[发明专利]基于方向块压缩传感的图像编码方法

说明书

技术领域

本发明属于图像编码技术领域，具体涉及一种基于方向块压缩传感的图像编码方法。

背景技术

传统的数字信号处理系统采用先采样-再压缩的处理模式，然而这种处理模式存在一些不足。首先，数据的采集必须满足香农-奈奎斯特采样定理，即采样频率至少达到信号带宽的两倍才能保证精确重构原信号，随着信息需求量的增加，依据此定理进行采样将产生海量数据，日益成为信号与信息处理的瓶颈；另外，在对采样信号的压缩过程中，首先要对采样信号进行变换，其次对变换后的大系数及其位置进行编码而丢弃占绝大多数的小系数，这既浪费了大量的计算资源，又浪费了计算时间和存储空间；此外，对大系数的位置进行编码将导致额外的编码开销。

作为一种全新的信号采集与处理理论，压缩传感(Compressed Sensing /Compressive Sampling，CS)为解决现有编码方法的不足提供了有效的途径。CS理论指出，只要信号是稀疏的或是可压缩的，就可以用一个特定的投影矩阵对信号进行非自适应观测，将信号从原始的高维空间投影到一个低维空间上，在降维的过程中同时实现对信号的采样和压缩，以远低于奈奎斯特采样率的频率获得信号的压缩表示；最后通过求解一个最优化问题，利用这些少量的观测值高概率地重构出原始信号。其突出的优点是将采样与压缩合并进行，投影测量获得的数据量远远小于传统采样方法所获的数据量, 突破了奈奎斯特采样定理的限制，使得编码端的复杂度大大降低，非常适合一些分布式应用场合。CS理论的出现是对传统信号处理理论的补充和完善，其研究成果为相关领域的研究提供了新理论和新方法，应用前景十分广阔。

对于一维信号，通常选择独立同分布的高斯随机矩阵作为观测矩阵。但是对于大尺寸的二维图像信号，对整幅图像进行观测需要的观测矩阵十分巨大，导致存储和计算都十分困难。为此，L. Gan提出了一种块压缩传感(Block Compressed Sensing，BCS)图像编码方法，通过分块观测采样，降低了观测矩阵所需的存储空间，加快了算法的重构速度；S. Mun等将BCS方法加以推广，利用方向变换有效地捕捉信号的结构，增强其稀疏度，同时利用基于平滑投影的CS重构算法，实现了一种有效的图像编码算法。然而，目前的BCS方法中，对图像稀疏性的分析仍然不充分，比如没有考虑图像块中的方向信息，对具有不同纹理/边沿方向的图像块采用了相同的方式进行随机观测，这必然影响其性能的进一步提高。

同时，由于方向纹理/边沿在图像中广泛存在，因此最新的视频压缩标准H.264及正在制定的下一代视频编码标准(High Efficiency Video Coding，HEVC)都在其帧内编码中使用了一些方向预测来提高预测帧的精确度，然而，H.264在方向预测之后，仍然使用了传统的DCT变换。对此，B. Zeng等人提出了一种方向DCT变换(Directional DCT，DDCT)，其第一个1-D DCT沿着图像块中的纹理/边沿方向来执行，第二个1-D DCT则沿着水平方向执行，相对于传统DCT，DDCT由于考虑了方向信息，因此能够显著地提高编码性能。目前，越来越多的迹象表明，方向信息正日益成为未来图像、视频编码标准需要考虑的一个重要方面，随着新的方向变换算法的开发，方向变换也在影响着越来越多的其他编码标准。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够有效利用图像块方向信息的CS图像编码方法，能够有效地提高现有的BCS方法的性能。

本发明是这样实现的，其特征是包括下列步骤：

(1).定义8种方向扫描模式：竖直方向Mode 0、水平方向Mode 1、对角左下Mode 2、对角右下Mode 3、竖直向右Mode 4、水平向下Mode 5、竖直向左Mode 6和水平向上Mode 7，分别表示为mode = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7，设定观测率MR，0 < MR < 1；

(2).读入一幅图像，并将图像分为多个8 × 8大小的不重叠图像块；

(3).生成一个M × 64大小的高斯随机矩阵作为观测阵Ф_B，其中，                                                ，表示取整运算； 

(4).在编码端，对图像的第i个块，执行下列方向扫描模式的选择：

a：选择一种方向扫描模式mode，对进行方向扫描，得到向量化的图像块；