1、第26卷第1期2009年1月計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究ApplicationResearchofComputersVol.26No.1Jan.2009一種新的RGB空間的彩色圖像編碼方法王文寧,師磊,李慧娟2(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,山東泰安271018;2.山東省泰安供電公司,山東泰安271000)摘要:為了能夠較好地去除彩色圖像色彩分量的相關(guān)性,并能獲得較好的恢復(fù)圖像,基于圖像色彩信息,提出了一種基于RGB空間的彩色圖像壓縮編碼算法,高效地去除了彩色圖像各分量間的相關(guān)性。算法對(duì)其中一個(gè)分量進(jìn)行完整DCT變換,對(duì)其他兩個(gè)分量只求少數(shù)幾個(gè)非零系數(shù)。采用查表法來(lái)進(jìn)行DCT變換,使查表法的優(yōu)越性得到更好的體

2、現(xiàn)。通過(guò)對(duì)新色彩空間編碼性能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明,像色彩分量的相關(guān)性,且算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,具有較好的信噪比,壓縮、編碼方法結(jié)合使用。關(guān)鍵詞:色彩分量相關(guān)性;離散余弦變換;查表法;中圖分類號(hào):TN919;TP391141文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A:2009)0120395203NewapprorinRGBcolorspacesWen2ning,SHILei,LIHui2juannyofShandongShandong271000,China)2(1.SchoolofShandongAgriculturalUniversity,TaianShandong271018,China;2.PowerSupplyCom

3、pa2Abstract:Inordertodispelthecorrelationbetweencolorcomponentsofcolorimagesmoreefficientlyandgetbettercolorima2gescompressionresults,thispaperpresentedanalgorithmforthecolorimagecodingintheRGBcolorspaces.InRGBcolorspace,codedoneofthethreecolorcomponentsofacolorimageusingDCTcoding,theothertwocompone

4、ntsonlyaskedtheminorityseveraleffectivecoefficients.ThemethodofsearchingtablestookplaceofgeneralDCTmethod.Manyexperimentswerecarriedouttoanalyzetheencodingperformanceinthenewcolorspace.Theresultsshowthatthenewapproachcangetridofthecorrelationbetweencolorcomponentsofcolorimagesefficientlyandiseasilyi

5、mplemented.Italsoboastsofbettersignaltonoiseratio.Thereconstructedimageisvisualcomfortandthecoderiseasilycombinedwithothercompressionanden2codingmethods.Keywords:correlationbetweencolorcomponents;DCT;methodofsearchingtables;imageencoding;peaksignaltonoiseratio多媒體技術(shù)是一個(gè)日益擴(kuò)大的全新領(lǐng)域,多媒體數(shù)據(jù)中,圖像信息量比較豐富,有利于人們

6、的接受,但圖像所占的數(shù)據(jù)量大,壓縮、存儲(chǔ)和傳輸均是現(xiàn)代信息領(lǐng)域要解決的重要問(wèn)題。采用快速且有效的編碼方法可以節(jié)省大量的資源。在已有彩色圖像編碼的研究文獻(xiàn)16中,幾乎均是采用將RGB色彩空間轉(zhuǎn)換成YUV、YIQ或YCbCr色彩空間,然后對(duì)三個(gè)色彩分量進(jìn)行單獨(dú)編碼,并沒(méi)有去深入挖掘RGB色彩空間三個(gè)色彩分量之間存在的更深層的關(guān)系。文獻(xiàn)7提出了基于三維離散余弦變換的彩色圖像編碼算法,有效地利用三基色之間的相關(guān)性,但設(shè)計(jì)三維矩陣運(yùn)算,耗時(shí)多。文獻(xiàn)8提出了基于色差分析的彩色圖像編碼算法。在彩色圖像處理中,將RGB色彩空間轉(zhuǎn)換成YUV、YIQ或YCbCr色彩空間,這樣做雖然降低了相關(guān)性,但圖像仍然輪廓種基

7、于RGB空間彩色圖像壓縮編碼方法。本文算法依據(jù)三基色分量頻域變換系數(shù)有很好的相關(guān)性這一特點(diǎn),只對(duì)其中一個(gè)分量進(jìn)行完整DCT,其他兩個(gè)分量只求少數(shù)幾個(gè)非零系數(shù)。本文采用查表法913來(lái)進(jìn)行DCT變換,使得查表法的優(yōu)越性更好體現(xiàn)。比較以往的算法,本算法的運(yùn)算量更小。清晰,三個(gè)分量圖像呈現(xiàn)相同的結(jié)構(gòu),而且RGB轉(zhuǎn)換為YUV每一個(gè)像素需要經(jīng)過(guò)3×3矩陣運(yùn)算,解碼時(shí)還要反變換回RGB空間。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),RGB三個(gè)分量的相似度很高,它1基于空間的壓縮編碼的編碼算法們的紋理、邊緣、灰度變化均具有非常好的相似性,頻域變換系數(shù)也存在極好的相關(guān)性,如圖1所示。本文深入分析了RGB色彩分量之間的相關(guān)性,提出

