一種基于主成分分析的內(nèi)容自適應(yīng)圖像壓縮方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于主成分分析的內(nèi)容自適應(yīng)圖像壓縮編碼方法，屬于圖像信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法主要有三個(gè)步驟：（一）預(yù)處理，（二）PCA分析，（三）比特分配。其中，預(yù)處理實(shí)現(xiàn)圖像分塊，提取每個(gè)塊的DC分量并計(jì)算塊復(fù)雜度；PCA分析是對(duì)圖像進(jìn)行主成分分析，并根據(jù)塊復(fù)雜度選擇主成分分量的數(shù)量；比特分配包括系數(shù)的截取、量化和編碼等處理過(guò)程。本發(fā)明利用PCA對(duì)圖像進(jìn)行主成分分析，并根據(jù)圖像內(nèi)容的復(fù)雜程度以選擇不同數(shù)量的主成分分量進(jìn)行編碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明可以在相同的壓縮率下獲得更高的圖像效果。
【專利說(shuō)明】一種基于主成分分析的內(nèi)容自適應(yīng)圖像壓縮方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于主成分分析的圖像內(nèi)容自適應(yīng)的壓縮編碼方法。
【背景技術(shù)】
[0002]信息時(shí)代帶來(lái)了信息大爆炸，使數(shù)據(jù)信息量大增，無(wú)論在傳輸、存儲(chǔ)或處理等環(huán)節(jié)都需要采用有效的壓縮編碼技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。圖像壓縮是數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)在數(shù)字圖像上的應(yīng)用。圖像數(shù)據(jù)之所以可以被壓縮，是因?yàn)閳D像數(shù)據(jù)中存在著大量的冗余信息，如圖像中像素間相關(guān)性帶來(lái)的空間冗余和視頻序列中不同幀圖像間相關(guān)性引起的時(shí)間冗余等。圖像壓縮的目的是通過(guò)去除這些冗余信息以減少表示數(shù)據(jù)所需的比特?cái)?shù)。
[0003]目前主要有兩大類圖像壓縮技術(shù):一種是基于預(yù)測(cè)的壓縮編碼技術(shù)，另外一種是基于變換的壓縮編碼技術(shù)。另外，圖像數(shù)據(jù)還存在編碼冗余，因此可以用變長(zhǎng)編碼等技術(shù)來(lái)進(jìn)一步增加壓縮性能?；陬A(yù)測(cè)的編碼技術(shù)主要有差分脈沖調(diào)制和向量量化等，而基于變換的經(jīng)典圖像壓縮技術(shù)有JPEG和JPEG2000。
[0004]圖像壓縮的主要目標(biāo)就是在給定碼率或者壓縮比下實(shí)現(xiàn)最好的圖像質(zhì)量。以上兩大類圖像壓縮技術(shù)都有著各自的優(yōu)勢(shì)，可以取得較好的圖像壓縮效果。前者在實(shí)現(xiàn)上相對(duì)簡(jiǎn)單，而且對(duì)圖像的局部信息是自適應(yīng)的；后者一般具有更高的壓縮比，但是變換計(jì)算的復(fù)雜度較高。
[0005]在信息論中，信息的不確定代表了信息的多少，因而信號(hào)攜帶的信息量大同時(shí)也意味著其方差較大。主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)作為一種數(shù)據(jù)分析的有效手段，作用是將一系列相關(guān)的變量在一些限制條件下通過(guò)線性變換映射到一個(gè)維數(shù)較小的空間上。通過(guò)將PCA應(yīng) 用于圖像處理中，可以發(fā)現(xiàn)，少量的主成分分量的方差占總方差的比例很大，即較少的分量含有了原始信號(hào)大部分的信息，這就使得基于PCA的數(shù)據(jù)壓縮成為可能。另外，經(jīng)過(guò)PCA分解后的主成分分量系數(shù)分布較為稀疏，說(shuō)明PCA十分適用于變換編碼。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明方法的目的是針對(duì)現(xiàn)有圖像壓縮方法的不足，提供一種基于PCA的圖像內(nèi)容自適應(yīng)的壓縮方法，在給定壓縮比的情況下取得更好的圖像質(zhì)量。
[0008]本發(fā)明方法具體是:
設(shè)圖像大小為圖像塊的大小為《X/?，圖像水平方向的圖像塊數(shù)目為:
Wfcr= round，垂直方向的圖像塊數(shù)為:blkx= round (ψη)，總圖像塊數(shù)為:
blks = blkxxhlky。
[0009]步驟(1).輸入待壓縮圖像，將圖像分成大小的圖像塊，計(jì)算每個(gè)塊的DC分量;
步驟(2).計(jì)算去除DC分量的圖像塊的復(fù)雜度G并且歸一化；
步驟(3).對(duì)去除DC分量的圖像塊進(jìn)行PCA分析，得到分解矩陣W以及《Χ/?個(gè)分量的
方差;
