（信号与信息处理专业论文）一种基于spiht改进的roi图像编码方法.pdf

南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办 理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名：_ 日期：_ 研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_ 南南南南 京京京京 邮邮邮邮 电电电电 大大大大 学学学学 硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要 学科、专业：工学工学 信号与信息处理信号与信息处理 研 究 方 向：图像处理与多媒体通信图像处理与多媒体通信 作者：2009200920092009 级级硕士研究生余燕英余燕英 指 导 教 师：董育宁董育宁 教授/博导 题目：一种基于 spiht 改进的 roi 图像编码方法 英 文 题 目：improved roi coding method based on spiht 主 题 词：感兴趣区域编码；spiht；提升小波变换；图像压缩编码 keyword：region of interest coding ; spiht; wavelet transform; image compression 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 i 摘摘要要 感兴趣区域 roi(region of interest)编码能保证 roi 区域较背景 bg(back ground)优先 编码和传输，重构 roi 的图像质量更好。将感兴趣区域编码和 spiht 嵌入式编码算法相 结合，可以编码形状任意的 roi 图像而且无需嵌入 roi 区域的掩膜。同时由于 spiht 算 法具有渐进传输的特性，可优先编码和传输 roi 图像数据，即使解码端接收数据不完全， 依然能重构出质量较好的 roi 图像。 本文深入分析了目前 roi 编码方法，还存在一些不足，比如 roi 与 bg 图像融合不自 然， 难以调解 roi 与 bg 图像质量的相对重要性， 或者编码系统比较复杂。 针对这些不足， 本文提出了一种基于 spiht 的改进 roi 编码方法。本文算法主要改进了 roi 的预处理过 程，使得重构的 roi 与 bg 图像的融合更自然；对 roi 与 bg 采用不同的小波变换策略， 对 roi 图像采用无损运算快的 cdf5/3 可逆提升小波变换，对 bg 图像采用有损压缩率高 的 cdf9/7 不可逆提升小波变换；采用提升小波变换替代二维小波变换，从而用四则运算 替代二维小波变换中的卷积运算，不仅减少了计算量，也简化了系统结构。采用的嵌入式 编码 spiht 算法，可将 roi 掩膜信息嵌入到码流中，无需专门编码 roi 掩膜信息，从而 可编码形状任意的 roi 图像。 通过理论分析和实验仿真证明了本文提出的改进算法，不仅 roi 与 bg 具有更好的融 合性，而且图像质量更好，编码系统更简单。 关键词关键词：感兴趣区域编码；spiht；提升小波变换；图像压缩编码 南京邮电大学硕士研究生学位论文abstract ii abstractabstractabstractabstract roi(region of interest) coding can ensure that the roi is encoded and transmitted firstly, and the quality of reconstructedimage of roi is better than bg (back ground). when roi coding is combined with spiht algorithm, arbitrary shape of roi image can be encoded with this method and without embedding the roi mask. at the decoder side, roi area can be received and decoded in the first place, and even without receiving complete image code, roi images can be reconstructed well. in the analysis of the roi coding methods, some defaults can be found. the fusion between roi image and bg image isnt good enough. its difficult to adjust the relative importance of roi and bg image quality. or the coding system is very complicate. an improved method of roi coding is presented in this thesis with the combination with spiht. in this new roi coding system, pre-process is improved in order that roi and bg image can be fused naturally. the wavelet transform strategy is different of roi