一種反映人眼視覺特性的JPEG壓縮編碼

1、    一種反映人眼視覺特性的JPEG壓縮編碼        唐躍林 肖沙里 姚富光 丘 時間:2009年08月31日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        ? 摘? 要: 在分析標準JPEG編碼與解碼過程的基礎(chǔ)上,利用人眼的視覺特性調(diào)整量化矩陣,提

2、高了編碼器的壓縮性能。? 關(guān)鍵詞: JPEG? 圖像壓縮? 人眼視覺特性? 量化?1?JPEG編碼與解碼分析JPEG標準有4種編碼方式,其中基于DCT的編碼與解碼過程分別如圖1和圖2所示。?在JPEG編碼過程中,正向離散余弦變換(FDCT)、DC差分脈沖編碼、AC系數(shù)排序及熵編碼均可認為對圖像質(zhì)量沒有影響。而對圖像質(zhì)量和壓縮率起關(guān)鍵作用的是量化過程。對DCT系數(shù)進行量化的目的是:在滿足圖像質(zhì)量的要求下進一步提高壓縮率。量化的出發(fā)點是對于人眼敏感的低頻系數(shù)及亮度信息進行細量化,以提高圖像的質(zhì)量。而對于人眼不敏感的高頻系數(shù)及色度信息采用較大的量化間隔,以取得更大的壓縮比。量化的方法是對每一個DCT

3、系數(shù)F(u,v)除以相應的量化間隔Q(u,v)并取整,即:FQ(u,v)=Integer Round(F(u,v)/Q(u,v)。?2?基于人眼視覺特性的量化表的產(chǎn)生JPEG標準推薦了亮度和色度二個基本量化表(默認量化表),其中考慮了人眼對空間頻率的敏感性,即對人眼敏感的低頻系數(shù)采用較小的量化步長,對人眼不敏感的高頻系數(shù)采用較大的量化步長。然而,這并未充分考慮人眼的視覺特性。人眼不僅對宏塊的空間頻率敏感性不同,而且,還依賴于其周圍的環(huán)境。人眼視覺系統(tǒng)對于邊緣區(qū)或均勻圖案區(qū)比復雜圖案區(qū)更敏感。而標準的JPEG使用的是線性均勻量化器,不能反映圖像的局部變化特征,從而增加了重建圖像的主觀失真,影響圖

4、像的質(zhì)量。因此,針對不同區(qū)域的宏塊,相應地調(diào)整量化步長,以減少圖像壓縮的主觀失真及提高壓縮率,是本文要解決的問題。2.1 宏塊類別的界定由上面的論述可知,不同圖案區(qū)的宏塊相對于人眼具有不同的視覺敏感性。因此可利用宏塊的象素梯度(Pixel Gradients)信息及亮度信息來界定宏塊類別,同時,也相應地反映出圖像的主觀復雜度。宏塊的象素梯度信息計算:式中,sp(i,j)為原始宏塊的相應象素值;det_H、det_V分別為宏塊的水平和垂直象素梯度信息;f_det用來度量宏塊的復雜性;TH1為人眼視覺系統(tǒng)所能感覺到的圖像變化的門限值,它隨宏塊的平均亮度而改變,即:根據(jù)上述公式,對宏塊可作如下分類及

5、其相應的量化調(diào)整因子為:式中,M是量化調(diào)整因子,NO1、NO2、NO3為宏塊的象素梯度閾值。2.2 宏塊活動性的計算宏塊的活動性反映了宏塊的復雜程度。活動性越高,人眼視覺感知能力越小,可以采用相對較大的量化步長。在MPEG-2 TM5中,宏塊的活動性是以4個亮度子塊的象素方差最小值作為度量標準的。本文為減少計算量,采用直接計算4個亮度子塊DCT中AC系數(shù)的絕對值之和的最小值作為該宏塊活動性水平的統(tǒng)計標準。即:宏塊的平均活動性則以所有8×8亮度子塊的AC系數(shù)的絕對值之和的平均值來表示。即:avg_act=mean(abs_sum)2.3 量化表的產(chǎn)生根據(jù)上面所計算的宏塊的活動性,參考M

6、PEG-2 TM5中計算宏塊復雜性的方法,可得歸一化活動性函數(shù)為:宏塊的活動性函數(shù)反映了人眼的視覺特性。當塊的內(nèi)容復雜、包含高頻成分較多、宏塊活動性較高時,人眼對此不敏感,可以采用較大的量化步長。相反,對于平坦區(qū)等活動性較低,人眼視覺相對敏感的宏塊則進行細量化。同時,考慮到不同的宏塊類別,則最后的量化矩陣為:式中,Qj為第j個宏塊的量化矩陣;Qdef為JPEG推薦的量化表;Qsub為根據(jù)不同類型的宏塊而產(chǎn)生的量化調(diào)整矩陣。3?實驗結(jié)果實驗中,針對二幅圖像(Lenna、Clumbia),利用本文的方法和使用默認量化矩陣的標準JPEG壓縮方法進行了模擬對比實驗,采用峰值信噪比PSNR(Peak S

7、ignal-to-Noise Ratio)和壓縮比CR(Compression Ratio)二項指標作為實驗結(jié)果的評價。實驗結(jié)果如表1所示。?從表1可以看出,本文的方法優(yōu)于采用默認量化矩陣的標準JPEG壓縮編碼,提高了圖像的壓縮比和重構(gòu)圖像的質(zhì)量。4? 結(jié)束語本文在分析標準JPEG編碼與解碼過程的基礎(chǔ)上,著重討論了與圖像質(zhì)量和壓縮率密切相關(guān)的量化過程。在此基礎(chǔ)之上,利用人眼的視覺特性,通過確定宏塊的類別和分析宏塊的活動特性,相應地調(diào)整量化矩陣,以達到提高圖像的壓縮比和重構(gòu)圖像質(zhì)量的目的。實驗結(jié)果表明,該方法的壓縮性能優(yōu)于采用默認量化表的標準JPEG的壓縮性能。?參考文獻1? 張益貞,劉滔.Visual C+實現(xiàn)MPEG/JPEG編解碼技術(shù).北京:人民郵電出版社,20022? 林福宗,陸達.多媒體與CD-ROM.北京:清華大學出版社,19943? Chung T Y,Jung K H,Young N O et al.Quantization Control for Improvem