[发明专利]基于小波模极大值重建的改进SPIHT图像编码和解码方法

权利要求书

1.一种基于小波模极大值重建的改进SPIHT图像编码方法，其特征在于按照如下步骤进行：

步骤1.输入待编码图像I和目标码率R，设待编码图像I大小为H×W像素，根据目标码率R计算编码图像I所需的比特数Bit_Budget＝H×W×R，并将H和W各用1个字节传输至解码端；

步骤2.对待编码图像I进行log₂min{H,W}-3级Daubechies双正交9/7小波变换；

步骤3.判断最低频子带是否存在负系数，若包含负系数，则令标志变量HavingNegative＝1，否则令HavingNegative＝0，然后将HavingNegative的值用1bit传输至解码端；

步骤4.计算最低频子带系数的绝对值最大的幅值Max，进而得出最大位平面数并将n的值用4bit传输至解码端；

步骤5.采用前向差分算子，计算最高频的LH、HL和HH子带在每个系数处的梯度，然后分别统计这三个子带的平均梯度模长，令其分别为Θ_LH、Θ_HL和Θ_HH，并将其各用8bit传输至解码端；

步骤6.选取Θ_LH、Θ_HL和Θ_HH中的最大者所对应的子带B，并提取子带B的模极大值序列：

步骤6.1按照光栅扫描顺序，将子带B的二维小波系数重新组织成一个长度为l的一维系数序列S，且l＝H×W/4；

步骤6.2对一维系数序列S进行1阶一维小波变换，从而将系数能量进一步集中；

步骤6.3令S_Max表示小波系数的模极大值序列，并将S_Max初始化为空集；

步骤6.4将一维系数序列S的第1个系数加入到S_Max中，向解码端传输一个比特“1”，并令index←2；

步骤6.5令S(index)、S(index-1)和S(index+1)分别表示一维系数序列S的第index个系数、第(index-1)个系数和第(index+1)个系数，若|S(index)||S(index-1)|且|S(index)||S(index+1)|，则S(index)为一个局部模极大值，将其加入到S_Max中，并向解码端传输一个比特“1”，否则将“0”加入到S_Max中，向解码端传输一个比特“0”；

