基于相似性的紋理圖像壓縮方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于相似性的紋理圖像壓縮方法，該紋理圖像壓縮方法把待壓縮紋理圖像轉化為若干個YCrCb色彩空間的瓦片圖像，根據不同瓦片圖像之間的相似性生成待壓縮紋理圖像的碼書和碼表，然后采用類哈夫曼編碼對該碼書中的碼字進行編碼，根據編碼結果將碼表轉化為索引文件，進而完成紋理圖像壓縮。該方法既不影響重構圖像的效果，一定程度上提高了紋理圖像的壓縮比，且通過兩層判斷確定碼書中的碼字，第一層使用增量式的碼字生成即比較當前瓦片圖像與碼書中的碼字的相似性，第二層比較當前瓦片圖像與鄰近瓦片圖像的相似性，通過兩層比較不僅考慮了紋理的整體相似性也考慮的紋理的局部相似性。
【專利說明】基于相似性的紋理圖像壓縮方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及計算機圖像領域，尤其涉及一種基于相似性的紋理圖像壓縮方法。
【背景技術】
[0002]圖像壓縮目的是減少圖像數據中的冗余信息從而用實現高效的數據存儲和數據傳輸。目前，圖像壓縮主要分為有損壓縮和無損壓縮，比較流行的編碼標準有如JPEG，MPEG
坐寸ο
[0003]在大型的場景渲染中需要紋理圖像調入顯存，這一過程不能一次性快速地完成，所以我們需要研究紋理圖像的壓縮和解壓算法，以減少紋理圖像的存儲空間，降低傳輸延遲，同時降低紋理數據的損失。實現紋理圖像的壓縮以傳統圖像壓縮方法為基礎，因紋理圖像本身呈現出很高的相似度所以兩者有一定的區別。
[0004]目前紋理壓縮已經有很多的解決方案，主要手段是產生圖像的碼書，然后根據碼書來實現圖像的重構。近來年，效果比較好的有增量式碼書生成算法，該算法可以動態增加碼書，而且生成步驟簡單，壓縮速度也較快。但這種算法中通過隨機的方式生成碼書，很有可能造成一些更具代表的碼字被排除在外，這樣會造成碼字數量的增加，降低紋理圖像的壓縮比，重構得到的圖像的視覺效果也會降低。為了提高圖像的壓縮比和重構圖像的質量，另一種比較流行的算法是基于神經網絡的自組織映射算法，這種算法是通過兩層結構網絡進行無監督的學習，最終的效果比較好，但該算法需要經過很多次的迭代，計算量非常大，壓縮過程很慢。
[0005]很早之前，紋理圖像的解壓縮算法僅僅使用CPU進行解壓，在外存中進行壓縮后再送到主存，這種解壓算法對實時解壓繪制的效果特別差。目前，隨著GPU等圖形硬件的成熟，很多算法都結合CPU和GPU，通過兩者之間的調度來提升實時解壓的效果。其中，CPU和GTO兩者之間的數據通信會降低算法的速度，這種方式也存在一定的弊端。

【發明內容】

[0006]本發明針對現有技術的不足，提供了一種基于紋理圖像相似性的圖像壓縮方法，該圖像壓縮方法大大提高了紋理圖像壓縮比，且計算量小，適用于實時紋理圖像壓縮。
[0007]—種基于相似性的紋理圖像壓縮方法，包括:
[0008](I)把待壓縮紋理圖像從RGB色彩空間轉換到YCrCb色彩空間得到YCrCb圖像，并將YCrCb圖像切割為若干個瓦片圖像；
[0009](2)利用瓦片圖像圖像的相似性，生成待壓縮圖像的碼書和碼表，所述的碼書包括若干個碼字，所述的碼表用于記錄各個瓦片圖像對應的碼字的編號；
[0010](3)根據碼書和碼表對碼書中的所有碼字進行類哈夫曼編碼得到碼字編碼，所述的碼字編碼包括識別段和碼字段，并生成表頭信息，所述的表頭信息包括待壓縮的紋理圖像的大小和識別段的長度；