8、了一收稿日期:2008203225;修回日期:2008206204由于DCT是最接近于統(tǒng)計(jì)最優(yōu)變換KL變換的正交變換,且具有良好的去相關(guān)特性和能量集中特性,被廣泛應(yīng)用于圖像作者簡(jiǎn)介:王文寧(19792),女,山東煙臺(tái)人,助教,碩士,主要研究方向?yàn)閳D像處理(wwn812);師磊(19802),男,山東泰安人,工程師,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù);李慧娟(19662),女,山東菏澤人,副教授,碩士,主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù).396計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究第26卷的壓縮編碼算法中已有的各種成熟的壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG、MPEG、H26X以及HDTV等均無(wú)一例外地采用基于DCT的壓縮編碼。一般8×8子塊的DCT系

9、數(shù)約有10%的數(shù)據(jù)為非零值(典型為716個(gè)),但所使用的算法乘法比較多,運(yùn)算量很大,且保留的系數(shù)僅僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值,無(wú)法靈活改變,有的圖像塊會(huì)損失有用信息,有的圖像塊則保留了一些冗余系數(shù)(圖3)。本文的算法依據(jù)RGB三顏色分量頻域的相似性,依據(jù)G顏色分量的有效系數(shù),靈活確定RB顏色分量的有效系數(shù)。在基本編碼系統(tǒng)中,首先將圖像分為8×8的像素塊,然后再進(jìn)行基于DCT的編碼。算法分為三個(gè)基本步驟:a)離散余弦變換(DCT);b)運(yùn)用人眼視覺(jué)系統(tǒng)最佳加權(quán)函數(shù)量化DCT系數(shù);c)對(duì)量化系數(shù)進(jìn)行熵編碼。解碼過(guò)程中,離散余弦逆變換是DCT的逆過(guò)程。基于DCT的編碼方法是編碼算法的核心內(nèi)容。而且使用軟

10、件編程過(guò)程表明,DCT是JPEG編碼過(guò)程中最耗時(shí)的環(huán)節(jié)。在純軟件壓縮情況下,DCT耗時(shí)一般約占整個(gè)編碼時(shí)間的2/3以上。基本壓縮算法的編、解碼過(guò)程分別如圖2(a)(b)所示。首先將頻域劃分為兩部分,量化后系數(shù)不為零的稱為有效1查表法實(shí)現(xiàn)的理論分析-1N-1u=0v=0系數(shù),量化后為零的系數(shù)稱為無(wú)效系數(shù)。基于RGB三個(gè)顏色分量的相關(guān)性,將G分量進(jìn)行完整DCT及其量化操作,得到有效系數(shù),記錄下有效系數(shù)的位置。由于三個(gè)顏色分量從形狀紋理上極為相似,頻域變換后有效系數(shù)的分布也幾乎一樣(圖4),本文就理想化地認(rèn)為它們的有效系數(shù)分布是相同的。這二維正向DCT的定義如下:f(x,y)=2/66C(u)C(v

11、)F(u,v)(1)/(2M)cos(2y+1)v/(2N)cos(2x+1)uF(u,v)=2/6-1N-1x=0y=06f(x,y)C(u)C(v)樣,已知有效系數(shù)的具體位置,對(duì)其他兩個(gè)分量(R、B分量),(2)/(2M)cos(2y+1)v/(2N)cos(2x+1)u只計(jì)算其有效系數(shù)。本算法通過(guò)查表法實(shí)現(xiàn),既減少了變換過(guò)程的運(yùn)算量,也省去了無(wú)效系數(shù)的量化運(yùn)算,是一種一舉兩得的方法。其中:C(u),C(v)=1/2,當(dāng)u,v=0;C(u),C(v)=1,其他。x,u=0,1,2,M-1;y,v=0,1,2,N-1。無(wú)論是直接進(jìn)行DCT還是采用行、列分離的算法均有其利弊。其優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)直觀

12、;可直接利用一維DCT快速算法程序和硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn);運(yùn)算量為M×N點(diǎn)和N×M點(diǎn)的兩次一維DCT。其缺點(diǎn)是:需要大量重復(fù)的乘法和加法運(yùn)算;需要存儲(chǔ)一些額外的中間信息。本文用查表方式1012實(shí)現(xiàn)DCT,這樣將一些固定的乘除運(yùn)算結(jié)果放在表中,每次需要用到時(shí)直接查詢出進(jìn)行運(yùn)算;上式是對(duì)8×8的子圖像塊定義的,F(u,v)為變換后數(shù)據(jù),8×8的子圖像塊經(jīng)DCT變換后變?yōu)?×8的DCT系數(shù)塊。每個(gè)DCT系數(shù)由64項(xiàng)的和構(gòu)成,每一項(xiàng)又分為三部分:第一部分的f(x,y)為原圖像數(shù)據(jù),由于約定圖像數(shù)據(jù)均為8位,所以0f(x,y)255;第二部分為1/4或1/8(u

