本發(fā)明屬于圖像處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于光學(xué)方法的多彩色圖像壓縮及解壓縮方法及裝置。

背景技術(shù)：

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)存儲(chǔ)、傳播、處理和利用的信息量在急劇增加。圖像作為信息傳輸?shù)闹匾绞剑谛畔⒋鎯?chǔ)和通信領(lǐng)域中有著非常重要的應(yīng)用。生活中大多物體都呈現(xiàn)彩色，且彩色圖像將不同的色彩和亮度組合起來(lái)包含豐富的信息，可以描述更加豐富的內(nèi)容，隨著成像設(shè)備和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)合需要對(duì)彩色圖像進(jìn)行處理和分析，因此彩色圖像加密與存儲(chǔ)技術(shù)有很大的研究?jī)r(jià)值及空間。近年來(lái)，基于灰度圖像存儲(chǔ)技術(shù)相對(duì)比較成熟，但是對(duì)于彩色圖像的加密與存儲(chǔ)相比灰度圖象在運(yùn)行時(shí)間和操作設(shè)備上都要花費(fèi)更多，并且僅限于單個(gè)或幾幅彩色圖像的加密與壓縮存儲(chǔ)，故現(xiàn)有技術(shù)中存在存儲(chǔ)多幅彩色圖像所占空間大，在視頻傳輸中所耗資源較多的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于光學(xué)方法的多彩色圖像壓縮及解壓縮方法及裝置，減少彩色圖像所占存儲(chǔ)空間，節(jié)約成本，解決視頻、電影圖像等大信息量連續(xù)彩色圖像的安全存儲(chǔ)及傳輸?shù)入y題。

一種基于光學(xué)方法的多彩色圖像壓縮方法，包括以下步驟：

步驟1：對(duì)待存儲(chǔ)的原始彩色圖像進(jìn)行統(tǒng)一量化，得到量化彩色圖像；

所述統(tǒng)一量化是指依次對(duì)原始彩色圖像的rgb三通道圖像上各像素點(diǎn)的像素值除以51處理，并將得到的結(jié)果進(jìn)行四舍五入獲得n，將對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的像素值更新為51×n；

量化彩色圖像中每一個(gè)通道上的像素值取值有六種情況，共有6×6×6＝216種顏色；

步驟2：將量化彩色圖像重新編碼為灰度級(jí)為216的重組灰度圖像；

編碼順序?yàn)轭伾珴u變順序，將rgb值(0,0,0)-(255,255,255)與灰度值(1)-(216)一一對(duì)應(yīng)；只要相鄰的顏色兩兩相近，并且保證顏色的變化是一個(gè)漸變的過(guò)程，就可以將彩色圖像恢復(fù)出來(lái)；

步驟3：對(duì)所有重組灰度圖像利用閃耀光柵進(jìn)行θ調(diào)制，對(duì)調(diào)制后的圖像進(jìn)行疊加，得到壓縮圖像；

其中，不同的重組灰度圖像使用不同的閃耀光柵，θ表示光柵的刻槽的傾斜角度，即閃耀光柵的槽型角。

θ調(diào)制即利用光柵的分頻和空間濾波器的選頻來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)用成像系統(tǒng)的編碼；

進(jìn)一步地，所述步驟2中使用的編碼順序依次為黑、灰、白、紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。

即將量化后的rgb值按照上述順序依次排列，然后將重新排序后的rgb值依次對(duì)應(yīng)到1-216，如黑色rgb(0,0,0)為排序后的第一個(gè)，對(duì)應(yīng)的灰度值為1；白色rgb(255,255,255)為排序后的第6個(gè)，對(duì)應(yīng)的灰度值為6；

當(dāng)存儲(chǔ)多幅圖像的時(shí)候，按照這個(gè)順序?qū)γ糠鶊D進(jìn)行量化編碼排序，最后恢復(fù)的彩色圖像與原始彩色圖像相比，色差不會(huì)有太大的出入，按照這個(gè)順序排序既能夠保證顏色的變化是一個(gè)漸漸變化的過(guò)程，又不會(huì)發(fā)生顏色跳變；

