一種基于主成分分析的內容自適應圖像壓縮方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于主成分分析的內容自適應圖像壓縮編碼方法，屬于圖像信號處理【技術領域】。該方法主要有三個步驟：（一）預處理，（二）PCA分析，（三）比特分配。其中，預處理實現圖像分塊，提取每個塊的DC分量并計算塊復雜度；PCA分析是對圖像進行主成分分析，并根據塊復雜度選擇主成分分量的數量；比特分配包括系數的截取、量化和編碼等處理過程。本發明利用PCA對圖像進行主成分分析，并根據圖像內容的復雜程度以選擇不同數量的主成分分量進行編碼。實驗結果表明，本發明可以在相同的壓縮率下獲得更高的圖像效果。
【專利說明】一種基于主成分分析的內容自適應圖像壓縮方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于圖像處理【技術領域】，尤其涉及一種基于主成分分析的圖像內容自適應的壓縮編碼方法。
【背景技術】
[0002]信息時代帶來了信息大爆炸，使數據信息量大增，無論在傳輸、存儲或處理等環節都需要采用有效的壓縮編碼技術對數據進行壓縮。圖像壓縮是數據壓縮技術在數字圖像上的應用。圖像數據之所以可以被壓縮，是因為圖像數據中存在著大量的冗余信息，如圖像中像素間相關性帶來的空間冗余和視頻序列中不同幀圖像間相關性引起的時間冗余等。圖像壓縮的目的是通過去除這些冗余信息以減少表示數據所需的比特數。
[0003]目前主要有兩大類圖像壓縮技術:一種是基于預測的壓縮編碼技術，另外一種是基于變換的壓縮編碼技術。另外，圖像數據還存在編碼冗余，因此可以用變長編碼等技術來進一步增加壓縮性能。基于預測的編碼技術主要有差分脈沖調制和向量量化等，而基于變換的經典圖像壓縮技術有JPEG和JPEG2000。
[0004]圖像壓縮的主要目標就是在給定碼率或者壓縮比下實現最好的圖像質量。以上兩大類圖像壓縮技術都有著各自的優勢，可以取得較好的圖像壓縮效果。前者在實現上相對簡單，而且對圖像的局部信息是自適應的；后者一般具有更高的壓縮比，但是變換計算的復雜度較高。
[0005]在信息論中，信息的不確定代表了信息的多少，因而信號攜帶的信息量大同時也意味著其方差較大。主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)作為一種數據分析的有效手段，作用是將一系列相關的變量在一些限制條件下通過線性變換映射到一個維數較小的空間上。通過將PCA應 用于圖像處理中，可以發現，少量的主成分分量的方差占總方差的比例很大，即較少的分量含有了原始信號大部分的信息，這就使得基于PCA的數據壓縮成為可能。另外，經過PCA分解后的主成分分量系數分布較為稀疏，說明PCA十分適用于變換編碼。
[0006]
【發明內容】

[0007]本發明方法的目的是針對現有圖像壓縮方法的不足，提供一種基于PCA的圖像內容自適應的壓縮方法，在給定壓縮比的情況下取得更好的圖像質量。
[0008]本發明方法具體是:
設圖像大小為圖像塊的大小為《X/?，圖像水平方向的圖像塊數目為:
Wfcr= round，垂直方向的圖像塊數為:blkx= round (ψη)，總圖像塊數為:
blks = blkxxhlky。
[0009]步驟(1).輸入待壓縮圖像，將圖像分成大小的圖像塊，計算每個塊的DC分量;
步驟(2).計算去除DC分量的圖像塊的復雜度G并且歸一化；
步驟(3).對去除DC分量的圖像塊進行PCA分析，得到分解矩陣W以及《Χ/?個分量的
方差;
步驟(4).根據步驟(2)得到的塊復雜度決定該塊所需要的編碼分量數；
步驟(5).根據步驟(3)和(4)，對經過PCA變換的圖像塊變換系數進行截取處理； 步驟(6).將步驟(5)得到的變換系數進行量化；
步驟(7).對步驟(6)得到的量化系數進行編碼；
步驟(8).對步驟(3)得到的分解矩陣W和步驟(1)提取的DC進行編碼；
步驟(9).將步驟(7)和步驟(8)編碼后的數據傳輸到解碼端。
[0010]進一步的，步驟(1)所述的圖像塊的DC分量是指圖像中亮度的平均值，可以采用如下方法計算:
【權利要求】
1.一種基于主成分分析的內容自適應圖像壓縮方法，其特征在于該方法包括如下步驟: (1)輸入待壓縮圖像，將圖像分成《Χ/7大小的圖像塊，計算每個塊的DC分量，即塊中圖像亮度的平均值； (2)計算去除DC分量的圖像塊的復雜度G并且歸一化； (3)對去除DC分量的圖像塊進行PCA分析，得到分解矩陣W以及《Χ/?個分量的方差； (4)根據步驟(2)得到的塊復雜度決定該塊所需要的編碼分量數； (5 )根據步驟(3 )和(4 )，對經過PCA變換的圖像塊變換系數進行截取處理； (6)將步驟(5)得到的變換系數進行量化； (7)對步驟(6)得到的量化系數進行編碼； (8)對步驟(3)得到的分解矩陣W和步驟(1)提取的DC分量進行編碼； (9)將步驟(7)和步驟(8)編碼后的數據傳輸到解碼端。
2.根據權利要求1所述的內容自適應圖像壓縮方法，其特征在于:步驟(1)所述的DC分量采用如下方法計算:
3.根據權利要求1所述的內容自適應圖像壓縮方法，其特征在于:步驟(2)所述的圖像塊的復雜度是指圖像塊中所含信息量大小，采用以下三種方法中的一種來度量和計算； 第一種可以用信息熵來衡量圖像塊的復雜度，計算方法如下:
4.根據權利要求1所述的圖像壓縮編碼方法，其特征在于，步驟(2)所述的圖像塊的復雜度歸一化采用以下方法計算:
5.根據權利要求1所述的圖像壓縮編碼方法，其特征在于，步驟(3)所述的PCA分析將圖像用主成分分量表示為:
6.根據權利要求1所述的圖像壓縮編碼方法，其特征在于，步驟(4)所述的圖像塊所需要的編碼分量數計算方法如下:

7.根據權利要求1所述的圖像壓縮編碼方法，其特征在于，步驟(5)所述的系數截取方法采用以下兩種方法中的一種: 第一種是基于區域的方法，利用一模板對固定位置的系數進行保留，其它系數均置零； 第二種是基于閾值的方法，系數通過與預設的閾值進行比較決定是否保留。
8.根據權利要求1所述的圖像壓縮編碼方法，其特征在于，步驟(6)所述的量化，其目的是變換系數映射到整數集上，以減少保存系數所需的比特數，主要方法包括均勻量化和最佳量化。
9.根據權利要求1所述的圖像壓縮編碼方法，其特征在于，步驟(7)和(8)所述的編碼方法主要有定長和變長兩種方式；在定長編碼中，編碼器用固定的比特數對量化后的系數進行編碼；在變長編碼方法中，每個系數所占的比特數不是相同的。
【文檔編號】H04N19/139GK103501438SQ201310426601
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】丁勇, 張東, 王少澤, 張航, 戴行, 張楠 申請人:浙江大學