TWI241074B - Image compression system using two-dimensional discrete wavelet transformation - Google Patents

Description

1241074 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種影像壓縮之系統，尤指一種使用二 維離散小波轉換的影像壓縮之系統。 5 【先前技術】 多媒體之應用在目前日常生活中，已逐漸普及並受到 重視。而人與人之間之溝通，已不再局限於語音，更要求 月匕夠傳遞即時之影像至遠方的另一位使用者。因此，即時 10 影像壓縮及傳送技術（Real_time Vide〇 compressi〇n and transmission techniques )因而成為近年來通信技術中所關 注之焦點，而技術上所遇到之最大困難乃在於：如何有效 且即時地壓縮影像資料，不但能將影像資料量減少、壓縮 所耗時間減短，且影像資料不致於過度失真而難以辨識。 15此技術所應用之領域十分廣泛，例如：遠距離會議、保全 監視系統、影像電話等。 習知影像壓縮之技術係採用轉換編碼之技術 (Transf0rm coding)，而目前最普遍的轉換編碼技術乃使 用是離散餘弦轉換（Discrete C〇sine Transfer，DCT)，此 20技術已成為聯合圖像專業團體（JpEG)所使用之標準。jpEG 的壓縮倍率一般係為2〇倍至4〇倍之間，而其壓縮後之影像 會產生方塊效應，並非執行即時影像壓縮之良好解決方 案使用離散小波轉換（discrete wavelet transfomi，DWT) 所得到之壓縮影像，不但壓縮效果較〇(：：7為佳，且無方塊 1241074 效應，因此’愈來愈多即時影像壓縮之方法係改採用dwt 之技術，以取得較佳效果，$包括最新版本之jpeg 2〇〇〇。 其中，採用DWT技術之JPEG 2_，在影像壓縮技術方面 較習知JPEG具有下列優點： -、高壓縮率：IPEG2_壓縮性能tUpEG提高了 3〇% 〜50%，也就是說，在同樣的圖像質量下，ipEG2綱可以 使圖像文件的大小比JPEG圖像文件小3〇〜5〇%。同時，使 用JPEG2_的系統敎性好，運行平穩，抗干擾性好，易 於操作。 10 15 二、可支援有損和無損壓縮：JPEG只支援有損壓縮， = JPEG2G嶋支援無損壓、缩，無損壓縮僅是將資料量壓 縮，所有貧料仍S ;而有損I縮係將部份資料+以省略， 以達到更佳之資料壓縮之效果。 二、渐進傳輸：傳送圖像資料時，可以先傳輪圖像的 輪廊，然後逐步傳輸資料，不斷提高圖像之質量，讓圖像 由朦臟到清晰顯示。 四 可由使用者指定圖像中之 爻援感興趣區域 部份區域及壓縮效果。 然而’當影像資料量很大時，例如，影像資料係 =台監視器之即時影像，而非單觸—台監視器之即 時〜目前DWT技術並無法提供足夠快速之影像壓縮速^或 可谷§午之失真度’因而造成即時影像產生㈣、失真、或 跳格等現象’這並非是使用者所預見的。 20 1241074 【發明内容】 之主要目的係在提供—種使用二維離散小波 換^像昼縮之系統，俾能提供較佳之影像I缩速度。 轉換的Hrr 一/的係在提供一種使用二維離散小波 、、和堅縮m ’俾能提供可調整之影像麼縮比。 #用上述目的’本發明揭露一種影像遂縮之系統， =輸即時影像’其包括：順向色彩元素轉換模組， 換=輸人輸人影像並進行色彩元素轉換，以輸出色彩轉 10 15 ^像’緩衝模組’係用以輸入色彩轉換影像，並輸出之 月】色办轉換影像，動晝差值谓測模組，係用以輸入色彩轉 換影像以及之前色彩轉換影像’取其差值並輸出之；順向 小波轉換模組，係用以輸入色彩轉換影像及差值，並對其 進行小波轉換，以產生小波訊號並輸出之；量化模組，係 用以輸入小波訊號’並依據步階值以對其進行純量量化之 處理’以產生置化係數並輸出之；以及低記憶體低計算量 零树編碼換組，係用以輸入量化係數，並對其進行零樹編 碼處理，以產生編碼影像。 【實施方式】 如圖1所不，本發明二維離散小波轉換的影像壓縮之 系統10係包括下列模組：順向色彩元素轉換模組U、動晝 差值偵測杈組12、緩衝模組丨3、順向小波轉換模組丨4、量 化权組15、及低記憶體低計算量零樹編碼模組16 (Low-Complexity and Low-Memory Entropy 1241074

