[发明专利]针对计算机图形的图像压缩

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形，并且更具体地涉及通常在三维计算机图形中使用的纹理(texture)和其它类似图形的压缩。

背景技术

一种使得三维(3D)场景更具真实感而常用技术是在3D对象的表面上应用纹理。纹理可以定义为普通二维图像诸如照片，其在存储器中存储为像素阵列(或纹素(texel)，以从屏幕像素中将其分离出来)。随着显示质量和显示驱动器以及计算机中使用的图形加速器的处理能力的提高，对计算机图形的更好的图像质量的需求也在继续。作为通用准则，越多的存储空间和带宽可用于纹理，则可以在最终3D场景中获得越好的图像质量。

一种表示纹理的传统方式是将每个像素的颜色存储为红绿蓝(RGB)三基色的组合。通常为每个分量分配8位，生成每像素24位(24bpp)。这称为RGB8格式。其它流行的格式包括RGB4和RGB565，其牺牲了色阶而有利于使用较少的存储空间。例如与人类能同时感知超过4dB的亮度(即，对比度为1∶10⁴＝1∶10000)的能力相比，表示颜色的传统格式的问题在于它们提供相当有限的颜色动态范围。因此，用这些传统方法创建的纹理通常称为低动态范围(LDR)纹理。LDR纹理领域中的实际标准是DXTC(DirectX纹理压缩)，也称为S3TC，其在US6,658,146中有进一步的描述。其它类似方法包括FXT、FLXTC和ETC(爱立信纹理压缩)，最后一种方法也在WO05/059836中进行了公开。

为了满足计算机图形对较好图形质量的需求，已经开发了能够表示真实世界中亮度的整个动态范围的图像格式。这些图像格式称为高动态范围(HDR)格式。新兴的用于存储和操作高动态范围图像的实际标准是OpenEXR，其对颜色分量使用16位或32位浮点表示。OpenEXR的动态范围在使用16位变量时超过11dB，并且在使用32位变量时高达76dB。16位格式足以满足大多数目的，产生48bpp的实际比特率。

HDR纹理存在的一个问题在于：与传统的LDR格式相比，它们消费双倍的存储量和总线带宽。此外，对于LDR纹理存在非常有效的压缩格式，其可以将比特率降到原始比特率的六分之一。因此，就存储器和总线带宽消耗而言，HDR与LDR纹理之间的差异是12倍或更多。

OpenEXR标准支持像PIZ、ZIP、RLE和PXR24等若干压缩方法，但是它们都涉及一个技术缺陷，即没有一种方法允许对压缩数据的随机访问，而这在将纹理映射到3D对象时是绝对关键的。图形硬件需要能够在不需解压缩整个图像的条件下解压缩图像中的任何给定像素。解压缩还必须非常快速，因为现代硬件能够每秒读取和解压缩数十亿的LDR纹素，并且提出的任何HDR纹理压缩机制应该实现至少足够接近其的性能。

也可应用于HDR图像的普通图像压缩技术，诸如JPEG和PNG，与OpenEXR格式的类似之处在于对单独像素的随机访问是不可能的。为了访问例如JEPG图像中的单个像素，上至该像素的整个图像必须被解压缩。这显然太慢，因为在现代计算机图形中，例如在3D游戏中，每秒必须访问成百万的甚至数十亿的纹素。

因此，传统的图像压缩技术在减少纹理尺寸以进行永久存储和网络上传输方面有用，但是它们难以应用于减少在解压缩器中的运行时间存储器空间和带宽的消耗。

发明内容

现在发明了一种改进的方法和实现该方法的技术设备，通过该方法和设备实现了对HDR纹理的有效压缩，而且同时允许硬件中的运行时间每像素的解压缩。本发明的各个方面包括编码和解码方法、编码器、解码器、编码系统、编码/解码装置、以及用于执行编码和解码的计算机程序，这些方面的特征在于独立权利要求中陈述的内容。在从属权利要求中公开了本发明的各种实施例。

根据第一方面，根据本发明的方法基于对具有由高动态范围的值所表示的每个图像像素的颜色分量的图像进行编码的思想，使得首先将图像分解为多个图像块；确定用于每个图像块的缩放因子，所述缩放因子当被应用到对应的图像块时将所述图像块中的像素的颜色分量的值转换为归一化范围；根据低动态范围压缩方法对所述归一化图像块的图像数据进行编码；以及最后将每个图像的缩放因子存储为单独的数据。

根据一个实施例，用16位或32位的浮点算术来表示像素的颜色分量的高动态范围值。

根据一个实施例，在编码所述图像数据之前，用每个颜色分量8位来量化所述归一化图像块的图像数据。

根据一个实施例，将所述缩放因子确定为2的幂值；以及仅将所述缩放因子的幂存储在单独的文件中。