一种图像无损压缩系统及方法与流程

本发明涉及图像信息处理技术领域，尤其涉及一种图像无损压缩系统及方法。

背景技术：

图像传感器目前已广泛应用于科学研究，工业生产，医疗卫生，国防军事等各个领域。随着图像分辨率及图像帧率的不断提升，人类得以观察到更加细微的物体特征，或者更为短暂的物理现象，从而极大的丰富了人类的观测手段，提高了人类的认知水平。

然而随着图像性能参数的迅速提升，同时也带来了图像数据量和数据传输带宽成倍增长的巨大挑战。海量的图像数据和超高数据传输带宽，为后续的图像传输、存储及处理都带来了一系列技术难题。

目前针对此类高分辨率，高帧率下的超高带宽图像数据流(尤其是对超过10Gbps量级的图像数据流)，进行实时的、且无信息损失的压缩相对困难。受高帧率、高数据带宽，以及处理能力限制，现有高速图像采集系统中，多为直接存储原始图像数据而未做任何处理。所以图像数据中存在大量的冗余数据，实际上浪费了存储容量，占用了额外传输带宽，也大幅提高了成像系统的实现成本。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种图像无损压缩系统及方法，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种图像无损压缩系统，包括：

状态寄存单元，用于寄存并输出接收的至少一帧图像的各序号；

数据分配器，用于接收所述图像，并根据所述序号选通S-O-F插入器或求差编码单元；

S-O-F插入器(数据帧头插入器)，用于根据所述序号，输出第一帧图像的暗像素行和有效像素行第一行、及除第一帧图像外的其余各帧图像的有效像素行第一行；以及将除第一帧图像外的其余各帧图像的暗像素行替换成对齐码，并输出对齐码；

求差编码单元，用于求取每一帧图像除第一行有效像素行外的其余有效像素行前后行的残差；对所述残差编码，并输出编码后的标示值与溢出值；

码流合成器，用于根据所述序号，整合并依次选通输出压缩后的图像信息。

优选地，所述压缩后的图像信息为第一帧图像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的标示值和溢出值；除第一帧图像外的其余各帧图像的有效像素行第一行、暗像素行的对齐码以及其余有效像素行的标示值和溢出值。

优选地，所述状态寄存单元包括：

循环计数器，用于寄存图像数据的像素序号；

循环计数器，用于寄存图像数据的行序号；

递增计数器，用于寄存图像数据的帧序号。

优选地，所述求差编码单元包括：

数据双缓存单元，用于接收、存储并输出所述图像；

帧间差值运算器，用于求取并输出所述残差及溢出值；

差值编码器，用于对所述残差编码，输出编码后的标示值；

溢出值数据缓存单元，用于存储并输出所述溢出值。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种图像无损压缩方法，包括：

S1、依次接收至少一帧图像，寄存并输出所述图像的各序号，即像素序号、行序号和帧序号；

S2、处理第一帧图像：输出第一帧图像暗像素行及有效像素第一行；计算并编码其余有效像素行计算各行残差，得到并输出编码后的标示值和溢出值；

S3、处理除第一帧图像外的其余各帧图像：得到并输出其余各帧图像暗像素行的对齐码；输出有效像素第一行；计算并编码其余有效像素行计算前后行的残差，得到并输出编码后的标示值和溢出值；

S4、根据所述序号，整合并依次选通输出压缩后的图像信息。

优选地，所述压缩后的图像信息为第一帧图像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的标示值和溢出值；除第一帧图像外的其余各帧图像的暗像素行的对齐码、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的标示值和溢出值。

优选地，所述对齐码满足公式：

或

其中，gray(p，l，f)为图像的灰度函数，p为图像的像素序号，1为行序号，f为帧序号，M为图像宽度，N为图像高度，R为图像像素的量化位宽，l_dark为图像的暗像素行行高，％为取余运算符。

优选地，所述残差δ(p，l，f)满足公式：

δ(p，l，f)＝gray(p，l，f)-gray(p，l-1，f)

(1≤p≤M，L_dark+1＜l≤N，f≥1)。

优选地，所述标示值B(p，l，f)满足公式：

其中，TH为阈值，TH＝2^k-1(0＜K＜R)；binK_{δ(p，l，f)}为残差的K比特有符号自然二进制码，binK_TH为TH的K比特有符号自然二进制码，binK_-(TH+1)为-(TH+1)的K比特有符号自然二进制码。

优选地，所述溢出值O(p，l，f)满足公式：

其中，binR_{δ(p，l，m)}为残差的R比特有符号自然二进制码。

(三)有益效果

1、本发明的图像无损压缩方法简单高效，硬件实现时延时较低，可以实现较高的处理主频；此外并行度高，可以处理多帧图像，以及多个图像区块，因此非常利于算法的硬件移植，可实现极高数据带宽下的实时压缩；

