專利名稱：一種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圖像自適應編碼方法，特別涉及一種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法。
背景技術：
近年來由Candes等人和Donoho提出的CS (Compressive knsing，壓縮傳感)為新型圖像采集和壓縮處理提供了理論支持，首先利用隨機觀測矩陣Φ，把在某個正交基或緊框架上稀疏的或可壓縮的高維信號(X e Rn)投影到M維的低維空間上(得到測量值y)， 然后通過求解優(yōu)化問題從少量的投影中以高概率重構原始信號或圖像。CS理論的核心思想是將壓縮與采樣合并進行，它突破了香農采樣定理的瓶頸，即只需要通過少量的樣本點就能夠精確地重構原始圖像。國內外學者對壓縮傳感在圖像編碼中的應用進行了大量研究。2006年Haupt等人通過實驗表明如果圖像是高度可壓縮的，測量過程即使存在噪聲，壓縮傳感方法仍可準確重構圖像。2006年Rice大學成功研制出“單像素相機”，為低像素相機拍攝高質量圖像提供了可能。2007年，Lu Gan借鑒DCT (Discrete Cosine ^Transform，離散余弦變換)塊編碼的巨大成功提出了基于塊的壓縮傳感方法，每一塊都采用相同的塊觀測矩陣，可減少觀測矩陣的存儲量，有效解決高維圖像采集問題。采用該技術只需要很少的采樣點，便能精確的重構原始信號。發(fā)明人在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術中至少存在以下的缺點和不足現(xiàn)有技術利用壓縮傳感理論對圖像進行固定采樣率的壓縮并重構時，由于各圖像塊的稀疏程度不同，低采樣率很難保證各圖像塊都具有較高的重構質量，而高采樣率又會造成資源的浪費。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法，該方法實現(xiàn)了判斷各圖像塊在DCT域的稀疏度，根據判斷結果對各圖像塊進行自適應的壓縮采樣，給出了精確的采樣比例，從而確保圖像在較低采樣率下能獲得較高的重構質量，詳見下文描述—種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法，所述方法包括以下步驟(1)根據圖像的規(guī)格將圖像分成m個nXn的圖像塊，其中m的取值根據圖像的規(guī)格和圖像塊的規(guī)格確定，η的取值為正整數；(2)對第i圖像塊進行二維DCT變換，獲取DCT系數的絕對值，根據所述DCT系數的絕對值和第一判斷閾值α獲取所述第i圖像塊的C值，其中i的取值小于等于m，i的初始值為1，C值表示各個圖像塊DCT系數中絕對值小于α的個數，α為大于2小于8的有
理數；(3)判斷第i圖像塊的C值是否大于第二判斷閾值T1,如果是，對第i圖像塊進行20%的采樣壓縮，執(zhí)行步驟(7)；如果否，執(zhí)行步驟⑷；(4)判斷第i圖像塊的C值是否小于等于第二判斷閾值T1且大于第三判斷閾值 T2，如果是，對第i圖像塊進行40%的采樣壓縮，執(zhí)行步驟(7)；如果否，執(zhí)行步驟(5)；(5)判斷第i圖像塊的C值是否小于等于第三判斷閾值T2且大于第四判斷閾值 T3，如果是，對第i圖像塊進行60%的采樣壓縮，執(zhí)行步驟(7)；如果否，執(zhí)行步驟(6)；(6)對第i圖像塊進行80%的采樣壓縮，執(zhí)行步驟(7)；(7)判斷i是否小于m，如果是，i = i+Ι，重新執(zhí)行步驟O)；如果否，執(zhí)行步驟 ⑶；(8)將多個編碼后的圖像塊依次傳輸給解碼端，并根據各圖像塊相應的壓縮率對編碼后的圖像塊進行解碼重構，得到整幅完整的圖像。在步驟⑴之后，步驟⑵之前，所述方法還包括利用相同的種子針對各圖像塊采用不同的采樣率以生成相應尺寸的高斯隨機觀測矩陣。所述方法還包括在各圖像塊編碼碼流的開始加入一個采樣率標志位。所述T1、T2和T3的取值分別為900、800和700。本發(fā)明提供的一種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法，與現(xiàn)有技術相比具有如下的優(yōu)點本發(fā)明通過在對圖像進行CS壓縮采樣前，判斷各圖像塊在DCT域的稀疏度，根據判斷結果對各圖像塊進行自適應的壓縮采樣，使得在低采樣率的情況下能夠對圖像進行高質量重構，給出了精確的采樣比例，在采樣率平均值為44%時，重構圖像的平均PSNR值可達到35dB以上，并且重構圖像所有圖像塊的PSNR值分布比較集中，圖像整體質量達到了最優(yōu)。