Coder，LLZC enc〇der)。於下述中，將對本發明二維離 散小波轉換的影像壓縮之系統1〇之運作，作詳細之說明。 順向色形元素轉換扠組1丨，係用以讀取輸入影像s〇， 並輸出色彩轉換影像S卜其功用乃在於移除輸入影像s〇中 5影像色彩元素間的相關性，以取到較佳之壓縮效果。在此 係採用可逆色彩轉換（Reversible c〇1〇r 丁⑽^随，rct)處 理，並依下列方程式以取得下列色彩平面： -Y〇 =

10 y2=r - G 另外，為了提 其中，運算子[]係表示取最大整數值d ^ 高影像資料處理的速度，順向色彩元素轉換模組u執行 rct轉換時，同時對色彩平面進行取樣處理。其中，取樣 處理之方式有許多，例如使用4:丨：丨之取樣處理，如圖二 15所示，將方程式⑴、⑶所取得之γι、γ2色彩平面的 每四個點的值Γ竇心、Et本一、A τ ^值I貝^點表不）作平均，以取得一個取樣值 r 丁^使Y0 · Y1 · Y2色彩平面之資料量的比 例變為4 : 1 : 1。 曰^於自然界之影像訊號’其特色為低頻帶聚集較多能 20量，南頻帶所，集之能量較少，因此，可針對色彩轉換影 像S 1之低頻及:頻f作進一步的解析，以取得色彩轉換影 像S1之低v員及阿頻訊5虎。於本發明中，將順向色彩元素轉 換模組n所輸出之色彩轉換影像幻，輸入至順向小波轉換 核組14 (Forward DWT)以進行DWT處理，以產生小波訊 1241074 戒S2。順向小波轉換模組i4可將色彩轉換影像^之影像分 解成兩個頻帶，如下列方程式（4)及方程式（5)所示： ♦] = 2>[坳0[2«-灸] k (4) k (5) 其中，心/W表示色彩轉換影像S1，N為色彩 轉換影像si的長度；心仏/、表示…經過DWT處理 後所付之低頻及咼頻訊號；表示DWT處理時， 所使用的低通及咼通渡波器。當然，為了取得更精簡之低 頻訊號，亦可將…M7再經過一次DWT處理，以取得低頻帶 10中更細緻的小頻寬低頻訊號，即多重解析（multiresolution) 的觀念。例如，本發明係採用三重DWT處理以取得較精簡 之低頻及高頻訊號，但並不以此為限。如圖3所示，此為原 始之圖播（或為輸入影像S0之其中一幅影像），圖4表示 經三重DWT處理處理後，所取得之圖檔。 15 為了提高DWT處理之執行速度，較佳係採用二維Haar D WT，並藉由執行一次水平方向之一維Haar D WT，再執行 一次垂直方向之一維Haar DWT，以達到相同之目的，但並 不以此為限。其中，一維Haar DWT之低頻係數係如下述方 程式（6 )所述，高頻係數係如下述方程式（7 )所述：

[2 π] Η—j=-ciq[2h +1] V2 d{[n] = (6) ^α〇[2η]~ΊΊ d〇[2n + \]

