专利名称：基于感兴趣区域的图像序列无损压缩的编解码方法
技术领域：
本发明涉及基于感兴趣区域的图像序列的无损压縮方法，主要应用于运动图像序列。
技术背景-视频所包含的信息量是人类感知的所有信息中最大的，但用于表示视频的数据量也是 非常大的，如果不进行压縮编码，其存储与网络传输都存在很大的问题。多媒体技术和Internet的应用与发展所面临的主要问题之一就是解决对庞大的图像信息的表示、传输和存 储，而解决这一问题的根本方法就是图像压縮，图像压縮就是在没有失真或者没有明显失 真的前提下，将图像的位图信息转变成另外一种能将图像数据量縮减的表示形式。图像压 縮分为无损压縮和有损压縮两大类，无损压縮可以无失真地重构图像信息。 一些成像设备 价格极其昂贵，图像的获取代价很大，实际中有些应用要求这种压縮是无损的，每是其压 縮图像的压縮比很低，随着图像数据量的增长，对整幅图像都进行无损压縮这种方法不能 满足实际应用中对高压縮比的要求。有损压縮可以获得较高的压縮比，但是它不能保证图 像的有用信息不丢失，图像重构质量也相对较差。在实际应用中， 一幅图像中的部分信息较重要，该区域称为感兴趣区域(ROI)。在医学 图像中，医生只对病变部分感兴趣，在遥感图像中，只对目标存在的区域感兴趣。基于感 兴趣区域(ROI)的图像序列无损压縮方法，就是在图像的感兴趣区域采用无损压縮，从而保 证了重要信息不丢失，而在其他区域为了提高图像的压縮比，则采用有损压縮，兼顾了图 像质量和压縮比的要求。JPEG-IS是ISO/ITU —新批准的图像无损压縮标准。其实早在JPEG2000中就提出来图 像无损压縮的国际标准。而针对视频的无损压縮方法标准较少， 一种是单独对每一帧采用无损压縮方法，完全 不考虑时间轴上的相关性，另外主要是在现有的有损压縮标准基础上，例如MPEG-2， H. 264， AVS等，将其中有损的子算法去掉，实现视频的无损压縮功能。而目前的国际标准以及其它 非标准压縮方法都是采用运动预测等技术来去除时间轴上的相关性的。
发明内容
本发明的目的在于提供基于感兴趣区域的运动图像序列的无损压縮的编解码方法，在 保证感兴趣区域图像信号无失真恢复的前提下，大大地提高了图像的压縮比。 本发明是通过如下步骤来完成对感兴趣区域图像序列信号进行压縮的感兴趣区域提取步骤根据需要手动选择或者以图像识别的结果作为参考，在视频中 确定感兴趣区域。分块步骤根据输入信号，对图像序列，也就是多维数据信号各个分量进行分块，在 行、列以及时间轴上，选择合适的块的大小，组成一个立方体块，或者称为三维矩阵块。 根据计算复杂度和方块效应及与现有标准的兼容，通常分为8X8X8的块。矩阵变换步骤对三维子矩阵进行四维n阶正交变换，计算出三维图像序列子块的变 换系数矩阵；熵编码步骤对正交变换完的三维矩阵进行扫描、熵编码，得到图像序列信号三维矩 阵的编码矩阵，完成对视频信号的压縮。四维n阶正交变换哈达玛矩阵生成步骤根据给出的低阶四维哈达玛正交矩阵，利用 多维克罗内科乘积的方法，产生高阶的四维正交哈达玛矩阵。所说的四维n阶矩阵正交变换包括四维n阶矩阵正变换四维n阶矩阵逆变换所说的四维n阶正交哈达玛矩阵，其四维二阶正交哈达玛矩阵表述如下1 1 1 1—1厂—1 -1—-l -l1 -1_1 -1—-l 1所说的多维克罗内科乘积的产生办法A和B是同维的多维矩阵，则称如下的分块矩阵爿②B二(a,,,司,，，，，，为A与\ <1'2 、 〃乂]x/2^2X…x/丄B的多维克罗内科积直积和张量积；根据四维二阶的哈达玛正交矩阵和多维克罗内科乘积方法，可以产生四维四阶、四维 八阶等哈达玛正交矩阵。技术效果是本发明全面考虑了图像序列信号的行与行之间，列与列之间，时间轴上 帧与帧之间的冗余信息，并考虑了时间、空间的整体变换性，从而在保证信号无失真恢复的前提下提高了数字视频信号的压縮比。
图1本发明所指的基于感兴趣区域的图像序列无损压縮的编解码方法的流程图。
