本發(fā)明涉及圖像稀疏表示超分辨率重建算法和圖像壓縮編碼技術，具體涉及一種融合超分辨率技術和JPEG2000標準的單幅彩色圖像壓縮編碼方法，屬于圖像通信領域。

背景技術：

研究表明，人類在日常生活中獲取的絕大部分信息來自于視覺信息，這是由于視覺信息有著直觀、形象、易于理解等特點。近年來，隨著計算機科學技術的迅猛發(fā)展，圖像處理技術也得到了廣泛的應用，并在衛(wèi)星遙感觀測、醫(yī)療診斷、軍事技術、智能監(jiān)控、天文應用以及生物信息智能識別等各個領域起到了越來越重要的作用。圖像和視頻信息成為人類生活中越來越不可或缺的元素之一，出于對高質(zhì)量信息的需求，促使人類邁入到超高清時代。

超高清時代圖像和視頻信息數(shù)據(jù)量大，通常都需要進行壓縮編解碼處理?，F(xiàn)有的國際社會主流編解碼標準較多，其中適用于靜止圖像壓縮編解碼的標準主要有JPEG和JPEG2000等，適用于視頻壓縮編解碼的標準主要有H.264和HEVC等，各種壓縮編解碼標準的核心技術之一就是圖像變換。經(jīng)過一代又一代的技術研究與發(fā)展，圖像變換編碼方法已經(jīng)發(fā)展得較為成熟。

在這樣的技術背景下，本發(fā)明的研究意義在于利用有限的網(wǎng)絡帶寬，獲取高質(zhì)量的圖像信息，即利用有限的數(shù)據(jù)量獲得包含更多細節(jié)信息的圖像。由于目前圖像變換編碼方法已經(jīng)發(fā)展較為成熟，新技術的不斷涌現(xiàn)啟發(fā)我們將超分辨率技術與圖像壓縮聯(lián)合應用并構建壓縮編碼框架，以得到良好的圖像質(zhì)量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的一種融合超分辨率技術和JPEG2000標準的單幅彩色圖像壓縮編碼方法，該方法通過改進超完備字典的訓練方式從而使所得高、低分辨率字典具有針對性，由此可將基于圖像稀疏表示的超分辨率重建算法應用到圖像壓縮編碼技術中。相對于使用廣泛的JPEG2000等壓縮算法，本方法表現(xiàn)出更為優(yōu)越的壓縮編碼性能。在相同解碼圖像質(zhì)量時，本發(fā)明設計的壓縮方案所需碼率更低；在相同碼率時，本發(fā)明所得解碼圖像具有更好的主觀視覺效果。

本發(fā)明提出一種融合超分辨率技術和JPEG2000標準的單幅彩色圖像壓縮編碼方法，主要包括以下操作步驟：

(1)對待處理圖像，選擇其是在低碼率段還是中高碼率段中進行處理，獲得編碼模式標志α；

(2)根據(jù)編碼模式標志位α，若在低碼率段，則首先對輸入圖像進行下采樣，并將下采樣圖像進行JPEG2000標準編解碼，得到壓縮的下采樣圖像；在YUV空間，對壓縮后的下采樣圖像進行針對性YUV三通道字典重建，三通道重建的圖像融合為一幅初始高分辨率圖像；采用針對性YUV三通道殘差字典對初始高分辨率圖像進行高頻信息補償，將處理結果轉回RGB空間，獲得在低碼率段最終的解碼圖像；

(3)根據(jù)編碼模式標志位α，若在中高碼率段，則對原始待壓縮圖像直接進行JPEG2000標準編解碼，再對壓縮后的圖像進行針對性YUV三通道字典重建；對重建后的圖像進行下采樣操作，恢復到原始分辨率大小，獲得在中高碼率段最終的解碼圖像。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的壓縮編碼方法框圖

