一種屏幕圖像集合的壓縮方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種屏幕圖像集合的壓縮方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 屏幕圖像來源于各種各樣的電子設(shè)備的屏幕桌面，與自然圖像不同的是，屏幕圖 像通常是由文字、圖形和自然圖像以隨機(jī)組合的方式排列而成，所以我們也稱它們?yōu)榛旌?圖像。屏幕圖像內(nèi)容在諸多新媒體如無線展示，遠(yuǎn)程桌面和云計算等領(lǐng)域中的作用是舉足 輕重的。在當(dāng)今的高分辨率顯示的需求下，屏幕內(nèi)容的數(shù)據(jù)量是巨大的，并不能夠被當(dāng)今社 會的網(wǎng)絡(luò)帶寬所滿足。舉例來說：一個1080p分辨率且?guī)蕿?0Hz的屏幕內(nèi)容視頻，需要 每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是1492992000比特?？梢钥闯?，這個數(shù)據(jù)量是巨大的，因此，屏幕內(nèi)容的 壓縮是十分必要的，并且其壓縮效率對用戶體驗是十分重要的。由于屏幕圖像內(nèi)容的數(shù)據(jù) 規(guī)模和復(fù)雜程度的急劇增長給視頻圖像內(nèi)容的存儲、處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸以及瀏覽帶來了很大 的壓力，而現(xiàn)有的圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)如基于塊級別方向預(yù)測的H. 264/AVC標(biāo)準(zhǔn)和HEVC幀內(nèi)預(yù)測 體制在編碼屏幕圖像時會導(dǎo)致殘差塊含有很高的能量，因此現(xiàn)有的編碼標(biāo)準(zhǔn)并不能高效的 適用于屏幕圖像，因此，必須對大規(guī)模屏幕圖像集合進(jìn)行高效的壓縮。
[0003] 屏幕圖像內(nèi)容壓縮方案的研宄是近幾年圖像壓縮領(lǐng)域一個新的、迅速發(fā)展的研宄 課題。最近HEVC將屏幕內(nèi)容列為其需求的一種，并研發(fā)新的編碼工具去改進(jìn)其壓縮效率。 在HEVC及其范圍拓展版本中，共有3個編碼工具是為屏幕內(nèi)容編碼而設(shè)計。它們分別是 跳過變換的編碼模式，殘差的差分編碼模式，以及幀內(nèi)圖像塊運動補(bǔ)償模式。除HEVC標(biāo)準(zhǔn) 中的屏幕內(nèi)容編碼工具外，還有諸多經(jīng)典的屏幕內(nèi)容編碼方法被提出以改進(jìn)HEVC等編碼 標(biāo)準(zhǔn)在屏幕內(nèi)容的編碼性能。它們可以被分為如下四類：分層的編碼方法，跳過變換的編碼 方法，調(diào)色板的編碼方法和基于字典的編碼方法。
[0004] 基于層的研宄方法采用了一種混合光柵內(nèi)容模型（MRC)。MRC模型將一副圖像分 為兩個圖像層和一個二進(jìn)制算子模板。兩個圖像層分別用于表示前景圖像層和背景圖像 層，二進(jìn)制算子模板用于表示每個像素屬于前景圖像層還是背景圖像層。圖像層的編碼主 要采用的是JPEG和JPEG2000等現(xiàn)有的圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)。二進(jìn)制掩模層的編碼主要采用的是 JBIG和JBIG2等二進(jìn)制圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)。
[0005] 跳過變換的編碼方法的思想是通過跳過變換，而改變殘差塊的能量分布，C. Lan等 人提出殘差標(biāo)量量化方案。它采用基于行的幀內(nèi)預(yù)測方案，同時跳過變換過程并直接標(biāo)量 量化產(chǎn)生的殘差。然而，這種方法需要改變編碼標(biāo)準(zhǔn)中預(yù)測的方式，這就對其與標(biāo)準(zhǔn)的耦合 度造成了破壞。
