專利名稱：基于壓縮感知的多描述圖像編碼和解碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于壓縮感知的多描述圖像編碼和解碼方法。
背景技術(shù)：
網(wǎng)絡(luò)、通信及普適計(jì)算等技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展，使實(shí)時(shí)、高質(zhì)量的圖像通信服務(wù)業(yè)務(wù)成為可能。然而，在圖像和視頻信息的傳輸過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)所具有的異構(gòu)、時(shí)變、帶寬有限、誤碼率高、易丟包、延遲以及接收端處理能力的不均衡等特性通常會(huì)使解碼圖像的質(zhì)量下降，有時(shí)甚至?xí)?lái)解碼錯(cuò)誤，實(shí)時(shí)傳輸高質(zhì)量的圖像信息和有效控制傳輸信道的差錯(cuò)成為一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的工作。多描述編碼(Multiple Description Coding,MDC)機(jī)制作為適應(yīng)不可靠傳輸信道圖像和視頻傳輸?shù)囊环N重要編碼手段，其通過(guò)引入描述間的冗余來(lái)抵抗信息在傳輸過(guò)程中因信道的差錯(cuò)所帶來(lái)的質(zhì)量降質(zhì)，提高傳輸?shù)聂敯粜浴，F(xiàn)有的多描述編碼方法主要包括以下幾類基于量化的多描述編碼，基于下采樣的多描述編碼和基于變換的多描述編碼等，其中基于下采樣的方法是通過(guò)時(shí)/空域或變換域下采樣將原圖像劃分為多幅子圖像，對(duì)它們進(jìn)行獨(dú)立編碼并通過(guò)不同信道傳輸?shù)浇獯a端，該類方式具有較為簡(jiǎn)單的編碼器，但很難進(jìn)行冗余控制和有效保護(hù)關(guān)鍵信息，通常具有較差的性能，且一般隨著描述個(gè)數(shù)的增加性能更加惡化；基于量化的編碼方法是通過(guò)對(duì)信源進(jìn)行不同精度的量化來(lái)獲得相應(yīng)的描述，該類方法一般能夠較靈活地控制冗余，然而其索引分配的設(shè)計(jì)比較困難，不能很好地平衡邊緣和中央信道的編碼效率；基于變換的編碼方式是通過(guò)對(duì)信源進(jìn)行變換，在正交變換系數(shù)中引入可控的相關(guān)性，形成描述的冗余信息， 在解碼端對(duì)丟失的描述可利用收到的描述和其中的冗余信息進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)方法通常采用線性插值法，這種直接將變換系數(shù)通過(guò)采樣形成不同的子集作為描述通常會(huì)在一定程度上使圖像重要的頻率系數(shù)丟失，導(dǎo)致圖像解碼質(zhì)量的下降；此外，解碼端的線性插值預(yù)測(cè)盡管方法簡(jiǎn)單，但預(yù)測(cè)誤差較大，直接影響到生成圖像的信噪比。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明旨在提供一種基于壓縮感知的多描述圖像編碼和解碼方法，該方法能夠自適應(yīng)選擇圖像的下采樣方式，使解碼圖像具有較高的信噪比和較好的視覺(jué)效^ ο為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種供基于壓縮感知的多描述圖像編碼方法，其特征在于，包括步驟1.確定下采樣方式，并根據(jù)所述下采樣方式，進(jìn)行下采樣獲得子圖像&的小波系數(shù)矩陣K1，子圖像&的小波系數(shù)矩陣K2 ；步驟2.對(duì)所述子圖像^C1的小波系數(shù)矩陣Kl進(jìn)行基于壓縮感知的0系數(shù)舍棄，獲得稀疏小波系數(shù)矩陣Ll ；對(duì)所述子圖像的小波系數(shù)矩陣K2進(jìn)行基于壓縮感知的0系數(shù)舍棄，獲得稀疏小波系數(shù)矩陣L2 ；
