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1、太原理工大学 硕士学位论文 基于小波变换的贝尔像压缩算法的研究 姓名：胡敏 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：程永强 20100101 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 基于小波变换的贝尔像压缩算法的研究 摘 要 随着数字成像设备在工业监控，消费等各个领域的广泛应用，推动了 相关理论技术及应用的研究不断深入细化。由于体积、功耗、成本、制造 工艺等多方面因素的制约，绝大多数摄像设备采用单 CCD 贝尔模板。直接 压缩贝尔像可避免复杂插值算法，节省硬件资源、降低功耗，成为研究 热点。目前采用基于结构变换的贝尔像压缩方法。不仅算法复杂，压缩 效率也不能满足应用需求。为此，本文提出基于小波变换的
2、贝尔像压缩 方法。 由于小波变换和贝尔像都是一个 22 周期采样模板，这种对应性使 小波变换能有效地表示时频域的贝尔像。本文采用 Mallat 整值小波包对 贝尔像进行五层分解，去除系数间相关性。由于小波的提升格式本质上 是在像素上进行线性预测，变换产生的高频子带看作预测残差。所得到的 低频系数通过差分预测获得残差与其它子带高频系数一起符合拉普拉斯分 布。按照光栅扫描顺序在每个子带内进行 Golomb-Rice 编码，无损压缩比 达 1.7：1。 由于多小波既保持了单小波所具有的良好的时域与频域的局部化特 性，又克服了单小波的缺陷，将光滑性、紧支性、对称性、正交性完美地 结合在一起。本文采用多
3、小波对贝尔像进行一层分解。分析不同幅度的 子带系数，以及不同子带像在恢复像时的权重，权重大的子带像和 子带系数选择较高的量化精度，权重小的子带像和子带系数只做粗略量 化。以各个子带的样本标准差作为量化阈值，对子带系数进行自适应二进 制算术编码，有损压缩比为 3.1：1，重构像 PSNR 达到 42dB。 本文提出的基于小波变换的贝尔像压缩算法，可以广泛应用于像 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 传感器成像设备当中，有效提高设备存储效率。 关键词：贝尔像，压缩，小波变换 太原理工大学硕士研究生学位论文 III RESEARCH ON BAYER IMAGE COMPRESSION BASED
4、 ON WAVELET TRANSFORM ABSTRACT With the wide application of digital imaging equipment in the industrial control, consumer and other fields, the research of theory of technology-related and application is promoted. The majority of camera equipment use single CCD based on Bayer pattern on account of c
5、onstraints of the size, power consumption, cost, manufacturing process and other factors. Direct compression of Bayer image can avoid complicated interpolation algorithm, save hardware resources, and reduce power, which become the hot spot of research. The current compression of Bayer image is based
6、 on structure transform, the algorithm not only is complicated, but also its compression rate can hardly meet practical demands. Therefore, an approach to Bayer image compression based on wavelet transform is proposed in the paper. A 2-D wavelet transform and the Bayer pattern both have a 22 periodi
7、cal sampling pattern. This correspondence makes 2-D wavelet transform efficient to represent the Bayer pattern in frequency-space domain. We propose five-level Mallat wavelet packet decomposition of Bayer image that is ideally suited to the task of decorrelating mosaic data. Since the lifting scheme
8、 of the integer wavelet essentially performs linear prediction on pixels, the wavelet coefficients in the high-frequency subband can be viewed as prediction errors. After low-frequency coefficients prediction, the prediction errors are treated the same as those coefficients in the high-frequency sub