[0006] 調(diào)色板的方法將一幅圖像表示為基礎(chǔ)顏色和索引圖的形式。每個像素被賦給一個 索引用于表示哪個基礎(chǔ)顏色當(dāng)作這個像素的重建值?；A(chǔ)顏色可以由顏色量化得到，并且 它和索引圖需要被傳輸?shù)浇獯a端。由于屏幕內(nèi)容的直方圖很稀疏，基于調(diào)色板的方法只需 要很少的基礎(chǔ)顏色就可以表示整個圖像，因此每個索引的比特會很少，所以這類方法可以 取得很高的壓縮效率。
[0007] 屏幕內(nèi)容中有很多重復(fù)的內(nèi)容，基于字典的方法正是利用了這一特征去增強(qiáng)屏幕 內(nèi)容的壓縮性能。T. Lin等人的工作是將基于字典的方法嵌入現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中。并 且這種方案取得了很高的壓縮性能。
[0008] 近十年來圖像集合的聯(lián)合壓縮方案的研宄主要分為兩個方面：針對高相關(guān)度圖像 集的壓縮研宄方法和針對低相關(guān)度圖像集的壓縮研宄方法。高相關(guān)度圖像集壓縮方案如： 基于KLT變換的壓縮方案，基于最大最小差值（MMD)的壓縮方案以及基于最大最小值預(yù)測 (MMP)的壓縮方案等等，這些方案會根據(jù)整個圖像集生成一個標(biāo)志信號，然后對這個標(biāo)志信 號和每兩幅圖像之間的差異進(jìn)行編碼壓縮。針對低相關(guān)度圖像集的壓縮方案如：基于SIFT 特征提取的壓縮方案利用了圖像區(qū)域的尺度和旋轉(zhuǎn)不變性這一特性來衡量和處理圖像之 間的相關(guān)性，例如，最近Shi等人提出了一種基于特征提取的圖像集合壓縮方案，他們根據(jù) 像素的亮度值來提取圖像的局部特征從而更有效的去除圖像集合之間冗余信息，同時這個 方案采用了 SIFT算子來衡量和提高各個圖像之間的關(guān)聯(lián)度。例如：給定一組圖像集合，他 們首先采用了一種基于SIFT的全局性變換方法來衡量圖像之間的相似度，根據(jù)圖像的幾 何結(jié)構(gòu)和亮度將所有圖像進(jìn)行集群分類；針對每個圖像類，根據(jù)圖像之間的相關(guān)性來生成 一個最小代價的預(yù)測結(jié)構(gòu)樹，最后分別對每個圖像類進(jìn)行壓縮編碼。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種屏幕圖像集合的壓縮 方法，其能夠獲得更高的壓縮效率。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種屏幕圖像集合的壓縮方法，包括以下步驟：
[0011] (1)計算每幅圖像的每個圖像塊的哈希值；
[0012] (2)通過提取圖像塊的哈希特征來衡量圖像與圖像之間的相關(guān)性；
[0013] (3)對所有圖像生成基于有向圖的最小生成樹，從而確定圖像集合的預(yù)測結(jié)構(gòu)；
[0014] (4)對圖像集合進(jìn)行重新排序，確定每幅圖像的4個最優(yōu)的預(yù)測參考圖像；
[0015] (5)用步驟（4)的4個最優(yōu)的預(yù)測參考圖像代替HEVC標(biāo)準(zhǔn)中默認(rèn)的4個參考幀來 對當(dāng)前圖像進(jìn)行預(yù)測。
[0016] 本發(fā)明計算出每個圖像塊的哈希值，通過提取圖像塊的哈希特征來衡量圖像與圖 像之間的相關(guān)性，進(jìn)而對所有圖像生成一種改進(jìn)的基于有向圖的最小生成樹，從而確定圖 像集合的預(yù)測結(jié)構(gòu)，并且對圖像集合進(jìn)行重新排序，確定每幅圖像的4個最優(yōu)的預(yù)測參考 圖像，改進(jìn)了 HEVC標(biāo)準(zhǔn)中的RPS參考幀管理機(jī)制，用4個最優(yōu)的參考圖像代替HEVC標(biāo)準(zhǔn)中 默認(rèn)的4個參考幀來對當(dāng)前圖像進(jìn)行預(yù)測，這樣能夠獲得更高的壓縮效率。