進(jìn)一步地，所述步驟3中，在θ調(diào)制階段利用計(jì)算機(jī)仿真模擬生成槽型角不同的閃耀光柵，且通過(guò)對(duì)同一槽型角的光柵采用不同的旋轉(zhuǎn)角度，從而生成多個(gè)槽形角和旋轉(zhuǎn)方向不同的閃耀光柵，用于調(diào)制多幅輸入圖像；

其中，所述閃耀光柵的傳輸函數(shù)為：

式中，λ表示照射光的波長(zhǎng)，θ表示光柵的刻槽的傾斜角度，即閃耀光柵的槽型角，取值范圍為5.73°-24.23°，α為光束入射角，取值范圍為[-90°,90°]，β為光束反射角，取值范圍為[-90°,90°]；x為入射光束在x方向距離前一個(gè)入射光點(diǎn)的水平距離，d為光柵周期，入射光束垂直或按非垂直的固定角度入射到光柵，光柵周期d的取值范圍2-100個(gè)像素，g(x)的取值范圍為(0-1)。

閃耀光柵的槽型角決定了調(diào)制圖像所對(duì)應(yīng)衍射光斑的位置半徑，從而通過(guò)調(diào)制光柵槽型角和旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)多幅圖像的疊加壓縮存儲(chǔ)；

一種基于光學(xué)方法的多彩色圖像解壓縮方法，包括以下步驟：

步驟a：獲取利用上述一種基于光學(xué)方法的多彩色圖像壓縮方法得到的壓縮圖像；

步驟b：對(duì)壓縮圖像進(jìn)行傅里葉變換得到壓縮圖像的衍射光斑，利用空間濾波器對(duì)衍射光斑濾波，將過(guò)濾得到的各個(gè)衍射光斑進(jìn)行傅里葉逆變換，依次恢復(fù)出多幅重組灰度圖像；

空間濾波器的透過(guò)率函數(shù)為：

式中，fx，fy為頻譜空間的坐標(biāo)，fcxi，fcyi為i第個(gè)圓斑濾波器的中心坐標(biāo)，與對(duì)應(yīng)的衍射光斑中心的坐標(biāo)取值相同，ri表示第i個(gè)圓斑濾波器的濾波孔徑，取值為對(duì)應(yīng)衍射光斑與相鄰光斑之間的最小間距，t(fx,fy)的范圍是(0-1)；

步驟c：按照上述一種基于光學(xué)方法的多彩色圖像壓縮方法中的編碼順序，對(duì)步驟b恢復(fù)的重組灰度圖像進(jìn)行彩色圖像還原。

一種基于光學(xué)方法的多彩色圖像壓縮裝置，包括：

量化單元，用于對(duì)待存儲(chǔ)的原始彩色圖像進(jìn)行統(tǒng)一量化，得到量化彩色圖像；

所述統(tǒng)一量化是指依次對(duì)原始彩色圖像的rgb三通道圖像上各像素點(diǎn)的像素值除以51處理，并將得到的結(jié)果進(jìn)行四舍五入獲得n，將對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的像素值更新為51×n；

編碼單元，用于將量化彩色圖像重新編碼為灰度級(jí)為216的重組灰度圖像；

調(diào)制與疊加單元，用于對(duì)所有重組灰度圖像利用閃耀光柵進(jìn)行θ調(diào)制，對(duì)調(diào)制后的圖像進(jìn)行疊加，得到壓縮圖像；

其中，不同的重組灰度圖像使用不同的閃耀光柵，θ表示光柵的刻槽的傾斜角度，即閃耀光柵的槽型角。

進(jìn)一步地，所述編碼單元使用的編碼順序依次為黑、灰、白、紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。

進(jìn)一步地，所述調(diào)制與疊加單元在θ調(diào)制階段利用計(jì)算機(jī)仿真模擬生成槽型角不同的閃耀光柵，且通過(guò)對(duì)同一槽型角的光柵采用不同的旋轉(zhuǎn)角度，從而生成多個(gè)槽形角和旋轉(zhuǎn)方向不同的閃耀光柵，用于調(diào)制多幅輸入圖像；

其中，所述閃耀光柵的傳輸函數(shù)為：

式中，λ表示照射光的波長(zhǎng)，θ表示光柵的刻槽的傾斜角度，即閃耀光柵的槽型角，取值范圍為5.73°-24.23°，α為光束入射角，取值范圍為[-90°,90°]，β為光束反射角，取值范圍為[-90°,90°]；x為入射光束在x方向距離前一個(gè)入射光點(diǎn)的水平距離，d為光柵周期，入射光束垂直或按非垂直的固定角度入射到光柵，光柵周期d的取值范圍2-100個(gè)像素，g(x)的取值范圍為(0-1)。