步驟3.確定主信息編碼碼率Pl和冗余信息的編碼碼率P2 ；步驟4.根據(jù)所述主信息編碼碼率和冗余編碼碼率，計(jì)算主信息觀測(cè)值Ml和冗余信息觀測(cè)值M2，并生成主信息隨機(jī)矩陣Z1、冗余信息隨機(jī)矩陣Z2，其中，主信息觀測(cè)值Ml = 主信息編碼碼率PlX信號(hào)的分量數(shù)量N;冗余信息觀測(cè)值M2 =冗余編碼碼率P2X信號(hào)的分量數(shù)量N，主信息隨機(jī)矩陣Zl維數(shù)為Ml XN ；冗余信息隨機(jī)矩陣Z2維數(shù)為M2XN ；步驟5.將所述主信息隨機(jī)矩陣Zl和冗余信息隨機(jī)矩陣Z2作為觀測(cè)矩陣，通過(guò)計(jì)算主信息隨機(jī)矩陣Zl與主信息稀疏小波系數(shù)矩陣Ll的乘積，獲得主信息觀測(cè)向量Y1，通過(guò)計(jì)算冗余信息隨機(jī)矩陣Z2與主信息稀疏小波系數(shù)矩陣L2的乘積，獲得冗余信息觀測(cè)向量 Y2 ；步驟6.將所述主信息觀測(cè)向量Yl的奇數(shù)位和冗余信息觀測(cè)向量Y2的偶數(shù)位結(jié)合，形成描述1信息；將所述主信息觀測(cè)向量的偶數(shù)位和冗余信息觀測(cè)向量的奇數(shù)位結(jié)合，形成描述2信息；優(yōu)選的，步驟1所述確定下采樣方式包括如下步驟步驟11對(duì)原始圖像進(jìn)行隔行采樣，獲得隔行采樣子圖像A、B ；對(duì)所述輸入圖像進(jìn)行隔列采樣，獲得隔列采樣子圖像C、D ；步驟12對(duì)所述隔行采樣子圖像A、B進(jìn)行同一小波變換，形成隔行采樣圖像的小波系數(shù)矩陣~、B1 ；對(duì)所述隔列采樣子圖像C、D進(jìn)行同一小波變換，形成隔行采樣圖像的小波系數(shù)矩陣Q、D1,步驟13分別統(tǒng)計(jì)所述小波系數(shù)矩陣ApBPCPD1的中包括各子帶在內(nèi)的，感知理論框架中的非零元素的個(gè)數(shù)，分別獲得小波系數(shù)矩陣A” B1^C1, D1對(duì)應(yīng)的非零元素的數(shù)量K” K2、K3、K4;步驟14如果小波系數(shù)矩陣~、B1, C1, D1對(duì)應(yīng)的非零元素的數(shù)量&、K2, K3> K4不完全相等，則轉(zhuǎn)步驟15;否則，分別計(jì)算小波系數(shù)矩陣~、B。Cp D1稀疏絕對(duì)值的和；如果小波系數(shù)矩陣ApB1XpD1稀疏絕對(duì)值的和不完全相等，則采用稀疏絕對(duì)值和
最小的小波系數(shù)矩陣所對(duì)應(yīng)的采樣方式；否則，按下式計(jì)算圖像的行(列)相關(guān)系數(shù)Yk:
權(quán)利要求
1.一種供基于壓縮感知的多描述圖像編碼方法，其特征在于，包括步驟1.確定下采樣方式，并根據(jù)所述下采樣方式，進(jìn)行下采樣獲得子圖像&的小波系數(shù)矩陣K1，子圖像&的小波系數(shù)矩陣K2 ；步驟2.對(duì)所述子圖像&的小波系數(shù)矩陣Kl進(jìn)行基于壓縮感知的0系數(shù)舍棄，獲得稀疏小波系數(shù)矩陣Ll ；對(duì)所述子圖像的小波系數(shù)矩陣K2進(jìn)行基于壓縮感知的0系數(shù)舍棄， 獲得稀疏小波系數(shù)矩陣L2 ；步驟3.確定主信息編碼碼率Pl和冗余信息的編碼碼率P2 ；根據(jù)所述主信息編碼碼率Pl和冗余編碼碼率P2，計(jì)算主信息觀測(cè)值Ml和冗余信息觀測(cè)值M2，并生成主信息隨機(jī)矩陣Z1、冗余信息隨機(jī)矩陣Z2，其中，主信息觀測(cè)值Ml=主信息編碼碼率PlX信號(hào)的分量數(shù)量N ；冗余信息觀測(cè)值M2 =冗余編碼碼率P2X信號(hào)的分量數(shù)量N，主信息隨機(jī)矩陣Zl維數(shù)為MlXN ；冗余信息隨機(jī)矩陣Z2維數(shù)為M2XN ；步驟4.將所述主信息隨機(jī)矩陣Zl和冗余信息隨機(jī)矩陣Z2作為觀測(cè)矩陣，通過(guò)計(jì)算主信息隨機(jī)矩陣Zl與主信息稀疏小波系數(shù)矩陣Ll的乘積，獲得主信息觀測(cè)向量Y1，通過(guò)計(jì)算冗余信息隨機(jī)矩陣Z2與主信息稀疏小波系數(shù)矩陣L2的乘積，獲得冗余信息觀測(cè)向量Y2 ；步驟5.將所述主信息觀測(cè)向量Yl的奇數(shù)位和冗余信息觀測(cè)向量Y2的偶數(shù)位結(jié)合，形成描述1信息；將所述主信息觀測(cè)向量的偶數(shù)位和冗余信息觀測(cè)向量的奇數(shù)位結(jié)合，形成描述2信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種供基于壓縮感知的多描述圖像編碼方法，其特征在于，所述確定下采樣方式包括如下步驟步驟11.對(duì)原始圖像進(jìn)行隔行采樣，獲得隔行采樣子圖像A、B ；對(duì)所述輸入圖像進(jìn)行隔列采樣，獲得隔列采樣子圖像C、D ；步驟12.對(duì)所述隔行采樣子圖像A、B進(jìn)行同一小波變換，形成隔行采樣圖像的小波系數(shù)矩陣~、B1 ；對(duì)所述隔列采樣子圖像C、D進(jìn)行同一小波變換，形成隔行采樣圖像的小波系數(shù)矩陣Q、D1,步驟13.