本發(fā)明涉及圖像信息處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種圖像無損壓縮系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

圖像傳感器目前已廣泛應用于科學研究，工業(yè)生產(chǎn)，醫(yī)療衛(wèi)生，國防軍事等各個領(lǐng)域。隨著圖像分辨率及圖像幀率的不斷提升，人類得以觀察到更加細微的物體特征，或者更為短暫的物理現(xiàn)象，從而極大的豐富了人類的觀測手段，提高了人類的認知水平。

然而隨著圖像性能參數(shù)的迅速提升，同時也帶來了圖像數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)傳輸帶寬成倍增長的巨大挑戰(zhàn)。海量的圖像數(shù)據(jù)和超高數(shù)據(jù)傳輸帶寬，為后續(xù)的圖像傳輸、存儲及處理都帶來了一系列技術(shù)難題。

目前針對此類高分辨率，高幀率下的超高帶寬圖像數(shù)據(jù)流(尤其是對超過10Gbps量級的圖像數(shù)據(jù)流)，進行實時的、且無信息損失的壓縮相對困難。受高幀率、高數(shù)據(jù)帶寬，以及處理能力限制，現(xiàn)有高速圖像采集系統(tǒng)中，多為直接存儲原始圖像數(shù)據(jù)而未做任何處理。所以圖像數(shù)據(jù)中存在大量的冗余數(shù)據(jù)，實際上浪費了存儲容量，占用了額外傳輸帶寬，也大幅提高了成像系統(tǒng)的實現(xiàn)成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于提供一種圖像無損壓縮系統(tǒng)及方法，以解決上述的至少一項技術(shù)問題。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種圖像無損壓縮系統(tǒng)，包括：

狀態(tài)寄存單元，用于寄存并輸出接收的至少一幀圖像的各序號；

數(shù)據(jù)分配器，用于接收所述圖像，并根據(jù)所述序號選通S-O-F插入器或求差編碼單元；

S-O-F插入器(數(shù)據(jù)幀頭插入器)，用于根據(jù)所述序號，輸出第一幀圖像的暗像素行和有效像素行第一行、及除第一幀圖像外的其余各幀圖像的有效像素行第一行；以及將除第一幀圖像外的其余各幀圖像的暗像素行替換成對齊碼，并輸出對齊碼；

求差編碼單元，用于求取每一幀圖像除第一行有效像素行外的其余有效像素行前后行的殘差；對所述殘差編碼，并輸出編碼后的標示值與溢出值；

碼流合成器，用于根據(jù)所述序號，整合并依次選通輸出壓縮后的圖像信息。

優(yōu)選地，所述壓縮后的圖像信息為第一幀圖像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的標示值和溢出值；除第一幀圖像外的其余各幀圖像的有效像素行第一行、暗像素行的對齊碼以及其余有效像素行的標示值和溢出值。

優(yōu)選地，所述狀態(tài)寄存單元包括：

循環(huán)計數(shù)器，用于寄存圖像數(shù)據(jù)的像素序號；

循環(huán)計數(shù)器，用于寄存圖像數(shù)據(jù)的行序號；

遞增計數(shù)器，用于寄存圖像數(shù)據(jù)的幀序號。

優(yōu)選地，所述求差編碼單元包括：

數(shù)據(jù)雙緩存單元，用于接收、存儲并輸出所述圖像；

幀間差值運算器，用于求取并輸出所述殘差及溢出值；

差值編碼器，用于對所述殘差編碼，輸出編碼后的標示值；

溢出值數(shù)據(jù)緩存單元，用于存儲并輸出所述溢出值。

基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種圖像無損壓縮方法，包括：

S1、依次接收至少一幀圖像，寄存并輸出所述圖像的各序號，即像素序號、行序號和幀序號；

S2、處理第一幀圖像：輸出第一幀圖像暗像素行及有效像素第一行；計算并編碼其余有效像素行計算各行殘差，得到并輸出編碼后的標示值和溢出值；

S3、處理除第一幀圖像外的其余各幀圖像：得到并輸出其余各幀圖像暗像素行的對齊碼；輸出有效像素第一行；計算并編碼其余有效像素行計算前后行的殘差，得到并輸出編碼后的標示值和溢出值；