20 1241074 進行1 於方程式（6)係將時間上連續之色彩轉換影像si sm /、程式⑺係將時間上連續之色彩轉換影像 組14 ’亚將結果^7及’輸出至順向小波轉換模 5 10 15 〜執行上述三重DWT處理時，為了減少上述運算式子中 =行乘以4的運算所花f的時間，可於執行上述運算 、，於水平轉換與垂直轉換皆完成後，，才將資料作右 動作，即執行除以2之處理，以節省上述運算:花 另外，將連續之輸入影像S0分解成一幅幅的 ::色彩元素轉換模組U所輸出），則畫面與畫面-： 連性將是減低編碼運算能量與儲存空間大小 此，將時間上連續之前後二個晝面取差值（由動 =組⑽執行）以取得一個留數晝面，其資訊 =體移動量之多S，並將留數晝面輸^順向小波轉; =L4’J:進行處理。如果留數晝面的能量較大= 、里面又動亦較多’其資訊含量亦相對較多，此時，順 °小波轉換模組14就必須以較多的位元數以進行編碼，反 之亦然。 ^ 斤示本發明使用二維離散小波轉換的影像壓 统：將連續之影像訊號，分成以1〇幅晝面為-組的 Μ处理耘序’亚將這10幅畫面分成I晝面（起始畫面）、 旦面（錢晝面）、&Β晝面（内插晝面）。其中，I晝 J、且旦面編碼的參考，由於其重要性較高，所以於編 20 1241074 5 10 15 =處理時’分配較多的位元數以降低重建影像時所產生 ，▲”現象，P晝面係由動晝差值偵測模組12所產生，藉 由儲存上-幅畫面於緩衝模組13，動畫差值谓測模租^可 以偵測目前晝面與與上一幅晝面之差異，並產生？畫面， f由順向小波轉換模組14對P畫面進行編碼。於編碼過程 中太將B晝面之資料予以保留，#解碼過程中，再由p畫面 以生（使用内插法）B畫面。本發明提供二種資料 模式：：般模式及高速模式，而兩者較大之差別乃在於B ^數量之多S °由於B畫面係由前後—幅影像藉由内插 2所計算出之影像，所以其失真度較高，這表示高速模 式畫面係較一般模式晝面失真。 量化模組15:係用以輸入小波訊號S4，並對小波訊號 續订純m (scalarquantization)之處理以輸出量化 係數S4。其中，量化模組15具有一個無作用區域 (dead-zone )，可用以消除非預期之訊號。控制量化模组 15運作參數乃由步階值S2 (step size)所設定，而步階值 S2的大小可由使用者設定’如果其值較大則產生較小之量 化係數S4,因而使量化係數以更為失真，如此—來，即增 加重建輸出影像S10的失真度。步階值32愈大，重建後的 輸出影像S10之品質愈差’但是，編碼處理後之編碼影像 s 5的資料量將會變小’ 編碼/解碼所f的時間會縮短。因 為量化後的係數’是以無失真的壓縮方式進行量化處理， 因此，經解量化處理後可得到各個量化後的係數值。 20 1241074 低記憶體低計算量零樹編碼模組丨6:係用以輸入量化 係數S4並輸出編碼影像“，其中，係使用〇ne…以零樹編 碼（zerotree coding)以及Golomb_Rice ( G-R)碼之技術。