分別統(tǒng)計(jì)所述小波系數(shù)矩陣ApB1XpD1的中包括各子帶在內(nèi)的，感知理論框架中的非零元素的個(gè)數(shù)，分別獲得小波系數(shù)矩陣ApBPCPD1對(duì)應(yīng)的非零元素的數(shù)量Ki、K2、 κ3>κ4 ；步驟11.如果小波系數(shù)矩陣ApBp CpD1對(duì)應(yīng)的非零元素的數(shù)量&、1(2、1(3、1(4不完全相等，則轉(zhuǎn)步驟15;否則，分別計(jì)算小波系數(shù)矩陣Ap Bp Q、D1稀疏絕對(duì)值的和；如果小波系數(shù)矩陣ApB1XpD1稀疏絕對(duì)值的和不完全相等，則采用稀疏絕對(duì)值和最小的小波系數(shù)矩陣所對(duì)應(yīng)的采樣方式；否則，按下式計(jì)算圖像的行(列)相關(guān)系數(shù)Yk
3.一種基于壓縮感知的多描述圖像解碼方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1根據(jù)所接收的主信息和冗余信息，確定上采樣(即相對(duì)于下采樣而言的，它是對(duì)圖像進(jìn)行插值操作)方法，分解所接收的描述獲得主信息觀測(cè)向量Yi和冗余信息觀測(cè)向量 Υ2。步驟2利用正交匹配追蹤算法根據(jù)主信息觀測(cè)向量Yl獲得主信息子圖像的系數(shù)矩陣 Μ1，根據(jù)冗余信息觀測(cè)向量Υ2獲得冗余信息子圖像的系數(shù)矩陣Μ2 ；步驟3對(duì)主信息子圖像系數(shù)矩陣Ml進(jìn)行小波逆變換分別重構(gòu)出逼近的子圖像& ；對(duì)冗余信息子圖像系數(shù)矩陣Μ2進(jìn)行小波逆變換分別重構(gòu)出逼近的子圖像；步驟4根據(jù)所述采樣方法，確定與丟失奇數(shù)行相對(duì)應(yīng)的上偶數(shù)行的信息權(quán)重α工、與丟失奇數(shù)行相對(duì)應(yīng)的下偶數(shù)行的信息權(quán)重α 2、與丟失奇數(shù)行對(duì)應(yīng)的冗余信息的權(quán)重β ；根據(jù)下式進(jìn)一步確定逼近的子圖像&；U(XY)Y=^-IX2(XY)=I2OiXi (X, ^+OC2Xi (Χ, Υ+1)+βΧ^{Χ, Y), else其中row為圖像的行號(hào)；步驟5通過(guò)上采樣將逼近的子圖像Xl和逼近的子圖像X2合并解碼出原始圖像信號(hào)。
4.一種基于壓縮感知的多描述圖像解碼方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1.分別對(duì)接收到的兩個(gè)描述進(jìn)行分解，獲得主信息觀測(cè)向量Yl和冗余信息觀測(cè)向量Y2 ；步驟2.利用正交匹配追蹤算法根據(jù)主信息觀測(cè)向量Yl分別求解出兩個(gè)描述主信息對(duì)應(yīng)的子圖像的系數(shù)矩陣Ml和M2 ；步驟3.對(duì)主信息對(duì)應(yīng)的子圖像的系數(shù)矩陣Ml和M2進(jìn)行小波逆變換分別重構(gòu)出逼近的子圖像Xl和逼近的子圖像X2 ；步驟4.通過(guò)上采樣將逼近的子圖像Xl和逼近的子圖像X2合并，解碼出原始圖像信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于壓縮感知的多描述圖像編碼和解碼方法，屬于圖像處理領(lǐng)域，該方法以圖像行列相關(guān)系數(shù)和稀疏度為依據(jù)，自適應(yīng)地選擇圖像的下采樣方式，并根據(jù)采樣圖像的測(cè)量值確定多個(gè)描述。其中，描述信息包括當(dāng)前描述的主信息和另一個(gè)描述的保護(hù)信息。當(dāng)傳輸信道環(huán)境惡劣而使一個(gè)描述丟失時(shí)，本發(fā)明給出一種基于加權(quán)的方法來(lái)預(yù)測(cè)丟失的描述。同時(shí)，為了克服傳統(tǒng)平衡多描述結(jié)構(gòu)中當(dāng)兩個(gè)描述同時(shí)接收到時(shí)所帶來(lái)的冗余信息的浪費(fèi)，本發(fā)明能根據(jù)信道狀況，最優(yōu)化調(diào)整主信息與冗余信息的碼率，本發(fā)明編碼效率高，解碼圖像具有較高的信噪比和很好的視覺(jué)效果。
文檔編號(hào)H04N7/32GK102572427SQ201110439010
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月24日
發(fā)明者宋傳鳴, 王相海, 程露露 申請(qǐng)人:遼寧師范大學(xué)