S4、根據(jù)所述序號，整合并依次選通輸出壓縮后的圖像信息。

優(yōu)選地，所述壓縮后的圖像信息為第一幀圖像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的標示值和溢出值；除第一幀圖像外的其余各幀圖像的暗像素行的對齊碼、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的標示值和溢出值。

優(yōu)選地，所述對齊碼滿足公式：

或

其中，gray(p，l，f)為圖像的灰度函數(shù)，p為圖像的像素序號，1為行序號，f為幀序號，M為圖像寬度，N為圖像高度，R為圖像像素的量化位寬，l_dark為圖像的暗像素行行高，％為取余運算符。

優(yōu)選地，所述殘差δ(p，l，f)滿足公式：

δ(p，l，f)＝gray(p，l，f)-gray(p，l-1，f)

(1≤p≤M，L_dark+1＜l≤N，f≥1)。

優(yōu)選地，所述標示值B(p，l，f)滿足公式：

其中，TH為閾值，TH＝2^k-1(0＜K＜R)；binK_{δ(p，l，f)}為殘差的K比特有符號自然二進制碼，binK_TH為TH的K比特有符號自然二進制碼，binK_-(TH+1)為-(TH+1)的K比特有符號自然二進制碼。

優(yōu)選地，所述溢出值O(p，l，f)滿足公式：

其中，binR_{δ(p，l，m)}為殘差的R比特有符號自然二進制碼。

(三)有益效果

1、本發(fā)明的圖像無損壓縮方法簡單高效，硬件實現(xiàn)時延時較低，可以實現(xiàn)較高的處理主頻；此外并行度高，可以處理多幀圖像，以及多個圖像區(qū)塊，因此非常利于算法的硬件移植，可實現(xiàn)極高數(shù)據(jù)帶寬下的實時壓縮；

2、本發(fā)明的圖像無損壓縮系統(tǒng)包括S-O-F插入器，既能保留暗像素數(shù)據(jù)，又能設(shè)置圖像的幀頭對齊碼，利于壓縮數(shù)據(jù)后處理或圖像重建階段的快速圖像檢索、定位和對齊；

3、本發(fā)明適用于高幀率圖像數(shù)據(jù)流和緩變圖像數(shù)據(jù)流的壓縮；

4、本發(fā)明算法可以實現(xiàn)極高數(shù)據(jù)帶寬下的實時圖像壓縮，且圖像信息無損失。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的步驟示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的具體實現(xiàn)流程圖；

圖4為本發(fā)明實施例的輸出數(shù)據(jù)流格式的示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例的測試圖像示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明實施例的一個方面，提供了一種圖像無損壓縮系統(tǒng)，包括：

狀態(tài)寄存單元，用于寄存并輸出接收的至少一幀圖像的各序號；

具體地，所述狀態(tài)寄存單元包括：循環(huán)計數(shù)器，用于寄存圖像數(shù)據(jù)的像素序號；循環(huán)計數(shù)器，用于寄存圖像數(shù)據(jù)的行序號；遞增計數(shù)器，用于寄存圖像數(shù)據(jù)的幀序號。

數(shù)據(jù)分配器，用于接收所述圖像，并根據(jù)所述序號選通S-O-F插入器或求差編碼單元；

S-O-F插入器，用于根據(jù)所述序號，輸出第一幀圖像的暗像素行和有效像素行第一行、及除第一幀圖像外的其余各幀圖像的有效像素行第一行；以及將除第一幀圖像外的其余各幀圖像的暗像素行替換成對齊碼，并輸出對齊碼；

求差編碼單元，用于求取每一幀圖像除第一行有效像素行外的其余有效像素行前后行的殘差；對所述殘差編碼，并輸出編碼后的標示值與溢出值；

具體地，所述求差編碼單元包括：數(shù)據(jù)雙緩存單元，用于接收、存儲并輸出所述圖像；幀間差值運算器，用于求取并輸出所述殘差及溢出值；差值編碼器，用于對所述殘差編碼，輸出編碼后的標示值；溢出值數(shù)據(jù)緩存單元，用于存儲并輸出所述溢出值。

