專利名稱：一種靜止動態一體化的圖像編碼方法
一種靜止動態一體化的圖像編碼方法技術領域
本發明屬于圖像處理技術領域，更進一步涉及一種基于離散小波變換 DffT(Discrete Wavelet Transform)和離散余弦變換DCT(Discrete Cosine Transform)混合變換的多級樹集合分裂SPIHT (Set Partitioning in Hierarchical Tree)算法的靜止動態一體化的圖像壓縮方法。本發明適用于星上對靜止動態圖像進行一體化的壓縮處理。
背景技術：
近幾年，在航天應用中的圖像壓縮領域，要求相機載荷同時具有靜止和動態圖像成像及壓縮編碼的工作模式已經成為一種發展趨勢，在已經成功發射的神州7號伴飛小衛星和即將發射的嫦娥3號衛星上都有類似的應用。然而，靜止和動態圖像的數據統計特性有很大區別，針對它們的最優壓縮編碼方法也相應地存在很大區別。靜止圖像編碼處理單幀圖像，只考慮幀內的相關性，不考慮幀間的相關性。動態圖像編碼則需要充分考慮序列中相鄰幀間的相關性，以通過運動估計和補償等技術來提高壓縮效率。目前，靜止圖像編碼的國際標準是JPEG2000，采用基于小波的內嵌碼塊編碼方法。動態圖像編碼的國際標準是 H. 264，采用基于塊的變換和幀間運動估計的編碼方法。這兩種壓縮方法并不是在統一框架下實現的。因此，如果單獨采用其中一種方法進行壓縮，將無法獲得最佳性能。如果同時采用兩種方法分別進行壓縮，則在同一個系統中需要設計兩個獨立的壓縮模塊，會降低可靠性，并大大增加設備的功耗、體積、重量和成本等，不能適應航天應用對高可靠性、低功耗、 低復雜度的特殊要求。
針對這一情況，有學者提出了靜止動態一體化的壓縮方法。
馬鴻泰論文“國家天文臺靜、動態圖像編碼與傳輸的研究”(北京郵電大學的碩士學位論文2007年3月)中公開了一種基于天文學應用的靜止動態圖像編碼與傳輸方法。該方法采取JPEG算法對FITS格式的星圖文件進行有損壓縮，采取基于ZIP壓縮下使用分層的方法對星圖進行無損壓縮，然后通過Windows Media的流媒體技術將多幅靜止的星圖流化成一個視頻文件，支持網絡發布、視頻點播等功能。該方法的不足之處是由于該方法的計算復雜度高，壓縮速度緩慢，尤其是對動態圖像難以用硬件實現，而且該方法專門應用于天文圖像壓縮，沒有涉及到星上圖像等的壓縮處理方法。
郭清衍論文“靜止和活動圖像一體化解壓縮軟件設計與實現”(西安電子科技大學的碩士學位論文2010年6月)中公開了一種靜止和動態圖像一體化的壓縮方法。該方法對于靜止圖像采用內嵌小波變換算法，對于活動圖像加入了運動估計和運動補償的模塊， 具有良好的壓縮效果，支持實時解碼顯示、多功能回放等功能。該方法的不足之處是存儲空間大，計算復雜度高，碼率難以控制，對動態圖像進行高倍壓縮時性能不夠理想。發明內容
本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種基于多級樹集合分裂 SPIHT算法的編碼方法，能夠在統一的架構下實現靜止圖像以及低速動態圖像的編碼。
為實現上述目的，本發明包括如下步驟
(I)對原始圖像進行預處理
Ia)輸入靜止或者動態的原始圖像；
Ib)將原始圖像的每個像素值減去2ΡΛ其中P為圖像的像素精度，獲得直流電平位移后的圖像；
Ic)將位移后的圖像的每個像素值乘以任意確定的相同倍數，獲得數據提升后的圖像；
(2)對數據提升后的圖像進行幀內離散小波變換；
(3)判斷圖像類型如果是動態圖像，執行步驟(4)，如果是靜止圖像，執行步驟(5)；
(4)幀間離散余弦變換
4a)將離散小波變換后的動態圖像每8幀作為一組，劃分為若干組圖像；
4b)將每組圖像中相同位置的像素點抽取出來，組合成一維的像素塊；
4c)對像素塊進行離散余弦變換；
