[发明专利]用于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，并且更具体地涉及对通常在三维计算 机图形中使用的纹理和其他类似图像进行的压缩。

背景技术

在渲染三维(3D)场景以具有更逼真的外观中通常使用的技术 是在3D对象的表面应用纹理。纹理可以被定义为普通二维图像，诸 如照片，其作为像素(或纹理元素(texel)，以将它们与屏幕像素 相区分)阵列存储在存储器中。随着显示器和显示驱动的质量以及 计算机中使用的图像加速器的处理能力的增加，对于计算机图像方 面的更好图像质量的需求也继续增长。作为一般规则，在纹理上花 费的存储器空间和带宽越多，则在最终的3D场景中可以获得的图像 质量越好。

表示纹理的传统方式是将每个像素的色彩作为三原色的组合来 存储，三原色为：红、绿和蓝(RGB)。通常为每个分量分配8比 特，从而产生每像素24比特(24bpp)。这称作RGB8格式。其他 常见的格式包括RGB4和RGB565，RGB4和RGB565使用更少的存 储器空间从而牺牲了色域。表示色彩的传统格式的问题在于：它们 为色彩提供相当受限的动态范围，例如相较于人类同时察觉超过4dB 亮度的能力(即，对比度为1∶10⁴＝1∶10000)。因而，利用这些传统 方法产生的纹理通常称作低动态范围(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 US 6,658,146中进一步描述。其他类似方法包括FXT、FLXTC和ETC (爱立信纹理压缩)，最后一个方法ETC也在WO05/059836中公开。

为了满足对计算机图形方面更好图像质量的需求，已经开发了 能够表示真实世界中亮度的全部动态范围的图像格式。这些图像格 式称作高动态范围(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，其针对色彩分量使用了16比特或 32比特的浮点表示。OpenEXR的动态范围在使用16比特变量时超 过11dB，而在使用32比特变量时高达76dB。16比特格式对于大部 分目的是足够的，其产生48bpp的实际比特率。

HDR纹理的问题在于对比于传统LDR格式，它们消耗了双倍量 的存储器和总线带宽。而且，对于LDR纹理存在非常有效的压缩格 式可以使比特率下降到原始比特率的六分之一。因此，HDR和LDR 纹理之间在存储器和总线带宽消耗上的差异是12倍或更多倍。

OpenEXR标准支持多种压缩方法，例如PIZ、ZIP、RLE和PXR24， 但是它们都包括技术性缺点，即它们都不允许随机访问压缩的数据， 这对于向3D对象上映射纹理来说绝对关键。需要图形硬件能够在不 必对全部图像进行解压缩的情况下解压缩图像中任何给定像素。而 且，解压缩必须非常快，因为当前的硬件可以每秒获取并且解压缩 数十亿的LDR纹理元素，所以任何建议的HDR纹理压缩机制应该 达到至少足够接近于上述标准的性能。

也可应用于HDR图像的普通图像压缩技术(诸如JPEG和PNG) 与OpenEXR的相似之处在于同样不可能随机访问独立像素。为了访 问例如JPEG图像中的单个像素，该像素为止的全部图像必须被解压 缩。这显然太慢了，因为在当前的计算机图形中，比如在3D游戏中， 每秒必须访问数百万或甚至数十亿纹理元素。

因而，传统图像压缩技术在减小用于永久存储以及通过网络传 输的纹理的大小是有用的，但是，它们极少可应用于减少解压缩器 中的运行时存储器空间和带宽消耗。

本申请人之前的专利申请US 11/241,854描述了一种图像压缩方 法，其中适当地对HDR纹理图像进行了缩放，从而根据已知的LDR 技术可以压缩并且解压缩该图像数据。然而，在某些情况中，缩放 将太多的误差引入图像数据中。因此，需要更准确的图像压缩方法。

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，而同时允许在硬件 中运行时更准确地对每像素进行解压缩。本发明的各种方面包括编 码和解码方法、编码器、解码器、编码系统、编码/解码装置和用于 执行编码和解码的计算机程序，这些方面的特征在独立权利要求中 进行了陈述。本发明的各种实施方式在从属权利要求中进行了公开。