碼流合成器，用于根據(jù)所述序號，整合并依次選通輸出壓縮后的圖像信息：第一幀圖像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的標示值和溢出值；除第一幀圖像外的其余各幀圖像的有效像素行第一行、暗像素行的對齊碼以及其余有效像素行的標示值和溢出值。

本發(fā)明實施例的另一方面，還提供了一種圖像無損壓縮方法，包括：

S1、依次接收至少一幀圖像，寄存并輸出所述圖像的各序號，即像素序號、行序號和幀序號；

S2、處理第一幀圖像：輸出第一幀圖像暗像素行及有效像素第一行；計算并編碼其余有效像素行計算各行殘差，得到并輸出編碼后的標示值和溢出值；

S3、處理除第一幀圖像外的其余各幀圖像：得到并輸出其余各幀圖像暗像素行的對齊碼；

輸出有效像素第一行；計算并編碼其余有效像素行計算前后行的殘差，得到并輸出編碼后的標示值和溢出值；

所述對齊碼滿足公式：

或

其中，gray(p，l，f)為圖像的灰度函數(shù)，p為圖像的像素序號，l為行序號，f為幀序號，M為圖像寬度，N為圖像高度，R為圖像像素的量化位寬，l_dark為圖像的暗像素行行高，％為取余運算符。

S4、根據(jù)所述序號，整合并依次選通輸出壓縮后的圖像信息：第一幀圖像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的標示值和溢出值；除第一幀圖像外的其余各幀圖像的有效像素行第一行、暗像素行的對齊碼以及其余有效像素行的標示值和溢出值。

其中，所述殘差δ(p，l，f)滿足公式：

δ(p，l，f)＝gray(p，l，f)-gray(p，l-1，f)

(1≤p≤M，L_dark+1＜l≤N，f≥1)。

所述標示值B(p，l，f)滿足公式：

其中，TH為閾值，TH＝2^k-1(0＜K＜R)；binK_{δ(p，l，f)}為殘差的K比特有符號自然二進制碼，binK_TH為TH的K比特有符號自然二進制碼，binK_-(TH+1)為-(TH+1)的K比特有符號自然二進制碼。

所述溢出值O(p，l，f)滿足公式：

其中，binR_{δ(p，l，m)}為殘差的R比特有符號自然二進制碼。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

圖1為本發(fā)明實施的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，圖像無損壓縮系統(tǒng)包括：狀態(tài)寄存單元、數(shù)據(jù)分配器、S-O-F插入器、求差編碼單元和碼流合成器。所述狀態(tài)寄存器包括P循環(huán)計數(shù)器，用于寄存圖像數(shù)據(jù)的像素序號p；L循環(huán)計數(shù)器，用于寄存圖像數(shù)據(jù)的行序號1；和F遞增計數(shù)器，用于寄存圖像數(shù)據(jù)的幀序號f；狀態(tài)寄存單元接收至少一幀圖像，寄存并輸出所述圖像的各序號，即像素序號p、行序號1和幀序號f，至數(shù)據(jù)分配器、S-O-F插入器和碼流合成器。

所述數(shù)據(jù)分配器接收所述圖像以及狀態(tài)寄存單元輸出的p、l、f序號選通S-O-F插入器或求差編碼單元。S-O-F插入器接收所述p、l、f序號，輸出第一幀圖像的暗像素行和有效像素行第一行、及除第一幀圖像外的其余各幀圖像的有效像素行第一行；以及將除第一幀圖像外的其余各幀圖像的暗像素行替換成對齊碼，并輸出對齊碼G(p，l，f)。所述求差編碼單元，包含：數(shù)據(jù)雙緩存單元、幀間差值運算器、差值編碼器和溢出值數(shù)據(jù)緩存單元。數(shù)據(jù)雙緩存單元接收、存儲并輸出所述圖像；幀間差值運算器，求取并輸出所述殘差δ(p，l，f)及溢出值O(p，l，f)；差值編碼器，對所述殘差編碼，輸出編碼后的標示值B(p，l，f)；溢出值數(shù)據(jù)緩存單元，存儲并輸出所述溢出值至碼流合成器。