一種基于光學(xué)方法的多彩色圖像解壓縮裝置，包括：

圖像獲取單元，用于獲取利用上述一種基于光學(xué)方法的多彩色圖像壓縮裝置得到的壓縮圖像；

圖像解壓?jiǎn)卧?，用于?duì)壓縮圖像進(jìn)行傅里葉變換得到壓縮圖像的衍射光斑，利用空間濾波器對(duì)衍射光斑濾波，將過(guò)濾得到的各個(gè)衍射光斑進(jìn)行傅里葉逆變換，依次恢復(fù)出多幅重組灰度圖像；

空間濾波器的透過(guò)率函數(shù)為：

式中，fx，fy為頻譜空間的坐標(biāo)，fcxi，fcyi為i第個(gè)圓斑濾波器的中心坐標(biāo)，與對(duì)應(yīng)的衍射光斑中心的坐標(biāo)取值相同，ri表示第i個(gè)圓斑濾波器的濾波孔徑，取值為對(duì)應(yīng)衍射光斑與相鄰光斑之間的最小間距，t(fx,fy)的范圍是(0-1)；

彩色還原單元，按照上述一種基于光學(xué)方法的多彩色圖像壓縮裝置中的編碼順序，對(duì)重組灰度圖像進(jìn)行彩色還原，完成解壓處理。

有益效果

本發(fā)明提出了一種基于光學(xué)方法的多彩色圖像壓縮及解壓縮方法及裝置，該壓縮和解壓方法通過(guò)依次提取彩色圖像，并對(duì)提取圖像的rgb灰度圖的像素值進(jìn)行分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)顏色的量化壓縮，利用特定色彩的排序，將彩色圖像轉(zhuǎn)變成帶有顏色信息的灰度圖像，然后利用閃耀光柵對(duì)圖像進(jìn)行θ調(diào)制，得到多幅灰度圖像疊加成圖像，完成圖像壓縮；對(duì)疊加圖像進(jìn)行傅里葉變換后得到對(duì)應(yīng)的衍射光斑，利用特制空間濾波器對(duì)衍射光斑進(jìn)行依次濾波，獲得灰度圖像，根據(jù)灰度圖像的各個(gè)像素值，找到與之對(duì)應(yīng)的rgb矩陣，遍歷灰度圖像，得到彩色圖像的rgb灰度圖像，合成彩色圖像。本發(fā)明所述方案中的壓縮和解壓縮操作簡(jiǎn)單，將三個(gè)通道變成一個(gè)通道操作，節(jié)省操作設(shè)備，減少運(yùn)行時(shí)間，降低成本，能夠廣泛運(yùn)用于彩色圖像存儲(chǔ)﹑加密及傳輸領(lǐng)域中，提高了傳輸效率，經(jīng)過(guò)操作得到的圖像清晰，恢復(fù)程度高，有較大的應(yīng)用空間。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖；

圖2為待壓縮的原始彩色圖像；

圖3為圖2的量化后彩色圖像；

圖4為經(jīng)過(guò)編碼后的灰度圖像；

圖5為經(jīng)過(guò)光柵調(diào)制后的所有圖像的疊加圖像；

圖6為疊加圖像在頻譜平面的衍射光斑分布圖；

圖7為空間濾波器示意圖；

圖8為經(jīng)過(guò)濾波后得到的灰度圖像；

圖9為對(duì)圖5解壓后的解碼出的彩色圖像。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地說(shuō)明。

如圖1所示，一種基于光學(xué)方法的多彩色圖像壓縮及解壓縮方法，包括以下步驟：

步驟1：對(duì)待存儲(chǔ)的原始彩色圖像進(jìn)行統(tǒng)一量化，得到量化彩色圖像；

如圖2所示，為選取的16幅原始彩圖像，圖像大小為512pixel×512pixel。

所述統(tǒng)一量化是指依次對(duì)原始彩色圖像的rgb三通道圖像上各像素點(diǎn)的像素值除以51處理，并將得到的結(jié)果進(jìn)行四舍五入獲得n，將對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的像素值更新為51×n；

