维普资讯 http://www.cqvip.com Compu ̄r Engineering and Applications计算机工程与应用 2007,43(26)81 基于JPEG2000的高动态范围图象压缩 王家亮,顾耀林 WANG Jia-liang。GU Yao—lin 江南大学信息工程学院,江苏无锡214122 School of Information Engineering,Jiangnan University,Wuxi,Jiangsu 214122,China WANG Jia-liang,GU Yao-lin.High-d ̄ namic range image compression based on JPEG2000.Computer Engineering and Applications,2007,43(26):81-83. Abstract:High-dynamic image files encode the color gamut and dynamic range of the original scene.A compression method is proposed for high-dynamic still images by extending JPEG2000 encoder.Based on tone mapping,a logarithmic mapping trans— formed three 32一float pixels to three 16一bit integer data,then the data is fed to JPEG2000 encoder.And it weights the wavelet coefficients by CSF masks.The result shows that the scheme has a high coding efifciency,while improving subjective quality. Key words:image compression;JPEG2000;HDR image;wavelet transformation;CSF 摘要:高动态范围图象对真实场景的色阶和动态范围进行编码,如辐射度图。通过对JPEG2000编码器进行扩展,提出了一个高 动态范围静态图象的压缩方法。该方法基于应用于高动态范围图象显示的色调映射技术,通过可变基底的对数映射函数对图象像 素的32位浮点格式的辐射度值进行变换,然后将数据输入到JPEG2000编码器,并依据HVS模型的对比灵敏度特性对小波系数 进行加权处理。实验显示,该方法对图象有较大压缩率的同时还保持较好的主观质量。 关键词:图象压缩;JPEG2000;高动态范围图象;小波变换;对比灵敏度函数 文章编号:1002—833I(2007)26—0081-03 文献标识码:A 中图分类号:TP391 1引言 在真实场景中,如有太阳或人工光源和特别明亮的物体的 行格式变换为JPEG2000的数据格式,然后对其进行5级离散 小波变换,依据人眼视觉特性的CSF对变换后不同频带系数 进行加权处理,最后再对系数进行编码。 存在,导致环境具有较广的亮度范围。有的场景高动态范围高 达10 000:1。高动态范围图象在全局照明、真实感绘制、遥感图 象、数字相机等领域具有较好的应用前景。现可用高动态范围 相机拍摄,所获得的图象像素值线性地对应于场景中物体表面 的辐射强度。人眼能够较好地适应这一高动态范围的变化。但 是,CRT显示器的最大显示亮度约为100 cd/m ,即显示的动态 范围约为100:1。近3年来已有一些对高动态范围图象显示方 2基于JPEG2000标准的小波压缩编码 JPEG2000标准舍弃了以前JPEG的离散余弦变换(DCT), 使用离散小波变换,能弥补JPEG在非平稳过程上的不足。其 具有低比特率压缩、连续色调和二值图象压缩、能选择参数对 图象进行有损和无损压缩、累进传输几随机获取处理码流等优 点 。本文希望通过定制和扩展JPEG2000编码器来实现高动 法较成熟的研究成果,如参考文献[1—3】。其目的就是将真实场 景的高动态范围图象(High Dynamic Range Image,HDRI)的 动态范围压缩,通过色调映射(Tone Mapping)将图象的亮度范 围压缩,生成可供显示设备显示低动态范围图象(Low Dynamic Range Image,LDRI)。 态范围图象的数据压缩。 2.1 JPEG2000的小波变换 小波变换因其具有与人眼视觉特性相符的多分辨分析及 方向选择能力而被广泛应用于图象压缩编码领域。