碼流合成器接收S-O-F插入器、差值編碼器和溢出值數(shù)據(jù)緩存器輸出的信息，根據(jù)所述序號，輸出壓縮后的圖像信息：第一幀圖像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的標示值和溢出值；除第一幀圖像外的其余各幀圖像的暗像素行的對齊碼、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的標示值和溢出值。

圖2為本發(fā)明實施例的步驟示意圖，如圖2所示，圖像無損壓縮方法包括：

S1、依次接收至少一幀圖像，寄存并輸出所述圖像的各序號，即像素序號、行序號和幀序號；

S2、處理第一幀圖像：輸出第一幀圖像暗像素行及有效像素第一行；計算并編碼其余有效像素行計算各行殘差，得到并輸出編碼后的標示值和溢出值；

所述殘差滿足公式：

δ(p，l，f)＝gray(p，l，f)-gray(p，l-1，f)

(1≤p≤M，L_dark+1＜l≤N，f≥1)

所述標示值B(p，l，f)滿足公式：

其中，TH為閾值，TH＝2^k-1(0＜K＜R)；binK_{δ(p，l，f)}為殘差的K比特有符號自然二進制碼，binK_TH為TH的K比特有符號自然二進制碼，binK_-(TH+1)為-(TH+1)的K比特有符號自然二進制碼。

所述溢出值O(p，l，f)滿足公式：

其中，binR_{δ(p，l，m)}為殘差的R比特有符號自然二進制碼。

S3、處理除第一幀圖像外的其余各幀圖像：得到并輸出其余各幀圖像暗像素行的對齊碼；輸出有效像素第一行；計算并編碼其余有效像素行計算前后行的殘差，得到并輸出編碼后的標示值和溢出值；

所述對齊碼滿足公式：

或

其中，gray(p，l，f)為圖像的灰度函數(shù)，p為圖像的像素序號，l為行序號，f為幀序號，M為圖像寬度，N為圖像高度，R為圖像像素的量化位寬，l_dark為圖像的暗像素行行高，％為取余運算符。

S4、根據(jù)所述序號，整合并依次選通輸出壓縮后的圖像信息：第一幀圖像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的標示值和溢出值；除第一幀圖像外的其余各幀圖像的暗像素行的對齊碼、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的標示值和溢出值。

圖3為本發(fā)明實施例的具體實現(xiàn)流程圖，如圖3所示，圖像無損壓縮系統(tǒng)開始處理至少一幀圖像，先根據(jù)遞增計數(shù)器中寄存的幀序號f判斷當前圖像是否為第一幀圖像，再將循環(huán)計數(shù)器L中寄存的行序號1與暗像素行l(wèi)_dark比較，判斷當前行為暗像素行還是有效像素行的各個行。當前圖像為第一幀圖像時：若當前行為暗像素行或者有效像素行的第一行，則直接輸出原始數(shù)據(jù)至碼流合成器；若當前行為除第一行有效像素行之外的其余有效像素行，則進行該行和前一行殘差的計算，再對殘差和閾值TH判斷，輸出對應的標示值和溢出值。若當前圖像為除第一幀之外的其他幀圖像時：若當前行為暗像素行，則計算并輸出對齊碼；若當前行為有效像素行第一行，則不作處理直接輸出原始數(shù)據(jù)；若當前行為除第一行有效像素行之外的其余有效像素行，則計算該行和前一行的殘差，再對殘差和閾值TH判斷，輸出對應的標示值和溢出值至碼流合成器。最后，碼流合成器整合接收的數(shù)據(jù)，輸出壓縮后的圖像信息。

圖4為本發(fā)明實施例的輸出數(shù)據(jù)流格式的示意圖，如圖4所示，所述圖像無損壓縮系統(tǒng)輸出的壓縮后的信息為：第一幀圖像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的標示值和溢出值；除第一幀圖像外的其余各幀圖像的暗像素行的對齊碼、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的標示值和溢出值。

圖5為本發(fā)明實施例的測試圖像示意圖，如圖5所示，原始圖像為2560(H)×2162(V)×16bits＝88555520bits，暗像素行2行，經(jīng)過本發(fā)明的壓縮方法處理，設(shè)定閾值為127，即K＝8，其理論極限壓縮比為1.997，實際壓縮后圖像大小為44883689bits，圖像壓縮比約為1.973。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。