量化彩色圖像中每一個(gè)通道上的像素值取值有六種情況，共有6×6×6＝216種顏色；

對(duì)彩色圖像進(jìn)行顏色量化，量化后的圖像如圖3所示，具體步驟如下：

依次提取彩色圖像rgb三個(gè)通道的灰度圖像；

r(i,j)，g(i,j)，b(i,j)分別表示原圖像中位于第i行j列像素在rgb通道上的灰度值；

將每個(gè)彩色圖像r(i,j)，g(i,j)，b(i,j)重新定義，逐個(gè)讀取r(i,j)的值，分別除以51，采取四舍五入取整的方法，得到的結(jié)果為n，此時(shí)令r(i,j)＝51×n；

這樣r(i,j)的取值就有0，51，102，153，204，255六種，同理g(i,j)，b(i,j)也分別有六種取值；

經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，就得到重新定義的rgb灰度圖像，并合成新彩色圖像圖像，像素512pixel×512pixel，用新彩色圖像表示原彩色圖像；

步驟2：將量化彩色圖像重新編碼為灰度級(jí)為216的重組灰度圖像；

編碼順序?yàn)轭伾珴u變順序，將rgb值[0,0,0]-[255,255,255]與灰度值[1]-[216]一一對(duì)應(yīng)；只要相鄰的顏色兩兩相近，并且保證顏色的變化是一個(gè)漸變的過(guò)程，就可以將彩色圖像恢復(fù)出來(lái)；

步驟a：對(duì)216種顏色按照黑、灰、白、紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的順序進(jìn)行排序，相鄰的顏色兩兩相近，完成顏色的漸變；

將每個(gè)顏色的rgb值的行矩陣依次寫(xiě)入216×3的矩陣，得到矩陣即為顏色矩陣記為矩陣w；

步驟b：將各個(gè)顏色的對(duì)應(yīng)rgb矩陣與顏色矩陣w的行標(biāo)k相對(duì)應(yīng)，行標(biāo)就是各個(gè)顏色rgb矩陣對(duì)應(yīng)灰度值，黑色rgb矩陣為(0,0,0)，則對(duì)應(yīng)的灰度值即為1，以此類(lèi)推，每個(gè)顏色的rgb矩陣就與灰度值一一對(duì)應(yīng)；

步驟c：將新彩色圖像編碼為灰度圖像記為i，具體過(guò)程如下；

提取新彩色圖像的r(i,j)，g(i,j)，b(i,j)，將r(i,j)，g(i,j)，b(i,j)構(gòu)成新的矩陣d，即d(r(i,j),g(i,j),b(i,j))；

在顏色矩陣w中尋找與d(r(i,j),g(i,j),b(i,j))相同的行矩陣，行標(biāo)為k是顏色矩陣w的第k行，d矩陣為一個(gè)行向量，d(r(i,j),g(i,j),b(i,j))，r(i,j)，g(i,j)，b(i,j)各表示一個(gè)值，此時(shí)，i(i,j)灰度值即為k，重復(fù)此操作512×512次，即可得與彩色圖像相對(duì)應(yīng)的灰度圖像；

步驟d：對(duì)多幅顏色量化的彩色圖像重復(fù)步驟c，得到多幅灰度圖像，如圖4所示；

步驟3：對(duì)所有重組灰度圖像利用閃耀光柵進(jìn)行θ調(diào)制，對(duì)調(diào)制后的圖像進(jìn)行疊加，得到壓縮圖像，如圖5所示；

利用計(jì)算機(jī)仿真模擬生成槽型角不同的閃耀光柵，且通過(guò)對(duì)同一槽型角的光柵采用不同的旋轉(zhuǎn)角度，從而生成多個(gè)槽形角和旋轉(zhuǎn)方向不同的閃耀光柵；將編碼后灰度圖像的灰度值與不同的閃耀光柵的位相相乘，通過(guò)調(diào)制光柵槽型角和旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)多幅圖像的疊加存儲(chǔ)；