较早的 JPEG标准使用离散余弦变换(DCT),但DCT只能获得纯频率 信息,也只有通过将图象划分为编码子块来获得局部空间特 征。而图象经小波分解后的子带同时保留了信号空间域和频率 现已有多种格式的高动态范围编码方法,如RGBE、 XYZE、LogLuv等。这些方法仍是使用无损压缩,进行初步的编 码,压缩率仍然不高。用于普通静态图象压缩的JPEG2000标 准采用了基于小波变换多解析编码方式,能取得14~15的高压 缩率,且能实现渐进传输、随机访问等特性 。本文将人眼视觉 的重要特性对比敏感函数整合到JPEG2000图象压缩方法中 去,以实现高动态范围图象的较高的压缩效率和保持较好的视 域上的信息。各子带的小波系数间具有相似性,所以可以匹配 HVS,即人眼对低频部分、水平边缘以及垂直边缘比较敏感而 对高频部分则不敏感。基于JPEG改进的JPEG2000标准使用 了小波变换,其采用了两种小波变换滤波器,即Daubechies 9/ 7滤波器和Le Gall 5/3滤波器。9/7滤波器主要用于有损压 觉效果。本文方法首先利用可变基的对数函数对HDR图象进 作者简介:王家亮(1977一),男,硕士研究生,研究领域为图形图象处理;顾耀林(1948一),男,教授,主要研究方向为虚拟现实图形技术与图象处理 技术。 维普资讯 http://www.cqvip.com 82 2007,43(26) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 其中: 缩。5/3滤波器能实现整型小波变换,从而可实现图象的无损 压缩。高动态范围辐射度图象需要经过色阶重建来获得可显示 的低动态范围图象, /( )= 所以本文使用基于Daubechies 9/7滤波器进行图象的有 损压缩。9/7小波变换的提升方法的计算步骤如下[51: (1)第一次预测: Y(2n+1)十 (2n+1)+( 半【 (2 )+ (2n+2)]) (2)第一次更新: l,(2 )十— 州(2n)+(IB木【y(2n一1)+y(2n+1)]) (3)第二次预测: Y(2n+1)+一y(2n+1)+( 【y(2n)+y(2n+2)]) (4)第二次更新: y(2n)+一y(2n)+(6 fy(2n一1)+y(2n+1)]) (5)缩放: Y(2n+1) ̄----K*Y(2n+I) Y(2n)+一(1/ ) y(2n) 2.2 JPEG2000的小波系数编码方法 JPEG2000的系数编码核心算法为嵌入式块编码(E— BCOT)。该算法不仅能有效地压缩图象,同时产生的码流具有 分辨率可扩展、信噪比可扩展、随机访问和处理等有效特性。小 波系数采用均匀化量化,一 皂P 量化后的各子带的系数被划分成方形 的码块,以码块为单位,独立进行嵌入式编码。分块后,对每个 编码块采用的是比特平面编码方法。熵编码采用基于上下文的 ~, 、 自适应算术编码器。在熵编码结束后,寺 根据率失真最优原则,生 成各个编码块的嵌入式码流,即当输出比特率R给定时,采用 压缩后率失真优化(PCRD—opt)算法,按照率失真最优原则,计 算每一独立码块码流的截断点。该方法实际上是对码流包有选 一 择的舍弃,在一定码率下实现最优的图象质量。 3辐射度图象数据格式变换 辐射度图象像素基色数据多使用32位浮点格式表示。为 了使用JPEG2000编码器,本文方法先将辐射度图象数据变换 成无符号整数格式。由于人眼对信号的处理有一个近似对数响 应环节,文献【1]利用可变基对数函数对高动态范围像素亮度进 行压缩变换,以在明亮区域和暗区获的较好的细节信息。本文 对该算子进行修改,用于将辐射度图象三基色分量进行归一 化,再进行量化至JPEG2000编码器所接受的位数。 亮度映射采用像素亮度与像素的最大亮度对数比来获得 显示比例,但直接使用会导致高亮度区域的过度压缩及细节丢 失。其关系描述如下式: log (Lw+ 1) £ 其中: 为显示亮度比例;£ 为图象像素亮度,cd/m ;三一图象 像素的最大亮度,cd/m。。 依对数运算性质如式(2)所述,可以对对数的基进行调整。 lo ) lo(g6(x) (2) ∞对对数的基进行调整可按如下幂函数进行: J b/as (£)=t ‘。 (3) 因此,得到辐射度图象三基色分量的映射关系等式,如下: r ,s ,sb 】 【r,g,b1) (4) r,sg,sbl=g( r ,sg ,sb 】) (5 J (2"-1) r,g,6表示辐射度图象RGB色彩空间的浮点数值, 一表 示各基色分量的最大值;sr,sg,sb分别表示经过映射量化后的 n位无符号整数,本文方法将浮点格式统一量化为16位无符 号整数。