image from bg image. cdf 5/3 lifting wavelet transform is used in roi area, cdf 9/7 in bg area. cdf 5/3 is lossless and fast transform method,cdf 9/7 is loss and compression method. the two-dimensional wavelet transform is replaced by lifting wavelet transform such as cdf 5/3 and cdf 9/7.two-dimensional wavelet transform is very complex because of its convolution computation, while lifting wavelet transform is very simple because of its only four fundamental operations of arithmetic to complete the transform. the replacement not only reduces the computation, but also simplifies the system structure. any shape of roi image can be coded without embedded the shape information of roi due to spiht embedded coding algorithm in the improved system. the improved method has been proved feasible and useful through theoretical analysis and simulation. the fusion of roi and bg is better ;image quality is higher; the coding system is simpler. keywordskeywordskeywordskeywords：region of interest coding; spiht; wavelet transform; image compression 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 iii 目目 录录 摘摘要要.i i i i abstractabstractabstractabstract.ii ii ii ii 目目 录录.iiiiiiiiiiii 第一章第一章 绪论绪论.1 1 1 1 1.1 图像压缩的基本原理.1 1.2 图像感兴趣区域编码的特点及其研究状况. 2 1.3 论文内容及结构.4 第二章第二章 图像编码理论概述图像编码理论概述.6 6 6 6 2.1 图像编码的基本理论.6 2.2 图像编码过程.7 2.2.1 预处理.8 2.2.2 小波变换. 8 2.2.3 图像编码的典型算法. 9 2.3 roi 图像编码. 11 2.3.1 最大移位法. 13 2.3.2 一般移位法. 13 2.4 图像编码的质量评价.15 2.4.1 图像质量评价. 15 2.4.2 感兴趣区域的图像质量评价.16 2.4.3 图像编码的质量评价. 17 2.5 本章小结.18 第三章第三章 小波变换简介小波变换简介.19191919 3.1 傅里叶变换的局限性.19 3.2 连续小波变换(cwt).19 3.3 离散小波变换 dwt.23 3.4 小波变换的特点.27 3.5 嵌入式小波编码.29 3.5.1 ezw 算法.32 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 iv 3.5.2 spiht 算法.35 第四章第四章 基于基于 spihtspihtspihtspiht 改进的图像改进的图像 roiroiroiroi 编码方法编码方法. 40404040 4.1 常见 roi 编码与 spiht 算法讨论. 40 4.2 一种基于 spiht 改进的 roi 编码方法. 41 4.2.1 roi 预处理的改进.41 4.2.2 采用不同小波变换处理 roi 和 bg.41 4.2.3 小结.44 4.3 仿真实验.45 4.3.1 仿真环境. 45 4.3.2 仿真结果和分析. 46 第五章第五章 结论和展望结论和展望.51515151 致致 谢谢.53535353 论文发表情况论文发表情况.54545454 参考文献参考文献.55555555 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.11.11.1 图像压缩的基本原理图像压缩的基本原理 如果对采样的图像数据进行 256 级量化和 pcm 脉冲编码，数据压缩量巨大，压缩效 果不佳。假设采用 cif（common intermediate format）彩色视频信号格式时，每个样点数 据由的 y、u、v 三种分量组成。如果采样速率为 25 帧/秒，采样点均为 8bit 量化，则一 秒钟的数据量： 352288382560.83mbps 这样庞大的数据量进行传输或存储，需要耗费很多资源，而且是不必要的。虽然数字 图象的数据量巨大，但是图像的数据存在大量冗余空间相关性和时间相关性，为对其压 缩编码提供了可行性。在满足实际需要的前提下，选择适合的压缩编码方式和压缩比，可 以对要传输或存储的数据进行尽可能大的压缩。 