圖Ia為本發(fā)明提供的Lena圖像在不同采樣率下重構圖像各個圖像塊的PSNR值的分布情況；圖Ib為本發(fā)明提供的Cameraman圖像在不同采樣率下重構圖像各個圖像塊的 PSNR值的分布情況；圖加為本發(fā)明提供的采樣率為20%的Lena重構圖像的示意圖；圖2b為本發(fā)明提供的采樣率為80%的Lena重構圖像的示意圖；圖3為本發(fā)明提供的一種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法的流程圖；圖如給出了 α取4、采樣率為40%時，Lena重構圖像各個塊的C值和PSNR值的關系圖；圖4b給出了 α取4、采樣率為40%時，Cameraman重構圖像各個塊的C值和PSNR 值的關系圖；圖fe為本發(fā)明提供的Lena原始圖像；圖恥為本發(fā)明提供的Lena圖像在20%采樣率下的重構圖像；圖5c為本發(fā)明提供的Lena圖像在40%采樣率下的重構圖像；圖5d為本發(fā)明提供的Lena圖像在60%采樣率下的重構圖像；
圖k為本發(fā)明提供的Lena圖像在80%采樣率下的重構圖像；圖5f為本發(fā)明提供的采用本方法的Lena圖像的重構圖像；圖6為本發(fā)明提供的Lena圖像在20%、40%、60%和80%固定采樣率，以及采用本方法的各圖像塊PSNR值分布圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。本發(fā)明實施例對圖像進行基于塊的壓縮采樣，把圖像分為規(guī)格為32X32的塊，為了滿足RIP (Restricted Isometry Property，約束等距性)條件，使用獨立同分布的高斯隨機矩陣作為測量矩陣Φ，分別對圖像進行20 %、40 %、60 %和80 %的采樣，并采用TVAL3 (基于壓縮傳感的TV重構)方法對測量值進行重構。為了衡量圖像重構效果，采用客觀圖像質量評價指標PSNR(Peak Signal to Noise Ratio，峰值信噪比)來表征重構圖像塊和相應的原始圖像塊之間的差別。本發(fā)明實施例采用Lena、Cameraman和Columbia等具有不同灰度和紋理細節(jié)的圖像進行測試，其中Lena圖像包含豐富的細節(jié)信息和紋理特征；Cameraman 圖像前景和背景對比度較大；Columbia為景物圖像，平滑區(qū)域和細節(jié)區(qū)域區(qū)分較為明顯。圖1(a)和1(b)中的圖像塊采用從上到下，從左到右的方式排列，橫坐標表示圖像塊的分布，縱坐標表示圖像塊的PSNR值。從圖1可以看出，隨著采樣率的升高，各個塊的 PSNR值呈上升趨勢，但高采樣率會導致圖像壓縮效率的降低，并且造成解碼端圖像重構復雜度的升高。因此，需要在圖像采樣率和PSNR之間形成良好的折中。另外，由于各圖像塊的稀疏度不同，使得在相同采樣率下重構圖像中各圖像塊的PSNR值有較大起伏，對圖像整體質量造成了很大影響。參見圖加，由于PSNR起伏較大，有些塊PNSR較好，有些塊PSNR較差，因此塊效應比較明顯，尤其在臉部和帽子區(qū)域可以看出明顯的塊效應。參見圖2b，雖然 PSNR起伏也較大，但由于PSNR值都較高，因此看不出明顯的塊效應，但重構時間比20 %采樣率時的重構時間大約增加了 50%。因此，需要對整幅圖像進行自適應的壓縮采樣，對稀疏性較好的塊采用較低的采樣率，對稀疏性較差的塊采用較高的采樣率，從而確保在較低的采樣率下，整幅圖像重構質量達到最優(yōu)。如果能找到各圖像塊的PSNR和稀疏度之間的關系，就能對圖像進行自適應的壓縮采樣。