4d)將變換后像素塊中的每個像素點放回每組圖像中抽取時的位置；
(5)多級樹集合分裂SPIHT編碼對步驟(3)和步驟(4)得到的變換后圖像進行多級樹集合分裂SPIHT編碼；
(6)聯合碼率優化截取
6a)對動態圖像編碼后的碼流，以幀間離散余弦變換時的分組作為截取單位，從最重要比特平面到最不重要比特平面，逐一截取組內每幀圖像在每個比特平面的碼流，達到預定碼率時，停止截取；
6b)對靜止圖像編碼后的碼流，以單幀圖像作為截取單位，從最重要比特平面到最不重要比特平面，逐一截取圖像在每個比特平面的碼流，達到預定碼率時，停止截取；
(7)將截取之后的碼流輸出。
本發明與現有技術相比，具有以下優點
第一，由于本發明采用了多級樹集合分裂SPIHT算法，克服了現有技術中計算復雜度高的問題，使得本發明得到嵌入式比特流，具有易于進行壓縮比的控制和實現可伸縮編碼的優點。
第二，由于本發明采用了幀間離散余弦變換對動態圖像進行壓縮，克服了現有技術中動態圖像壓縮處理難以用硬件實現的問題，使得本發明的壓縮架構簡單易行，具有編碼速度較快的優點。
第三，由于本發明采用了聯合碼率優化截取方法來獲得動態圖像的壓縮碼流，克服了現有技術中動態圖像編碼難以控制碼率的問題，使得本發明能夠準確控制壓縮碼流長度，最大程度地保留重要編碼信息，具有圖像高倍壓縮時恢復效果較好的優點。
圖I是本發明的流程圖。
具體實施方式
參照附圖1，本發明的具體實施步驟如下
步驟I，對原始圖像進行預處理。
輸入需要壓縮的原始圖像。原始圖像可以是靜止圖像或動態圖像，用不同的類型參數表示。本發明可以設置任意壓縮倍數對任意分辨率的原始圖像進行壓縮。本發明實施例中的靜止圖像分辨率為2352 X 1728，對其進行2倍壓縮；動態圖像分辨率為720 X 576，對其進行24倍壓縮。
對原始圖像進行直流電平位移，目的是將像素值的取值范圍移位到一個對稱區間里，便于解碼端正確恢復圖像。位移方法是將原始圖像的每個像素值減去2p_i，其中P為圖像的像素精度。本發明實施例中的原始圖像的像素精度為8比特，因此將每個像素值減去 128。
對位移后的圖像進行數據提升，目的是使像素值更適合進行下一步的離散小波變換。提升方法是將位移后的圖像的每個像素值乘以任意確定的相同倍數。本發明實施例中將每個像素值乘以4。
步驟2，對數據提升后的圖像進行幀內離散小波變換。
為了去除圖像的空間冗余，對每幀圖像進行離散小波變換。離散小波變換的優點是將圖像分解成許多具有不同空間分辨率、不同頻率特性和方向特性的子圖像，分解結果符合人的視覺特性。本發明實施例中采用了四級5/3離散小波變換，每一級變換過程由分離、預測、更新三個步驟完成。
分離是將N個像素值組成的序列X按照序號的奇偶性分為兩個互不相交的子集。 偶數序號的像素值子集記作Is}，奇數序號的像素值子集記作hfrr9n7。
預測是利用像素值之間的相關性，用偶數子集來預測奇數子集。預測值和實際值之間會產生誤差值，該誤差值被稱為像素值序列中的高通分量。本發明實施例中通過如下預測公式獲得高通分量ττ I Si + L . N]
H =d.----— O <z < —1 1 2 2
其中，Hi是像素值序列中的第i個高通分量，Cli是奇數子集中的第i個像素值，Si 是偶數子集中的第i個像素值，N是像素值序列的長度。
更新的目的是保持像素值序列的均值等某些全局特性不變，本發明采用的方法是用預測產生的誤差值來修正偶數子集，修正結果被稱為像素值序列中的低通分量。本發明實施例通過如下更新公式獲得低通分量
L. =S- H——-Ly-O <ζ < —1 [ 42
其中，Li是像素值序列中的第i個低通分量，Cli是奇數子集中的第i個像素值，Si 是偶數子集中的第i個像素值，N是像素值序列的長度。
步驟3，根據步驟I中輸入的動態或靜止原始圖像的類型參數判斷原始圖像的類型如果是動態圖像，執行步驟4，如果是靜止圖像，執行步驟5。
