимости всего множества точек изображения за счет того, что эти области, как правило, служат ранговыми областями для других доменных областей изображения, которые уже ко второй итерации получают значения достаточно близкие к предельным.In addition to improving the quality of image recovery, the decoding time is reduced. If the codebook is composed of vectors having a large dynamic range that are contained in the encoded image, then from the first iteration, the blocks that were compressed using the codebook receive the final correct values. Accordingly, this affects the rate of convergence of the entire set of image points due to the fact that these areas, as a rule, serve as rank areas for other domain areas of the image, which already by the second iteration receive values quite close to the limit.

Заявленный способ поясняется чертежами:The claimed method is illustrated by drawings:

- Фиг.1 алгоритм кодирования изображения при совместном использовании векторного квантования и фрактального кодирования изображений;- Figure 1 image coding algorithm when sharing vector quantization and fractal coding of images;

- Фиг.2 схема совместного использования векторного квантования и фрактального кодирования изображений;- Figure 2 diagram of the sharing of vector quantization and fractal coding of images;

- Фиг.3 зависимость пикового соотношения сигнал/шум (PSNR) от числа итераций при восстановлении исходного изображения с помощью базового алгоритма фрактального сжатия и алгоритма совместного использования векторного квантования и фрактального кодирования изображений.- Fig.3 dependence of the peak signal to noise ratio (PSNR) on the number of iterations when restoring the original image using the basic fractal compression algorithm and the algorithm for sharing vector quantization and fractal image encoding.

Алгоритм кодирования изображения при совместном использовании векторного квантования и фрактального кодирования изображений предложен на фиг.1. Исходное изображение разбивается на неперекрывающиеся ранговые и доменные блоки. Домены могут быть разных размеров, и обычно их количество исчисляется сотнями и тысячами. После этого для каждого рангового блока находят домен и соответствующее преобразование, которое наилучшим образом покрывает ранговый блок. Обычно это аффинное преобразование. В качестве доменов могут выступать доменные области исходного изображения или блоки кодовой книги. Кодирование завершается при покрытии каждого рангового блока доменной областью с заданной погрешностью.An image encoding algorithm for sharing vector quantization and fractal image encoding is proposed in FIG. The original image is divided into non-overlapping rank and domain blocks. Domains can be of different sizes, and usually their number is in the hundreds and thousands. After that, for each rank block, the domain and the corresponding transformation that best covers the rank block are found. This is usually an affine transformation. The domains may be domain regions of the source image or codebook blocks. Encoding is completed when each rank block is covered by a domain region with a given error.

На фиг.2 показана схема совместного использования векторного квантования и фрактального кодирования изображений. Предварительно в кодере и декодере с помощью векторного квантования формируют идентичные кодовые книги. Далее к каждому ранговому блоку исходного изображения применяется фрактальный метод сжатия. В результате работы которого алгоритм сравнивает варианты преобразования всех доменов к выбранному ранговому блоку. В качестве доменных областей используются либо фрагменты кодируемого изображения, либо векторы кодовой книги. Если ранговый блок лучше отображается доменным блоком (E1(R,D)min<E2(R,D)min), то декодеру передается индекс соответствующего домена, в противном случае (E1(R,D)min>E2(R,D)min) декодеру передается индекс вектора, по которому из кодовой книги на приеме выбирается необходимый фрагмент, которым после фрактального декодирования заполняется восстановленное изображение.Figure 2 shows a scheme for sharing vector quantization and fractal coding of images. Previously, in the encoder and decoder using vector quantization form identical code books. Next, a fractal compression method is applied to each ranking block of the source image. As a result of which, the algorithm compares the options for converting all domains to the selected rank block. Either fragments of the encoded image or codebook vectors are used as domain domains. If the rank block is better displayed by the domain block (E 1 (R, D) min <E 2 (R, D) min ), then the index of the corresponding domain is transmitted to the decoder, otherwise (E 1 (R, D) min > E 2 ( R, D) min ) the vector index is transmitted to the decoder, according to which the necessary fragment is selected from the codebook at the reception, with which, after fractal decoding, the restored image is filled.