[0011](4)用碼字編碼替換碼表中相應碼字的編號得到碼表編碼，將表頭信息加入碼表編碼的頭部，形成待壓縮紋理圖像的索引文件。
[0012]本發明的圖像壓縮方法適用于紋理圖像的解壓縮。本發明中YCrCb圖像切割為若干個瓦片圖像時各個瓦片圖像之間相互不相互重疊。
[0013]碼字應理解為紋理圖像中的最能代表該紋理圖像的瓦片圖像，一個紋理圖像一般對應有多個碼字，所有碼字的集合即為碼書。
[0014]本發明先把待壓縮紋理圖像從RGB色彩空間轉換到YCrCb色彩空間，對色度信息進行隔行采樣，并把圖像切割成相同大小但是不相互重疊的紋理瓦片圖像。根據不同瓦片圖像之間的相似性確定待壓縮紋理圖像的碼書和碼表，然后采用類哈夫曼編碼對該碼書中的碼字進行編碼得到所有碼字的碼字編碼，并將碼表轉化為索引文件，進而完成紋理圖像壓縮，壓縮結果為碼書和索引文件。采用類哈夫曼編碼得到對各個碼字進行編碼，得到的碼字長度不同，碼表中出現最多的碼字編號對應的碼字程度最短，依次增加，這樣就大大降低了索引文件的存儲空間，提高了紋理圖像的壓縮比，特別適用于分布式網絡以及內存的調度的數據調度，且索引文件中包含了表頭信息，便于解壓。
[0015]本發明的紋理圖像壓縮方法中可采用AOP算法(Automatic Organizing Process)自動構建紋理圖像的壓縮碼書，計算量小，操作簡單易于實施，同時在保證重構圖像的視覺效果提高壓縮比。
[0016]所述的瓦片圖像大小為2X2?6X6像素。瓦片圖像一般為方塊，如果待壓縮的紋理圖像不能恰好分割為設定大小的瓦片圖像時，最后在紋理圖像的邊緣可能存在像素小于設定值的瓦片圖像。如果瓦片圖像設定太大，最后得到的碼書會比較大，這樣不利于提高紋理圖像的壓縮比。但如果設定的太小，算法的計算數據量比很大，同時解壓得到的紋理圖像質量也比較差，與原始圖片比較存在較為明顯的失真。
[0017]所述步驟(IMfYCrCb圖像切割為若干個瓦片圖像前還對所述的YCrCb圖像的色度信息進行隔行采樣。
[0018]YCrCb圖像包括的Y通道、(；通道和Cb通道，Y通道表示亮度值，Cr通道和Cb通道均為色度值。影響圖像質量的因素有很多，如圖像的對比度、亮度信息、色彩信息等，但是對于人眼而言，比較敏感的是亮度由于人眼對亮度信息比較敏感，相對而言對色度信息不太敏感。因此對色度信息Cr和Cb兩個通道進行隔行采樣，保存一半的色度信息，這樣在不影響視覺效果的基礎上減少了圖像的大小，進一步提高紋理圖像的壓縮比。
[0019]所述步驟(2)中生成待壓縮圖像的碼書和碼表的具體過程如下:
[0020](2-1)初始化一個空集合作為碼書，初始化一個數組作為碼表，數組的大小與瓦片圖像的總數相同；
[0021](2-2)任意選取一個瓦片圖像作為初始瓦片圖像，將初始瓦片圖像作為碼字，并對該碼字進行編號，然后將該碼字的編號寫入碼表中與該瓦片圖像對應的位置；
[0022](2-3)對于其他任意一個瓦片圖像，分別計算當前瓦片圖像與碼表中的各個碼字、以及各個鄰近瓦片圖像的相識度差，將相識度差最小的瓦片圖像(包括碼字，碼字實際上也是一個瓦片圖像)作為當前瓦片圖像的最相似瓦片圖像，并進行如下判斷:
[0023]若最小的相識度差小于設定的閾值，且該最相似瓦片圖像為鄰近瓦片圖像，則將該最相似瓦片圖像作為碼字，對該碼字進行編號并將該碼字寫入碼書，然后將該碼字的編號寫入碼表中與當前瓦片圖像對應的位置；[0024]若最小的相識度差小于設定的閾值，且該最相似瓦片圖像為碼書中的碼字，并將該碼字對應的編號寫入碼表中與當前瓦片圖像對應的位置；
[0025]否則，將當前瓦片圖像作為碼字，對該碼字進行編號并將該碼字寫入碼書，然后將該碼字的編號寫入碼表中與當前瓦片圖像對應的位置。
[0026]若存在多個相識度差最小的瓦片圖像時，則考慮這些最小相識度差是否對應有碼字，若有碼字，則令該碼字為最相似瓦片圖像，若沒有(即相識度差最小均對應于鄰近瓦片圖像)，則從這些最小相識度對應的瓦片圖像中隨機一個取作為最相似瓦片圖像。
[0027]初始化碼書的為空集合，遍歷各個瓦片圖像逐漸得到新的碼字，然后寫入碼書，遍歷所有瓦片圖像從而得到該紋理圖像的所有碼字，即得到了完成的碼書。初始化碼表的碼表為一個數組，數組的大小與瓦片圖像的總數相同，其數組中各個元素的位置與瓦片圖像的位置向對應，基于瓦片圖像的相似性獲得碼書的同時也對重新對該數組中的所有元素賦值，本發明中將各個瓦片圖像對應的碼字的編碼重新賦值為相應的元素，即得到用于表示瓦片圖像與碼字的對應關系的碼表。
[0028]所述的鄰近瓦片圖像為YCrCb圖像中以當前瓦片圖像為中心，外延若干I~3瓦片圖像的區域內的瓦片圖像。
[0029]碼書中包含的碼字的個數由所有瓦片圖像之間的相似性決定，碼表包含的元素個數與瓦片圖像的個數一致，各個元素分別表示相應的瓦片圖像對應的碼字的編號(即碼字編號)。依次對所有瓦片圖像進行遍歷即可得到該紋理圖像的碼書和碼表，確定碼書中的碼字一般通過兩層判斷，第一層使用增量式的碼字生成即比較當前瓦片圖像與碼書中的碼字的相似性，第二層比較當前瓦片圖像與鄰近瓦片圖像的相似性，通過兩層比較不僅考慮了紋理的整體相似性也考慮的紋理的局部相似性。
[0030]所述步驟(2-3)根據相識度函數計算相識度差，包括以下步驟:`[0031](a)根據公式:
[0032]<: a X (if — ” )2 + (I — α)(-- — Cj )2 + (I — “) X (C1bi — Cj )2
[0033]計算，其中Mu表示第i個瓦片圖像中的第k個像素點與第j個瓦片圖像第k個像素點相識度差；a表示調節亮度信息的系數，(Yi, Cri, Cbi)和(Υ? Crj, Cbj)分別表示第i個和
第j個瓦片圖像的瓦片圖像信息，Yi cTl 分別表示第i個瓦片圖像在YCrCb色彩空間
的Y通道、(；通道和Cb通道的值，Yj Crj Cby分別表示j個瓦片圖像在YCrCb色彩空間的
Y通道、Cr通道和Cb通道的值，k=0, I, 2……，N，N為瓦片圖像中的像素總數；
[0034](b)遍歷k的取值得到第i個瓦片圖像中各個像素點與第j個瓦片圖像中相應像素點的相識度差，求取平均值，即得到第i個瓦片圖像與第j個瓦片圖像的相識度差。
[0035]所述步驟(2-3)中設定的閾值為200-400。如果閾值設定的太小，最后壓縮后的得到的碼書很很大，壓縮比比較低。如果閾值設定的太大，雖然會提高圖像的壓縮比，但最后解壓后重構得到的圖像的質量比較差。
[0036]所述步驟(3)中類哈夫曼編碼包括以下步驟:
[0037](3-1)統計碼書中的碼字個數以及碼表中各個碼字編號的出現次數，并根據各個碼字的編號的出現次數從多到少進行排序；[0038](3-2)求取滿足條件:
