CN102271251B

CN102271251B - 无失真的图像压缩方法

Info

Publication number: CN102271251B
Application number: CN 201010197211
Authority: CN
Inventors: 詹振宏; 周宏隆
Original assignee: Altek Corp
Current assignee: Altek Corp
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: CN102271251A

Abstract

本发明公开了一种无失真的图像压缩方法，用以处理具有多个像素的图像，其中图像的图像宽度为W。无失真的图像压缩方法包括由图像中选取连续的N个像素，其中N为大于或等于2的正整数，且N小于图像宽度W；执行差异脉冲码调制手段，以依据此N个像素的值，得到对应此N个像素的N个非负数差值；依据此N个非负数差值，计算得到编码参数；以及依据编码参数，将此N个非负数差值进行编码。

Description

无失真的图像压缩方法

技术领域

本发明关于一种无失真的图像压缩方法，尤其是一种需要较少内存空间的无失真的图像压缩方法。

背景技术

随着电子以及信息技术的进步，在计算机或各式各样的电子装置上处理以及显示图像的技术发展也越来越普遍。早期的电子信息技术只能储存或处理较低像素的数字图像。然而，人们对高质量图像的需求越来越多，如何处理以及储存高质量图像也成为非常热门的重点。为了得到高质量图像，在进行图像压缩时常采用无失真的压缩方式。

然而无失真的高质量图像需要储存较高的像素，对于计算器的运算速度以及储存媒体的容量也形成一大挑战。例如在无失真压缩算法中，无失真静态图像压缩标准(Joint photographic experts group Lossless，JPEG-LS)是利用预测和前文模式(context modeling)来达到较好的压缩比。前文模式需要至少暂存图像的一整排的像素才能够进行各种模式下的预测，因此需要大量的运算和储存空间，而使得编码器(encoder)所需的成本上升。且JPEG-LS对于不需要高压缩率的应用来说，演算复杂度还是较高，而增加编码器的负担。

再加上使用者对于图像的分辨率的要求越来越高，亦增加了图像压缩时的负担。若使用现有的无失真的压缩方式，一旦图像的分辨率提高，编码器更得要耗费漫长的时间以及更大量的储存空间才能处理为高质量图像。换句话说，现有的无失真的压缩方式具有运算复杂度太高而导致运算效率低落，以及所需暂存空间庞大的问题。

因此，如何设计一种无失真的压缩方法，能够兼顾高视觉质量、低运算复杂度以及低暂存空间的需求是工业界相当重要的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种无失真(lossless，亦称为无损)的图像压缩方法。无失真的图像压缩方法仅需使用较少的内存空间，且能以较快的速度处理具有多个像素的一图像。其中图像的一图像宽度为W。无失真的图像压缩方法包括下述步骤：(a)由图像中选取连续的N个像素，其中N为大于或等于2的正整数，且N小于图像宽度W；(b)执行一差异脉冲码调制(Differential pulse code modulation，DPCM)手段，以依据此N个像素的值，得到对应此N个像素的N个非负数差值；(c)依据此N个非负数差值，计算得到一编码参数(coding parameter)；以及(d)依据编码参数，将此N个非负数差值进行编码。

为了压缩整张图像，无失真的图像压缩方法另可包括下述步骤：(e)接续选取图像的下N个连续的像素；以及(f)返回步骤(b)，直到压缩完图像的所有像素。

其中步骤(a)可由一缓存器直接接收图像中被选取的N个像素。

而步骤(b)的差异脉冲码调制手段可包括：依据此N个像素的值，得到分别对应于此N个像素的N个像素差值；以及分别对此N个像素差值执行一变换(mapping)手段，以得到分别对应于此N个像素差值的N个非负数差值。

根据本发明的一实施范例，依据此N个像素的值，得到分别对应于此N个像素的N个像素差值的步骤可包括：将此N个像素中的第一个像素的值P₀作为第一个像素差值d₀；以及分别计算此N个像素中的第i个像素的值P_i与其前一个像素的值P_i-1的差，作为其它N-1个像素差值，其中i为正整数，且0＜i＜N。

变换手段则可包括：当此N个像素差值中的第i个像素差值d_i大于或等于零时，对应的第i个非负数差值n_i为像素差值d_i乘以2，其中0＝＜i＜N；以及当此N个像素差值中的第i个像素差值d_i小于零时，对应的第i个非负数差值n_i为像素差值d_i乘以2再减1。

用以编码此N个非负数差值的编码参数可以是

其中n_i为此N个非负数差值中的第i个非负数差值。

而上述步骤(d)可包括：依据编码参数，以哥伦布-莱斯编码(Golomb-Ricecode)将此N个非负数差值进行编码。

综上所述，根据本发明的无失真的图像压缩方法选取图像中的N个像素，并以可变长度编码将此N个像素的值编码。处理此N个像素时并不需要用到图像中的其它像素，因此编码器的缓存器不需保存其它像素的值。故无失真的图像压缩方法具有节省大量的暂存空间，且压缩方式简单有效率等优点。