One pass零樹編碼係用以擷取量化係數S4中具有意義之係 5數（significant coefficients ); G_R碼係用以對上述具有意 義之係數進行編碼，其中，G-R碼係為一種可變長度碼/可 變長度整數的格式，可降低解碼過程中的複雜度，其較佳 係使用基本序列（fundamental sequence)之模式，以降低編 碼過程之計算。 10 如圖6所示，經過三重二維DWT處理的頻帶圖 (frequency-band image)，每個頻帶的編號，以兩個英 文子和一個下標值來表示。第一個字母，代表水平方向是 局頻（H)還是低頻（L)，第二個字母則代表垂直方向是高頻 (H)^是低頻（L)，而下標則是代表該頻帶是在第幾重 15 $理後所產纟的頻帶。LL3頻帶代表的是最低頻的頻帶， 它的係數係表示影像中的直流成份（dc c〇efficient)。相 同方向的頻帶將組成樹狀結構，樹根的位置係落在最後一 重DWT所處理的頻帶，即HL3、LH3、及腦3。其中，箭 頭表不每一棵樹後代子孫的方向。除了節點係落在第一重 20 DWT所處理之頻帶外，每一個節點有四個直接的後代子 孫。圖中在HH3和HH2頻帶中的方格顯示出這個關係。低 記憶體低計算量零樹編碼模組16之編碼方式，係如下列虛 擬編碼所示： (1 ) Use DPCM scheme to code the dc coefficients. 12 1241074 (2) For each tree k5 EncodeTree(k){ G-R—FS(k);

If at least one descendant of k is not zero{ Output 1 in 1 bit; 5 For each sub-tree of k: s, EncodeTree(s); } else

Output 0 in 1 bit; }

10 其中，DPCM的編碼方式是先將第一個直流成份使用 G-R編碼，而接下來的係數則是以相對的直流成份（目前 的直流成份減去前一個直流成份）以進行後續之編碼。其 中，如圖7所示，G_R—FS(X)所使用之匕R編碼步驟如下： (1)判斷輸出係數X的類別（dass)。若乂屬於第n類， 15則輸出n+1個位元，其中前面的以固位元為〇，只 個位元為1。 俊 則用1個位元來編碼X 一個位元來表示X的符

(2 )若X屬於第^類，且n〉〇， 的絕對值中最後的nq個位元，且用 唬。〇表示正數，而1表示負數。 20 二如’广的值為_12,則在第_步時，會輸出〇〇〇〇1 =屬於弟四類)，而在第二步時，會輸出100(12的_ 值為1100，後三碼為100)，並 負數）。 上個付號位兀1(肩 藉由本發明二維離 即可得到輸出影像 ^當編碼影像S5傳送至使用者端時 放小波轉換的影像解壓縮之系統5〇， 13 25 1241074 S10,由於本發明二維離散小波轉換的影像解壓縮之系統 50之運作方式與本發明〔維離散小波轉換的影像壓縮之系 統10，下述中僅略作說明。 低圮憶體低計算量零樹解碼模組5 i (LOW_complex办 5 and Low-Memory Entropy decoder ’ LLZC decoder)係用以 輸入編碼影像S5 ’並對其進行零樹解碼處理以輸出逆向量 化係數S6。低記憶體低計算量零樹解碼模組“之運算方 式，係為低記憶體低計算量零樹編碼模組16之運算方式的 ^運算。於G-R_FS(x)的反運算部份’首先需判斷\的類別。 10猎由讀取一個一個的位元，並且計算i以前的〇之數目，即 可知道該係數的類別。之後，再用取出卜丨個位元加上2n i， 即為該係數的絕對值。最後，再解出符號位元即可得到該 係數的值。例如，_12於零樹解碼時，丄以前共計有 因此，其類別乃為類別4,再取出3位元以得到1〇〇(即十進 15，之4) ’加上23,故可得到數字12，最後，讀取符號位元 知1，因此，該係數值為-12。 解量化模組52係用以輸入逆向量化係數S6，經解量化 處理後可得到各個量化後的係數值，再將各個係數值乘以 步階值S2，即可得到解量化處理後的逆向小波訊號”之 20值，並輸出之。 逆向小波轉換模組53係用以輸入逆向小波訊號s7，並 進行逆向DWT以取得逆向色彩轉換影像S9，並輪出之。其 中，逆向色彩轉換影像S9係依據方程式（8)之計算所取 14 1241074 «〇[«] = 2]A[«-2k]a{[k] + -2k]dx[k] ( 8) 及封〃]係分別表示逆向DWT所使用之低通與高通 渡波器。若之前係採用二維Haar DWT，則二維Haar逆向 DWT係依據下列方程式以取得逆向色彩轉換影像§9 : 5 i〇[«] - ^j^(cii[n] + d{[n]) (9) a〇[n +1] = _(βι [„] ^ ^ (10)