步驟(4).根據(jù)步驟(2)得到的塊復(fù)雜度決定該塊所需要的編碼分量數(shù)；
步驟(5).根據(jù)步驟(3)和(4)，對(duì)經(jīng)過(guò)PCA變換的圖像塊變換系數(shù)進(jìn)行截取處理； 步驟(6).將步驟(5)得到的變換系數(shù)進(jìn)行量化；
步驟(7).對(duì)步驟(6)得到的量化系數(shù)進(jìn)行編碼；
步驟(8).對(duì)步驟(3)得到的分解矩陣W和步驟(1)提取的DC進(jìn)行編碼；
步驟(9).將步驟(7)和步驟(8)編碼后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇獯a端。
[0010]進(jìn)一步的，步驟(1)所述的圖像塊的DC分量是指圖像中亮度的平均值，可以采用如下方法計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種基于主成分分析的內(nèi)容自適應(yīng)圖像壓縮方法，其特征在于該方法包括如下步驟: (1)輸入待壓縮圖像，將圖像分成《Χ/7大小的圖像塊，計(jì)算每個(gè)塊的DC分量，即塊中圖像亮度的平均值； (2)計(jì)算去除DC分量的圖像塊的復(fù)雜度G并且歸一化； (3)對(duì)去除DC分量的圖像塊進(jìn)行PCA分析，得到分解矩陣W以及《Χ/?個(gè)分量的方差； (4)根據(jù)步驟(2)得到的塊復(fù)雜度決定該塊所需要的編碼分量數(shù)； (5 )根據(jù)步驟(3 )和(4 )，對(duì)經(jīng)過(guò)PCA變換的圖像塊變換系數(shù)進(jìn)行截取處理； (6)將步驟(5)得到的變換系數(shù)進(jìn)行量化； (7)對(duì)步驟(6)得到的量化系數(shù)進(jìn)行編碼； (8)對(duì)步驟(3)得到的分解矩陣W和步驟(1)提取的DC分量進(jìn)行編碼； (9)將步驟(7)和步驟(8)編碼后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇獯a端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)容自適應(yīng)圖像壓縮方法，其特征在于:步驟(1)所述的DC分量采用如下方法計(jì)算:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)容自適應(yīng)圖像壓縮方法，其特征在于:步驟(2)所述的圖像塊的復(fù)雜度是指圖像塊中所含信息量大小，采用以下三種方法中的一種來(lái)度量和計(jì)算； 第一種可以用信息熵來(lái)衡量圖像塊的復(fù)雜度，計(jì)算方法如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像壓縮編碼方法，其特征在于，步驟(2)所述的圖像塊的復(fù)雜度歸一化采用以下方法計(jì)算:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像壓縮編碼方法，其特征在于，步驟(3)所述的PCA分析將圖像用主成分分量表示為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像壓縮編碼方法，其特征在于，步驟(4)所述的圖像塊所需要的編碼分量數(shù)計(jì)算方法如下:

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像壓縮編碼方法，其特征在于，步驟(5)所述的系數(shù)截取方法采用以下兩種方法中的一種: 第一種是基于區(qū)域的方法，利用一模板對(duì)固定位置的系數(shù)進(jìn)行保留，其它系數(shù)均置零； 第二種是基于閾值的方法，系數(shù)通過(guò)與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較決定是否保留。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像壓縮編碼方法，其特征在于，步驟(6)所述的量化，其目的是變換系數(shù)映射到整數(shù)集上，以減少保存系數(shù)所需的比特?cái)?shù)，主要方法包括均勻量化和最佳量化。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像壓縮編碼方法，其特征在于，步驟(7)和(8)所述的編碼方法主要有定長(zhǎng)和變長(zhǎng)兩種方式；在定長(zhǎng)編碼中，編碼器用固定的比特?cái)?shù)對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行編碼；在變長(zhǎng)編碼方法中，每個(gè)系數(shù)所占的比特?cái)?shù)不是相同的。
【文檔編號(hào)】H04N19/139GK103501438SQ201310426601
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】丁勇, 張東, 王少澤, 張航, 戴行, 張楠 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)