13、,v均為0時(shí));第三部11查表法實(shí)現(xiàn)分量的編碼彩色視覺(jué)研究15的結(jié)果表明人眼對(duì)組成彩色信號(hào)的各個(gè)色彩分量的變化的感知程度是不一樣的,即使在RGB色彩空間,人眼對(duì)不同色彩的感覺(jué)敏感程度也是不一樣的,人眼對(duì)綠色的刺激要比紅色和藍(lán)色更為敏感一些,因此突出G的信噪比,可能會(huì)使視覺(jué)效果更好,通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比也證實(shí)了這一點(diǎn)。基于DCT的快速算法分為兩大類型,即常規(guī)快速運(yùn)算法16,17分為兩項(xiàng)余弦值的乘積。只需要建立一個(gè)8×8×64×256=1048576個(gè)數(shù)值的表,就可以將所有的DCT系數(shù)可能值覆蓋。但考慮到余弦函數(shù)的性質(zhì),可以將此表簡(jiǎn)化為71×256=18176個(gè)

14、值。和查表法913。常規(guī)快速算法均是致力于使完整計(jì)算由于該方法是將系數(shù)與圖像所有可能值事先乘好放入表中,只要在運(yùn)行時(shí)調(diào)入內(nèi)存,再進(jìn)行尋址取數(shù)相加即可,幾乎不進(jìn)行乘法運(yùn)算,與常規(guī)算法相比,速度得到較大提高。實(shí)際測(cè)試表明,查表法計(jì)算DCT所需時(shí)間是常規(guī)算法的48%左右,并且查表法10時(shí)間與變換對(duì)象個(gè)數(shù)成正比。1三基色分量編碼算法8×8子塊的DCT的總運(yùn)算量達(dá)到最小,每個(gè)系數(shù)的計(jì)算并非獨(dú)立,并不能單獨(dú)求取幾個(gè)系數(shù)。對(duì)于色彩分量G采用完整DCT,對(duì)R彩色分量和B彩色分量根據(jù)G分量只求相應(yīng)的有限幾個(gè)有效系數(shù),應(yīng)用常規(guī)快速算法體現(xiàn)不出本算法的優(yōu)越性,因此筆者對(duì)三個(gè)彩色分量的DCT采用查表法。圖像

15、壓縮過(guò)程中使用DCT時(shí),均是將每一幅圖像分解成多個(gè)8×8子圖像塊進(jìn)行處理,這樣,每個(gè)子塊用到的DCT系文獻(xiàn)14在圖像及視頻變換壓縮應(yīng)用中,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,第1期王文寧,等:一種新的RGB空間的彩色圖像編碼方法表2與常規(guī)壓縮算法計(jì)算量的比較圖像子塊8×8397數(shù)就是定值。由于查表法是將系數(shù)與圖像所有可能值事先乘好放入表中,只要在運(yùn)行時(shí)調(diào)入內(nèi)存,再進(jìn)行尋址取數(shù)相加即可,幾乎不進(jìn)行乘法運(yùn)算,與常規(guī)算法相比,速度得到較大提高。實(shí)際測(cè)試表明,查表法計(jì)算完整DCT所需時(shí)間是常規(guī)算法的48%左右。查表法所用時(shí)間與變換對(duì)象個(gè)數(shù)成正比,這是查表法的另一優(yōu)于其他算法的地方。下面對(duì)R、B顏色分量只

16、是求有限幾個(gè)有效系數(shù),使查表法的這一優(yōu)點(diǎn)得以體現(xiàn)。11、顏色分量的有效系數(shù)編碼這部分利用RGB三顏色分量頻域的相似性,依據(jù)G顏色分量的有效系數(shù),靈活確定R、B顏色分量的有效系數(shù)。上一步通過(guò)查表法對(duì)G分量進(jìn)行完整DCT及其量化操作,得到有效系數(shù),記錄下有效系數(shù)的位置;這里就設(shè)三種顏色分量的有效系數(shù)分布是相同的。這樣,已經(jīng)知道了R、B顏色分量DCT域中有效系數(shù)的具體位置(與G相同),對(duì)這兩個(gè)分量,只計(jì)算其有效系數(shù),其他系數(shù)直接賦值零。,。比較項(xiàng)乘法加法快速算法(YUV)268608查表法(RGB)0結(jié)束語(yǔ)本文提出了一種新的基于RGB空間的彩色圖像壓縮編碼,充分利用了RGB色彩分量之間的相關(guān)性。算法

17、依據(jù)三基色分量頻域變換系數(shù)有很好的相關(guān)性這一特點(diǎn),只對(duì)其中一個(gè)顏色分量G進(jìn)行完整DCT變換,R、B顏色這兩個(gè)分量只求少數(shù)幾個(gè)非零系數(shù)。DCT,特別是R、B這),使得查表法10,也。另外,811次乘法有8次用于最后一級(jí)的,可以減少。比較以往的算法,本算法的運(yùn)算量更小。參考文獻(xiàn):1NADENAUMJ,REICHELJ,KUNTM.Wavelet2basedcolorimagecompression:explotingthecontrastsensitivityfunctionJ.IEEETransonImageProcessing,2003,12(1):58270.2BRAHIMIZ,SAADIK

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