На фиг.3 представлена зависимость пикового соотношения сигнал/шум (PSNR) от числа итераций при восстановлении исходного изображения с помощью базового алгоритма фрактального сжатая и алгоритма совместного использования векторного квантования и фрактального кодирования изображений. Как видно на фиг.3, при использовании векторного квантования предельное качество изображения достигается уже к четвертой итерации, в то время как в базовом фрактальном алгоритме это изображение стабилизируется только на седьмой итерации.Figure 3 shows the dependence of the peak signal to noise ratio (PSNR) on the number of iterations when restoring the original image using the basic fractal compressed algorithm and the algorithm for sharing vector quantization and fractal image encoding. As can be seen in figure 3, when using vector quantization, the maximum image quality is reached by the fourth iteration, while in the basic fractal algorithm, this image is stabilized only at the seventh iteration.

Предлагаемый способ совместного использования векторного квантования и фрактального кодирования увеличивает вычислительную сложность процесса кодирования изображений, что является незначительным с учетом уменьшения времени декодирования и современным уровнем развития цифровых процессоров обработки сигналов. Указанный способ может найти свое применение при передаче изображений по низкоскоростным каналам связиThe proposed method for the joint use of vector quantization and fractal coding increases the computational complexity of the image coding process, which is insignificant given the reduction in decoding time and the current level of development of digital signal processing processors. The specified method can find its application in the transmission of images on low-speed communication channels

ЛитератураLiterature

1. С.Уэлстид Фракталы и вейвлеты для сжатия изображений в действии. Учебное пособие. - М.: Издательство Триумф, 2003.1. S. Welstead Fractals and wavelets for image compression in action. Tutorial. - M .: Triumph Publishing House, 2003.

2. Спутниковое телевидение. Новые методы передачи. / Н.Г.Харатишвили, Э.И.Кумыш, В.Ю.Епанечников, О.Г.Зумбурипзе; Под ред. Н.Г.Харагишвили. - М: Радио и связь, 1993.2. Satellite television. New transmission methods. / N.G. Kharatishvili, E.I. Kumysh, V.Yu. Yepanechnikov, O.G. Zumburipze; Ed. N.G. Kharagishvili. - M: Radio and communications, 1993.

3. Патент США №5010401, МПК H 04 N 7/13, 1991 г.3. US Patent No. 5010401, IPC H 04 N 7/13, 1991

Claims (1)

Способ совместного использования векторного квантования и фрактального кодирования изображений, заключающийся в том, что в процессе векторного квантования исходное изображение разбивают на блоки по к отсчетов в каждом (к - целое положительное), формируют идентичные кодовые книги в кодере и декодере, к каждому ранговому блоку исходного изображения применяется фрактальный метод кодирования, сравнивают варианты фрактального преобразования всех доменов с выбранным ранговым блоком, используя в качестве доменных областей либо фрагменты кодируемого изображения, либо векторы кодовой книги, при этом, если ранговый блок точнее отображается доменным блоком E1(R,D)min<E2(R,D)min, то декодеру передают индекс соответствующего домена, в противном случае для блоков с большим динамическим диапазоном при E1(R,D)min>E2(R,D)min декодеру передается индекс вектора, по которому из кодовой книги на приеме выбирается соответствующий индексу фрагмент, которым после фрактального декодирования заполняется восстановленное изображение,A method of sharing vector quantization and fractal coding of images, which consists in the fact that in the process of vector quantization the original image is divided into blocks of k samples in each (k is a positive integer), identical code books are formed in the encoder and decoder, for each rank block of the source The fractal coding method is applied to the image; the variants of the fractal transformation of all domains are compared with the selected rank block, using either fragments of diruemogo image or vector codebook, wherein if the ranking unit more precisely displayed domain block E 1 (R, D) min <E 2 (R, D) min, the decoder transmitting index corresponding domain, otherwise for a large block dynamic range at E 1 (R, D) min > E 2 (R, D) min the decoder receives the index of the vector by which the corresponding index index is selected from the codebook at the reception, which fills the reconstructed image after fractal decoding, где
Figure 00000003
- метрика между ранговым блоком R и приведенным к нему по размеру доменным блоком D, n - число строк в обрабатываемом ранговом блоке, m- число столбцов в обрабатываемом ранговом блоке,
Where
Figure 00000003
- the metric between the rank block R and the domain block D reduced to it in size, n is the number of rows in the processed rank block, m is the number of columns in the processed rank block,
E1(R,D) - метрика, где доменами являются блоки исходного изображения,E 1 (R, D) - metric, where the domains are blocks of the original image, Е2(Р,В) - метрика, где доменами являются блоки из кодовой книги.E 2 (P, B) is a metric where the domains are blocks from the codebook.
RU2005133954/09A 2005-11-02 2005-11-02 Method for combined usage of vector quantization and fractal encoding of images RU2316908C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005133954/09A RU2316908C2 (en) 2005-11-02 2005-11-02 Method for combined usage of vector quantization and fractal encoding of images