其中，所述閃耀光柵的傳輸函數(shù)為：

式中，λ表示照射光的波長(zhǎng)，θ表示光柵的刻槽的傾斜角度，即閃耀光柵的槽型角，取值范圍為5.73°-24.23°，α為光束入射角，取值范圍為[-90°,90°]，β為光束反射角，取值范圍為[-90°,90°]；x為入射光束在x方向距離前一個(gè)入射光點(diǎn)的水平距離，d為光柵周期，入射光束垂直或按非垂直的固定角度入射到光柵，光柵周期d的取值范圍2-100個(gè)像素，g(x)的取值范圍為0-1。

其中，不同的重組灰度圖像使用不同的閃耀光柵，θ表示光柵的刻槽的傾斜角度，即閃耀光柵的槽型角。

步驟4：如圖6所示，對(duì)壓縮圖像進(jìn)行傅里葉變換得到壓縮圖像的衍射光斑，利用空間濾波器(如圖7所示)對(duì)衍射光斑濾波，將過(guò)濾得到的各個(gè)衍射光斑進(jìn)行傅里葉逆變換，依次恢復(fù)出多幅重組灰度圖像如圖8所示；

空間濾波器的透過(guò)率函數(shù)為：

式中，fx，fy為頻譜空間的坐標(biāo)，fcxi,fcyi為i第個(gè)圓斑濾波器的中心坐標(biāo)，與對(duì)應(yīng)的衍射光斑中心的坐標(biāo)取值相同，ri表示第i個(gè)圓斑濾波器的濾波孔徑，取值為對(duì)應(yīng)衍射光斑與相鄰光斑之間的最小間距，t(fx,fy)的范圍是(0-1)。

步驟5：對(duì)所得灰度圖像的像素值取整，根據(jù)灰度圖像的像素值即顏色矩陣的行標(biāo)k，去尋找顏色矩陣所對(duì)應(yīng)rgb矩陣，將矩陣的rgb像素值寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)的rgb灰度圖像的像素中；得到彩色圖像的rgb灰度圖，最后合成彩色圖像。

濾波后的灰度圖像記為l，l(i,j)表示第i行j列像素的灰度值，對(duì)l(i,j)取整，使灰度圖像的各個(gè)像素值都為整數(shù)；

取整后灰度圖像的l(i,j)值，即為顏色矩陣的行標(biāo)，w(l(i,j),:)即為1×3的矩陣,將矩陣第一列的值寫(xiě)入r’(i,j)，第二列寫(xiě)入到g’(i,j)，第三列寫(xiě)入到b’(i,j)，執(zhí)行多此循環(huán)，就可得到r’，g’，b’的灰度圖像，將r’，g’，b’的灰度圖像合成彩色圖像；

對(duì)濾波后每幅灰度圖像重復(fù)上述操作，就可得到解碼后的彩色圖像，如圖9所示。

根據(jù)彩色圖像的恢復(fù)圖我們可以得出圖像恢復(fù)質(zhì)量主要取決于以下幾個(gè)方面：

濾波器中每個(gè)圓孔要與頻域衍射光斑各個(gè)光斑的位置和大小相吻合，并且要保證每個(gè)圓孔能夠?yàn)V出大部分的圖像信息；

濾波器孔徑過(guò)大會(huì)引入串?dāng)_，使圖像的顏色恢復(fù)受到其他彩色圖像影響，濾波孔徑太小，將會(huì)丟失太多圖片信息，導(dǎo)致圖像輪廓模糊；

顏色矩陣w每種顏色之間的排序要安排合理，由于編碼的灰度圖像經(jīng)過(guò)一系列操作后，灰度值會(huì)在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，這樣與之對(duì)的顏色也會(huì)發(fā)生變化；

合理的顏色排序，能夠保證即使灰度值發(fā)生變化，顏色的變化也不灰太大，不會(huì)發(fā)生顏色突然跳變，只是使顏色變深或者變淺，并不影響視覺(jué)效果；

對(duì)比圖3與圖9，可以看到彩色圖像被清晰的恢復(fù)出來(lái)。在本例中一張疊加圖像可以存儲(chǔ)上百幅灰度圖像，每幅灰度圖像經(jīng)過(guò)解碼后可以恢復(fù)出彩色圖像，這樣就完成用灰度圖像表示彩色圖像，減小實(shí)驗(yàn)操作的難度，節(jié)約存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)效率是原來(lái)存儲(chǔ)灰度圖像的三倍，為彩色圖像的加密與存儲(chǔ)提供了一條有效途徑。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類(lèi)似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。