附图说明

图1为根据本发明一实施范例的图像的示意图；

图2为根据本发明一实施范例的无失真的图像压缩方法的流程图；

图3为根据本发明一实施范例的差异脉冲码调制手段的流程图；

图4为根据本发明一实施范例的步骤S41的流程图；

图5为根据本发明一实施范例的变换手段的流程图；以及

图6为根据本发明另一实施范例的无失真的图像压缩方法的流程图。

其中，附图标记：

20图像

22处理窗

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域的技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求及附图，任何本领域的技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

本发明提供一种无失真(lossless，亦称为无损)的图像压缩方法，用以处理具有多个像素的一图像，以将图像压缩。无失真的图像压缩方法可实作于一编码器(encoder)。

请参照图1与图2，其分别为根据本发明一实施范例的图像的示意图与无失真的图像压缩方法的流程图。

图像20具有W×L个像素，其中W为图像20的一图像宽度，L为一图像长度。例如图像20以具有640×480个像素，或是128×128个像素的；则图像宽度W则会是640(像素)或是128(像素)。由于处于图像20中同一排的像素彼此之间具有强大的关联性，因而可被利用于图像压缩。

执行无失真的图像压缩方法时，首先由图像20中选取连续的N个像素(步骤S30)；其中N为大于或等于2的正整数，且N小于图像宽度W。为了更有效率地执行无失真的图像压缩方法，可以取能整除图像宽度W的数值作为N。换句话说，N能够整除图像20的图像宽度W。例如当图像宽度W为128(像素)时，可取N为16。而选取连续N个像素的步骤S30可以以一处理窗22实作之。处理窗22的长度为N，被处理窗22所框选的N个像素便是依下述流程被压缩的N个像素。

编码器具有一缓存器(buffer)，以将图像20中需要被处理的部分暂存于缓存器。更详细地说，图像20可以是被存放于内存中的文件，亦可以是由一图像撷取装置的一感光单元传送的图像数据。而步骤S30则可在由内存或是感光单元收到的图像20中选取连续的此N个像素，并由缓存器直接接收此N个像素的值P₀～P_N-1。

因此无失真的图像压缩方法压缩图像20时，仅需要用到处理窗22的N个像素，而不需用到图像20中的其它像素。因此编码器的缓存器中亦仅需要存有此N个像素即可，而不需存放图像20中整排的W个像素。

选取连续的N个像素之后，对此N个像素执行一差异脉冲码调制(Differential pulse code modulation，DPCM)手段；以依据此N个像素的值P₀～P_N-1，得到对应此N个像素的N个非负数差值n₀～n_N-1(步骤S40)。像素的值例如可以是灰阶值、三原色值(RGB value)或是HSL色彩空间的色相(hue)、饱和度(saturation)、与亮度(lightness)。无失真的图像压缩方法并不对像素的值的内容有所限制。

参照图3，其为根据本发明一实施范例的差异脉冲码调制手段的流程图。

无失真的图像压缩方法利用差异脉冲码调制手段得到对应于处理窗22的N个非负数差值n₀～n_N-1，以进行无失真的压缩。差异脉冲码调制手段可以先依据此N个像素的值P₀～P_N-1，得到分别对应于此N个像素的N个像素差值d₀～d_N-1(步骤S41)。接着再分别对此N个像素差值执行一变换(mapping)手段，以得到分别对应于此N个像素差值的N个非负数差值n₀～n_N-1(步骤S46)。

请配合图3并参照图4以及图5，其分别为根据本发明一实施范例的步骤S41的流程图，以及步骤S46中的变换手段的流程图。

于步骤S41中，可依据下述式1以及式2计算得到像素差值d₀～d_N-1。

d₀＝P₀ 式1

d_i＝P_i-P_i-1，0＜i＜N，且i为正整数式2

其中P₀为处理窗22中的N个像素中的第一个像素的值，P_i为处理窗22中的N个像素中的第i个像素的值。而d₀为对应P₀的像素差值，d_i为对应P_i的像素差值。

式1将N个像素中的第一个像素的值P₀作为第一个像素差值d₀步骤S42)。式2分别计算此N个像素中的第i个像素的值P_i与其前一个像素的值P_i-1的差，作为其它N-1个像素差值d₁～d_N-1，其中0＜i＜N(步骤S43)。换句话说，像素差值d₁～d_N-1将相邻的像素的值P₀～P_N-1两两相减得到。

根据本发明的另一实施范例，可保存有图像20中处理窗22的第一个像素的前一个像素的值P_-1。而对应处理窗22的第一个像素差值d₀的值即为P₀与P_-1的差值。

在步骤S41得到处理窗22对应的像素差值d₀～d_N-1之后，变换手段可先逐一判断这些像素差值d_i是否大于或等于0(步骤S47)，再依下述式3以及式4计算得到非负数差值n₀～n_N-1。

n_i＝2×d_i，if d_i≥0 式3

n_i＝2×d_i-1，if d_i＜0 式4

其中n_i为N个非负数差值n₀～n_N-1中的第i个像素的值，且0≤i＜N。

对于大于或等于0的像素差值d_i，式3将像素差值d_i乘以2作为非负数差值n_i。也就是说非负数差值n_i为像素差值d_i乘以2(步骤S48)。而对于小于0的像素差值d_i，式4将像素差值d_i乘以2再减1的值作为非负数差值n_i。也就是说非负数差值n_i为像素差值d_i乘以2再减1(步骤S49)。

