基于率失真優(yōu)化圖像編碼的研究

汪濤

摘要：數(shù)字圖像處理技術(shù)的一個非常重要的環(huán)節(jié)是數(shù)字圖像壓縮技術(shù)。其在圖像保存和圖像傳輸領(lǐng)域擁有無可替代的作用。矢量量化方法是圖像壓縮技術(shù)中一個重要的組成部分。通過有效地轉(zhuǎn)換圖像中像素點(diǎn)，從而高效地對圖像進(jìn)行壓縮，為圖像的存儲和傳輸提供了可靠的保證。本文詳細(xì)研究了率失真模型在圖像壓縮領(lǐng)域的應(yīng)用。通過高效地結(jié)合量化失真和編碼碼率，從而得到在碼率一定的條件，相對更高質(zhì)量的圖像。通過對碼率分配策略的研究，根據(jù)碼率和失真二者的關(guān)系推導(dǎo)出矢量量化小波圖像編碼器的率失真模型，同時將該模型與拉格朗日極值算法有機(jī)地結(jié)合在一起，從而得到圖像不同子帶的最優(yōu)碼率分配。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，根據(jù)圖像的不同子帶的特性，應(yīng)用本文所提出的的圖像率失真模型，可以得到較高質(zhì)量的還原圖像。因此可以得出，通過應(yīng)用本文的率失真模型，在還原圖像的還原質(zhì)量不下降的條件下，得到更低的圖像壓縮碼率。

關(guān)鍵詞：矢量量化；圖像壓縮；小波變換

0引言

圖像壓縮技術(shù)在多媒體領(lǐng)域的研究設(shè)計中發(fā)揮著至關(guān)重要的效果作用。由于圖像信息具有視覺直觀性、應(yīng)用廣泛性以及信息確定性等多方面的特征，即使得內(nèi)置其中的數(shù)據(jù)量必將跡近海量龐大。因此，圖像的存儲和傳輸在存儲容量以及傳輸線路方面通常會產(chǎn)生較大的負(fù)荷。為了緩解通信線路以及存儲容量的負(fù)荷，對圖像實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效壓縮則已突顯其必要、且重要的研究意義和實(shí)用價值。

矢量量化技術(shù)憑借其編解碼算法簡單以及良好的率失真特性在有損圖像壓縮領(lǐng)域吸引了眾多學(xué)者的高度關(guān)注與重視。矢量量化技術(shù)一個顯要特性就是可以充分利用圖像像素點(diǎn)間的依賴關(guān)系，并對圖像設(shè)計展開進(jìn)一步壓縮。由于矢量量化的諸多優(yōu)良特性，最近幾年已獲得廣泛應(yīng)用，例如，衛(wèi)星圖像壓縮、遙感成像、指紋識別等方面均有可觀建樹。

香農(nóng)的率失真理論證明了理論上最優(yōu)的編碼性能是在給定碼率約束R，條件下能夠得到的最小失真。圖像還原失真的一個主要原因是因?yàn)樵诹炕^程中的信息的損失。通過對香農(nóng)的率失真理論的深入研討分析，同時結(jié)合具體的實(shí)際問題即可設(shè)計出合理的圖像壓縮算法，在給定碼率的條件下，得到最佳還原圖像，用戶仍然可以得到自己感興趣的圖像信息。恰當(dāng)?shù)男〔ㄗ兓椒☉?yīng)用在矢量量化器上，可以大幅提升各小波子帶的利用率。隨著小波理論的不斷發(fā)展，其理論架構(gòu)和實(shí)際應(yīng)用也隨即不斷地斬獲突破、并日趨完善。尋求一種適用于圖像領(lǐng)域的小波基，是小波領(lǐng)域與圖形領(lǐng)域有利結(jié)合并亟待解決的焦點(diǎn)問題。

在對矢量量化運(yùn)力提供了詳盡研究的情況下，根據(jù)不同矢量量化器的特性以及應(yīng)用方向?qū)ζ溥M(jìn)行劃分。常見的矢量量化器有：樹形、格型、分類矢量量化器等。本文需要找到能夠更為優(yōu)異地適用于小波圖像處理的矢量量化器，從而對小波分解后的圖形冗余系數(shù)展開更大力度的清洗。建立率失真模型的核心關(guān)鍵一環(huán)就是小波子帶統(tǒng)計特性的計算。小波子帶系數(shù)的統(tǒng)計特性表現(xiàn)了不同子帶之間的差異與聯(lián)系，根據(jù)其差異與聯(lián)系可以選擇合適的分析方法。一般情況下圖像的低通子帶表現(xiàn)了圖像的整體輪廓、邊緣，而高通子帶可呈現(xiàn)出圖像的細(xì)節(jié)，以及紋理信息。對不同子帶的統(tǒng)計特性可關(guān)聯(lián)提取的模式分析主要有：子帶方差、子帶均值、子帶變化走向以及子帶能量值等。