基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩方法及系统，包括在编码端对图像进行类JPEG压缩编码的步骤及接收端进行解压缩的步骤；其中，在编码端对图像进行类JPEG压缩编码时：对输入的源图像进行分块，对每个图像块进行全相位离散正弦双正交变换，对变换后的系数进行均一量化，对量化后的系数进行Zig‑zag扫描，对扫描重排后的系数进行哈夫曼编码，得到输出图像；对应的，在接收端进行解压缩时采用与在编码端对图像进行压缩编码相逆的步骤，得到重建图像。使用全相位离散正弦双正交变换算法进行类JPEG编码，有效地提高了图像的压缩性能，减少了低比特率下重建图像中的块效应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图像处理领域，具体涉及基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩方法及系统。
技术介绍
图像视频压缩技术是多媒体处理的核心，随着网络流媒体、多媒体无线传感网的兴起，人们对图像以及视频清晰度的要求越来越高。但是由于网络带宽的限制，目前人们对数据压缩性能的要求越来越高。因此针对图像及视频数据压缩问题，提出了相关的图像视频编码技术，并制订了相关标准。在这些视频和图像编码的标准中，其核心之一是离散余弦变换。由于图像经过离散余弦变换后的系数矩阵具有稀疏性质，非常适用于数据压缩。基于离散余弦变换的JPEG编码，可以有效地对静态图像进行压缩，去除图像的空间冗余，节省存储空间。但是基于离散余弦变换的JPEG编码在低比特率下具有严重的块效应，并且量化表相对复杂。同时随着相机分辨率的提升，日常生活中获得的图像分辨率也越来越高。对于图像像素较高的原始位图，由于数据量增大，若利用传统CPU串行的结构特点处理，会消耗大量的时间，效率低下，实时性不强。所以亟需一种可以改善以上问题的方案。
技术实现思路
为解决现有技术存在的不足，本专利技术公开了基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩方法及系统，本专利技术基于全相位列率滤波和离散正弦变换提出了一种新型变换即全相位离散正弦双正交变换，并将其应用于图像压缩领域。在量化过程中，采用统一的量化步长即均一量化，省去JPEG标准中的复杂量化表，这样做可节省内存，简化计算，提升编码速度。为实现上述目的，本专利技术的具体方案如下：基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩方法，包括在编码端对图像进行压缩编码的步骤及接收端进行解压缩的步骤；其中，在编码端对图像进行压缩编码时：对输入的源图像进行分块，对每个图像块进行全相位离散正弦双正交变换，对变换后的系数进行均一量化，对量化后的系数进行Zig-zag扫描，对扫描重排后的系数进行哈夫曼编码，得到输出图像；对应的，在接收端进行解压缩时采用与在编码端对图像压缩编码相逆的步骤，得到重建图像。进一步的，在接收端进行解压缩时的过程为：接收压缩后的图像比特序列；对序列进行哈夫曼解码；对解码后的数据进行Zig-zag反扫描；对扫描后得到的系数反量化；对反量化后的变换系数进行逆全相位离散正弦双正交变换；将逆变换处理后的数据写入硬盘；得到重建图像。进一步的，全相位离散正弦双正交变换为将全相位列率滤波器用于离散正弦变换得到的一种新型变换。进一步的，全相位离散正弦双正交变换采用H.265标准使用的VII型大小为N×N二维离散正弦变换的变换矩阵，由于离散正弦变换为正交变换，将N个响应的平均值y(n)作为序列x(n)的全相位列率滤波输出，其中转换矩阵V建立了时域的单位脉冲响应和正交变换域的列率响应之间的关系。进一步的，分块进行全相位离散正弦双正交变换并根据不同的比特率需求，制定相应的量化步长，对变换系数进行均一量化。进一步的，上述基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩采用基于GPU的并行算法进行加速，主要包括基于GPU的并行算法的图像压缩的步骤及基于GPU的并行算法的图像解压缩的步骤。进一步的，基于GPU的并行算法的全相位离散正弦双正交变换的图像压缩包括：在编码端的主机端，CPU预先在内存中申请两块内存空间x和y，分别用于存放从硬盘中读取的数据，以及压缩后的数据。将源图像数据从硬盘中加载到内存x，在设备端的显存中申请两块大小一样的内存X1和X2；通过CPU将主机端内存x拷贝到设备端显存X1中；根据图像尺寸分配GPU资源，为图像中每个图像块在线程网格中申请一块对应大小的共享内存，并将图像块映射到设备端的线程块，将每个图像块中的每个像素数据映射到线程块中的每个线程；在每个线程中先对源图像数据并行地进行电平位移。进一步的，上述图像压缩还包括：对每个像素数据做全相位离散正弦双正交变换即并行全相位离散正弦双正交变换；然后对变换后的系数进行并行量化；对量化后的系数进行并行Zig-zag扫描；对扫描后的系数采用并行奇偶排序获得非零游程长度，并在GPU端做并行的哈夫曼编码；将编完码的数据放入显存X2中，并将X2拷贝到CPU的内存中，在CPU端经过处理后输出。进一步的，基于GPU的并行算法的全相位离散正弦双正交变换的图像解压缩包括：在解码端的主机端，CPU预先在内存中申请两块内存空间x1和y1，分别用于存放从硬盘中读取的压缩图像，以及解压缩后的重建图像。将压缩图像从硬盘中加载到内存x1，在设备端的显存中申请两块大小一样的内存Y1和Y2；将内存x1拷贝到显存Y1中，对数据分割，并行地进行预处理；对并行处理后的哈夫曼编码系数，在GPU中进行并行的哈夫曼解码；对解码后的系数，再次进行映射，为每个系数块在线程网格中申请一块对应大小的共享内存，并将系数块映射到设备端的线程块，将每个系数块中的每个像素数据映射到线程块中的每个线程。进一步的，上述基于GPU的并行算法的图像解压缩还包括：对线程中的每个数据并行地进行反量化；对反量化后的系数进行并行Zig-zag反扫描；对反扫描后的系数做并行的逆全相位离散正弦双正交变换(Inverse All PhaseDiscrete Sine Biorthogonal Transform,IAPDSBT)即并行IAPDSBT变换；将每个线程中逆变换后得到的系数进行电平平移；将并行解码后的数据放入显存Y2中，并将Y2拷贝到CPU的内存中，即得到重建图像。