步骤6.6令index←index+1，若index＝l，则转入步骤6.7，否则转入步骤6.5；

步骤6.7将一维系数序列S的第l个系数加入到S_Max中，并向解码端传输一个比特“1”；

步骤6.8舍弃子带B的全部原始小波系数，并用模极大值序列S_Max中的系数代替子带B的小波系数，转入步骤7；

步骤7.初始化非重要系数表重要系数表非重要子集表和比特位流表

步骤8.采用类似SPIHT的扫描方式编码所有小波变换系数：

步骤8.1初始化扫描阈值T＝2ⁿ，将最低频子带的所有系数放入LIP表，将存在孩子系数的最低频系数加入LIS表，并将其扫描类型设置为D型；

步骤8.2若T1或比特位流表中的待输出比特数大于Bit_Budget，则转入步骤9；否则，转入步骤8.3；

步骤8.3扫描LIP表：顺序取出LIP表中的每个待处理系数c，执行步骤8.3.1～步骤8.3.5；若LIP表中的所有系数均已处理完毕，则转入步骤8.4；

步骤8.3.1若|c|T，则在位流表E的末尾添加比特“0”，返回步骤8.3；

步骤8.3.2若|c|≥T，则在位流表E的末尾添加比特“1”，把该系数c从LIP表中删除并添加到LSP表末尾；

步骤8.3.4若c是最低频系数且HavingNegative＝0，则返回步骤8.3；否则，转入步骤8.3.5；

步骤8.3.5如果系数c是正数，则在位流表E的末尾添加比特“1”，否则，在位流表E的末尾添加比特“0”，返回步骤8.3；

步骤8.4扫描LIS表：顺序取出LIS表中的每个待处理元素e，执行步骤8.4.1～步骤8.4.3；若LIS表中的所有元素均已处理完毕，则转入步骤8.5；

步骤8.4.1若其扫描类型为D型，则转入步骤8.4.2，否则转入步骤8.4.3；

步骤8.4.2判断e的D型子集是否为重要集合：

a若e的D型子集是重要集合，则在比特位流表E的末尾添加比特“1”，再执行4次步骤a.1～步骤a.3来依次判断e的4个D型孩子系数的重要性；

a.1若某个孩子系数是重要的，则在比特位流表E的末尾添加比特“1”，并且把该孩子系数加到LSP表末尾，进一步，若该孩子系数是正数，则在比特位流表E的末尾添加比特“1”，否则在比特位流表E的末尾添加比特“0”；

a.2判断e的L型子集是否为空集，如果不为空集，则把e的扫描类型由D型转换成L型后添加到LIS表尾部，如果e的L型子集为空集，则从LIS表中删除元素e；

a.3如果某个孩子系数不是重要系数，则把该孩子系数添加到LIP表末尾，并且在比特位流表末尾添加比特“0”；

b如果e的D型子集是不重要集合，则在位流表末尾添加字符“0”；

步骤8.4.2判断e的L型子集是否为重要集合：

a如果e的L型子集是重要集合，则在比特位流表末尾添加比特“1”，并且把e的4个直接孩子系数添加到LIS表尾部，将其扫描类型设置为D型；返回步骤8.4；

b如果e的L型子集不是重要集合，则在比特位流表末尾添加比特“0”；返回步骤8.4；

步骤8.5精细扫描：顺序扫描LSP表，除了本轮扫描增加的那些系数以外，将表中其余系数的第n个位平面输出到比特位流表E中；

步骤8.6令T←T/2，n←n-1，转入步骤8.2；

步骤9.将比特位流表E传输至解码端，编码过程结束。

2.一种与权利要求1所述基于小波模极大值重建的改进SPIHT图像编码方法对应的解码方法，其特征在于按照如下步骤进行：

步骤1.初始化待解码图像I的基本信息；

步骤1.1输入待解码比特流和目标码率R，从比特位流的前2个字节中解码出图像的高度H和宽度W，进而确定解码图像I所需的比特数Bit_Budget＝H×W×R；

步骤1.2从比特位流中读取1bit，解码出HavingNegative；

步骤1.3从比特位流中读取4bit，解码出最大位平面数n，并令n_max←n；

步骤1.4从比特位流中读取24bit，按照LH、HL和HH的顺序，解码出3个最高频子带的平均梯度模长Θ_LH、Θ_HL、Θ_HH；

步骤1.5选取Θ_LH、Θ_HL和Θ_HH中的最大者所对应的子带，作为需用小波模极大值重构的子带B；

步骤1.6令l←H×W/4，并从比特位流中读取l个bit，暂存到一个缓冲区M中；

步骤2.初始化非重要系数表重要系数表非重要子集表将待解码图像的log₂min{H,W}-3级小波变换系数全部初始化为0，令扫描阈值T＝2ⁿ；

步骤3.将最低频子带的所有系数坐标放入LIP表，将存在孩子系数的最低频系数的坐标添加到LIS表中，并将其扫描类型设置为D型；

步骤4.采用类似SPIHT的扫描方式处理LIP表、LIS表和LSP表：

步骤4.1扫描LIP表：对于LIP表中的每个待处理元素，执行步骤4.1.1～步骤4.1.5；若LIP表中的所有元素均已处理完毕，则转入步骤4.2；

步骤4.1.1从比特位流中读取1 bit c；

步骤4.1.2若c＝0，则表明LIP表中当前坐标(i,j)所对应的系数为不重要系数，返回步骤4.1；

步骤4.1.3若c＝1，表明LIP表中当前坐标(i,j)所对应的系数为重要系数，则将该重要系数的值更新为1.5×T，然后把坐标(i,j)从LIP表中删除并添加到LSP表末尾；

