TWI459817B - 影像壓縮方法和裝置及帶有至少一編碼影像之儲存媒體 - Google Patents
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Description
本發明係關於影像(images)之壓縮，尤指通常影像的轉換係數位元，從最有效位元平面往最少有效位元平面編碼。
在應用該項係數位元的通常編碼之編碼架構當中，是聯合攝影專家組合(JPEG)擬議之編碼標準JPEG2000。
係數位元之通常編碼，得以在截體位元平面進行截體編碼，以符合目標位元率。
惟如此截體會附帶引進假象。假象會衝擊到使用者感受的影像品質。截體之位元平面愈有效，假象看得愈清楚。
往昔有過努力，改進以固定目標位元率壓縮的影像感受品質。
本發明從事此項努力。利用事實上假象之感受性，因假象周圍影像面積之感受重要性而異。人類眼睛對影像的膚色面積、影像不很精細面積，和光度中庸的影像面積內之假象，較為敏銳。
如此一來，影像壓縮方法和裝置，包括申請專利範圍之特點，得以固定目標位元率改進所感受的影像品質。
該方法包括令感受重要性參數與影像圖元關聯，對影像施以轉換，把所轉換影像區隔成碼段，並把指定的碼段之係數位元一起從最有效位元平面往最少有效位元平面編碼，其中至少一係數之編碼，在截體位元平面加以截體，視該係數相對應的一或以上圖元關聯之感受重要性參數而定。
係數視與係數關聯的圖元感受重要性而定之截體編碼，得以把相當於在較有效位元平面的感受上較不重要圖元之係數截體。此舉可使位元率自由把在較少有效位元平面的感受上較重要圖元之係數截體。雖然在影像之感受上較不重要面積會強化或新引進假象，惟此等強化或新引進的假象，對所感受影像品質之損害，還不如從感受上較重要面積除去或減少之假象。因此，可增進壓縮影像之總體感受品質。
在一具體例中，碼段參數是由指定碼段係數相對應的圖元之感受重要性參數平均求得，其中截體位元平面視該碼段參數而定。
把指定碼段的感受重要性參數加以平均，可以調節截體位元平面。
在另一具體例中，方法又包括加權步驟，係以與該指定碼段關聯之特點權值，對該指定碼段係數之畸變計算加權，並視該碼段參數而定。在該另一具體例中，此方法又包括步驟為，根據進一步加權畸變計算，決定截體位元平面。
加權畸變計算亦可另外以其他權值加權。
加權畸變計算用於像JPEG2000編碼架構內之最佳截體，在該計算內引進又一權值，展示本發明方法可簡易應用整合於該編碼架構內。
在又一具體例中，方法又包括步驟為，決定初步截體位元平面，並把該指定碼段區隔成副段，其中至少一副段內包括之係數編碼，是在進階截體位元平面加以截體，而至少另一副段內包括之係數編碼，是在縮減截體位元平面加以截體，使平均截體位元平面相當於該初步截體位元平面。
於再一具體例中，相同副段內包括之係數，與相同的感受重要性參數關聯。再者，至少一副段之係數與表示感受重要性超過碼段參數之感受重要性參數關聯，而至少另一副段之係數則與表示感受重要性低於碼段參數之感受重要性參數關聯。
藉決定初步截體位元平面分配給該指定碼段之位元量，會不均勻分佈於該指定碼段之係數。意即感受上較重要係數，是在比該初步截體位元平面較不有效的進階截體位元平面加以截體。而感受上較不重要的係數，是在比該初步截體位元平面更有效的縮減截體位元平面加以截體。但該指定段編碼用的平均截體位元平面則保留一定，即該初步截體位元平面。
在又一具體例中，與該指定碼段關聯之該特點權值，因影像平均感受重要性參數和/或碼段參數中之最大值而定。
令特點權值視影像有關之平均值和/或影像有關之最大值而定，致使影像編碼可用之固定位元數不均勻分佈於碼段。
又一具體例是，方法又包括步驟為，對副段決定位元平面調諧參數，其中該位元平面調諧參數因與各副段關聯的感受重要性參數、該指定段內之碼段參數和/或最大感受重要性參數而定。
決定位元平面調諧參變數視碼段有關的平均值和/或碼段有關的最大值而定，可對指定碼段編碼可用之固定位元數不均勻分佈於該指定碼段之副段，提供易算之參數。