基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩系统，包括编码端及解码端：其中，在编码端包括全相位离散正弦双正交变换模块，用于实现对分块后的图像进行全相位离散正弦双正交变换；均一量化模块，用于实现对变换后的系数进行均一量化；Zig-zag扫描模块，用于实现对量化后的系数进行Zig-zag扫描；哈夫曼编码模块，用于实现对扫描重排后的系数进行哈夫曼编码，得到输出图像；在解码端包括哈夫曼解码模块，用于实现对压缩后的图像比特序列进行哈夫曼解码；Zig-zag反扫描模块，用于实现对解码后的数据进行Zig-zag反扫描；反量化模块，用于实现对扫描后得到的系数反量化；逆全相位离散正弦双正交变换模块，用于实现对反量化后的变换系数进行逆全相位离散正弦双正交变换，得到重建图像。进一步的，上述基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩系统采用GPU图形处理器进行并行处理。基于全相位离散正弦双正交变换(All Phase Discrete Sine BiorthogonalTransform,APDSBT)的类JPEG编码相较于传统的JPEG编码标准，它采用了APDSBT来代替离散余弦变换，减少了块效应对图像质量的影响。并且基于全相位离散正弦双正交变换的JPEG编码由于可采用均一量化，减少了运算复杂度，节省了内存。对于图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)，由于其具有特有的并行架构，可为高强度的密集计算并行化提供便利。英伟达公司推出了运算平台通用并行计算架构(Compute Unified Device Architecture,CUDA)，利用CUDA技术在图形处理器上优化基于全相位离散正弦双正交变换的JPEG图像压缩的核心算法，可显著提升计算速度，极大地提高图像的压缩效率的同时可减少块效应。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术基于全相本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩方法，其特征是，包括在编码端对图像进行类JPEG压缩编码的步骤及接收端进行解压缩的步骤；其中，在编码端对图像进行类JPEG压缩编码时：对输入的源图像进行分块，对每个图像块进行全相位离散正弦双正交变换，对变换后的系数进行均一量化，对量化后的系数进行Zig‑zag扫描，对扫描重排后的系数进行哈夫曼编码，得到输出图像；对应的，在接收端进行解压缩时采用与在编码端对图像进行压缩编码相逆的步骤，得到重建图像。

【技术特征摘要】
1.基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩方法，其特征是，包括在编码端对图像进行类JPEG压缩编码的步骤及接收端进行解压缩的步骤；其中，在编码端对图像进行类JPEG压缩编码时：对输入的源图像进行分块，对每个图像块进行全相位离散正弦双正交变换，对变换后的系数进行均一量化，对量化后的系数进行Zig-zag扫描，对扫描重排后的系数进行哈夫曼编码，得到输出图像；对应的，在接收端进行解压缩时采用与在编码端对图像进行压缩编码相逆的步骤，得到重建图像。2.如权利要求1所述的基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩方法，其特征是，在接收端进行解压缩时的过程为：接收压缩后的图像比特序列；对序列进行哈夫曼解码；对解码后的数据进行Zig-zag反扫描；对扫描后得到的系数反量化；对反量化后的变换系数进行逆全相位离散正弦双正交变换；将逆变换处理后的数据写入硬盘；得到重建图像。3.如权利要求1或2所述的基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩方法，其特征是，全相位离散正弦双正交变换为将全相位列率滤波器用于离散正弦变换得到的一种新型变换。4.如权利要求3所述的基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩方法，其特征是，全相位离散正弦双正交变换采用H.265标准使用的VII型大小为N×N二维离散正弦变换的变换矩阵，由于离散正弦变换为正交变换，将N个响应的平均值y(n)作为序列x(n)的全相位列率滤波输出，其中转换矩阵V建立了时域的单位脉冲响应和正交变换域的列率响应之间的关系。5.如权利要求1所述的基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩方法，其特征是，基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩采用基于GPU的并行算法进行加速，主要包括基于GPU的并行算法的图像压缩的步骤及基于GPU的并行算法的图像解压缩的步骤。6.如权利要求5所述的基于全相位离散正弦双正交变换的图像压缩方法，其特征是，基于GPU的并行算法的全相位离散正弦双正交变换的图像压缩包括：在编码端的主机端，CPU预先在内存中申请两块内存空间x和y，分别用于存放从硬盘中读取的数据，以及压缩后的数据。将源图像数据从硬盘中加载到内存x，在设备端的显存中申请两块大小一样的内存X1和X2；通过CPU将主机端内存x拷贝到设备端显存X1中；根据图像尺寸分配GPU资源，为图像中每个图像块在线程网格中申请一块对应大小的共享内存，并将图像块映射到设备端的线程块，将每个图像块中的每个像素数据映射到线程块中的每个线程；在每个线程中先对源图像数据并行地进行电平位移。7.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晓，单荣杨，王成优，蒋保臣，
申请(专利权)人：山东大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37