【附圖說明】
[0017] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的屏幕圖像集合的壓縮方法的一個優(yōu)選實施例的流程圖。
[0018] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的屏幕圖像集合的壓縮方法的基于哈希的MST預(yù)測的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0019] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的屏幕圖像集合的壓縮方法的基于哈希的RPS預(yù)測機(jī)制的示意 圖。
【具體實施方式】
[0020] 這種屏幕圖像集合的壓縮方法，包括以下步驟：
[0021] (1)計算每幅圖像的每個圖像塊的哈希值；
[0022] (2)通過提取圖像塊的哈希特征來衡量圖像與圖像之間的相關(guān)性；
[0023] (3)對所有圖像生成基于有向圖的最小生成樹，從而確定圖像集合的預(yù)測結(jié)構(gòu)；
[0024] (4)對圖像集合進(jìn)行重新排序，確定每幅圖像的4個最優(yōu)的預(yù)測參考圖像；
[0025] (5)用步驟（4)的4個最優(yōu)的預(yù)測參考圖像代替HEVC標(biāo)準(zhǔn)中默認(rèn)的4個參考幀來 對當(dāng)前圖像進(jìn)行預(yù)測。
[0026] 本發(fā)明計算出每個圖像塊的哈希值，通過提取圖像塊的哈希特征來衡量圖像與圖 像之間的相關(guān)性，進(jìn)而對所有圖像生成一種改進(jìn)的基于有向圖的最小生成樹，從而確定圖 像集合的預(yù)測結(jié)構(gòu)，并且對圖像集合進(jìn)行重新排序，確定每幅圖像的4個最優(yōu)的預(yù)測參考 圖像，改進(jìn)了 HEVC標(biāo)準(zhǔn)中的RPS參考幀管理機(jī)制，用4個最優(yōu)的參考圖像代替HEVC標(biāo)準(zhǔn)中 默認(rèn)的4個參考幀來對當(dāng)前圖像進(jìn)行預(yù)測，這樣能夠獲得更高的壓縮效率。
[0027] 優(yōu)選地，所述步驟（1)中：
[0028] 將指定圖像分割成若干個8X8像素大小的圖像塊，通過圖像塊中64個像素的亮 度值求出當(dāng)前塊的哈希值，用一個64位的二進(jìn)制數(shù)H來代表當(dāng)前塊的哈希值，表示為公式 (1)
[0029] H = h63h62... Ii1Ii0 (1)
[0030] 其中比是H的第i位二進(jìn)制數(shù)，表示為：
【主權(quán)項】
1. 一種屏幕圖像集合的壓縮方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 計算每幅圖像的每個圖像塊的哈希值； (2) 通過提取圖像塊的哈希特征來衡量圖像與圖像之間的相關(guān)性； (3) 對所有圖像生成基于有向圖的最小生成樹，從而確定圖像集合的預(yù)測結(jié)構(gòu)； (4) 對圖像集合進(jìn)行重新排序，確定每幅圖像的4個最優(yōu)的預(yù)測參考圖像； (5) 用步驟（4)的4個最優(yōu)的預(yù)測參考圖像代替HEVC標(biāo)準(zhǔn)中默認(rèn)的4個參考幀來對當(dāng) 前圖像進(jìn)行預(yù)測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的屏幕圖像集合的壓縮方法，其特征在于，所述步驟（1)中： 將指定圖像分割成若干個8X8像素大小的圖像塊，通過圖像塊中64個像素的亮度值 求出當(dāng)前塊的哈希值，用一個64位的二進(jìn)制數(shù)H來代表當(dāng)前塊的哈希值，表示為公式（1) H=h63h62…h(huán)iho (1) 其中匕是H的第i位二進(jìn)制數(shù)，表示為：
