不规则区域图像编码综述

1、收稿日期:2005-12-12;修订日期:2006-03-09基金项目:国家自然科学基金资助项目(60572011;985特色项目计划基金资助项目(LZ985-231-58262作者简介:马义德(1963-,男,甘肃临夏人,教授,博士生导师,主要研究方向:计算机应用系统、生物医学图像处理、DSP 与信号处理;张北斗(1980-,男,江苏徐州人,硕士研究生,主要研究方向:图像处理、嵌入式系统设计;齐春亮(1971-,男,天津人,硕士研究生,主要研究方向:图像处理、神经网络等.文章编号:1001-9081(200606-1351-03不规则区域图像编码综述马义德1,张北斗1,齐春亮1,2(1.兰州

2、大学信息科学与工程学院,甘肃兰州730000;2.中国酒泉卫星发射中心,甘肃酒泉732750(yd malzu .edu .cn 摘要:将已有的各类不规则区域编码方法与传统方法进行比较,综述了此领域已取得的成果,提出了自己特有的处理方法,并分析所面临的难点与对策,最后进行了展望。关键词:图像编码;彩色编码;不规则区域;脉冲耦合神经网络中图分类号:TP391.41文献标识码:ASummar i za ti on of i m age cod i n g ba sed on i rregul ar reg i onMA Yi 2de 1,Z HANG Bei 2dou 1,Q I Chun 2li

3、ang1,2(1.College of Infor m ation Science &Engineering,L anzhou U niversity,L anzhou Gansu 730000,China;2.China J iuquan Satellite L aunch Center ,J iuquan Gansu 732750,China Abstract:The irregular regi on i m age coding methods,as the ne wer ones in this field,have obvi ous potential of comp re

4、ssing regi ons of i m age,maintaining the i m age edges and textures,and enhancing the quality of the reconstructed i m age .After comparing these methods with the old ones,our techniques were p resented,and the difficulties confr onted were analyzed .I n the end,p r os pects were put for ward .Key

5、words:i m age coding;col or coding;irregular regi on;pulse 2coup led neural net w ork0引言“第一代”图像编码技术在去除图像数据的线性相关性方面进行了深入的研究,其出发点是消除图像数据的统计冗余信息,如信息熵冗余、空间冗余等。行程编码、霍夫曼编码、算术编码等便是其中杰出的经典算法。目前为止,这类技术已十分成熟,研究空间极其有限。1985年,Kunt 等人提出了利用人眼视觉特性发展“第二代”图像编码技术;1988年,Barnsley M 提出基于迭代系统的分形图像编码技术;1989年,Mallat S 首先将小波

6、变换用于多分辨率图像的描述。第二代编码技术不再局限于信息论的框架,而是要求充分利用人的视觉、生理、心理及图像信源的各种特征,进一步提高压缩比。编码时首先将图像中诸如边界、轮廓、纹理等结构特征提取出来予以编码,解码时再根据结构和参数信息进行图像重建,在获得更高压缩比的同时消除了JPEG 等方法存在的重建图像失真,比如方块效应。传统的方法很少考虑图像的内容含义及人眼视觉系统(HVS ,用规则的方块分割处理后再编码,因此容易导致高压缩时出现严重的图像失真。基于分割的“第二代”编码技术不再局限于简单的方块编码,其出发点是,先让分割区域(或纹理与原始图像对应部分之间在视觉意义下最大地接近,然后再对这些区

7、域(纹理进行编码。当然,这种突破常规的做法必然带来处理上的问题。比如,使用何种方案分割图像,才能使分割简单且适用范围广泛;使用何种基函数压缩图像区域;如何定位分割出的图像内容等。本文综述了人们在这些方面的研究成果,同时提出了自己特有的处理思路和方法。1几种区域编码方法的比较图1所示为三种典型图像编码方案。图1(b 为JPEG 所用模型,以256×256的Lena 图像为例,先进行8×8分块(总共1024块,然后分别对每块进行DCT 变换,再对系数进行游程和霍夫曼编码等一系列操作。图1(c 用二叉树的方法对图像进行编解码。图1(d 是用一些研究中的新方法对图像进行不规则分割(

8、本图基于PC NN ,然后分别对图像边缘及区域进行编码 。图1几种典型编码方法2不规则区域编码对图1比较发现,基于分块的JPEG 编码只需要存储或传输系数信息,不需要考虑边缘及像素块的位置。但是,这种第26卷第6期2006年6月计算机应用Computer App licati onsVol .26No .6June 2006方块式的分块编码方法在高压缩比下便产生了方块效应。考虑到边缘、纹理、平坦区域的重要性依次降低,基于不规则区域的编码方法对人眼敏感的不同类型分别采取不同的编码方法:1对边缘像素使用链码的方法,几乎无损压缩;2对区域内容采用高压缩比方法编码。这样,既保证了图像编码的高压缩比,又