图1给出了辐射度图象基色分量的映射关系函数曲 线,基色分量的最大值设为200 cd/m 。当p<0.65时,基色分量 值将被截取而在解码逆变换时不能被精确恢复,故选取p=0.75 较为合适。 基色分量 图1 辐射度图象基色分量的映射曲线 4 HVS特性——对比度灵敏度 人眼视觉系统(HVS)用数学模型来模拟视觉感知特性,即 提供了一个数学模型来表述人眼是怎样感知世界。人跟视觉系 统对不同时空分布特征的响应是不同的。对比灵敏度函数描述 了人眼对空间频率的感知特性,其定义为视觉系统能觉察的对 比度阈值的倒数。Mannos和Saknson等人采用心理物理学测 定阈值的方法拟合数据获得图象明亮度的CSF[6]。在这种对比 度的定义采用的模型如下: 日 ):2.6 (0.192+0.114 ) e p卜(-0.114f) ] (6) r— —— 其中:空间频率产 ,单位是周期,度(c/d) 分别是 水平和垂直方向的空间频率。图2为经过归一化的空间频率的 CSF曲线图(范围为0-0.5 cycles/pixe1)。从图中可看出,对比灵 敏度曲线在中频区域(0.03 0.23)内表现较为敏感的特性。随着 频率的增加而灵敏度衰减,在低频处,灵敏度也有所下降。 瞍 暂 茛 ‘归一化空间频率 图2归一化空间频率亮度的CSF曲线 但是对于彩色CSF还没有确切的定义,文献【7]给出了一 个基于色一图分离特性线I生变换的彩色CSF。其结论表明,亮度 曲线如上模型描述的具有带通特性,而色度曲线具有低通性 质。所以本文方法对亮度分量经小波分解后的6个频带的小波 系数进行加权,而对色度分量的权值部设定为1。在归一化的 空问频率域中,对CSF曲线在相应频带内取平均值作为权 值,且须归一化使得最小权值为1。在6个频带内对应权值如 表l所示, 维普资讯 http://www.cqvip.com 王家亮,顾耀林:基于JPEG2000的高动态范围图象压缩 83 表1 各子带及对应加权值 表2列出了不同比特率(rate)下图象峰值信噪比(PNSR)。 当比特率小于O.O1时,PNSR显著减少,图象质量恶化愈加 严重。 表2不同压缩比下图象均方根误差 5实验结果与分析 本文参考JPEG2000编码器标准软件Jasperls ̄,通过对其进 行定制和扩展,加入了高动态范围图象的数据格式转换和基于 6结论 CSF的小波系数加权处理。实验的压缩编码步骤如图3所示, 本文通过对JPEG2000编码器进行扩展,提出了一个高动 解码过程与之相反。 态范围静态图象的压缩方法。该方法的主要优点有:(1) 镯咽氍 JPEG2ooO是一种高效的压缩算法,能取得相当可观的压缩率; (2)JPEG2000具备渐近传输等特性,能较好地满足网络环境下 高动态范围图象的应用需求;(3)采用HVS模型的对比灵敏度 函数对小波系数进行加权处理,改善图象的主观质量等。本文 方法能用于对高动态范围静止图象的压缩,今后将继续研究高 图3本文方法的压缩编码步骤 动态范围视频图象的压缩处理方法。 (收稿日期:2007年1月)1一 l实验如下结果使用Memorial辐射度图象(512 ̄768),其采 用RGBE(RLE)编码格式(1.28 Mb),并实现了相应的解码逆过 程。以下实验结果图象采用文献【2】的方法将高动态范围图象转 参考文献: 换为低动态范围图象显示,如图4所示。图(a)、(b)、(e)为截取 [1]Drago F,Myszkowski K,Annen T,et a1.Adaptive logarithmic map~ 图(d)的一部分。从主观视觉来判断,当比特率为0.03时图象 ping for displaying high contrast scenes[C]//Proceeding of Euro- (图(b),71 kI1)的质量仍然较好,尽管颜色持续性略有衰减。当 graphics 2003,Granada,Spain,2003:419-426. 比特率为0.O1时图象(图(e),26 kI1)的边缘略变模糊。 [2]Reinhard E,Stark M,Shirley P,et a1.Photographic tone reproduc- lion for digital images[C]//Proceedings of ACM SIGGRAPH 2002, San Antonio,Texas,2002:267~276. 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