通常图像数据的各种域和数据特性中隐含着一定程度的冗余，在图像数据的时间域、 空间域、信息熵、知结构识和视觉感受上都存在冗余。图像压缩编码就是通过减少存在在 图像数据的各种域和数据特性中的冗余，以最少的数据重构图像。利用人眼视觉特性，丢 掉部分人眼不敏感信息，并不妨碍人们对主要信息的获取。从这点出发，利用各种去除冗 余的技术策略，在重构图像质量满足实际需求的前提下，可以尽可能的提高压缩比，尽量 减少需要传输或存储的数据。 图像压缩编码的系统框架主要有编码系统和解码系统组成。 映 射 变 换量 化熵 编 码 反 映 射 变 换反 量 化熵 解 码 原 始 图 像 变 换 系 数 量 化 系 数 码 流 熵 解 码 数 据 反 量 化 数 据 恢 复 数 据 编 码 系 统 解 码 系 统 图 1-1 图像压缩编码的系统结构 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 2 映射变换将空间域的原始图像变换为频域的变换系数，利用图像频域的窄带特性更有 利于数据压缩。在量化器中，用有限个量化电平来表示可取的状态数；依据预先规定的映 射方法，输入的模拟数值将映射到相应的量化电平。熵编码即编码过程中按熵原理不丢失 任何信息的编码，将量化系数用二进制比特表示是为量化后输出的每个符号分配二进制比 特流。在编码系统中，三个步骤相辅相成，在满足压缩率的条件下，实现图像的最大化压 缩。解码系统中的三个步骤是编码系统中对应步骤的逆过程，共同完成图像的重构，保证 重构图像的质量。 比较重构图像对于原始图像的逼真程度和 psnr 值的大小，可将目前的图像压缩方法 分为有损压缩和无损压缩。无损压缩算法只去除图像数据中无用的冗余信息，解码端能从 码流中无失真的恢复原始图像。无损压缩编码的目标就是在重构图像相对于原始图像没有 任何损失的前提下， 需要传输或存储的数据量最小。 有损压缩算法是在满足失真率前提下， 丢掉一些图像细节，有效的减小图像编码量。有损压缩编码方法是通过去掉一些有用的冗 余信息，损害细节图像为代价，减少图像编码量。 编 码 方 法编 码 方 法 有 损 编 码有 损 编 码无 损 编 码无 损 编 码 huffmanhuffmanhuffmanhuffman 编 码编 码 游 程游 程 编 码编 码 算 术算 术 编 码编 码 字 典 压字 典 压 缩 编 码缩 编 码 预 测预 测 编 码编 码 正 交 变正 交 变 换 编 码换 编 码 矢 量 化矢 量 化 编 码编 码 子 带子 带 编 码编 码 金 字 塔金 字 塔 编 码编 码 图 1-2 图像编码方法分类 1.21.21.21.2 图像感兴趣区域编码的特点及其研究状况图像感兴趣区域编码的特点及其研究状况 在数字图像的很多实际应用中（比如医学图像，遥感测绘等） ，人们需要从图像中某 些区域获取所需的信息，因此往往只对一幅图像中的某些区域更感兴趣。常见的图像编码 方法只是简单的均匀处理整幅图像的所有区域，不能对某一区域做特殊处理。感兴趣区域 编码应运而生。在原始图像中，选取感兴趣区域 roi(region of interest)，其余部分为背景 bg(back ground)区域。感兴趣区域编码通过调节 bg 图像和 roi 图像质量的相对重要性， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 3 对不太重要的 bg 图像采用高压缩比， 对重要的 roi图像采用低压缩比 （甚至是无损压缩）。 同时利用spiht算法对roi图像数据先编码和传输， 在解码端roi优先接收和解码。 spiht 算法的渐进传输特性使得，即使解码端接收数据不完全的情况下，可能得到较好的 roi 图 像质量。roi 编码的这些优势，使得感兴趣区域在医学图像、遥感测绘等实际应用中，具 有广阔的发展前景。 在 jpeg 标准的基础上，jpeg2000 标准引进了一新的编码技术，即 roi 编码技术。 jpeg2000 标准定义了最大移位法(max shift method)和一般移位法(scaling-based method) 这两种感兴趣区域编码方法。前者移位因子不变，roi 优先级是固定的，不能调整 roi 图 像和 bg 图像的优先级；而后者需要单独对 roi 区域的掩膜进行编码，编码系统复杂。虽 然 jpeg2000 中提出的 ebcot 算法支持码率分配，但是该 roi 编码率分配算法具有局限 性，不适合普遍性。 根据选取 bg 和 roi 区域的编码策略， roi 编码技术主要分为两类：一类是对 roi 和 bg 区域，分别采用各自的编码方法；另一类是对所有区域采用统一的编码算法，通过 分配不同区域的比特率来调节不同区域的重要性。 j.m.shapiro1根据小波变换的线性性质，在小波分析之前对 roi 区域进行加权，这样 在小波系数也被相应的放大，再进行零树编码。这个方法简单有效的提高了 roi 重构图像 质量，但是缺点是产生严重的振铃效应。t.w.ryan2等编码 roi 区域和 bg 区域的策略不 一样，bg 图像进行高压缩率的有损压缩，对 roi 图像进行低压缩率的有损压缩（甚至是 无损压缩） ；对非纹理区域采用粗量化和有损编码，对纹理区域采用精细量化和无损编码。 p.y.cheng 等提出的算法是使用小波分析而非 dct，根据子带采用不同的量化和编码策略。 即可对 roi 区域的小波系数采用细量化步长和低压缩率（甚至是无损压缩）编码，可以获 得 roi 区域的高质量的重构图像。zhou wang 等采用基于位平面的编码方法，可以自由调 节位移因子，无须单独编码 roi 的掩膜信息，从而可编码形状任意的感兴趣图像。