9、能使重建图像纹理清晰、边缘分明。对同一幅图像,分割后的不规则区域面积越大,总的块数越少,整幅图像的压缩比就越高。2.1图像分割方法基于边缘检测1、区域增长2、分水岭3的图像分割是常用的方法之一。文献4使用数学形态学算子(M athe maticalMor phol ogic Operat or分割图像。在P.Sale mbier 提出的形态学分割过程中,标识提取(M arker Extracti on是其中的重要一步,它的目的是在完成前一步的形态学简化运算后,标识出图像中具有相同灰度等级的均匀区域。P.Sale mbier采用了基于尺寸的标识方法,即首先计算每个均匀区域中像素的多少,然后按一个

10、临界值进行取舍。然而当分割过程进一步细化时,采用尺寸法将产生许多小的区域,考虑到具有高对比度的区域包含更多的图像特征信息,于是又提出了基于对比度的标识方法,以便得到更理想的标识结果。可是,这两种方法都各有缺陷5。文献6使用小波变换的图像分割方法,并将边缘信息融入了小波系数之中。为了最大接近人眼的感觉,文献7采用最小生成树方法分割图像,便于硬件实现,同时提出了一些边缘改进的方法。文献8将拉普拉斯算子改进,先将图像的基本边缘轮廓检测出,再以其为骨架,利用8×8、16×16、32×32不等的方块分割图像,然后使用DCT编码。结合人眼视觉系统(HVS,文献9提出了基于PC

11、NN 的分割方法,取得了很好的效果。脉冲耦合神经网络(PCNN是直接观察猫的视觉皮层神经细胞,并模拟其神经细胞活动而得到的人工神经网络模型。各类研究成果表明, PCNN非常适合于图像分割、边缘检测等图像处理操作10。针对图像编码的具体情况,我们对PCNN模型进行简化,提出并采用下面模型进行图像分割。在初始状态,除输入激励Sij外,其他参数均设为零。第一次迭代完成时,所有神经元将输出1,此后动态阈值被提升至一预设值V,然后各神经元按照(1(5进行迭代运算。对PCNN第n次迭代后输出的二值图像再按照空间相邻与否标记为不同的区域,对每次迭代结果进行同样的操作,直至所有像素对应神经元均被激活过一次。这

12、样最终各分割区域中的像素同时具有灰度值和空间上的近似性。F ijn=S ij(1L ijn=w ijkl Y kln-1(2Uij n=Fijn(1+L ijn(3Yijn=1if U inn>ijnor0other w ise(4ijn=exp(-ijn-1(5 2.2轮廓像素编码分割出的区域由于其形状是不规则的,需要定位该区域,即进行轮廓编码。边缘像素编码包括两层含义,一是边缘像素所围成区域的形状编码,二是边缘像素的色彩和幅值编码11。链码是一种常用的符号信息表达方式,对形状编码简单常用。首先,选取轮廓上的某一点作为起点,记录其x,y坐标值,根据该点与前一点的相对位置,用07中的某一

13、个数字表示(每个数字用三位比特表示:000111,如图2所示,其他轮廓点依次进行。这种链码法可以无失真地表示轮廓,并且压缩了一些比特数 。图2常用链码图34领域编码方法为了进一步提高压缩比,可以采用图3的简化方法。先将图像边缘进行修正,在需要用8邻域编码的拐角处添加一个像素,使之成为4领域,然后按图3(d顺序编码,但这种方法会造成一些失真。文献11,12采用一种改进的链码对图像区域形状进行编码。将八个方向链码分为四个不同的链码:上北、右东、下南和左西,如图4(a图4(d所示,只需采用两位0和1的组合就可以表示图像边缘形状 。图4链码方位编码表示研究成果表明,边缘编码不能大幅度提高压缩比,一些方

14、法努力地将边缘信息融合到区域编码中1315。文献16提出使用小波变换提取并编码边缘的方法。考虑到边缘信息在图像编码中的重要性,文献17提出边缘增强的低码率编码方案。针对污染图像的噪声点难于检测的特点,文献18提出一种转变边缘的编码方法。2.3区域编码方法图像分割后得到的不规则区域形状各异,选用何种基函数编码成了关键。文献11提出小波变换的方法:用最小的外接矩形包围待处理的不规则区域,用典型像素(该区域中的所有像素求和取平均值填充最小外接矩形,对图像区域进行直流偏移后使用小波变换编码。该方法对于类似矩形的不规则区域压缩比高、重建质量好,对于分割后形状怪异,需要填充像素多的区域不是很好。类似地,把