當然，如桌順向小波轉換模組14係使用三重二維!^^^ 處理，則逆向小波轉換模組53則使用三重二維逆向DWT處 理。 10 如果逆向色彩轉換影像S9係為I晝面，則輸出I畫面至 反向色彩元素轉換模組57 (以產生一幅晝面）及緩衝模組 55 ;如果逆向色彩轉換影像仍係為P畫面，則輸出p畫面至 差值補償模組54，差值補償模組54依據動晝差值補償 (Inter-Frame Difference Compensation)技術以產生一幅 15畫面，並輸出至反向色彩元素轉換模組57及雙向内插模組

56 ;如果逆向色彩轉換影像S9係為B晝面，則輸出b畫面至 緩衝模組5 5 ’雙向内插模組5 6依據差值補償模組5 4及緩衝 模組55所輸出之資料，進行雙向内插補償（Bidirecti〇nal Interpolation )處理以產生一幅晝面，並輸出至反向色彩元 20 素轉換模組57。 反向色彩元素轉換模組57接收來自逆向小波轉換模 組53、差值補償模組54、及雙向内插模組56所輸出之晝面， 15 1241074 並進行逆向RCT處理以取得輸出影像sl〇，並輸出之。其 中，逆向RCT處理係依據下列方程式： G-y〇-( 11 ) r = Y2+g ( 12) 5 B = r^G ( 13) 本發明二維離散小波轉換的影像壓縮之系統1〇係使 用小波轉換技術，故能提高輸入影像训之壓縮比，並藉由 零樹編碼（zerotreecoding)之技術，以減少對輸入影像s〇 進行編碼/解碼時所需之資料處理量，故能提高輸入影像s〇 10之壓縮速度，並配合動畫内插（Frame Interpolation)補償 壓縮技術，可減少編碼影像85之資料量。另外，執行量化 處理時，使用者可設定步階值（step size)以設定編碼時 的壓縮比（compression rati〇)。最後，將產生的編碼影像S5 U至运☆而並由返立而進行解碼處理，可想而知地，於解 馬處理日守’其執行程序為編碼處理之程行程序相反，僅需 作些微地調整。藉由上述技術，本發明二維離散小波轉換 ^影像壓縮之系統1〇能滿足使用者對影像之高壓縮速度、 高壓縮比之需求。 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所 張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限 方；上述實施例。 【圖式簡單說明】 16 1241074 圖1係本發明二維齙 塊圖。 S小波軺換的影像壓縮系統之方 圖2係色彩平面進行取樣處理之示意圖。 5 10 圖3係進行影像I縮時所使用之標準影像。 圖4錢料”二轉散小 後所得到之壓縮影像。 ϋ細糸統 «5#不㈣縮模式下的影像組成之。 圖6係經過三重二維斷處理之頻帶I。 圖7係G-R編碼的類別及成份之對照表。 ^ 8係本發明二維離散小波轉換的影像解壓縮系統之 万塊圖。 【圖號說明】 10 11 13 15 二維離散小波轉換的影像壓縮系統 順向色彩元素轉換模組 緩衝模組 量化模組 12動畫差值偵測模組 14順向小波轉換模組

^低記憶體低計算量零樹編碼模組 50二維離散小波轉換的影像解壓縮系統 5 1低記憶體低計算量零樹解碼模組 52解量化模組 53逆向小波轉換模組 54差值補償模組 55緩衝模組 %雙向内插模組 57逆向色彩元素轉換模組 17

Claims (1)