又一具體例是，方法又包括根據包括該指定圖元的量化參數偏差值步驟大小和/或根據巨段內存在之特點數指示(其中特點係與皮膚、組織和光度水準有關)，決定量化參數偏差值。
又一具體例中，方法又包括步驟為，把巨段分成基本段而決定組織特點之存在，為各基本段決定均方(mean square)誤差，從決定的均方誤差當中決定最小值，並將最小值與臨限值比較。
再一具體例中，方法又包括步驟為，藉決定巨段之平均光度值，以決定光度特點之存在，把平均光度值與下臨限值比較，和/或平均光度值與上臨限值比較。
本發明有益之其他具體例，包括申請專利範圍各附屬項之特點。
本發明具體例詳述如下。
JPEG2000是很通常的影像和/或影像寫碼標準，借助離散小波轉換(DWT)，產生有效壓縮率。再者，JPEG2000支援各種功能，像無損編碼、損耗或壓縮編碼、錯誤彈性編碼，或單一寫碼連流內之有益區位(ROI)編碼。
JPEG2000的關鍵演算包括以最佳截體(EBCOT)之內嵌段寫碼，和算術編碼(MQ)。
在典型的JPEG2000寫碼計劃中，首先把輸入影像分成方形區位，稱為區塊。各區塊可單獨寫碼。然後，二維度DWT把區塊分解成LL、LH、HL和HH次帶。LL次帶是原有區塊的低解像度版本，再以遞歸方式分解成四次帶。經小波轉換和量化後，各次帶內之係數分成若干不重疊之碼段，典型尺寸為32×32或64×64係數，利用EBCOT和MQ演算單獨處理。
EBCOT包括二部份，Tier-1和Tier-2寫碼。Tier-1利用脈絡為基礎之算術寫碼器，把各碼段編碼入單獨內嵌之位元流內。各碼段是以位元平面逐一從最有效位元(MSB)往最少有效位元(LSB)編碼。Tier-2把對指定位元率的影像畸變減到最少，使速率控制最佳。JPEG2000利用速率畸變最適化演算，得以決定對指定位元率之最適截體位元平面，而提供準確速率控制。速率畸變最適化演算，亦稱為後壓縮率畸變(PCRD)最適化演算。
算術寫碼MQ用在編碼過程的最後部份。寫碼是使用脈絡依賴性二元式算術寫碼為之。Elias遞歸式機率間距細分是二元式算術寫碼過程之基礎。以各二元式決定，把現時機率間距細分成二副間距，必要時，修飾碼流(code stream)，故針對指定給符號的機率副間距之基準(下限)。
在JPEG2000中，壓縮是利用一定數量的位元平面編碼達成。採用EBCOT來精準控制此等壓縮。是以加權均方誤差(WMSE)截體達成。WMSE從成份權值w_cmpt、帶權
值w_band、量化步驟權值w_step和位元平面權值w_bitpos，計算加權畸變。由JPEG2000所知WMSE之計算，如下式(1)所示：
其中Di
是第i碼段之加權平均畸變，dk
是在現時位元平面進行截體時，第k係數之畸變或誤差。NCB
是在亦包括該第i碼段的次帶內之碼段數，Ni
是該第i碼段內成份數或係數。LL次帶之帶權值w_bandLL
，比LH次帶之帶權值w_bandLH
大。LH帶權值w_bandLH
等於比HH帶權值w_bandHH
大的HL帶權值w_bandHL
。位元平面權值w_bitpos通常是由位元平面位置bitpos算出，為4bitpos
。
人類肉眼對有些區位，諸如臉、平坦面積，和中庸色調之區位，較為敏銳。在此等區位內之任何假象，都對主觀感受品質有害。此等區位稱為感受上重要區位(PIR)。反之，人常常忽略稱為感受上不重要區位(PUR)的暗區或變形段內之壓縮誤差。意即PUR會比PIR隱匿更多壓縮引進的假象。
所以，位元可從PUR移至PIR，改善總體視覺品質，並保持總體位元率常值。
在具體例中，檢測三項特點：皮膚色調、空間活性(亦稱為組織)，和光度位準，以決定影像之PUR和PIR。全部此等視覺特點合併發生均勻特點映圖，含有各巨段之量化參數偏差值。此等量化參數偏差值係感受暗示，可以從PUR分辨PIR。而指定量化參數偏差值，即表示相對應巨段之感受重要性。
使用特點映圖產生軟體，發生一組量化參數偏差值QP_offsetj
，j=1,...,NMB
，包括每巨段有一量化參數偏差值，其中NMB
是影像內之巨段數。量化參數偏差值QP_offsetj
表示第j巨段之感受重要性。量化參數偏差值QP_offsetj
愈低，第j巨段之感受重要性愈高。
