第27卷第1期 武汉大学学报・信息科学版 Ⅷ27No1 2002年2月 C,mmatlcs and lnformad ̄m ∞∞of Wu}mn UniverslW F出. 文章编号:i000-050X(2002101.0044 ̄4 文献标识码:A 似图形图像序列压缩编码方案的研究 沈燕飞 沈未名 朱立 徐正全 (1武汉大学多媒体网络通信工程湖北省重点实验室,武汉市珞喻路129号.430079) 摘要:针对远程炒股、远程教学和远程协同工作中的计算机屏幕共丰问题,提出了一种对似周彤周像序列进 行无损压缩的鳊码方案。首先将似周形周像转化成索引周像,然后对索引周像序列进行帧闻行程骗码和白适 应预剐Huffman编码,最后再对码流进行L 7编码。实验表明,该方案能够有蛀地压缩似图形周像序列.与 一般的无损图像骗码方案相比,明显地提高了周像的压缩蛀率,压缩比可达到80:l以上。 关键词:周像编码;数据压缩;行程编码:视频压缩;Huffrnan编码 中围法分类号:TN9l9.81:TP3l1.12;TP393 在许多远程教学、远程炒股和远程协同工作 应用中,常常要收发这样一类图像序列:图像的色 1似图形图像序列几种基本的压缩 彩分布主要集中在少数几种颜色上,且相同颜色 编码算法 值的像素在空间域上的分布比较集中。这种图像 序列称为似图形图像序列。对于这种图像序列. 1.1似图形图像序列的特点分析 若采用基于块运动补偿和D( 变换技术(MC+ 似图形图像序列是由一系列似图形图像组成 t ̄-'q-)的传统图像编码方案,如H.261f- 、 的序列,而似图形图像则是主要由一些衙单的图 H.263£ 、MPEG-1£ 、MPEG-2[5 J等,图像质量难 标、文字和线划等图形元素组成的图像。这样的 以满足应用的要求。因为这种图像序列中含有很 图像画面虽然简单.但如果用传统的图像编码方 多边缘信息,例如表格线或文字等,它们分别对应 案进行编码,如H.263等,则压缩后的图像边缘 于DCT变换域中的高频分量.在量化过程中部分 部分过于模糊而影响图像的主观视觉教果,不适 高频分量的丢失会导致图像中边缘信息的模糊, 合于这种特殊的图像序列。另外,图像的前后帧 即文字或线划边缘的模糊,严重地影响图像的视 之间基本上没有平移运动,也就没有必要进行运 觉效果。而另一方面,若采用通用的无损图像压 动估计,但前后帧之间又有强烈的相关性,例如画 缩编码方案,如JPEG2000[6J等,其压缩比较低, 面上文字或图形的局部变化,因此仍然需要进行 难以满足信息实时传递的要求。 帧间预测和补偿。 针对这种特殊的视频序列和应用,本文提出 1,2似图形图像无损压缩的基本技术 了一种无损或近似无损的图像编解码方案。它利 传统的基于块变换编码方案主要是利用正交 用了似图形图像序列中颜色数较少的特点,首先 变换将图像的能量集中到少数低频变换系数上,再 将其转化为索引图像.然后再对索引图像序列进 x,/i ̄些系数进行量化编码,从而达到压缩的目的。 行帧阃行程编码和自适应Huffrnan编码。在帧 这是一种有损压缩方案,它会使似图形图像中的文 阃编码的过程中,由于这种序列基本上没有平移 字和线条变模糊,无法满足用户对图像清晰度的要 运动,因此没有进行运动估计操作,只是根据一定 求。因此,本文采用了一种无损或近似无损的压缩 的规则进行了一些简单的宏块替代和帧问预测编 方案,该方案中利用了以下几种编码算法。 码。同时,在行程编码的过程中,对图像的索引值 1)行程编码(RLC):由于似图形图像序列中 进行了预测编码。 含有很多颜色值相同的大面积区域,因此采取行 收稿臼期:20024)14)7 项目米舔:国家自然科学基金资助项目(49771064) 维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 沈燕飞等:似图形图像序列压缩编码方案的研究 45 程编码的压缩效率是很高的L8;8_ 景色和非背景色,这样就将原来的图像简化为二 2)Huffman编码:用来对行程进行编码,以 值图像,1代表背景像素,0代表非背景像素。对 进一步提高压缩效率; 这样的二值图像进行行程编码,就完成了像素数 3)预测编码:用来去除相邻两帧在时间轴上 最多的背景色的编码。再将非背景色的像素按 的冗余; Raster扫描方式形成一维数据,对这~维的数据 4)LZ77方案:用在熵编码阶段,对经过信源 进行行程编码。在行程编码的过程中,对每个新 编码后输出的数据流进行压缩。 出现的行程颜色值根据前面的预测编码方法进行 预测编码,由于各个行程长度出现的概率不一样, 2似图形图像序列压缩方案 因此,对行程长度编码采用Huffman编码的方式 可以进一步提高压缩比,如图2所示。 一 2 1总体方案 2.3帧问编码 对于似图形图像,不能进行变换编码,因此只 似图形图像序列中,基本上没有传统意义上 能采取空域中的无损压缩编码方案进行编码。如 的运动,因此运动估计不能有效地提高压缩比。 果采集的图像中含有噪声,则需在编码之前首先 该方案中的帧问编码是基于前后帧相对应的块进 对输入的图像序列进行去噪处理,再转化为索引 行的。如果前后帧相对应的块完全相同,则用前 图像进行编码,如图l所示。对于图像序列中的 一帧对应的块来替代当前块;如果它们之阃的不 第一帧,以及收到船码端请求帧内编码信号后的 同像素超过一定的闽值(Th.),则对该块进行帧 第一帧图像,采用帧内编码,其优点在于能够消除 内编码,否则进行帧问预测编码,即只对与前一帧 船码端的累积误差,并使解码器能及时地从因误 对应块不相同的像素编码,如图3所示。