该算法 的优点是可以对多个 roi 区域编码，无需嵌入 roi 的掩膜信息，编码的复杂度降低了， 并 且编码效率比一般移位法要高；缺点是对多个 roi 图像的位移因子要想相同，不能按 roi 区域来自定义不同的位移因子，不符合 jpeg2000 中关于 roi 区域编码的定义。lijie liu 等提出 psbshift(partial significant bitplanes shift)法， 对 zhou wang 基于位平面的编码算法 进行了改进，无须独立编码 roi 掩膜信息，从而可编码形状任意的 roi 图像；同时通过依 据子带分配不一样的位移因子， 从而 roi 区域可以各自选择位移因子， 不同 roi 图像的质 量得到灵活的调整，但是这个编码方法在码率较低时效果不理想。 jpeg2000标准中的引入的两种编码算法为目前大多数roi编码算法提供了理论基础， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 4 将 roi 编码用于不同应用领域，如图像检索，车牌识别系统等。 1.31.31.31.3 论文内容及结构论文内容及结构 本文先总结了小波变换的基本理论，分析了二维小波变换的不足，引入了提升小波变 换方法。接着概述了嵌入式编码的基本原理，着重分析了其代表性算法之一 spiht 算法。 同时参阅了许多关于感兴趣区域编码方法，分析了目前 roi 编码方法的不足，如需要嵌入 roi 图像的掩膜，bg 与 roi 区域质量难以调整等问题。针对目前 roi 编码方法的不足， 本文提出了一种基于 spiht 改进的 roi 编码算法。 本文提出的 roi 编码方法的创新点主要有以下三个方面： (1) 改进了 roi 的预处理过程，使得重构的 roi 与 bg 图像的融合更自然。图 像数据从空间域变换到频域是通过小波变换，频域的窄带特性更有利于后续的压缩 编码。 参考文献3中算法， 直接对抠去 roi 区域的图像作为 bg 图像进行小波变换， bg 图像空间域的缺失(空洞)。空间域有空洞的图像数据映射到的频域数据，会出现 小波系数组织结构紊乱和数值失真。将 roi 编码的预处理方法进行改进，维护了 bg 图像小波变换的小波系数的组织结构和数值正常，从而重构出的 roi 与 bg 图 像融合很自然。 (2) 对 roi 与 bg 区域采用不同的小波变换策略。对 roi 图像采用无损运算快 的 cdf5/3 提升小波变换，对 bg 图像采用有损压缩率高的 cdf9/7 提升小波变换。 以往的 roi 编码算法都只采用一种小波变换方法， 对 roi 图像和 bg 图像进行无差 别的均匀处理，并不能体现出 roi 和 bg 图像数据的相对重要性。本文对 roi 和 bg 采用不同的小波变换策略，不仅保证了 roi 区域图像数据的重要性，还减少了 输出的变换系数，从而对提高编码率有一定帮助。 (3) 采用提升小波变换替代二维小波变换，从而用四则运算替代二维小波变换 中的卷积运算，不仅减少了计算量，也简化了系统结构。采用的嵌入式编码 spiht 算法，无需单独编码 roi 区域的掩膜信息，从而可编码形状任意的 roi 图像。 本文的内容安排如下： 论文共分为五章。 第一章是绪论。首先论述了 roi 图像编码的研究背景以及现实价值，接着阐述了图像 压缩的基本原理和 roi 编码的特点及其研究状况。 第二章主要是对图像压缩的原理，方法及图像质量的评价体系进行了论述，分析了感 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 5 兴趣区域编码算法和 roi 图像编码的质量评价指标。 第三章简要介绍了小波变换。首先论述了小波变换的原理和特性，分析了小波变换的 不足，在此基础上详细分析提升小波变换的原理和特点。 第四章提出了一种基于 spiht 改进的 roi 编码方法。首先在阐述了传统的 roi 编码 系统，分析了其不足。接着提出了本文的改进方法，本文提出的改进算法的可行性和有效 性通过仿真实验和结果分析得到很好的验证。 第五章对本文研究的 roi 编码方法进行总结，提出了进一步研究的方向和方法。通过 总结本文提出的改进的 roi 编码方法的主要创新点，展望了 roi 编码的进一步研究内容。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 图像编码理论概述 6 第第二二章章 图像编码理论概述图像编码理论概述 人类获取的信息 80%都是依赖于视觉，而图像就是人类视觉最直接的表现形式。图像中 承载着巨大的信息量，俗语“百闻不如一见”生动的反应了这一现象。图像虽然能承载大量 的信息但是所依托的数据量也是庞大的，传输或存储如此大的数据量，所需要的带宽或空间 也是巨大的，有时甚至是不可能的。因此在满足实际需要的前提下，尽可能的减少传输的数 据量，人们对图像数据之间的相互关系进行研究，提出了许多对图像进行压缩编码的算法。 2. 2. 2. 2.1 1 1 1 图像编码的基本理论图像编码的基本理论 能对图像进行压缩编码，源自图像数据之间的信息高度冗余。常见的图像数据内的信息 冗余有以下三种： 信息熵冗余：图像数据中承载信息量的大小用信息熵来度量。当图像编码总量大于原始 图像数据的信息熵，则编码中有信息熵冗余。如果原始图像数据分布不均匀就会导致这种冗 余的存在。 空间冗余：自然的物体表面一般比较规则，具有一定相似性。在图像中，这种相似性表 现为相邻像素，相邻行、列，相邻子带之间的数据往往相近。 结构冗余：结构冗余是基于图像不同区域内纹理结构的相似性，或者图像各部分之间的 自相似性。 图像数据