參見圖3，一種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法，該方法使用獨立同分布的高斯隨機矩陣作為測量矩陣Φ，該方法主要包括以下步驟101 根據圖像的規(guī)格將圖像分成m個ηΧη的圖像塊；其中，η的取值根據實際應用中的需要進行設定，m的取值根據圖像的規(guī)格和圖像塊的規(guī)格確定，例如圖像的規(guī)格為256 X 256，η的取值為32，圖像塊的規(guī)格為32 X 32，則m 的取值為64，本發(fā)明實施例以圖像塊的規(guī)格為32X32為例進行說明。為了提高壓縮效率，本發(fā)明實施例在對圖像塊進行壓縮采樣時，利用相同的種子針對各圖像塊采用不同的采樣率以生成相應尺寸的高斯隨機觀測矩陣。其中，具體實現(xiàn)時，利用randn或rand產生高斯隨機矩陣時所采用的種子，相同的隨機種子通常為無符號整數。采樣率用P表示，對于ηΧη的圖像塊，進行列化處理后，則要求相應尺寸的高斯隨機觀測矩陣的維數為mXnXp行，ηΧη列。這就與傳統(tǒng)固定采樣率的壓縮方法一樣，僅需向解碼端傳遞一次產生隨機觀測矩陣的種子。102 對第i個圖像塊進行二維DCT變換，獲取DCT系數的絕對值，根據DCT系數的絕對值和第一判斷閾值α獲取第i圖像塊的C值，其中i的取值小于等于m，i的初始值為 1 ；通過對圖像塊進行二維DCT變換后，DCT低頻系數分布在DCT分塊系數矩陣的左上角，DCT的高頻系數分布在右下角，且DCT低頻系數的絕對值大于DCT高頻系數的絕對值。 如果圖像越稀疏，那么它的低頻部分占得比重就會越大。本發(fā)明實施例利用α作為DCT系數的絕對值IDiJ大小的判斷閾值，如果IDiJ小于α則判定為較小的DCT系數，反之則把該系數作為較大的DCT系數。其中，C值表示各圖像塊DCT變換系數中模值小于α的個數，α為大于2小于8 的有理數，從以上分析可知α越大，C值越大，則表示該圖像塊越稀疏，需要較少的壓縮采樣點數就能得到較好的重構圖像。從圖如和圖4b可以看出，圖像塊的C值和PSNR大致服從相同的變化規(guī)律，即圖像塊的C值越大，其PSNR就越高，因此可通過C值來間接表征圖像塊重構時能夠達到的PSNR 值。因此，本發(fā)明實施例以C值作為圖像稀疏度的判斷準則，依據C值的大小來對圖像塊的采樣率進行自適應選擇。為了在較低采樣率的情況下獲得較高的圖像質量，本發(fā)明實施例對C值較大的圖像塊以較低采樣率進行壓縮采樣，反之對C值較小的圖像塊以較高采樣率進行壓縮采樣，從而保證整幅圖像都具有較高的重構質量。本發(fā)明實施例選用Ti (i = 1,2,3)作為對原始圖像進行壓縮采樣時采樣率高低判斷的閾值，其中，T1為第二判斷閾值、T2為第三判斷閾值、T3為第四判斷閾值，且T1 > T2 > T3 ；依據C和Ti的大小關系，對每個圖像塊進行自適應的壓縮采樣。Ti取值不同，則會對圖像塊的壓縮效率和重構質量產生不同影響。當Ti取值較小時，可以采用較低的采樣率對圖像塊進行壓縮采樣，從而有效提高圖像塊的編碼效率，降低編碼器的功耗，但重構圖像的質量要差一些；反之，當Ti取值較大時，圖像塊的編碼效率較低，但重構圖像的質量較好。103 判斷第i圖像塊的C值是否大于第二判斷閾值T1,如果是，對第i圖像塊進行 20%的采樣壓縮，執(zhí)行步驟107 ；如果否，執(zhí)行步驟104 ；104 判斷第i圖像塊的C值是否小于等于第二判斷閾值T1且大于第三判斷閾值 T2，如果是，對第i圖像塊進行40%的采樣壓縮，執(zhí)行步驟107 ；如果否，執(zhí)行步驟105 ；105 判斷第i圖像塊的C值是否小于等于第三判斷閾值T2且大于第四判斷閾值 T3，如果是，對第i圖像塊進行60%的采樣壓縮，執(zhí)行步驟107 ；如果否，執(zhí)行步驟106 ；106 對第i圖像塊進行80%的采樣壓縮，執(zhí)行步驟107 ；107 判斷i是否小于m，如果是，i = i+Ι，重新執(zhí)行步驟102 ；如果否，執(zhí)行步驟 108 108 將多個編碼后的圖像塊依次傳輸給解碼端，并根據各圖像塊相應的壓縮率對編碼后的圖像塊進行解碼重構，得到整幅完整的圖像。進一步地，為了使解碼端可以清楚地獲知各圖像塊壓縮時使用的采樣率，本發(fā)明實施例只需在各圖像塊編碼碼流的開始加入一個采樣率標志位，這樣解碼端根據采樣率標志位的取值就可以直接獲知各圖像塊壓縮時使用的采樣率。