一种反映人眼视觉特性的JPEG压缩编码

1、    一种反映人眼视觉特性的JPEG压缩编码        唐跃林 肖沙里 姚富光 丘 时间:2009年08月31日     字 体: 大 中 小        关键词:        ? 摘? 要: 在分析标准JPEG编码与解码过程的基础上,利用人眼的视觉特性调整量化矩阵,提

2、高了编码器的压缩性能。? 关键词: JPEG? 图像压缩? 人眼视觉特性? 量化?1?JPEG编码与解码分析JPEG标准有4种编码方式,其中基于DCT的编码与解码过程分别如图1和图2所示。?在JPEG编码过程中,正向离散余弦变换(FDCT)、DC差分脉冲编码、AC系数排序及熵编码均可认为对图像质量没有影响。而对图像质量和压缩率起关键作用的是量化过程。对DCT系数进行量化的目的是:在满足图像质量的要求下进一步提高压缩率。量化的出发点是对于人眼敏感的低频系数及亮度信息进行细量化,以提高图像的质量。而对于人眼不敏感的高频系数及色度信息采用较大的量化间隔,以取得更大的压缩比。量化的方法是对每一个DCT

3、系数F(u,v)除以相应的量化间隔Q(u,v)并取整,即:FQ(u,v)=Integer Round(F(u,v)/Q(u,v)。?2?基于人眼视觉特性的量化表的产生JPEG标准推荐了亮度和色度二个基本量化表(默认量化表),其中考虑了人眼对空间频率的敏感性,即对人眼敏感的低频系数采用较小的量化步长,对人眼不敏感的高频系数采用较大的量化步长。然而,这并未充分考虑人眼的视觉特性。人眼不仅对宏块的空间频率敏感性不同,而且,还依赖于其周围的环境。人眼视觉系统对于边缘区或均匀图案区比复杂图案区更敏感。而标准的JPEG使用的是线性均匀量化器,不能反映图像的局部变化特征,从而增加了重建图像的主观失真,影响图

4、像的质量。因此,针对不同区域的宏块,相应地调整量化步长,以减少图像压缩的主观失真及提高压缩率,是本文要解决的问题。2.1 宏块类别的界定由上面的论述可知,不同图案区的宏块相对于人眼具有不同的视觉敏感性。因此可利用宏块的象素梯度(Pixel Gradients)信息及亮度信息来界定宏块类别,同时,也相应地反映出图像的主观复杂度。宏块的象素梯度信息计算:式中,sp(i,j)为原始宏块的相应象素值;det_H、det_V分别为宏块的水平和垂直象素梯度信息;f_det用来度量宏块的复杂性;TH1为人眼视觉系统所能感觉到的图像变化的门限值,它随宏块的平均亮度而改变,即:根据上述公式,对宏块可作如下分类及

5、其相应的量化调整因子为:式中,M是量化调整因子,NO1、NO2、NO3为宏块的象素梯度阈值。2.2 宏块活动性的计算宏块的活动性反映了宏块的复杂程度。活动性越高,人眼视觉感知能力越小,可以采用相对较大的量化步长。在MPEG-2 TM5中,宏块的活动性是以4个亮度子块的象素方差最小值作为度量标准的。本文为减少计算量,采用直接计算4个亮度子块DCT中AC系数的绝对值之和的最小值作为该宏块活动性水平的统计标准。即:宏块的平均活动性则以所有8×8亮度子块的AC系数的绝对值之和的平均值来表示。即:avg_act=mean(abs_sum)2.3 量化表的产生根据上面所计算的宏块的活动性,参考M

6、PEG-2 TM5中计算宏块复杂性的方法,可得归一化活动性函数为:宏块的活动性函数反映了人眼的视觉特性。当块的内容复杂、包含高频成分较多、宏块活动性较高时,人眼对此不敏感,可以采用较大的量化步长。相反,对于平坦区等活动性较低,人眼视觉相对敏感的宏块则进行细量化。同时,考虑到不同的宏块类别,则最后的量化矩阵为:式中,Qj为第j个宏块的量化矩阵;Qdef为JPEG推荐的量化表;Qsub为根据不同类型的宏块而产生的量化调整矩阵。3?实验结果实验中,针对二幅图像(Lenna、Clumbia),利用本文的方法和使用默认量化矩阵的标准JPEG压缩方法进行了模拟对比实验,采用峰值信噪比PSNR(Peak S

7、ignal-to-Noise Ratio)和压缩比CR(Compression Ratio)二项指标作为实验结果的评价。实验结果如表1所示。?从表1可以看出,本文的方法优于采用默认量化矩阵的标准JPEG压缩编码,提高了图像的压缩比和重构图像的质量。4? 结束语本文在分析标准JPEG编码与解码过程的基础上,着重讨论了与图像质量和压缩率密切相关的量化过程。在此基础之上,利用人眼的视觉特性,通过确定宏块的类别和分析宏块的活动特性,相应地调整量化矩阵,以达到提高图像的压缩比和重构图像质量的目的。实验结果表明,该方法的压缩性能优于采用默认量化表的标准JPEG的压缩性能。?参考文献1? 张益贞,刘滔.Visual C+实现MPEG/JPEG编解码技术.北京:人民邮电出版社,20022? 林福宗,陆达.多媒体与CD-ROM.北京:清华大学出版社,19943? Chung T Y,Jung K H,Young N O et al.Quantization Control for Improvem