9、band. We develop a simple context-based Golomb-Rice coding scheme to compress integer wavelet coefficients of every subband in accord with the raster scan order. Lossless compression ratio can achieve 1.7:1. 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV Multiwavelet keeps excellent characteristics of spectral and spatial doma
10、ins owned by unit-wavelet and overcomes the defects of unit-wavelet. Multiwavelet perfectly combines with smoothness, compactness, symmetry and orthogonality. One-level multwavelet decomposition of Bayer image is proposed in the paper. In the process of restoration of image, if the weights of differ
11、ent sub-band images, as well as different magnitude sub-band coefficients are different, the quantitative threshold relies on each subband sample standard deviation: the higher weight chooses the better quantify accuracy; while the lower one only have a rough quantitative. We develop adaptive binary
12、 arithmetic coding to compress coefficients of every subband. Lossy compression ratio can achieve 3.1:1; PSNR of recovered image is 42dB. The Compression of Bayer image based on wavelet transform proposed in the paper can be widely used in image sensor equipment, which can improve the storage effici
13、ency. KEY WORDS: Bayer image, compression, wavelet transform 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 论文的研究背景及意义 为了减少成本和体积， 大多数诸如数码相机的彩成像设备使用带有彩滤波阵列 CFA(Color Filter Array)的单 CCD 传感器获取彩像。贝尔(Bayer)模板是最常用的阵 列结构，在这种阵列结构中像素位置以间隔方式放置红、绿、蓝的滤镜，且绿滤镜 的数量为红（或蓝）的两倍，更加符合人眼对彩的敏感性。 在医学像，重要专利文档等应用领域，需要使用压缩进行存储。目前采用 JPEG2000
14、压缩 CFA 插值后的全彩像， 取得了较好地效果。 但 CFA 插值以及相应处 理增加了数据量和信息冗余，对于实时性、低能耗、小体积的便携式设备(如无线内窥 镜、数码相机等)性能提高是非常不利的。直接压缩贝尔像避免了复杂的获得全彩 像的过程，同时，由于贝尔像数据量仅为全彩像的三分之一，不需要进行计算量 庞大的插值重建及全彩像压缩处理，可大大增加每秒实时存储的像数量，在便携式 成像设备中有很好的应用前景。 小波分析作为一种时频分析工具， 在短时傅里叶变换的基础上发展起来的一种新型 变换方法。小波变换具有多分辨率分析的特点，在时域、频域都具有表征信号局部特征 的能力，因此广泛地应用于像处理领域中，
15、成为信号处理强有力的工具。小波 Mallat 算法的构建和提升方案的提出，使小波理论获得突破性进展，实现整型变换，为无损压 缩提供了理论基础。 多小波开创性地将单小波中由单个尺度函数生成的多尺度分析空间， 扩展为由多个 尺度函数生成，以此来获得更大的自由度。与单小波相比较，多小波同时具备紧支性， 正交性，对称性等诸多信号处理中非常重要的良好性质。这决定了其在这方面将被越来 越广泛的研究和应用。 1.2 贝尔像压缩的研究现状 在摄像设备中对像进行存储或传输前应压缩编码， 通常的做法是压缩贝尔插值后 的全彩像，再存储或传输，简称插值后压缩机制；另外一种做法是采用插值前压缩 机制3，即直接压缩贝尔像
16、，然后存储或传输。这两种压缩机制各有优缺点：前者采 用国际标准算法，可获得较高的压缩比，被广泛利用，缺点是贝尔插值并不增加贝尔 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 像的信息量，反而增加了数据冗余，而且具有庞大的计算量，随着插值算法复杂度和 像传感器分辨率的增加，计算量会急剧增大，大大增加了硬件复杂度、体积、处理时间 以及设备能耗。后者的优点是在成像设备中避免了复杂地获得全彩像的过程，被压 缩的贝尔像数据可以存储或传输到 PC 机等丰富计算资源的设备上，进行离线解压缩 处理，解压后，人们可以根据需求选用任意复杂的高性能插值算法，获得更为满意的 像。直接压缩贝尔像的缺点是：直接采用当今国际标准像压缩算法获得的压缩比很 低，目前尚未形成直接压缩贝尔像的国际标准，现有的算法不能被国际上广泛认可接 受，只是作为一些企业或研