步驟4，幀間離散余弦變換。
為了去除圖像的時間冗余，對圖像分組進行離散余弦變換。離散余弦變換的優點是壓縮性能較高，計算復雜度適中，易于硬件實現。本發明實施例中采用了整型快速離散余弦變換。
對離散小波變換后的動態圖像進行分組。本發明實施例中每8幀作為一組，將變換后的動態圖像劃分為若干組。
對分組后的圖像進行像素點抽取，目的是建立幀與幀之間的聯系。方法是將每組圖像中相同位置的像素點抽取出來，組合成一維的像素塊。
對像素塊進行整型快速離散余弦變換。設變換前的數值是X，變換后的數值是y， 變換由以下四個步驟完成，其中yi是第i步運算后的結果
權利要求
1.一種靜止動態一體化的圖像編碼方法，包括以下步驟(1)對原始圖像進行預處理Ia)輸入靜止或者動態的原始圖像；Ib)將原始圖像的每個像素值減去215-1，其中P為圖像的像素精度，獲得直流電平位移后的圖像；Ic)將位移后的圖像的每個像素值乘以任意確定的相同倍數，獲得數據提升后的圖像；(2)對數據提升后的圖像進行幀內離散小波變換；(3)判斷圖像類型如果是動態圖像，執行步驟(4)，如果是靜止圖像，執行步驟(5)；(4)幀間離散余弦變換4a)將離散小波變換后的動態圖像每8幀作為一組，劃分為若干組圖像；4b)將每組圖像中相同位置的像素點抽取出來，組合成一維的像素塊；4c)對像素塊進行離散余弦變換；4d)將變換后像素塊中的每個像素點放回每組圖像中抽取時的位置；(5)多級樹集合分裂SPIHT編碼對步驟(3)和步驟(4)得到的變換后圖像進行多級樹集合分裂SPIHT編碼；(6)聯合碼率優化截取6a)對動態圖像編碼后的碼流，以幀間離散余弦變換時的分組作為截取單位，從最重要比特平面到最不重要比特平面，逐一截取組內每幀圖像在每個比特平面的碼流，達到預定碼率時，停止截取；6b)對靜止圖像編碼后的碼流，以單幀圖像作為截取單位，從最重要比特平面到最不重要比特平面，逐一截取圖像在每個比特平面的碼流，達到預定碼率時，停止截取；(7)將截取之后的碼流輸出。
2.根據權利要求I所述的一種靜止動態一體化的編碼方法，其特征在于，步驟(2)中所述的離散小波變換采用分離、預測、更新三個步驟完成的小波提升算法。
3.根據權利要求I所述的一種靜止動態一體化的編碼方法，其特征在于，步驟(4)中所述的離散余弦變換采用整型快速離散余弦變換。
4.根據權利要求I所述的一種靜止動態一體化的編碼方法，其特征在于，步驟(5)中所述的多級樹集合分裂SPIHT編碼步驟如下第一步，對步驟(3)和步驟(4)得到的變換后圖像進行生成樹的抽取；第二步，將生成樹對應的比特層按左遍歷的順序進行重要性掃描，根據生成樹在該層上各點的值來確定各類重要性信息；第三步，根據各點在當前比特平面的重要性信息、在該層的比特信息和符號信息、在上一比特平面的重要性信息、該點各類集合的存在性信息進行編碼。
全文摘要
本發明公開了一種靜止動態一體化的編碼方法，主要解決目前靜止動態一體化壓縮計算復雜度高，難以用硬件實現的問題。本發明對輸入的原始圖像進行預處理后，如果是靜態圖像，利用幀內離散小波變換去除圖像的空間冗余。如果是動態圖像，在進行幀內離散小波變換去除圖像的空間冗余后，進一步利用幀間離散余弦變換去除圖像的時間冗余；得到變換的圖像后，對其進行多級樹集合分裂編碼，最終用聯合碼率優化截取方法獲得輸出碼流。本發明具有處理速度快，占用資源少，壓縮性能好的優點，尤其適用于資源和時間都受限的航天領域。
文檔編號H04N7/26GK102984519SQ20121051772
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月22日 優先權日2012年11月22日
發明者雷杰, 李爽, 李云松, 吳憲云, 張皓 申請人:西安電子科技大學