影像之皮膚區位(如有)可用顏色分節方法檢測，如D. Cai和K. N. Ngan所擬，參見其所著〈在影像電話應用中使用皮膚顏色映圖之臉部分節〉，發表於對CSVT之IEEE議事錄，1999。
為測量空間活性，可用變數。空間活性是由四光度圖幅組成基本段算出，使用原有圖元值：
係在第n個原有巨段內的第k樣本值。
若sp_actj
小於指定臨限值THT，段被測定為平坦區位。在舉例應用中，THT可為8。
在中庸色調內，視覺準確性較高。為利用此特點，界定二臨限值THL和THH。再把巨段分類為三類中之一，借助其光度水準luma：
把位準1的區位界定為重要面積。
然後，所得三個特點可以組合，以調節量化步驟。最低的QP偏差值指定給含有全部三項特點之區位。稍高的QP偏差值指定給有二或一項特點之區位。相對高QP偏差值指定給其餘區位，以補償增加之位元。為簡化起見，只以敏銳性之同樣優先，設定此三特點。所以，對巨段j=1,...,NMB
而言之相對應權值Wj
，表現為：
對巨段j=1,...,NMB
而言，QP偏差值QP_offsetj
係根據權值Wj
決定：
QPStep是QP偏差值QP_offsetj
的步驟大小。用來控制QP偏差值QP_offsetj
的幅度。例如，QPStep在應用中可設定於2。
QP_offsetj
用來計算額外特點權值w_featurek
，視第k碼段而定，k=1,...NCB
。然後，式(1)之WMSE計算又以額外特點權值w_featurek
加權。
全影像的平均量化參數偏差值QP_offset_img和一組平均量化參數偏差值QP_offset_cbi
(i=1,...,NCB
，每碼段包括一平均量化參數偏差值)，係按照式(8)和式(9)計算：
其中Nfm,i
代表相當於第i碼段的巨段數。例如，若碼段大小設定於32×32，則在原有影像內一碼段相當於64×64段，而該64×64段包括16巨段。則Nfm,i
等於16。
此外，測定平均量化參數偏差值QP_offset_cbi
(i=1,...,NCB
)組內之最大QP_offset_max。
借助於QP_offset_max、QP_offset_img和QP_offset_cbi
，可測定一組特點位元值feature_bitsi
，i=1,...,NCB
，每碼段包括一特點位元值：
最後，使用計算w_bitpos的類似方法，計算額外特點權值w_featurek
。亦即，額外特點權值w_featufek
計算為：
進一步加權之均方誤差計算則考量特點權值，如下式：
在適用EBCOT內使用進一步加權之均方誤差計算，藉控制截體以控制量化。如此一來，在截體位元平面藉編碼截體達成壓縮過程內，考量碼段之感受重要性。
所擬議方法之具體例流程如下：
如上所指出，碼段包括若干巨段。碼段i之QP_offset_cbi
是碼段i內所包括巨段偏差值之平均值。
在又一具體例中，碼段即分解為副段，其中在DWT界域內之各副段，相當於原有影像內之巨段。因此，副段亦相當於特點映圖內的個別感受權值，而第i碼段內之副段數為Nfm,i
。
然後，可在碼段內分辨PIR和PUR，而WMSE計算進一步適於：
其中Ni SB
是第i碼段內之副段數，而nj
是第j副段內之係數數目。
參數w_featij
的測定如下：
其中
QP_offset_sbij
是為巨段測定之QP偏差值，第i碼段內之第j副段與此相對應。
獨立於WMSE計算之進一步適應，寫碼位元可在碼段內從PUR移至PIR，以增進碼段內所編碼影像層面之總體視覺品質，同時保持位元率常值。
即，PIR內的DWT係數是以較多位元平面編碼，而PUR內的DWT係數是以相對應較少位元平面編碼。如此可使碼段編碼所用總體位元數保留常值。
就表示欲編碼的位元平面數以達成碼段i某一壓縮比之指定最佳截體位元平面TBOi
而言，副段j之個別截體位元平面變數Tbij
是按下式測定：
其中QP_offset_maxi
是歸屬於碼段i的巨段QP偏差值當中之最大值。TB_range是位元平面調諧之範圍。例如，TB_range設定於2。
若TBij
