基于JPEG和图像分裂的静止图像编码
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Ａｕ ｇ． ２０１ ３
文章编号 ： ２ ０ ９ ５— ３ ８ ５ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ ４ ６ ８— ０ ５
文献标志码 ： Ａ
基于 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ 和 图像 分 裂 的静 止 图像 编 码
刘 雪冬 ， 杨 杰 ， 张 康
（ 武汉理工大学 信息工程学院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ０ ）
１
Ｏ Leabharlann Baidu
１
２
３
４
５
６
７
估计 的残 差模 递减序号／ ×１ ０
图 ３ 按照 Ｌ ｅ ｎ ａ （ ５ １ ２× ５ １ ２ ） 的 子 图像 Ｌ Ｕ二 阶导 数 模
１ （ ２ ／ ＋ １ ， ＋ １ ） ］ ＝ — ｝ ｛ ［ ， （ ， ） 一 ， （ 一 １ ， 一 １ ） ］ 一
［Ｉ （ ２ ｉ ＋１ ， ２ ｊ＋１ ）一Ｉ （ ２ ｉ ， ２ ｊ ） ］＋ ［ Ｉ （ ２ ｉ ， ２ ｊ ） 一 Ｉ （ ／ 一１ ２ ， ＋１ ） ］一［ Ｉ （ ２ ｉ＋１ ， ２ ｊ一１ ）一１ （ ／， ２ ） ］ ｝＝
测 残差 也被 编码 传 输 。笔 者 所提 出算 法 的编 码／
解 码框架 如 图 １所示 。
避化 的 Ｄ Ｃ Ｔ系数 进行 预测 ， 提 供 了一个 后处 理 系
统来 减 轻 方块 效 应 ， 同 时 减 少 了边 缘 的 模 糊 度 。 解决 方块效 应 的另一种 思路 是对 原始 图像亚 采样 后进行 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ编码 ， 最后 解码 器利 用该 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ解 码 图像进 行插 值 重 建 原 始 图 像 Ｊ 。该 方 法 在 甚 低
１ ＾ ＾
÷［ （ ｉ ， ）＋ （ ｉ √ ＋１ ）＋ （ ｉ＋１ ， ）＋
Ｌ Ｕ （ ｉ ＋ １ ， Ｊ ＋ １ ） ］ Ｉ （ ２ ｉ ， ２ ｊ ）～￣ － ［ Ｉ （ ２ ｉ 一１ ，
一
＾
１
１ ）＋， （ ２ 一１ ， ２ ｊ＋１ ）＋， （ ２ ＋１ ， ２ ｊ一１ ）＋
第３ ５ 卷 第４ 期
２ ０ １ ３年 ８ 川
武 汉理工大学学报 （ 信息与管理工程版 ）
Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ ＷＵ Ｔ （ Ｉ Ｎ Ｆ Ｏ Ｒ ＭＡ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ＆ＭＡ Ｎ Ａ Ｇ Ｅ Ｍ Ｅ Ｎ Ｔ Ｅ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ Ｎ Ｇ）
Ｖｏ １ ． ３ ５ Ｎｏ． ４
改善 。原 因在 于 ， 亚采 样 造 成不 可恢 复 的信 息损
失， 提 高 的 比特 率 难 以进 一 步 减 小 插 值 残 差 Ｊ 。
而成为 一种 针对 自然 图像 广 泛 使 用 的压 缩 方法 。 然而 ， 在 低 比特 率 条 件 下 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ 的重 建 图像 会 呈
项 目（ ２ ０ １ ３～Ｉ Ｖ一０ ２ ３ ） ．
４ ７ ０
武汉理工大学学报（ 信息与管理工程版）
２ ０ １ ３年 ８月
考 虑到 式 （ １ ） ， 对 于 由原始 图像 每 个 ２×２
像块 右下像 素构成 的 Ｒ Ｄ， 其 预测残 差 为 ：
ｅ ｒ ｒ Ｒ Ｄ（ ｉ √ ）＝Ｒ Ｄ（ ｉ √ ）一 Ｒ － － ＇ ｌ Ｊ （ ｉ ， ｊ ）：Ｒ Ｄ（ ｉ ， ｊ ）一
摘
要： 钊‘ 对Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ和 “ 亚采样 一 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ一插值 ” 方案都 不能在所有 比特率下 取得最佳 解码 图像 质量 的问
题， 以亚采样方 式将原始 图像分裂为 ４幅相似的子图像 ， 对其 中一幅子 图像 Ｌ Ｕ进行 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ编码 ， 然后 利用其
解码 图像插值预测另外 ３幅子 图像 ， 并 利用子 图像 Ｌ 的 ２阶方向导数 预测插值残差 的模值 ， 实现 了将残差按 模值降序排列从而保证较大的残差被首先扫描 和编码 。实验结果表 明， 该方法 的率失 真性能优于 “ 亚采样 一
Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ（ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ ｓ ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ）标
随着 比特 率 的提高 ， 这 种方法 的率 失真性 能变差 ，
准¨ 以其优 良 的压 缩 性 能 和 较 低 的计 算 复 杂 度
即使 比特率提高很多 ， 图像质量也不能得到 明显
现方块 效应 。针 对 该 问题 ， 文献 ［ ２ ］ 通 过 对 未 经
如果 能够 把插 值残 差 进行 编码 再 传输 到 解 码 器 ， 那 么提 高的 比特 率 有 望改 善 图像质 量 。鉴 于此 ， 算法 首先 将一 幅原始 图像 通过 亚 采样 分裂 得 到 ４ 幅相似 的图像 ， 然后 对其 中一 幅进行 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ编 码 ， 再 利用其 解码 图像 插值 预测 另 外 ３幅 图像 ， 预
比特 率下 能 够得 到 高于 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ 的图像 质量 。但 是
图１ 所提 出算法 的编码／ 解码框架
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ １— ０ ２ ．
作者简介 ： 刘雪冬（ １ ９ ７ ６一 ） ， 男， 内蒙古化德人 ， 武汉理工大学信息工程学 院副教授 ； 博士． 基金项 目： 圈家 自然科学基金资助项 目（ ６ １ ０ ０ １ ０ ８ ２ ） ； 湖北省博士后科技活动择优基金资助项 目； 中央 高校基本科研 业务费专项基金 资助
Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ一插值 ” 方案 。就重建 图像 质量而言 ， 在低 比特率 条件 下高于 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ， 而在 中高 比特率下则接近 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ。
关键词 ： 图像编码 ； 图像分裂 ； Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ； 插值预测 ； ２阶方 向导数 ； 模值排序
中 图分 类号 ： Ｔ Ｎ ９ １ ９ ． ８ １ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５— ３ ８ ５ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ ０ ２
文章编号 ： ２ ０ ９ ５— ３ ８ ５ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ ４ ６ ８— ０ ５
文献标志码 ： Ａ
基于 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ 和 图像 分 裂 的静 止 图像 编 码
刘 雪冬 ， 杨 杰 ， 张 康
（ 武汉理工大学 信息工程学院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ０ ）
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估计 的残 差模 递减序号／ ×１ ０
图 ３ 按照 Ｌ ｅ ｎ ａ （ ５ １ ２× ５ １ ２ ） 的 子 图像 Ｌ Ｕ二 阶导 数 模
１ （ ２ ／ ＋ １ ， ＋ １ ） ］ ＝ — ｝ ｛ ［ ， （ ， ） 一 ， （ 一 １ ， 一 １ ） ］ 一
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解 码框架 如 图 １所示 。
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统来 减 轻 方块 效 应 ， 同 时 减 少 了边 缘 的 模 糊 度 。 解决 方块效 应 的另一种 思路 是对 原始 图像亚 采样 后进行 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ编码 ， 最后 解码 器利 用该 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ解 码 图像进 行插 值 重 建 原 始 图 像 Ｊ 。该 方 法 在 甚 低
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÷［ （ ｉ ， ）＋ （ ｉ √ ＋１ ）＋ （ ｉ＋１ ， ）＋
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第３ ５ 卷 第４ 期
２ ０ １ ３年 ８ 川
武 汉理工大学学报 （ 信息与管理工程版 ）
Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ ＷＵ Ｔ （ Ｉ Ｎ Ｆ Ｏ Ｒ ＭＡ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ＆ＭＡ Ｎ Ａ Ｇ Ｅ Ｍ Ｅ Ｎ Ｔ Ｅ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ Ｎ Ｇ）
Ｖｏ １ ． ３ ５ Ｎｏ． ４
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失， 提 高 的 比特 率 难 以进 一 步 减 小 插 值 残 差 Ｊ 。
而成为 一种 针对 自然 图像 广 泛 使 用 的压 缩 方法 。 然而 ， 在 低 比特 率 条 件 下 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ 的重 建 图像 会 呈
项 目（ ２ ０ １ ３～Ｉ Ｖ一０ ２ ３ ） ．
４ ７ ０
武汉理工大学学报（ 信息与管理工程版）
２ ０ １ ３年 ８月
考 虑到 式 （ １ ） ， 对 于 由原始 图像 每 个 ２×２
像块 右下像 素构成 的 Ｒ Ｄ， 其 预测残 差 为 ：
ｅ ｒ ｒ Ｒ Ｄ（ ｉ √ ）＝Ｒ Ｄ（ ｉ √ ）一 Ｒ － － ＇ ｌ Ｊ （ ｉ ， ｊ ）：Ｒ Ｄ（ ｉ ， ｊ ）一
摘
要： 钊‘ 对Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ和 “ 亚采样 一 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ一插值 ” 方案都 不能在所有 比特率下 取得最佳 解码 图像 质量 的问
题， 以亚采样方 式将原始 图像分裂为 ４幅相似的子图像 ， 对其 中一幅子 图像 Ｌ Ｕ进行 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ编码 ， 然后 利用其
解码 图像插值预测另外 ３幅子 图像 ， 并 利用子 图像 Ｌ 的 ２阶方向导数 预测插值残差 的模值 ， 实现 了将残差按 模值降序排列从而保证较大的残差被首先扫描 和编码 。实验结果表 明， 该方法 的率失 真性能优于 “ 亚采样 一
Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ（ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ ｓ ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ）标
随着 比特 率 的提高 ， 这 种方法 的率 失真性 能变差 ，
准¨ 以其优 良 的压 缩 性 能 和 较 低 的计 算 复 杂 度
即使 比特率提高很多 ， 图像质量也不能得到 明显
现方块 效应 。针 对 该 问题 ， 文献 ［ ２ ］ 通 过 对 未 经
如果 能够 把插 值残 差 进行 编码 再 传输 到 解 码 器 ， 那 么提 高的 比特 率 有 望改 善 图像质 量 。鉴 于此 ， 算法 首先 将一 幅原始 图像 通过 亚 采样 分裂 得 到 ４ 幅相似 的图像 ， 然后 对其 中一 幅进行 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ编 码 ， 再 利用其 解码 图像 插值 预测 另 外 ３幅 图像 ， 预
比特 率下 能 够得 到 高于 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ 的图像 质量 。但 是
图１ 所提 出算法 的编码／ 解码框架
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ １— ０ ２ ．
作者简介 ： 刘雪冬（ １ ９ ７ ６一 ） ， 男， 内蒙古化德人 ， 武汉理工大学信息工程学 院副教授 ； 博士． 基金项 目： 圈家 自然科学基金资助项 目（ ６ １ ０ ０ １ ０ ８ ２ ） ； 湖北省博士后科技活动择优基金资助项 目； 中央 高校基本科研 业务费专项基金 资助
Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ一插值 ” 方案 。就重建 图像 质量而言 ， 在低 比特率 条件 下高于 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ， 而在 中高 比特率下则接近 Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ。
关键词 ： 图像编码 ； 图像分裂 ； Ｊ Ｐ Ｅ Ｇ； 插值预测 ； ２阶方 向导数 ； 模值排序
中 图分 类号 ： Ｔ Ｎ ９ １ ９ ． ８ １ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５— ３ ８ ５ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ ０ ２