步骤4.1.4若当前坐标(i,j)处于最低频子带且HavingNegative＝0，则返回步骤4.1；否则，转入步骤4.1.5；

步骤4.1.5从比特位流中读取1bit，如果该比特为“0”，则将当前坐标(i,j)所对应的系数值取相反数；否则，保持其系数值不变；

步骤4.2扫描LIS表：对于LIS表中的每个待处理元素p，执行步骤4.2.1～步骤4.2.3；若LIS表中的所有元素均已处理完毕，则转入步骤4.3；

步骤4.2.1如果当前待处理元素p的扫描类型为D型，则转入步骤4.2.2，否则转入步骤4.2.3；

步骤4.2.2从比特位流中读取1 bit e；

a如果e＝1，表明p对应的D型子集是重要集合，执行4次步骤a.1～a.4依次判断其4个D型孩子系数的重要性；

a.1从比特位流中读取1bit，如果该比特为“1”，则转入a.2，否则转入a.4；

a.2把p的直接孩子系数的坐标加到LSP表末尾，并进一步从比特流中读取1bit，若该比特为“1”，则将相应孩子系数的值更新为1.5×T，否则将相应孩子系数的值更新为-1.5×T；

a.3判断p的L型子集是否为空集，若不为空集，则把p的扫描类型由D型转换成L型后添加到LIS表尾部；若p的L型子集为空集，则将元素p从LIS表中删除；转入步骤4.2.2；

a.4把孩子系数的坐标添加到LIP表末尾；

b如果e＝0，表明p对应的是不重要集合，返回步骤4.2；

步骤4.2.3从比特位流中读取1 bit f，判断p的L型子集是否为重要集合；

a如果f＝1，表明p的L型子集是重要集合，则把p的4个直接孩子系数的坐标添加到LIS表尾部，将其扫描类型设置为D型；返回步骤4.2；

b如果f＝0，表明p的L型子集不是重要集合；返回步骤4.2；

步骤4.3精细扫描：顺序扫描LSP表，对于除本轮扫描增加的那些元素以外的每个元素，从比特位流中读取1bit，若该比特为“1”，则将该元素所对应的小波系数绝对值增加T/2，否则将该元素所对应的小波系数绝对值减小T/2；

步骤4.4令T←T/2，n←n-1，若目前从比特位流中读取的比特位数量已达到Bit_Budget或T1，则转入步骤5，否则转入步骤4.1；

步骤5.对子带B进行小波模极大值重建；

步骤5.1按照光栅扫描顺序，将子带B的已解码系数重新组织成一个长度为l的一维系数序列S，并令index←1，num←1，并建立一个长度为l的一维数组Loca，将其初始化为零数组，用于保存局部模极大值的位置；

步骤5.2从缓冲区M中读取1 bit f，若f＝1，则令一维数组Loca的第num个元素等于index，即Loca(num)←index，并令index←index+1，num←num+1；

步骤5.3若indexl，则转入步骤5.4，否则转入步骤5.2；

步骤5.4根据一维系数序列S和局部模极大值的位置数组Loca，利用包含iter次迭代的交替投影法进行小波模极大值重建，得到重建后的一维系数序列；

步骤5.5对重建后的一维系数序列进行1阶一维小波逆变换，得到S′；

步骤5.6按照光栅扫描顺序，将S′的系数重新组织成大小为(H/2)×(W/2)的二维矩阵B′，并用B′的各个系数替代子带B中处于相同空间位置的已解码系数，得到小波模极大值重建后的子带B；

步骤5.7对于子带B中的每个系数，若其幅值大于则将该系数的幅值设置为其父亲系数幅值的1/2；

步骤6.对所有子带的已解码系数进行log₂min{H,W}-3级Daubechies双正交9/7小波逆变换，得到解码图像I′，输出I′。