15、分割后的区域像素按8×8或16×16重新排序,不足像素用0代替,然后使用DCT或小波编码。文献19以遥感类的图像为实验对象,对于较平滑的区域,如海洋、云彩等采用一维小波编码,而对于粗糙的区域,则采用改进的基于对象的小波变换编码。基于PCNN的图像分割,使各分割区域中的像素同时具有灰度值和空间上的相似性。我们提出使用正交基多项式编码的方法9,简要描述如下:以正交基个数N=6为例,1,x, y,x2,xy,y2是初始基函数,不具有正交性。定义(1=1,(2=x,(6=y2。根据这些初始基函数,结合区域像素值、坐标值进行运算,构造出标准正交基(1(6。以某一区域为例,求得的(1(

16、6具有如下的形式:(1=7.18(2=2.114x-1.362(3=2.143y-1.621x+0(4=6.398x2-3.998y-8.254x+1.7922531计算机应用2006年(5=5.772xy +1.078x 2-3.690y -3.0690x +2.382(6=6.398y 2-2.290xy +1.144x 2-8.254y -4.430x +1.792对于每个区域,求得的多项式形式相同,系数不同。然后,由这些正交基结合区域像素再求得6个系数:Coefficients (1Coefficients (6,继而可求出一个总的多项式Multinom ial,该多项式也具有(6的形

17、式。最后,再对这6个系数的整数和小数部分分别进行量化、编码。需重建图像时,由6个系数组建M ultinom ial 多项式,将像素坐标值代入计算即可得到该坐标下的像素值。由上述可见,待编码的不规则区域像素数越多,需要计算的数据量越大,压缩比就越高。这正体现了编码理论中相关性越高,计算量越大,压缩比越高的规律。该方法的另一个优点是,当区域像素数目少时,可减少N 的个数,比如只选取(1,(2,(3。这样,计算量少,重建像素值误差不大,并不影响重建图像的质量。仿真结果表明,此种编码方法对于提高压缩比具有较强的优势。2.4图像重建质量比较基于不规则的区域编码方法在消除JPEG 的方块效应、保持图像细节

18、纹理方面具有很好的效果,图5(a 图5(c 是文献9在压缩比相差不大的情况下,采用DCT 与不规则区域编码两种方法的重建质量比较。由图可见,基于不规则区域的编码方法重建图像有些失真,但不存在方块效应,具有良好的视觉效果 。图5不规则区域编码作为文献9的拓展工作,本文将基于PC NN 的不规则编码方法用于彩色图像压缩,图5(d 图5(f 为平坦区域较多的peppers 图像重建结果。仿真表明,此类图像很容易获得高压缩比,且重建图像质量较高。这在动画、流媒体背景编码等方面具有很大优势,采用不规则的编码方法,达到高压缩率。3结语基于不规则区域的编码方法是现代图像压缩编码技术的一个重要发展方向。本文较

19、全面地总结了人们在这方面的研究成果。此领域仍存在着一些困难,具体应从下面几点出发展开研究:1噪声点及伪边缘的存在会造成图像分割上的错误。因此,研究能准确定位图像区域的分割方法尤为重要;2相对8×8的分块,不规则的分割区域在编码时需要编码边缘的位置信息,这样增加了额外的编码数据量及编码时间。所以,快速、低码率的边缘定位方法值得研究;3对于分割后的不规则区域,采用何种函数编码至关重要,这关系到图像的整体压缩比、编解码的复杂度及花费时间。总之,基于不规则区域的编码技术尚处于研究阶段,应借鉴传统的成熟技术和人眼视觉特性,进行深入研究。随着分形理论、神经网络等各种智能信息技术的发展,相信上述问

20、题会逐步得到解决。参考文献:1K AUP A.Coding of Seg mented I m ages U sing Shape 2I ndependentBasis Functi ons J .I EEE Transacti ons on I m age Pr ocessing,1998,7(7:937-947.2THY AG ARAJAN KS .Bohl m ann,Helge .I m age Coding Based onSeg mentati on U sing Regi on Gr owingA .Pr oceedings 2I CASSPC ,1987.752-755.3CA

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24、,6(2:135-142.9马义德,齐春亮.基于PCNN 的不规则分割区域压缩编码A .第十二届全国图像图形学术会议论文集C .2005.38-42.10顾晓东,余道衡.PCNN 的原理及其应用J .电路与系统学报2000,6(3:45-49.11陈德权,赵宇明,万长明.基于区域和边缘分开编码可伸缩彩色图像编码J .红外与激光工程,2004,33(6:634-637.12赵宇明,万长明.基于彩色图像分割的可伸缩性压缩编码J .上海交通大学学报,2004,38(9:1496-1499.13CHR I ST OP OULOS VA,DE MUY NCK P,CORNEL I S J.Cont oursi m p lificati on f or seg mented still i m age and video coding:algorithm s and experi m ental resultsJ .Signal Pr ocessing:I m age Communica 2ti on,1999,14(4:335-357.14HOR I T A Y,M I Y AHARA M.Regi on seg mentati on coding of col ori m ages based on unif or m HVC col or s p