圖2是本發(fā)明及JPEG2000壓縮算法對‘Boat’測試圖像在低碼率段的率失真性能比較

圖3是本發(fā)明及JPEG2000壓縮算法對‘Boat’測試圖像在中高碼率斷的率失真性能比較

圖4是在低碼率段且碼率同為0.48bpp時，本發(fā)明及JPEG2000的‘Boat’解碼圖像的視覺效果比較：圖(a)為原始圖像，圖(b)為JPEG2000解碼圖像，圖(c)為本發(fā)明解碼圖像

圖5是在中高碼率段且碼率同為1.20bpp時，本發(fā)明及JPEG2000的‘Boat’解碼圖像的視覺效果比較：圖(a)左為原始圖像，圖(b)為JPEG2000解碼圖像，圖(c)為本發(fā)明解碼圖像

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

圖1中，一種融合超分辨率技術和JPEG2000標準的單幅彩色圖像壓縮編碼方法，包括以下步驟:

(1)對待處理圖像，選擇其是在低碼率段還是中高碼率段中進行處理，獲得編碼模式標志位α；

(2)根據(jù)編碼模式標志位α，若在低碼率段，則首先對輸入圖像進行下采樣，并將下采樣圖像進行JPEG2000標準編解碼，得到壓縮的下采樣圖像；在YUV空間，對壓縮后的下采樣圖像進行針對性YUV三通道字典重建，三通道重建的圖像融合為一幅初始高分辨率圖像；采用針對性YUV三通道殘差字典對初始高分辨率圖像進行高頻信息補償，將處理結果轉回RGB空間，獲得在低碼率段最終的解碼圖像；

(3)根據(jù)編碼模式標志位α，若在中高碼率段，則對原始待壓縮圖像直接進行JPEG2000標準編解碼，再對壓縮后的圖像進行針對性YUV三通道字典重建；對重建后的圖像進行下采樣操作，恢復到原始分辨率大小，獲得在中高碼率段最終的解碼圖像。

具體地，所述步驟(1)中，首先根據(jù)碼率選擇合適的編碼框架，獲得編碼模式標志位α，且定義α＝0，則選擇在低碼率段的編碼框架；α＝1，則選擇在中高碼率段的編碼框架。并將編碼模式標志位α編碼到碼流中，傳輸?shù)浇獯a端，以便解碼以及后續(xù)操作。

所述步驟(2)中，若α＝0，則在低碼率段，使用采樣再重建的思路進行壓縮編碼。首先輸入待處理圖像，對其進行雙三次下采樣，然后使用JPEG2000標準對其進行編解碼。

所述步驟(2)中，壓縮下采樣圖像經(jīng)過針對性YUV三通道字典重建，三通道重建的圖像融合為一幅初始高分辨率圖像。該算法首先對訓練庫中的圖像進行下采樣、JPEG2000編解碼操作，然后YUV三通道分別進行針對性的字典訓練，利用訓練所得高、低分辨率字典對壓縮下采樣圖像進行超分辨率重建，這樣可以有效彌補下采樣以及編碼過程中帶來的高頻信息丟失。針對性YUV三通道字典訓練過程具體如下：對所有訓練庫圖像統(tǒng)一進行下采樣操作，接著進行JPEG2000標準編解碼；對壓縮下采樣圖像進行去噪聲處理，去除編解碼過程中產(chǎn)生的量化噪聲，然后對所有去除噪聲后的壓縮下采樣圖像進行插值，得到超完備字典訓練所需的低頻信息；訓練庫原始圖像與插值圖像相減得到字典訓練所需的高頻信息，高、低頻信息利用K-SVD算法進行聯(lián)合訓練得到高、低分辨率字典對。