其中l(wèi)i是當(dāng)前塊單元中以光柵掃描順序獲得的第i個像素的亮度值，A是當(dāng)前塊單元 64個像素亮度值的平均值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的屏幕圖像集合的壓縮方法，其特征在于，所述步驟（2)中： 所有圖像總的率失真代價S通過公式（3)來表示：
其中n是圖像集合中圖像的數(shù)量，0,和1分別代表編碼當(dāng)前圖像的失真和所用的比特 數(shù)，A是拉格朗日系數(shù)； 通過計算兩幅圖像之間相同塊的數(shù)量來衡量兩幅圖像之間的相關(guān)性，通過計算一幅圖 像與當(dāng)前圖像之間不相同塊的數(shù)量來作為一幅圖像來預(yù)測當(dāng)前圖像的預(yù)測代價，當(dāng)前塊的 最小預(yù)測代價M表示為公式（4)
其中n是圖像集合中圖像的數(shù)量，s是一副圖像中塊單元的個數(shù)，^代表在當(dāng)前圖像i中有^個塊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的屏幕圖像集合的壓縮方法，其特征在于，所述步驟（3)中： 用一個有向圖來表示圖像之間的相關(guān)性，采用有向圖的最小生成樹算法來生成了一個 原始的最小生成樹，再根據(jù)最小代價原則生成改進(jìn)的最小生成樹，此時最優(yōu)的預(yù)測結(jié)構(gòu)構(gòu) 建完成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的屏幕圖像集合的壓縮方法，其特征在于，所述步驟（4)包括以 下分步驟： (4. 1)針對步驟（3)的改進(jìn)的最小生成樹，按照按層遍歷的順序?qū)渲兴许旤c所代 表的圖像進(jìn)行排序，并以之作為編碼端的圖像輸入順序和圖像編解碼順序； (4. 2)根據(jù)最小代價原則為當(dāng)前編碼圖像選擇最多4個與當(dāng)前圖像相關(guān)性最大的已編 碼圖像來對當(dāng)前圖像進(jìn)行預(yù)測。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的屏幕圖像集合的壓縮方法，其特征在于，所述步驟（5)中： 把步驟（4. 2)的4個參考圖像放入HEVC中當(dāng)前幀的參考幀列表中，替代HEVC中當(dāng)前 幀默認(rèn)的4個參考幀，并采用HEVC中幀間運動補(bǔ)償機(jī)制來對屏幕圖像集合進(jìn)行編碼。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種屏幕圖像集合的壓縮方法，其能夠獲得更高的壓縮效率。包括步驟：(1)計算每幅圖像的每個圖像塊的哈希值；(2)通過提取圖像塊的哈希特征來衡量圖像與圖像之間的相關(guān)性；(3)對所有圖像生成基于有向圖的最小生成樹，從而確定圖像集合的預(yù)測結(jié)構(gòu)；(4)對圖像集合進(jìn)行重新排序，確定每幅圖像的4個最優(yōu)的預(yù)測參考圖像；(5)用步驟(4)的4個最優(yōu)的預(yù)測參考圖像代替HEVC標(biāo)準(zhǔn)中默認(rèn)的4個參考幀來對當(dāng)前圖像進(jìn)行預(yù)測。
【IPC分類】H04N19-50, H04N19-157, H04N19-96, H04N19-196
【公開號】CN104780379
【申請?zhí)枴緾N201510029087
【發(fā)明人】施云惠, 李達(dá), 丁文鵬, 尹寶才
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年1月21日