2、本发明的图像无损压缩系统包括S-O-F插入器，既能保留暗像素数据，又能设置图像的帧头对齐码，利于压缩数据后处理或图像重建阶段的快速图像检索、定位和对齐；

3、本发明适用于高帧率图像数据流和缓变图像数据流的压缩；

4、本发明算法可以实现极高数据带宽下的实时图像压缩，且图像信息无损失。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的步骤示意图；

图3为本发明实施例的具体实现流程图；

图4为本发明实施例的输出数据流格式的示意图；

图5为本发明实施例的测试图像示意图。

具体实施方式

本发明实施例的一个方面，提供了一种图像无损压缩系统，包括：

状态寄存单元，用于寄存并输出接收的至少一帧图像的各序号；

具体地，所述状态寄存单元包括：循环计数器，用于寄存图像数据的像素序号；循环计数器，用于寄存图像数据的行序号；递增计数器，用于寄存图像数据的帧序号。

数据分配器，用于接收所述图像，并根据所述序号选通S-O-F插入器或求差编码单元；

S-O-F插入器，用于根据所述序号，输出第一帧图像的暗像素行和有效像素行第一行、及除第一帧图像外的其余各帧图像的有效像素行第一行；以及将除第一帧图像外的其余各帧图像的暗像素行替换成对齐码，并输出对齐码；

求差编码单元，用于求取每一帧图像除第一行有效像素行外的其余有效像素行前后行的残差；对所述残差编码，并输出编码后的标示值与溢出值；

具体地，所述求差编码单元包括：数据双缓存单元，用于接收、存储并输出所述图像；帧间差值运算器，用于求取并输出所述残差及溢出值；差值编码器，用于对所述残差编码，输出编码后的标示值；溢出值数据缓存单元，用于存储并输出所述溢出值。

码流合成器，用于根据所述序号，整合并依次选通输出压缩后的图像信息：第一帧图像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的标示值和溢出值；除第一帧图像外的其余各帧图像的有效像素行第一行、暗像素行的对齐码以及其余有效像素行的标示值和溢出值。

本发明实施例的另一方面，还提供了一种图像无损压缩方法，包括：

S1、依次接收至少一帧图像，寄存并输出所述图像的各序号，即像素序号、行序号和帧序号；

S2、处理第一帧图像：输出第一帧图像暗像素行及有效像素第一行；计算并编码其余有效像素行计算各行残差，得到并输出编码后的标示值和溢出值；

S3、处理除第一帧图像外的其余各帧图像：得到并输出其余各帧图像暗像素行的对齐码；

输出有效像素第一行；计算并编码其余有效像素行计算前后行的残差，得到并输出编码后的标示值和溢出值；

所述对齐码满足公式：

或

其中，gray(p，l，f)为图像的灰度函数，p为图像的像素序号，l为行序号，f为帧序号，M为图像宽度，N为图像高度，R为图像像素的量化位宽，l_dark为图像的暗像素行行高，％为取余运算符。

S4、根据所述序号，整合并依次选通输出压缩后的图像信息：第一帧图像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的标示值和溢出值；除第一帧图像外的其余各帧图像的有效像素行第一行、暗像素行的对齐码以及其余有效像素行的标示值和溢出值。

其中，所述残差δ(p，l，f)满足公式：

δ(p，l，f)＝gray(p，l，f)-gray(p，l-1，f)

(1≤p≤M，L_dark+1＜l≤N，f≥1)。

所述标示值B(p，l，f)满足公式：

其中，TH为阈值，TH＝2^k-1(0＜K＜R)；binK_{δ(p，l，f)}为残差的K比特有符号自然二进制码，binK_TH为TH的K比特有符号自然二进制码，binK_-(TH+1)为-(TH+1)的K比特有符号自然二进制码。

所述溢出值O(p，l，f)满足公式：

其中，binR_{δ(p，l，m)}为残差的R比特有符号自然二进制码。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明实施的结构示意图，如图1所示，图像无损压缩系统包括：状态寄存单元、数据分配器、S-O-F插入器、求差编码单元和码流合成器。所述状态寄存器包括P循环计数器，用于寄存图像数据的像素序号p；L循环计数器，用于寄存图像数据的行序号1；和F递增计数器，用于寄存图像数据的帧序号f；状态寄存单元接收至少一帧图像，寄存并输出所述图像的各序号，即像素序号p、行序号1和帧序号f，至数据分配器、S-O-F插入器和码流合成器。