小於0，相對應副段j的編碼，即在比碼段i之指定最佳截體位元平面較不有效的位元平面加以截體。而若TBij
大於0，相對應副段j的編碼，是在比碼段i之指定最佳截體位元平面更有效的位元平面加以截體。
全碼段的最佳截體位元平面，係預先計算，但在編碼之際決定。在第一次傳接中，把碼段編碼，不是按照正常JPEG2000編碼，便是考量碼段之感受重要性。此結果為最佳截體位元平面。在第二次傳接中，副段之個別截體位元平面，是借助總體最佳截體位元平面和個別截體位元平面變化來決定。然後，碼段以對副段之變化個別截體位元平面再編碼。
所擬議方法之另一具體例流程如下：
Claims (11)
- 一種影像壓縮方法，包括：-令感受重要性參數與影像之圖元關聯；-對影像應用轉換；-把轉換之影像區隔成碼段，把指定之碼段區隔成副段；-使用所指定碼段係數相對應之圖元的感受重要性參數平均值，為該指定碼段測定目標平均截體位元平面；-把該指定碼段之係數位元，一同從最有效位元平面朝最少有效位元平面編碼；其中-係數位元之編碼，個別在副段依賴性截體位元平面加以截體，各該副段依賴性截體位元平面，視與各副段係數相對應的圖元關聯之感受重要性參數而定；而且-就指定碼段係數之平均值而言，編碼係在該目標平均截體位元平面加以截體者。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中：-同樣副段內所包括之係數，與同樣感受重要性參數關聯；-至少一副段係數，係與表示感受重要性較碼段參數小的感受重要性參數關聯；而-至少另一副段係數，係與表示感受重要性較碼段參數大的感受重要性參數關聯者。
- 如申請專利範圍第2項之方法，又包括步驟為：-為副段測定截體位元平面變化參數，其中-該截體位元平面變化參數，視分別與副段關聯的感受重要性參數、碼段參數和/或該指定段內之最大感受重要性參數而定者。
- 如申請專利範圍第1、2或3項之方法，其中測定目標平均截體位元平面包括：-利用與該指定碼段關聯之特點權值，就該指定碼段係 數，將加權之平均畸變計算進一步加權，和-根據進一步加權之平均畸變計算，測定目標平均截體位元平面者。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中：-與該指定碼段關聯之該特點權值，視平均感受重要性參數和/或碼段參數當中的最大值而定者。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中：-感受重要性參數係量化參數偏差值者。
- 如申請專利範圍第6項之方法，又包括步驟為：-對指定圖元，根據量化參數偏差值步驟大小和/或在包括該指定圖元的巨段內呈現的特點數指示，測定量化參數偏差值，其中-特點係與皮膚、組織和光度位準有關者。
- 如申請專利範圍第7項之方法，又包括測定呈現組織特點之步驟為：-把指定碼段分成基本段；-為各基本段測定均方誤差；-在所測定均方誤差當中，測定最小值；和-就最小值與臨限值加以比較者。
- 如申請專利範圍第7或8項之方法，又包括測定呈現光度特點之步驟為：-測定巨段之平均光度值；-就平均光度值與下限值進行比較；和/或-就平均光度值與上限值進行比較者。
- 一種帶有至少一編碼影像之儲存媒體，該至少一編碼影像係按照前述申請專利範圍之一加以壓縮者。
- 一種影像壓縮裝置，包括：-令感受重要性參數與影像圖元關聯用之機構；-影像轉換用之機構；-把所轉換影像區分成碼段用之機構，該區分機構係適 於把指定碼段區分為副段；-使用指定碼段係數相對應的圖元之感受重要性參數平均值，為該指定碼段測定目標平均截體位元平面用之機構；-把該指定碼段之係數位元，一同從最有效位元平面朝最少有效位元平面編碼用之機構；-該編碼用之機構適於個別在副段依賴性截體位元平面，把係數位元之編碼加以截體，各該副段依賴性截體位元平面視與各副段係數相對應的圖元關聯的感受重要性參數而定；而-該編碼機構進一步適於測定副段依賴性截體位元平面，使該副段之平均截體位元平面，等於該目標平均截體位元平面者。
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