1241074 拾、申請專利範圍： 1· 一種影像壓縮之系統，係用以傳輸即時影像，其包 括· 一順向色彩元素轉換模組，係用以輸入一輸入影像並 5進行一色彩70素轉換，以輸出一色彩轉換影像； 一缓衝模組，係用以輸入該色彩轉換影像， 之前色彩轉換影像； ㈣ 一動晝差值偵測模組，係用以輸入該色彩轉換影像以 及該之前色彩轉換影像，取其差值並輸出之； 0 一順向小波轉換模組，係用以輸入該色彩轉換影像及 該差值，亚對其進行一小波轉換，以產生一小波訊號並輸 出之； 里化模、’且係用以輸入該小波訊號，並依據一步階 15 20 值以對其進行-純量量化之處理，以產生—量化係數並輸 出之；以及 ^ 一低圮憶體低計算量零樹編碼模組，係用以輸入該量 化係數亚對其進行一零樹編碼處理，以產生一編碼影像。 一 2·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該色彩 70素轉換係為可逆色彩轉換。 該之前 該小波

^ 如申請專利範圍第1項所述之系統，士 色形轉換影像係為時間上較早之該色彩轉換, 4.如申請專利範圍第1項所述之系統，； 換係為二維Haar小波轉換。 18 1241074 其中，該小波 其中，該小波 及至少一内插 5.如申請專利範圍第1項所述之系統 轉換係為三重小波轉換。 6·如申請專利範圍第1項所述之系統 訊號係包括一原始晝面、至少一留數晝面 5 畫面。 “ 7.如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該旦仆 杈組更具有一無作用區域，係用以 /里 〇 , 于、非預期之小波訊號。

10 •如“專利範圍第i項所述之系統，其中，如 步階值較大，則該量化係數較小，反之亦然。 Μ 9·如申請專利範圍第i項所述之系統’、，、、其中，該 編碼處理係使用一 〇ne pass零樹編碼。 10·如申請專利範圍第9項所述之系統，其中，該隨 pass零樹編碼係以G〇i〇mb-Ricy^以進行編碼。 ,11.如申請專利範圍第i項所述之系統，其中，該編碼 15 像可由〜像解壓縮之系統以進行解壓縮處理，以輸出 -輸出影像，其中，該影像解壓縮之系統係包括：

-低e憶體低計算量零樹解碼模組，係用以輸入該編 碼影像，並對其進行一零樹解碼處理，以產生一解量化係 數並輸出之； 一解置化模組，係用以輸入該解量化係數，並依據該 步階值以對其進行—解量化之處理，以產生一解小波訊號 並輸出之； 19 1241074 逆向小波轉換模組，係用以輸入該解小波訊號，並 對其進行逆向小波轉換處理，以產生一解色彩轉換影像並 輸出之； 一緩衝模組，係用以儲存該解色彩轉換影像，並輸出 5 一之前解色彩轉換影像； 、/一差值補償模組，係用以輸入該解色彩轉換影像，並 進行動^差值補償處理，以輸出一差值解色彩轉換影像；

、二雙向内插模組，係用以輸入該之前解色彩轉換影像 、及孩差值解色彩轉換影像，並進行雙向内插處理，以輸 10出一内插解色彩轉換影像；以及 刖 史一逆向色彩元素轉換模組，係、用以_入該解色彩轉換 影像、該差值解色彩轉換影像、及㈣插解色彩轉換影像， 並對其進行-逆向色彩元素轉換以產生一輸出 出之。 15 12.如申請專利範圍第11項所述之系、統’其中，該零樹 解碼處理係使用一 〇ne pass零樹解碼。

13. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中，該〇如 pass零樹編碼係以G〇1〇mb-Ricw·^以進行解碼。 14. 如申請專利範圍第n項所述之系統，其中，該逆向 20小波轉換處理係為二維Haar逆向小波轉換處理。 、15.如申請專利範圍第n項所述之系統，其中，該逆向 小波轉換處理係為三重逆向小波轉換處理。 16·如申請專利範圍第n項所述之系統，其中，該逆向 色彩元素轉換係為逆向可逆色彩轉換。 20