所述数据分配器接收所述图像以及状态寄存单元输出的p、l、f序号选通S-O-F插入器或求差编码单元。S-O-F插入器接收所述p、l、f序号，输出第一帧图像的暗像素行和有效像素行第一行、及除第一帧图像外的其余各帧图像的有效像素行第一行；以及将除第一帧图像外的其余各帧图像的暗像素行替换成对齐码，并输出对齐码G(p，l，f)。所述求差编码单元，包含：数据双缓存单元、帧间差值运算器、差值编码器和溢出值数据缓存单元。数据双缓存单元接收、存储并输出所述图像；帧间差值运算器，求取并输出所述残差δ(p，l，f)及溢出值O(p，l，f)；差值编码器，对所述残差编码，输出编码后的标示值B(p，l，f)；溢出值数据缓存单元，存储并输出所述溢出值至码流合成器。

码流合成器接收S-O-F插入器、差值编码器和溢出值数据缓存器输出的信息，根据所述序号，输出压缩后的图像信息：第一帧图像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的标示值和溢出值；除第一帧图像外的其余各帧图像的暗像素行的对齐码、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的标示值和溢出值。

图2为本发明实施例的步骤示意图，如图2所示，图像无损压缩方法包括：

S1、依次接收至少一帧图像，寄存并输出所述图像的各序号，即像素序号、行序号和帧序号；

S2、处理第一帧图像：输出第一帧图像暗像素行及有效像素第一行；计算并编码其余有效像素行计算各行残差，得到并输出编码后的标示值和溢出值；

所述残差满足公式：

δ(p，l，f)＝gray(p，l，f)-gray(p，l-1，f)

(1≤p≤M，L_dark+1＜l≤N，f≥1)

所述标示值B(p，l，f)满足公式：

其中，TH为阈值，TH＝2^k-1(0＜K＜R)；binK_{δ(p，l，f)}为残差的K比特有符号自然二进制码，binK_TH为TH的K比特有符号自然二进制码，binK_-(TH+1)为-(TH+1)的K比特有符号自然二进制码。

所述溢出值O(p，l，f)满足公式：

其中，binR_{δ(p，l，m)}为残差的R比特有符号自然二进制码。

S3、处理除第一帧图像外的其余各帧图像：得到并输出其余各帧图像暗像素行的对齐码；输出有效像素第一行；计算并编码其余有效像素行计算前后行的残差，得到并输出编码后的标示值和溢出值；

所述对齐码满足公式：

或

其中，gray(p，l，f)为图像的灰度函数，p为图像的像素序号，l为行序号，f为帧序号，M为图像宽度，N为图像高度，R为图像像素的量化位宽，l_dark为图像的暗像素行行高，％为取余运算符。

S4、根据所述序号，整合并依次选通输出压缩后的图像信息：第一帧图像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的标示值和溢出值；除第一帧图像外的其余各帧图像的暗像素行的对齐码、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的标示值和溢出值。

图3为本发明实施例的具体实现流程图，如图3所示，图像无损压缩系统开始处理至少一帧图像，先根据递增计数器中寄存的帧序号f判断当前图像是否为第一帧图像，再将循环计数器L中寄存的行序号1与暗像素行l_dark比较，判断当前行为暗像素行还是有效像素行的各个行。当前图像为第一帧图像时：若当前行为暗像素行或者有效像素行的第一行，则直接输出原始数据至码流合成器；若当前行为除第一行有效像素行之外的其余有效像素行，则进行该行和前一行残差的计算，再对残差和阈值TH判断，输出对应的标示值和溢出值。若当前图像为除第一帧之外的其他帧图像时：若当前行为暗像素行，则计算并输出对齐码；若当前行为有效像素行第一行，则不作处理直接输出原始数据；若当前行为除第一行有效像素行之外的其余有效像素行，则计算该行和前一行的残差，再对残差和阈值TH判断，输出对应的标示值和溢出值至码流合成器。最后，码流合成器整合接收的数据，输出压缩后的图像信息。

图4为本发明实施例的输出数据流格式的示意图，如图4所示，所述图像无损压缩系统输出的压缩后的信息为：第一帧图像的暗像素行、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的标示值和溢出值；除第一帧图像外的其余各帧图像的暗像素行的对齐码、有效像素行第一行、以及其余有效像素行的标示值和溢出值。

图5为本发明实施例的测试图像示意图，如图5所示，原始图像为2560(H)×2162(V)×16bits＝88555520bits，暗像素行2行，经过本发明的压缩方法处理，设定阈值为127，即K＝8，其理论极限压缩比为1.997，实际压缩后图像大小为44883689bits，图像压缩比约为1.973。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。