具体实施例方式以下结合附图进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。本发明的核心内容是在图像序列信号压縮方法中引入了四维n阶矩阵的定义及其算法 的定义，并引入了相应的四维n阶矩阵正交变换，并全新提出了哈达玛四维n阶正交矩阵， 以及它的克罗内科乘积产生办法。而感兴趣区域的提取和熵编码均为现有技术。若无特别声明，本文将用R表示实数域，用C表示复数域，用H表示四元数域，Fe{R;C; H}。四维矩阵定义F上的四维数据排列表[fl^]称为IxJxSxT阶四维矩阵。 四维n阶矩阵定义对于任意的IxJxSxT阶四维矩阵A，若其阶数满足I=J=S=T=n,艮卩J/x./xSxr =["y,,] x x x 时，则称A为四维n阶矩阵，记为4^=["扭]^。显然，四维n阶矩阵就是四维n阶方 阵，是一类特殊的四维矩阵。以下用大写字母A， B， C等来表示一个四维n阶矩阵。当需要说明四维矩阵的阶数n 时，可用符号4v,n来表示。四维n阶矩阵性质(1) 当^v,n 二[a一;U,n四个变量zV,W中的任何一个取为常数，而其余的三个变量从最小值变到最大值时，就构成了一个三维立方体矩阵数据表，称为立方体向量；(2) 当四个变量中的任何两个取为常数，而其余的两个变量从最小值变到 最大值时，就构成了一个平面方形数据表，称为平面方形向量(类似于通常意义上的二 维方阵)；四维n阶矩阵运算准则1、 相等如果对于任意的四维n阶矩阵4v，n ^a一]^和^vn =[ JIV，n，若它们的对应元素相等，即"树=6扭，(1S K w;w; " w; l《K w) 我们就说四维n阶矩阵A与B相等，并记之为A=B。每一个元素都是零的四维n阶矩阵叫做零四维n阶矩阵，仍用符号0来表示。2、 加法设四维n阶矩阵<formula>formula see original document page 6</formula>，则四维n阶矩阵的加法定义为<formula>formula see original document page 6</formula>我们把上式称为A与B的和，记为C:A+B。
3、 数乘设meF,neF ; A、 B是任意四维n阶矩阵，则其数乘定义为[wx]IVn ，记为mA， 即四维n阶矩阵的每一个元素都乘以数m。
4、 四维n阶矩阵乘法为不失一般性，设有四维n阶矩阵4^ = [%]IV，n ， &， = [~JIV，n ， CIV，n = n ，则四维n阶矩阵乘法定义为以下等式成立<formula>formula see original document page 6</formula>可记为C二^8。
5、 四维n阶单位矩阵已知四维n阶矩阵<formula>formula see original document page 6</formula>单位矩阵，记为￡,如果"辆<formula>formula see original document page 6</formula>则称4v,n为四维n阶
易证，对于任意四维n阶矩阵4v,恒有:<formula>formula see original document page 6</formula>
6、 四维n阶矩阵的转置运算准则设四维II阶矩阵<formula>formula see original document page 6</formula>如果满足<formula>formula see original document page 6</formula>则称SIVn为4Vn转置矩阵，记为wIV,n)T。若<formula>formula see original document page 6</formula>)T ，则称4v^为四维II阶对称矩阵。
