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失真-長度斜率提升隱式感興趣區域編碼

發布時間:2019-06-12     來源:中國視覺網       訪問次數:1285


摘 要:針對比特位平面提升算法的缺陷,提出了失真-長度斜率提升隱式感興趣區域編碼算法。該算法在組織碼流時通過對感興趣區域對應的失真-長度斜率進行提升得以實現,當對感興趣區域要求有所改變時,只需重新調整失真-長度斜率并重新組織碼流即可。相對于位平面提升算法,簡化了算法的復雜度。具有提升的取值范圍靈活,適合給定感興趣區域重建指標和交互式圖象編碼的特點。
關鍵詞:感興趣區域編碼;失真-長度斜率提升;比特位平面提升

Implicit Region of Interest Coding Based on Distortion-length Slope Lifting

Abstract:  Aim at the limitation of the method of bitplane lifting, implicit Region of Interest Coding Based on Distortionlength Slope Lifting is proposed. This method is based on distortionlength slope lifting to implement ROI coding. It only needs to adjust the distortionlength slope and organize the code stream when ROI is changed. It simplify the complexity of the algorithm comparing with the method of bitplane lifting. It is characteristic of lifting range easy to set and being suitable for image compression with the given ROI PSNR and interactive applications.
Keywords: ROI coding; distortion-length slope lifting; bit-plane lifting

1 引 言

   感興趣區域(ROI)編碼處理是新一代靜止圖像壓縮標準JPEG2000中提供的一種新特性,作為圖像編碼研究的對象之一,它可以將用戶感興趣的圖像區域(ROI)與背景區域(BG)區別開來,對感興趣區域采用低壓縮比的有損壓縮甚至無損壓縮,而對背景區域則采用高壓縮比的有損壓縮,可以解決壓縮比和重建圖像質量的矛盾,并實現對ROI的優先、優質的編碼操作。

   在基于小波的圖像壓縮中,一般是通過比特位平面提升來實現ROI編碼的[1,2]。JPEG2000中采用了兩種算法:Scaling Based方法和Maxshift方法。Scaling Based方法允許用戶自己定義ROI區域系數上移位平面數S,實現對ROI編碼效果的靈活控制,但必須將掩碼圖像信息寫入碼流;Maxshift方法可以看作是Scaling Based方法的特殊情況,移位后所有與ROI有關的位平面都高于與BG有關的位平面,這樣就可以實現ROI和BG區域數據的完全分離,因而不必將掩碼圖像信息寫入碼流。Scaling Based方法中的S必須是整數,當S增加或減少1時恢復圖像峰值信噪比的變化大。Maxshift方法主要缺陷是不能控制ROI和BG的相對質量,同時由于是完全提升,因此對編解碼器的要求較高[3,4]。

   JPEG2000的核心算法是EBCOT(優化截斷嵌入塊編碼)。研究表明,通過調節驅動構造質量層的代價函數可以實現ROI編碼,稱這種方法為隱式ROI編碼,因為在碼流中沒有明確的信息表示編碼器已經對圖像的任何區域區別對待[5]。利用EBCOT的特點[6],本文通過在碼流組織時對感興趣區域失真-長度斜率進行提升,實現了隱式ROI編碼,該方法不對小波系數進行比特位平面提升,也不需對其進行逆提升,同樣能得到很好的ROI編碼效果。

2 基于率失真優化的編碼順序

   如圖1所示實線代表了傳統的編碼順序,虛線代表了基于率失真優化的編碼順序。傳統的編碼中,符號是按進入編碼器的順序被編碼的,雖然在最終的目標碼率時,達到了目標失真,但是并不能使得每編碼一個符號,都可以達到最大的失真減少。而基于率失真優化的編碼,不但考慮了最終碼率時的失真問題,同時也考慮了每一符號被編碼時的失真問題。編碼是按照率失真斜率(Rate Distortion Slope)遞減的順序開始的。即具有最陡率失真斜率的符號先編碼,每編碼一個符號,都能得到最大的失真減小。

圖1 基于率失真優化的編碼順序

   從率失真斜率的角度考慮了位分配問題,能使得最先被分配的那些位具有最陡的率失真斜率,這樣算法每編碼一位,都有最大的失真減少,并且編解碼路徑完全一致。編解碼可在任意截斷點被終止,實現目標碼率和失真。調節碼率僅僅只是在確定的截斷點截斷位流,實現精確的位率控制。算法可在低碼率的條件下很好的重建圖像。