图中, 码和丢包所造成的错误状态中恢复过来,缺点则 “差异”表示前后帧对应块中不相同的像素数。帧 是压缩率较低。为了提高压缩率,对于序列中的 间预测编码和帧内编码相似,根据比较结果形成 其他图像,则采用帧阃编码,即以前一帧作为参考 当前宏块的二值图像,l表示该像素和前一帧对 帧,依据一定的匹配准则进行帧间预测补偿。 应像素值相同,0表示该像素和前一帧对应像素 2.2帧内编码 值不相同,对此二值图像的编码就完成了相同像 与传统的图像编码方案一样,本方案仍然采 素值的编码。对不相同的像素进行Raster扫描 鲁用基于块的编码。因为这种图像的颜色数比较 形成一维数据,再对一维数据进行行程和}Iuff— 少,首先利用直方图统计的方法提取出图像的背 marl编码。在解码端反向操作即可。 图l算法基本流程图 图2帧内编码流程图 图3帧间编码流程图 Fig、l Flo ̄-Chart of Fig 2 Fl∞v Chart of Fig.3 FlowChart of Basic Pdgorithm Intra Coding Inter Coding 2 4码流的LZ77编码 为了去除码流数据本身的冗余,需要对码流 3实验结果和分析 数据再进行LZ77压缩编码,但LZ77方案的耗时 较大,会影响应用的实时性要求,因此窗口不做滑 为验证本文方案的有效性,笔者测试了多种 动,而是采用64k大小的固定窗口。 图像序列。在用C语言实现该方案的过程中,选 维普资讯 http://www.cqvip.com
武汉大学学报-信息科学版 2Oo2年 择图像大小为1 024x768,块的大小定义为32× 32,闭值 】为50,输人图像为RGB三原色图 像。为了减少编码的复杂性,在由三原色图像转 化为索引图像的过程中,像素的索引值由RGB的 前三位组合而成,即最大颜色数为512种。 图4(a)表示对标志背景和非背景的二值图像进 行行程编码的Huffman码表;图4(b)表示对非背 景颜色值行程编码的Huffrnan码表;图4(c)表示 在帧闻编码的过程中,对用来区分前后帧是否相 同的二值图像进行行程编码的Huffman码表;图 4(d)表示对前后帧不相同像素进行行程编码的 Huffman码表。表中的GSCAPE表示当行程长 度值不在对应的码表中时,就用ESCAPE码进行 标志,然后再对实际行程长度进行编码。 图5(a)为一幅原始的似图形图像;图5(b)为 采用H.263解码后的图像;用本文方案对图5(a) 编解码后的图像如图5(c)所示。本方案编解码 后的图像和原始图像相比,基本上是没有差别的, 和H.263编解码后的图像相比,图像质量有了明 显的提高,尤其图像中的轮廓信息。由于利用 PSNR值对这样的图像序列进行客观的评价是不 合理的 J,因此本文没有利用这样的评价标准。 在远程计算机管理中,如果对分辨率为1 024× 768的屏幕图像传输采用传统的视频图像编解码 方案,则对带宽的要求很高,而且解码后图像的质 量也很差。如果用本文中的方案,则解码后的图 像和原始图像几乎没有差别,而且如果屏幕的变 化较小,如仅有鼠标的移动,则编码数据量会更 小,因为根据帧间编码方案大部分图像只需要传 些标志位就可以,这样就可以完全满足应用的 实时性要求。 一行程长度 码字 0 10 110 1l1 行程长度 码字 0 1O 110 1l1 (b) 行程长度 1 31 码字 0 10 行程长度 l 码字 0 E9=AF 1l1 E9:帆 l11 一 孽 Fig 4 The Hufhnan Tabte Lked in the Experiment 图4实验中使用的Huffman表 (a)m图形图像 (b)H.263解码后的图像 (c)本方案解码后的图像 图5采用H 263方案与本文方案对似图形图像进行编解码的效果对比 Fig.5 The Effect Contrast of H.263 and Our Proposed Method 码,则效果不是很理想。因此,当图像序列中包含 4应用与结论 本文提出的似图形图像序列编解码方案,和 一连续谱图像和似图形图像两种图像时,就需要一 种检测机制来对它们进行区分。对似图形图像采 用本编解码方案,而对于连续谱图像采用H.261 般的视频图像编解码方案相比,明显地提高了 图像的压缩效率和解码后图像的质量,为远程似 图形图像序列的传输提供了一种可靠的解决方 和H 263等编解码方案,这样可以更好地保证解 码图像序列的整体主观效果。这一工作正在进行 之中。 参考文献 案。 实践证明,该编解码方案不仅稳定、高效,而 且满足了用户对于似图形图像清晰度的要求。但 是似图形图像序列有许多不同于连续谱图像序列 的特点,如果用该方案对连续谱图像序列进行编 1 1TU T Rectmamendation H 261.Vide9 Codec for Audio— visual ServJo ̄at P×64 kbit/s,1990 2 1TU T Drab R 。r吡mmdat_m H 263.Video Coding for 维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 沈燕飞等:似图形图像序列压缩编码方案的研究 8姚庆栋,毕厚杰,王兆华,等.图像编码基础.