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005133954/09A RU2316908C2 (en) 2005-11-02 2005-11-02 Method for combined usage of vector quantization and fractal encoding of images

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2005133954A RU2005133954A (en) 2007-05-10
RU2316908C2 true RU2316908C2 (en) 2008-02-10

Family

ID=38107722

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005133954/09A RU2316908C2 (en) 2005-11-02 2005-11-02 Method for combined usage of vector quantization and fractal encoding of images

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2316908C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9497380B1 (en) 2013-02-15 2016-11-15 Red.Com, Inc. Dense field imaging

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9497380B1 (en) 2013-02-15 2016-11-15 Red.Com, Inc. Dense field imaging
US9769365B1 (en) 2013-02-15 2017-09-19 Red.Com, Inc. Dense field imaging
US10277885B1 (en) 2013-02-15 2019-04-30 Red.Com, Llc Dense field imaging
US10547828B2 (en) 2013-02-15 2020-01-28 Red.Com, Llc Dense field imaging
US10939088B2 (en) 2013-02-15 2021-03-02 Red.Com, Llc Computational imaging device

Also Published As

Publication number Publication date
RU2005133954A (en) 2007-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10992943B2 (en) Data processing apparatuses, methods, computer programs and computer-readable media
US9774884B2 (en) System and method for using pattern vectors for video and image coding and decoding
US6778709B1 (en) Embedded block coding with optimized truncation
US6031940A (en) System and method for efficiently encoding video frame sequences
US8666179B2 (en) Image encoding apparatus and decoding apparatus
JP6923677B2 (en) Selective mixing for entropy coding in video compression
JP5838258B2 (en) Method and apparatus for lossy compression encoding data and corresponding method and apparatus for reconstructing data
JP4768728B2 (en) Method and apparatus for encoding a block of values
US8285064B2 (en) Method for processing images and the corresponding electronic device
US6621935B1 (en) System and method for robust image representation over error-prone channels
US6798901B1 (en) Method of compressing a color image
JPH10243396A (en) Adaptive quantization method and method for encoding video signal data and system for encoding sampling-processed video signal data
US20080232476A1 (en) Method For Coding/Decoding Video Data
US11475600B2 (en) Method and device for digital data compression
JP2003188733A (en) Encoding method and arrangement
Kabir et al. Edge-based transformation and entropy coding for lossless image compression
RU2316908C2 (en) Method for combined usage of vector quantization and fractal encoding of images
US8014612B2 (en) Image processing device and method for compressing and decompressing images
US9501717B1 (en) Method and system for coding signals using distributed coding and non-monotonic quantization
CN100385954C (en) Method and device for compressing video-packet coded video data
US8532179B2 (en) Method and device for optimizing the compression of a video stream
JP2001501406A (en) Method and apparatus for vector and inverse vector quantization of digital images
CN108432254B (en) Image encoding and decoding method, apparatus and computer storage medium
RU2327301C2 (en) Method of transmission of additional data in combined use of vector quantisation and fractal conding of images allowing for classifications of domains and units from code book
KR100216600B1 (en) Method of transmitting multi-code for vector quantizer of image signal

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20071103