[发明专利]用于从压缩图像数据恢复高频成分的改进的估算器

说明书

发明领域

本发明通常涉及数字信号处理技术，尤其涉及使用数字信号处理技术用于对数据进行压缩和解压缩，以及可靠地恢复在数据压缩期间失去的高频成分。

发明背景

用于表示在图像中的不同空间频率(边缘和构造)来说，子波变换已经显示出超过传统的傅立叶变换方法的性能。用于图像压缩来说这是重要的，因为众所周知的是人的眼睛对于低频和中频要比对于高频更敏感。结果是，许多压缩方案对于较低频率系数的量化要比对于较高频率系数的量化更细致。

同样众所周知的是，在一给定频率子频带中的几乎不能察觉的细节内容在相邻较高频率子频带中必须至少是四倍的强度才可被觉察。被变换的图像被分成相邻的系数数据块，例如4×4、8×8等等，并且每个数据块对照属于一个充分大的训练集合的数据块字典或编码册而被匹配。在该字典中最接近匹配的一个指针被保存以取代变换数据块，从而实现压缩。为了构造用于描述数据总体的有效字典，这种方法需要复杂的算法。这种方案的缺点是对于任何数据的类型来说它通常是不足的。

在变换系数量化之后，传统的图像压缩方案的最后步骤是应用一个无损耗的编码技术，例如Huffman编码或算术编码。这种传统方案的缺点是其量化在解压缩图像中产生人为失真，在中到高压缩比率的条件下非常明显。结果是，产生可接受质量的再生图像的压缩比率相当一般。

概括地说，本发明的目的是利用子波的数学理论和人的视觉的敏感特性的优点，克服当前方案对于数据压缩的最严重的限制。

对于本专业技术人员来说，本发明的这个和其它目的将从下列本发明的描述中显见。

本发明概述

众所周知，人的视觉主要依赖图像的低频成分。因此有利的是当压缩一个图像时放弃那些包括对于人的视觉较不重要的、包括高频的图像部分。这使得一个表示图像的文件需要较小的一个储存空间。

虽然这种高频系数对于人的视觉是较不重要的，但是它们的存在仍然能增加图像的整体的清晰度。高频成分是与一个图像的边缘相关，因此它们的存在有助于锐化边缘并且更精确地描绘轮廓边界。由于这个原因，在显示图像以前最好把高频成分结合回到图像中去。但是，由于这种高频成分一般都为了减小图像的存储需求而被放弃，所以必须以某种方式对其估算。

本发明包括一种基于子波变换的方法和系统，用于根据存在于该图像之中的频率成分估计一个图像所丢失的高频成分。如上所述，这些成分可能是由于抛弃而被丢失的，通常是由于在压缩期间被置零。但是，本发明的方法还可以被使用在其中的高频系数首先就不存在于该图像的情况中。例如，在图像扩大的情况中，所希望的是随着图像的增长过程在象素之间形成的缝隙中指定一个象素值。本发明的方法还可以根据现有的象素值估算这些值，从而提高放大的图像的质量。

本发明的方法应用到一个原始图像的扩大，首先假定该原始图像包括一个放大的图像的子波变换的低频成分是比该原始图像大四倍。随后从原始图像中的低频系数估算该放大的图像的高频系数。随后是应用反子波变换。结果是由于清晰度已经加倍，所以产生的图像不仅是四倍于，而且还是增强的质量。该过程能够被重复地执行以便获得相继的较大图像。

本发明的方法应用到图像的压缩以及被放弃的高频系数的估计，首先该子波变换应用到原始图像并且放弃某些高频系数或全部高频系数。该子波变换随后被应用到原始图像的子波变换的剩余系数。在本发明的最佳实践中，这一过程可选择继续用于变换的三个附加的级别。在这一级别，只有那些对于感觉来说是最重要的高频系数才被保持。这些高频系数必须随后被有效地编码，通常是通过一个无损耗的算术编码算法进行编码。

对于解压缩来说，该压缩文件被解码以便重建该子波变换达到在上述的压缩步骤中执行的级别数目。该反相子波变换产生例如是原始画面的1/4大小的一个图像。随后利用如上结合图像扩大所述的本发明的方法扩大该图像。这将产生一个完美尺寸的再生图像。

与不使用本新颖的扩展技术的情况相比，本发明方案更可能产生较高的压缩级别和较高的再生图像质量。

对于表示一个视频信号的数据，每一帧子波变换的头两个级别的高频系数被放弃，产生原始大小的1/16的帧。所以在每秒30帧的情况下，每秒钟将要处理的数据量要比现有技术的方案(例如MPEG-1、MPEG-2、H.231、H.234)小480倍。这就产生达到10000∶1的高压缩比率，完全可能利用28.8Kbps调制解调器通过电话线实时发送全尺寸、全色、全动态的视频信号。对于解压缩来说，以1/16原始大小的每一再生帧的两级别扩展将产生高质量的全尺寸视频图象序列。