所述步驟(2)中，采用針對性殘差字典對初始重建圖像進行高頻信息補償，得到在低碼率段最終的解碼圖像。針對性YUV三通道殘差字典的訓練過程具體如下：訓練庫的所有圖像統(tǒng)一進行下采樣操作，然后進行JPEG2000標準編解碼，壓縮后的下采樣訓練庫圖像統(tǒng)一進行去噪聲處理，去除編解碼過程中產(chǎn)生的量化噪聲，盡可能多地保留下采樣圖像信息，得到去除噪聲后的壓縮下采樣訓練庫圖像，然后對其進行雙三次插值操作，插值得到的低頻信息圖像通過針對性YUV三通道字典重建出高頻信息圖像，高頻信息與低頻信息相互融合即可得到初始稀疏重建訓練庫圖像；將初始稀疏重建訓練庫圖像作為YUV三通道殘差字典訓練所需的低頻信息，將訓練庫原始圖像與初始稀疏重建得到的訓練庫圖像相減得到YUV三通道殘差字典訓練所需的高頻信息，高、低頻信息利用K-SVD算法進行聯(lián)合訓練得到高、低分辨率殘差字典對。

所述步驟(3)中，若α＝1，則在中高碼率段，首先輸入待壓縮圖像，對圖像直接進行JPEG2000標準編解碼，得到解碼后的壓縮圖像；接著對解碼后的壓縮圖像進行針對性的YUV三通道字典重建，再對重建圖像進行相對應的下采樣操作，恢復到原始分辨率大小，獲得在中高碼率段最終的解碼圖像。針對性YUV三通道字典訓練過程具體如下：對所有訓練庫圖像直接進行JPEG2000標準編解碼，得到壓縮后的解碼圖像，接著對壓縮后的解碼圖像進行去噪聲處理，去除編解碼過程中產(chǎn)生的量化噪聲，得到超完備字典訓練所需的低頻信息；訓練庫原始圖像與去除噪聲后的壓縮圖像相減得到字典訓練所需的高頻信息，高、低頻信息利用K-SVD算法進行聯(lián)合訓練得到高、低分辨率字典對。

為了更好地說明本發(fā)明的有效性，本發(fā)明將采用對比實驗的方式進行重建效果展示，選取“Boat”圖像為測試圖像，如圖4(a)，5(a)所示。用上述步驟對其進行測試，并分別在低碼率段和中高碼率段與JPEG2000標準比較圖像的率失真性能和視覺效果。

對比實驗內(nèi)容如下：

在低碼率段，分別用本發(fā)明及JPEG2000對“Boat”圖像進行測試，JPEG2000及本發(fā)明最終解碼圖像分別如圖4(b)，4(c)所示，其客觀評價指標PSNR、本發(fā)明所需碼率以及JPEG2000標準所需碼率如表一所示，且本發(fā)明和JPEG2000標準對于“Boat”圖像的率失真曲線如圖2所示。

在中高碼率段，分別用本發(fā)明及JPEG2000對“Boat”圖像進行測試，JPEG2000及本發(fā)明最終解碼圖像分別如圖5(b)，5(c)所示，其客觀評價指標PSNR、本發(fā)明所需碼率以及JPEG2000標準所需碼率如表一所示，且本發(fā)明和JPEG2000標準對于“Boat”圖像的率失真曲線如圖3所示。

表一給出了本發(fā)明和JPEG2000標準的最終解碼圖像的客觀評價參數(shù)PSNR，以及本發(fā)明和JPEG2000標準所需總碼率，以便比較兩種算法的性能。

表一

從表一可以看出，本發(fā)明相較JPEG2000標準具有較高的客觀參數(shù)值，且本發(fā)明所需總碼率更低，壓縮比提升明顯。

綜上所述，本發(fā)明無論是在低碼率段還是中高碼率段均優(yōu)于JPEG2000標準編解碼，所得最終解碼圖像無論是在主觀視覺效果還是客觀評價參數(shù)上相較JPEG2000標準均有較大提升，且大量實驗數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明的穩(wěn)定性也較強，對于其他自然圖像具有普適性。因此，本發(fā)明是一種有效的壓縮編碼方法。