如此一来，便可在步骤S40中依据N个像素的值P₀～P_N-1，得到对应这N个像素的N个非负数差值n₀～n_N-1。

请回到图2。接着依据此N个非负数差值n₀～n_N-1，计算得到一编码参数(coding parameter)k(步骤S50)；并依据编码参数k，将此N个非负数差值n₀～n_N-1进行编码(步骤S60)。

其中步骤S60可包括：依据编码参数k，以哥伦布-莱斯编码(Golomb-Ricecode)将此N个非负数差值n₀～n_N-1进行编码。

用以处理此N个非负数差值的编码参数可以是

哥伦布-莱斯编码为一种可变长度编码(variable-length code，VLC)，其将出现机率较高的值予以较短的编码。依据哥伦布-莱斯编码，先依据编码参数k设定一除数m。再将此N个非负数差值n₀～n_N-1除以除数m，得到对应的N个商数Q以及余数R。其中除数m为2的k次方(2^k)。

哥伦布-莱斯编码接着将得到的商数Q编码成一元码(unary code)，并将于数R编码成k位长度的二进制代码(binary code)。

举例而言，假设非负数差值n₀为163，编码参数k为5。因此可以算出非负数差值n₀的商数Q为5，余数R为3。则非负数差值n₀的商数Q可以以一元码被编码成111110，余数R则以二进制代码被编码成00011。

如此一来，处理窗22内的N个像素的值P₀～P_N-1即可被压缩成无失真的可变长度编码。而整个图像20能够被无失真的图像压缩方法压缩。请参照图6，其为根据本发明另一实施范例的无失真的图像压缩方法的流程图。

执行步骤S30到步骤S60将处理窗22的N个像素压缩后，另可判断是否压缩完图像20的所有像素(步骤S70)。若图像20尚未完全被压缩完成，则接续选取图像20的下N个连续的像素(步骤S80)，并以步骤S40、S50以及S60处理于步骤S80中被选取的N个像素。若图像20已被压缩完成为一压缩图像文件，则可结束。

也就是说，无失真的图像压缩方法在于步骤S30中被选取的N个像素的后接续选取另外N个像素，且可将另外选取的N个像素作为新的处理窗22在处理之。

综上所述，根据本发明的无失真的图像压缩方法选取图像中N个像素，并将选取的像素的值以可变长度编码进行编码。由于在压缩时并不需要用到图像中的其它像素，因此编码器的缓存器仅需保存此N个像素的值，而能够节省大量的暂存空间。且无失真的图像压缩方法仅逐一处理各图像窗内的N个像素值到压缩完整个图像，而具有压缩方式简单有效率的优点。

Claims

1.一种无失真的图像压缩方法，用以处理具有多个像素的一图像，其中该图像的一图像宽度为W，其特征在于，该无失真的图像压缩方法包括：

a、由该图像中选取连续的N个该像素，其中N为大于或等于2的正整数，且N小于该图像宽度W；

b、执行一差异脉冲码调制手段，以依据该N个像素的值，得到对应该N个像素的N个非负数差值；

c、依据该N个非负数差值，计算得到一编码参数；以及

d、依据该编码参数，将该N个非负数差值进行编码，

其中该差异脉冲码调制手段包括：依据该N个像素的值，得到分别对应于该N个像素的N个像素差值；以及分别对该N个像素差值执行一变换手段，以得到分别对应于该N个像素差值的该N个非负数差值，

其中该变换手段包括：当该N个像素差值中的第i个该像素差值d_i大于或等于零时，对应的第i个该非负数差值n_i为该像素差值d_i乘以2，其中0=<i<N；以及当该N个像素差值中的第i个该像素差值d_i小于零时，对应的第i个该非负数差值n_i为该像素差值d_i乘以2再减1。

2.如权利要求1所述的无失真的图像压缩方法，其特征在于，另包括：

e、接续选取该图像的下N个连续的该像素；以及

f、返回步骤b，直到压缩完该图像的所有该像素。

3.如权利要求1所述的无失真的图像压缩方法，其特征在于，该依据该N个像素的值，得到分别对应于该N个像素的N个像素差值的步骤包括：

将该N个像素中的第一个该像素的值P₀作为第一个该像素差值d₀；以及

分别计算该N个像素中的第i个该像素的值P_i与其前一个该像素的值P_i-1的差，作为其它N-1个该像素差值，其中i为正整数，且0<i<N。

4.如权利要求1所述的无失真的图像压缩方法，其特征在于，该编码参数为其中n_i为该N个非负数差值中的第i个该非负数差值。

5.如权利要求1所述的无失真的图像压缩方法，其特征在于，该步骤d包括：

依据该编码参数，以哥伦布-莱斯编码将该N个非负数差值进行编码。

6.如权利要求1所述的无失真的图像压缩方法，其特征在于，该步骤a由一缓存器直接接收该图像中被选取的该N个像素。