[0039]2^2^---+2" ≥Μ,
[0040]的η最小正整數的取值，并以該值作為識別段的長度，其中，M為碼書中的碼字個數；
[0041](3-3)根據碼字的編號出現次數的排序設定碼字段的長度，出現次數越多，碼字段的長度越大；
[0042](3-4)根據設定的識別段的長度和各個碼字段的長度對各個碼字進行二進制編碼得到各個碼字的碼字編碼。
[0043]本發明中碼字編碼分為識別段和碼字段兩個部分，識別段在前，用于表示的碼字段的長度，碼書中碼字的個數越多，則識別段的長度越長，編碼時令碼表中出現次數越多的碼字編號對應的碼字段越短，即碼字編碼的總長越短，這樣可以明顯提高紋理圖像的壓縮比。
[0044]與現有技術相比，本發明的基于相似性的紋理圖像壓縮方法具有以下有益效果:
[0045](1)將待壓縮的紋理圖像從RGB色彩空間轉換到YCrCb色彩空間得到Y(；Cb圖像，對Cr和Cb兩個通道進行隔行采樣，之后在經過隔行采樣后YCrCb圖像圖像進行紋理圖像壓縮，由于人眼對色度不敏感，對Cr和Cb兩個通道進行隔行采樣，既不影響重構圖像的效果，一定程度上提高了紋理圖像的壓縮比；
[0046](2)該紋理壓縮方法中通過兩層判斷確定碼書中的碼字，第一層使用增量式的碼字生成即比較當前瓦片圖像與碼書中的碼字的相似性，第二層比較當前瓦片圖像與鄰近瓦片圖像的相似性，通過兩層比較不僅考慮了紋理的整體相似性也考慮的紋理的局部相似性；
[0047](3)采用類哈夫曼編碼對碼字進行二進制編碼，出現次數越多，對應的碼字編碼越短，因此對于整個待壓縮的紋理圖像而言，最終得到的索引文件越小，大大提高了壓縮比。
【具體實施方式】
[0048]下面將結合【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0049]一種基于相似性的紋理圖像壓縮方法，包括:
[0050](1)把待壓縮紋理圖像從RGB色彩空間轉換到YCrCb色彩空間得到YCrCb圖像，將YCrCb圖像切割為若干個瓦片圖像前還對所述的YCrCb圖像的色度信息進行隔行采樣，然后并將YCrCb圖像切割為若干個瓦片圖像(本實施例中瓦片圖像大小為4X4像素，分割得到m個瓦片圖像)，
[0051]其中根據公式:
[0052]
【權利要求】
1.一種基于相似性的紋理圖像壓縮方法，其特征在于，包括: (1)把待壓縮紋理圖像從RGB色彩空間轉換到YCrCb色彩空間得到YCrCb圖像，并將YCrCb圖像切割為若干個瓦片圖像； (2)利用瓦片圖像的相似性，生成待壓縮圖像的碼書和碼表，所述的碼書包括若干個碼字，所述的碼表用于記錄各個瓦片圖像對應的碼字的編號； (3)根據碼書和碼表對碼書中的所有碼字進行類哈夫曼編碼得到碼字編碼，所述的碼字編碼包括識別段和碼字段，并生成表頭信息，所述的表頭信息包括待壓縮的紋理圖像的大小和識別段的長度； (4)用碼字編碼替換碼表中相應碼字的編號得到碼表編碼，將表頭信息加入碼表編碼的頭部，形成待壓縮紋理圖像的索引文件。
2.如權利要求1所述的基于相似性的紋理圖像壓縮方法，其特征在于，所述的瓦片圖像的大小為3X3~6X6像素。
3.如權利要求2所述的基于相似性的紋理圖像壓縮方法，其特征在于，所述步驟(1)將YCrCb圖像切割為若干個瓦片圖像前還對所述的YCrCb圖像的色度信息進行隔行采樣。