3 壓縮后率失真優化算法(PCRD-opt)的優化

定義一個量“失真-長度斜率(distortion-length slope)” 如下:

EBCOT中優先截斷采用的是PCRD-opt算法[6]。它可以用于優化碼塊截斷點集合 ,使得在總體長度 的約束下,總體失真D最小。其原理如下:

4 失真-長度斜率提升的感興趣區域編碼

   EBCOT編碼器是由Tier-1和Tier-2編碼器組成。Tier-1編碼器把各個子帶分割為64*64或32*32 的碼塊,并對各碼塊進行比特位平面獨立編碼,每個比特位平面編碼分為3個步驟,即“重要性演化通道”、“幅值細化通道”和“清除通道”,同時計算每步驟的失真-長度斜率參數。Tier-2編碼器根據這些參數,利用失真-長度斜率優化截取算法組織碼流,從而使恢復圖像的失真最小。

本文提出的失真-長度斜率提升的隱式感興趣區域編碼算法流程如圖:

5 算法的測試結果及分析
   本文結合Kakadu軟件,對Maxshift方法和本文的隱式ROI編碼進行了測試,感興趣區域的范圍為標準Lena原始圖像中心部位四分之一大小的區域。表1是兩種方法在四種碼率下的測試結果的對比統計數據,圖3為由Maxshift算法和本文隱式ROI算法得到的感興趣區域(ROI)、背景區域(BG)和整幅圖像的PSNR隨碼率的變化曲線。

表1 Lena圖像的試驗測試數據(CPU:Celeron(R) 2.4GHz+Kakadu軟件)


圖3 恢復圖像PSNR隨碼率變化曲線

   實驗結果表明,采用本文的隱式ROI編碼所得到的背景區域和整體圖像的PSNR在低比特率情況下要遠大于Maxshift方法,在碼率較大時的編碼速度要好于Maxshift方法,本文方法所得到的圖像不僅能得到ROI區域的優質優先編碼,在保持ROI的PSNR要求同時背景的PSNR下降較小,同時也能得到ROI與BG區域的相對質量的有效控制,圖像整體質量更好。

6 結 論
從本文的算法原理和實驗結果中可以表明隱式ROI編碼——失真-長度斜率提升的感興趣區域編碼具有以下優點:
(1)該方法避開了對小波系數的比特位平面提升及其逆提升,節省了編解碼時間。
(2)感興趣區域不需要給出相對背景的絕對優先級,有利于ROI與BG區域的相對質量的控制。
(3)失真-長度斜率提升不受比特位平面限制,形式更加自由,提升范圍更加靈活。
(4)對交互式圖像編碼改變ROI的質量要求時,本文算法只要進行一次T1編碼,避免了比特位平面提升的多次編碼的缺陷。
  但是,這種隱式ROI編碼也有其缺陷:調整只能逐塊進行,因此阻止了視覺掩蔽優化。隱式感興趣區域編碼機制克服了比特位平面提升ROI編碼方法的不足,具有廣泛的使用價值。

參 考 文 獻

[1]Liu Lijie, Fan Guoliang. A new JPEG2000 region-of-interest image coding method: Partial significant bitplanes shift [J]. IEEE Signal Processing lett,2003,10(2):35~38

[2] Wang Zhou, Bovik Alan C. Bitplane-by- bitplane shift(BbBShift)-A suggestion for JPEG2000 region of interest image coding[J]. IEEE Signal Processing Lett, 2002, 9(5):160~162

[3] ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG1ITU-T SG8).ISO/IEC FCD 15444-1:JPEG2000 Part I Final Committee Draft Version 1.0[S].
[4] ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG1

ITU-T SG8).ISO/IEC FCD 15444-2:JPEG2000 Part II Final Committee Draft [S].

[5]魏江力,柏正堯等譯,[美]David S. Taubman, Michael W.Marcellin. JPEG2000圖像壓縮基礎、標準和實踐.北京:電子工業出版社,2004

[6D. Taubman. High performance scalable image compression with EBCOT. IEEE Trans. Image Processing, 2000, 9(7):1158~1170

[7]鄧家先,吳成柯,李云松等.率失真斜率提升感興趣區域編碼.西安電子科技大學學報,2004,31(2):205~208










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