坑州:浙 江大学出版社,1993 Low Bit Rate Communication,1998 3 I90/1Ec 10918.Information Technology:Digita L Corn— pression and Coding of Confint ̄us.tone Sti L L Images Part 1:Requir ̄ents and guidelines;Part 2:Extensions; Part 3:Complim ̄ce testing;1996 4 ISO/IEC 11172.Information Techno Logy:Coding of Movlng Pictures and A ̄oSated Audio for Digital Stor— age Medla at up to about 1.5Mblt/s.Part 1:Sb ̄tems; Pan 2:Vid∞;胁ing,1993 9余松煜,张文君,孙军.现代图像信息压缩技术.北 京:科学出版社.1998 l0吴乐南.数据压缩北京:电子工业出版社,2000 儿Tdenor Research and Development.TMN(H.263) Coder,Vernon 2 0.Norway,t996 12 Robinson J A.Compm ̄-.4on of Super High Definition Multimedia Images.Proceedings of the IS&T/SHE 3:Audio;Part 4:ConKwmance Very High Reso Lutin aona Quality Im ̄ng c匕 ep即ce San Jose,cA,1996 t3 Robinmn J A Efficient General—purpose Image Compre ̄. slon with Binary Tree Predi ̄ive Coding IEEE Tran ̄c. 5 190/lEc 13818 Generic Coding of Mo ̄ng Pictures and Associated Audio Part 2:Video,1994 6 ISO/IEC 15444.Information Technotcgy:JPEGgO00 ImageCodingSystem Part l:CoreCodingSystem,2000 tions on Image Processing,1997,6(4):601 607 7 I90/IEC 14496.Cc ̄ng。{Audio-Visual O e【=b Part 2:Visua1.1998 作者筒介:洗燕飞,硕士生。从事图像通信、图馥处理研究。 E—mail s hy@263 13el Compression Scheme of Graphiclike Image Sequences SHEN Yanfei SHEN Weiming‘ZHULi‘XUZhengquan (1 TheKey Laboratory D{Multimedia andNcva ̄3rk Commurfications Engineering,Hubei Pro ̄'ince,WuhanUnivemity I29 Luoyu Road,Wuh. ̄l,China,430079) Abstract:In order to realize the computer screen share in distant teaching,distant slocking and distant cooperation working,a compression scheme is p】Dp∞ed for graphiclike image sequenoe8 (GIss)in this paper.It first 0onverts the graphiclike image to index image.then codes them with intefframe rtln length algorithm and adaptive predictive Huffman algorithmfinally we code ,stream with Lz77 algoritm.The hscheme employs the intrinsic characters of the GIS卜the . or distribution of the image mainly coneontrates on few kinds of solor and the pixeIs whieh have the same odor are also adjacent in space.The result of mmputer simulation shows that our sheme can sompress the GISS effectively and improves the ompressicon ratio obviouslv relative to the tra. ditionalIossleas compres ̄on algorithms.The rnost compression ratio is 80:1. Key words:image odicng;data compression;run length coding;video eompres.sion;Huffman coding Al ̄ta the aufl ̄r:8HEN Yacffei rpost graduate.His main interests fooJs∞inage ocmff ̄icatim and。岬proo ̄sing E-mail:syfyhy@263
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