4.如權利要求3所述的基于相似性的紋理圖像壓縮方法，其特征在于，所述步驟(2)中生成待壓縮圖像的碼書和碼表的具體過程如下: (2-1)初始化一個空集合作為碼書，初始化一個數組作為碼表，數組的大小與瓦片圖像的總數相同； (2-2)任意選取一個瓦片圖像作為初始`瓦片圖像，將初始瓦片圖像作為碼字，并對該碼字進行編號，然后將該碼字的編號寫入碼表中與該瓦片圖像對應的位置； (2-3)對于其他任意一個瓦片圖像，分別計算當前瓦片圖像與碼表中的各個碼字、以及各個鄰近瓦片圖像的相識度差，將相識度差最小的瓦片圖像作為當前瓦片圖像的最相似瓦片圖像，并進行如下判斷: 若最小的相識度差小于設定的閾值，且該最相似瓦片圖像為鄰近瓦片圖像，則將該最相似瓦片圖像作為碼字，對該碼字進行編號并將該碼字寫入碼書，然后將該碼字的編號寫入碼表中與當前瓦片圖像對應的位置； 若最小的相識度差小于設定的閾值，且該最相似瓦片圖像為碼書中的碼字，并將該碼字對應的編號寫入碼表中與當前瓦片圖像對應的位置； 否則將當前瓦片圖像作為碼字，對該碼字進行編號并將該碼字寫入碼書，然后將該碼字的編號寫入碼表中與當前瓦片圖像對應的位置。
5.如權利要求4所述的基于相似性的紋理圖像壓縮方法，其特征在于，所述的鄰近瓦片圖像為YCrCb圖像中以當前瓦片圖像為中心，外延若干I~3瓦片圖像的區域內的瓦片圖像。
6.如權利要求5所述的基于相似性的紋理圖像壓縮方法，其特征在于，所述步驟(2-3)根據相識度函數計算相識度差，包括以下步驟: (a)根據公式:
M^ax (If — + (I — a)(C:: — φ2 + (I — a) x (C1bi — C1bj f 計算，其中Mu表示第i個瓦片圖像中的第k個像素點與第j個瓦片圖像第k個像素點相識度差；a表示調節亮度信息的系數，(Yi, Cri, Cbi)和(Υ? Crj, Cbj)分別表示第i個和第j個瓦片圖像的瓦片圖像信息，1、Crr 分別表示第i個瓦片圖像在YCrCb色彩空間的Y通道、(；通道和Cb通道的值，Yj, Crj, Gy分別表示j個瓦片圖像在YCrCb色彩空間的Y通道、Cr通道和Cb通道的值，k=0, I, 2……，N，N為瓦片圖像中的像素總數； (b)遍歷k的取值得到第i個瓦片圖像中各個像素點與第j個瓦片圖像中相應像素點的相識度差，求取平均值，即得到第i個瓦片圖像與第j個瓦片圖像的相識度差。
7.如權利要求6所述的基于相似性的紋理圖像壓縮方法，其特征在于，所述步驟(2-3)中設定的閾值為200~400。
8.如權利要求1~7所述的基于相似性的紋理圖像壓縮方法，其特征在于，所述步驟(3)中的類哈夫曼編碼包括以下步驟: (3-1)統計碼書中的碼字個數以及碼表中各個碼字編號的出現次數，并根據各個碼字的編號的出現次數從多到少進行排序； (3-2)求取滿足條件: 的η最小正整數的取值，并以該值作為識別段的長度，其中，M為碼書中的碼字個數；(3-3)根據碼字的編號出現次數的排序設定碼字段的長度，出現次數越多，碼字段的長度越大； (3-4)根據設定的識別段的長度和各個碼字段的長度對各個碼字進行二進制編碼得到各個碼字的碼字編碼。
【文檔編號】H04N19/46GK103763558SQ201310754953
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】董建鋒, 張丹, 李盼, 張大龍, 歷曉華, 許端清 申請人:浙江大學