例如使用采樣率標志位1、2、 3和4分別表示20%、40%、60%和80%的采樣率，當采樣率標志位的取值為1時，解碼端就可以直接獲知該圖像塊壓縮時使用的采樣率為20%。其中，在對圖像進行自適應編碼時，需要根據網絡帶寬、編碼器的功耗和對圖像重構質量的要求等實際因素對Ti的取值進行相應調整。進一步地，為了在保證重構圖像質量較好的前提下，能較大幅度提高圖像的編碼效率，本發(fā)明實施例中1\、T2和T3的取值分別優(yōu)選為900、800和700。下面以具體的試驗來驗證本發(fā)明實施例提供的一種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法的可行性，其中，圖像塊η的取值為32，α的取值為4，采用TVAL3重構方法，并且判斷閾值Ι\、Τ2和T3的取值分別為900、800和700，詳見下文描述實驗結果如表1所示，λ表示采樣率的增加所帶來的PSNR的增益，以20%時的采樣率β i和PSNR值PSNR1作為基準，其余采樣率所帶來的PSNR的增益可表示為
權利要求
1.一種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)根據圖像的規(guī)格將圖像分成m個nXn的圖像塊，其中m的取值根據圖像的規(guī)格和圖像塊的規(guī)格確定，η的取值為正整數；(2)對第i圖像塊進行二維DCT變換，獲取DCT系數的絕對值，根據所述DCT系數的絕對值和第一判斷閾值α獲取所述第i圖像塊的C值，其中i的取值小于等于m，i的初始值為1，C值表示各個圖像塊DCT系數中絕對值小于α的個數，α為大于2小于8的有理數；(3)判斷第i圖像塊的C值是否大于第二判斷閾值T1,如果是，對第i圖像塊進行20% 的采樣壓縮，執(zhí)行步驟(7)；如果否，執(zhí)行步驟；(4)判斷第i圖像塊的C值是否小于等于第二判斷閾值T1且大于第三判斷閾值T2，如果是，對第i圖像塊進行40%的采樣壓縮，執(zhí)行步驟(7)；如果否，執(zhí)行步驟(5)；(5)判斷第i圖像塊的C值是否小于等于第三判斷閾值T2且大于第四判斷閾值T3，如果是，對第i圖像塊進行60%的采樣壓縮，執(zhí)行步驟(7)；如果否，執(zhí)行步驟(6)；(6)對第i圖像塊進行80%的采樣壓縮，執(zhí)行步驟(7)；(7)判斷i是否小于m，如果是，i= i+Ι，重新執(zhí)行步驟O)；如果否，執(zhí)行步驟(8)；(8)將多個編碼后的圖像塊依次傳輸給解碼端，并根據各圖像塊相應的壓縮率對編碼后的圖像塊進行解碼重構，得到整幅完整的圖像。
2.根據權利要求1所述的一種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法，其特征在于，在步驟(1)之后，步驟( 之前，所述方法還包括利用相同的種子針對各圖像塊采用不同的采樣率以生成相應尺寸的高斯隨機觀測矩陣。
3.根據權利要求1所述的一種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法，其特征在于，所述方法還包括在各圖像塊編碼碼流的開始加入一個采樣率標志位。
4.根據權利要求1所述的一種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法，其特征在于，所述1\、T2和T3的取值分別為900、800和700。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于壓縮傳感的圖像自適應編碼方法，本發(fā)明通過在對圖像進行CS壓縮采樣前，判斷各圖像塊在DCT域的稀疏度，根據判斷結果對各圖像塊進行自適應的壓縮采樣，使得在低采樣率的情況下能夠對圖像進行高質量重構，并給出了精確的采樣比例，在采樣率平均值為44％時，重構圖像的平均PSNR值可達到35dB以上，并且重構圖像所有圖像塊的PSNR值分布比較集中，圖像整體質量達到了最優(yōu)。
文檔編號H04N7/50GK102387365SQ201110334629
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權日2011年10月28日
發(fā)明者崔潤龍, 張淑芳, 徐江濤, 李凱, 瞿廣財 申請人:天津大學