7、 多维矩阵的克罗内科积设<formula>formula see original document page 6</formula>A和B是同维的多维矩阵'则称如下的分块矩阵为A与B的克罗内科积(直积、张量积)。哈达玛矩阵是一类特殊的正交方阵，其元素由+1和-1构成，并且矩阵的任意两行相互 正交。利用西尔维斯特构造法，我们可以生成阶数为2K的哈达玛矩阵<formula>formula see original document page 7</formula>2S《e7V，符号" "表示多维克罗内克乘c8、四维n阶矩阵变换 四维n阶矩阵正变换 5T,'III,n四维n阶矩阵逆变换其中^H,n为上一步骤-分块步骤中分好块的图像序列三维子块，A^为变换后的三维系 数，//n，n为通常意义下的二维哈达玛正交变换矩阵，//^n为本发明给出的四维n阶哈达玛 正交变换矩阵。因此，图像序列的三个分量分别由三维矩阵的三个纵向平面表示。图像序列的这种表 示就把他的各象素的位置关系、时间方向的相关性建筑在同一模型中。我们就可以用多维 矩阵的方法处理运动图像序列，充分利用了各个分量间的相关性，从而实现进一步的能量 压縮。
权利要求
1、一种基于感兴趣区域的图像序列无损压缩的编解码方法，其特征在于通过如下步骤来完成对感兴趣区域图像序列信号进行压缩的感兴趣区域提取步骤根据需要手动选择或者以图像识别的结果作为参考，在视频中确定感兴趣区域；分块步骤根据输入信号，对图像序列，即多维数据信号各个分量进行分块，在行、列以及时间轴上，选择2m的块的大小，m取正整数，组成一个立方体块，即为三维矩阵块；根据计算复杂度和方块效应及与现有标准的兼容，通常取m＝3，即8×8×8的块；矩阵变换步骤对三维子矩阵进行四维n阶矩阵正交变换，计算出三维图像序列子块的变换系数矩阵；熵编码步骤对正交变换完的三维矩阵进行扫描、熵编码，得到图像序列信号三维矩阵的编码矩阵，完成对视频信号的压缩；四维n阶正交变换哈达玛矩阵生成步骤根据给出的低阶四维哈达玛正交矩阵，利用多维克罗内科乘积的方法，产生高阶的四维正交哈达玛矩阵。
2、 根据权利要求l所述的基于感兴趣区域的图像序列无损压縮的编解码方法，其特征 在于所说的四维n阶矩阵正交变换包括四维ll阶矩阵正变换 <formula>formula see original document page 2</formula>四维n阶矩阵逆变换<formula>formula see original document page 2</formula> 。
3、 根据根据权利要求l所述的基于感兴趣区域的图像序列无损压縮的编解码方法，其 特征在于所说的四维n阶正交哈达玛矩阵，其四维二阶正交哈达玛矩阵表述如下<formula>formula see original document page 2</formula>
4、根据权利要求1所述的基于感兴趣区域的图像序列无损压縮的编解码方法，其特征在于所说的多维克罗内科乘积的产生办法A和B是同维的多维矩阵，则称如下的分块矩阵爿(S)S-(a,, ,5),,,,,, 为A与B的多维克罗内科积直积和张量积；根据四维二阶的哈达玛正交矩阵和多维克罗内科乘积方法，可以产生四维四阶、四维 八阶等哈达玛正交矩阵。
全文摘要
本发明涉及基于感兴趣区域的图像序列的无损压缩方法，主要应用于运动图像序列。基于感兴趣区域的运动图像序列的无损压缩的编解码方法，在保证感兴趣区域图像信号无失真恢复的前提下，大大地提高了图像的压缩比。具体步骤如下感兴趣区域提取步骤；分块步骤；矩阵变换步骤；熵编码步骤；四维n阶正交变换哈达玛矩阵生成步骤。本发明的核心内容是在图像序列信号压缩方法中引入了四维n阶矩阵的定义及其算法的定义，并引入了相应的四维n阶矩阵正交变换，并全新提出了哈达玛四维n阶正交矩阵，以及它的克罗内科乘积产生办法。
文档编号H04N7/26GK101257629SQ20081005039
公开日2008年9月3日 申请日期2008年2月26日 优先权日2008年2月26日
发明者鹤 张, 桑爱军, 岩 赵, 陈绵书, 陈贺新 申请人:吉林大学