基于顏色色差的彩色圖像壓縮技術(shù)研究

陳少鋒

(廣東理工學(xué)院，廣東 肇慶 526100)

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基于顏色色差的彩色圖像壓縮技術(shù)研究

陳少鋒

(廣東理工學(xué)院，廣東 肇慶 526100)

基于顏色色差的彩色圖像壓縮技術(shù)是將不同彩色圖像自身的DCT特有變換域系數(shù)特點(diǎn)與人體肉眼能夠辨識(shí)出的顏色色差閾值相結(jié)合，進(jìn)而產(chǎn)生的一種可行的、壓縮質(zhì)量較佳的圖像壓縮技術(shù)，此技術(shù)通過彩色圖像的轉(zhuǎn)換與色差變換，完全可以滿足不同彩色圖像的實(shí)際壓縮需求。

圖像壓縮；CIELAB顏色空間；顏色色差；離散余弦變換

1 相關(guān)概念界定

1.1 CIELAB顏色空間

日常生活中，人們看到的色彩信息一般都是通過RGB色彩空間來表現(xiàn)。這種常用的色彩模式雖然可以很好地模仿自然界的許多顏色，但它容易受到不同顯示設(shè)備的影響。因?yàn)樵谶M(jìn)行彩色圖像壓縮時(shí)，經(jīng)常需要在不同顯示設(shè)備間傳輸，必須將RGB色彩進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換，使其變成一種不受顯示設(shè)備影響的色彩空間，即CIELAB色彩模式。這種色彩模式可以計(jì)算和表示出幾乎所有的物體色和光源色，自1976年提出后，發(fā)展到現(xiàn)今已經(jīng)成為一種世界通用的標(biāo)準(zhǔn)色彩模式。它通常還具有以下三方面的優(yōu)點(diǎn)，更使得它在現(xiàn)代彩色圖像顯示與壓縮技術(shù)中應(yīng)用廣泛。第一，不受顯示設(shè)備影響。CIELAB色彩空間是一種完全不受顯示設(shè)備影響的色彩表現(xiàn)模式?；谶@種特性，它能夠在色彩管理以及各類顯色設(shè)備中，使原稿色、印刷色以及屏幕色從視覺系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)高度一致，由此將不同設(shè)備間的色彩空間進(jìn)行科學(xué)轉(zhuǎn)換。第二，當(dāng)不同顏色色差介于視覺識(shí)別閾值與相鄰兩極的顏色差值之間時(shí)，可以更好地展現(xiàn)出不同物體色所給人帶來的不同心理感覺。第三，相較于其他顏色模式，CIELAB色彩模式在表達(dá)色彩上更直觀[1]。

1.2 色差公式

色差是不同的兩種顏色呈現(xiàn)給觀者的色彩感覺差別，這種感覺差別通常以數(shù)值方法表現(xiàn)出來。色差公式是指計(jì)算不同顏色差值的規(guī)劃算法。假如將兩種顏色都以L*、a*、b*顏色模式表現(xiàn)出來，那么這兩種顏色間的色度差值、明度差值以及總色差值可通過以下三個(gè)公式計(jì)算出來:

2 離散余弦變換

離散余弦變換又稱DCT變換(英文DiscreteCosineTransform的簡(jiǎn)稱)。這種變換是一種與離散傅里葉變換非常類似的實(shí)數(shù)域正交變換，其整個(gè)變換核心就是實(shí)數(shù)余弦函數(shù)。對(duì)于一幅彩色圖像而言，DCT正變換是把圖像自身的灰度分布函數(shù)轉(zhuǎn)化成頻率分布函數(shù)， 而DCT逆變換則是把圖像自身的頻率分布函數(shù)轉(zhuǎn)化成灰度分布函數(shù)。在整幅圖像變換中，通過低頻率余弦信號(hào)表示灰度變化緩慢的位置，通過高頻率余弦信號(hào)表示其他灰度變化的巨大范圍。也就是說余弦頻域直接反映了圖像信息灰度變化的大小及快慢，也就是業(yè)界所指的圖像灰度梯度值。這樣圖像在完成離散余弦變換后，DCT變換的極小部分低頻系數(shù)就完全集中了圖像的主要能量和最主要的可視信息。此時(shí)位于變換域系數(shù)矩陣左上方位置的系數(shù)值一般比較大，而相應(yīng)的彩色圖像高頻系數(shù)卻已經(jīng)幾乎為零，再加上人體肉眼不能辨識(shí)出圖像高頻成分的失真，這樣就能夠從頻域上盡可能的降低量化比特?cái)?shù)，從而最終實(shí)現(xiàn)圖像壓縮的目的[2]。

3 基于顏色色差的彩色圖像壓縮技術(shù)實(shí)施方案

像素是組成彩色圖像最基本的單位，不同像素之間的色彩圖像存在一定的顏色差異。有時(shí)人體肉眼無法分辨出彩色圖像中兩種顏色的色差，這就說明這兩種不同顏色的色差值小于人體肉眼可識(shí)的色差閾值，彩色圖像存在冗余。對(duì)于一幅彩色圖像中的8*8像素來講，在人體肉眼可辨識(shí)清楚的范圍內(nèi)，如果某一像素點(diǎn)與圖像色差較大，則肉眼可以輕易辨識(shí)清楚，這類像素點(diǎn)就應(yīng)該保留。反之，如果某一像素點(diǎn)與圖像差異較小，人體肉眼難以辨識(shí)清楚，這類像素量與圖像整體色差較小，則比特率可以將該像素點(diǎn)量化，從而進(jìn)行最終圖像壓縮。其具體的壓縮過程，主要分為五步實(shí)施:

A.將RGB色彩空間轉(zhuǎn)換為CIELAB色彩空間。因?yàn)镽GB色彩模式受顯示器的影響，同一彩色圖像在不同的顯示器上面，其色彩顯示也不同。而彩色圖像壓縮經(jīng)常要在不同顯示設(shè)備間進(jìn)行圖像傳輸，所以必須將圖像的色彩模式轉(zhuǎn)化在一種不受顯示設(shè)備影響的色彩空間，即CILAB顏色空間[3]。B.對(duì)彩色圖像進(jìn)行色彩分離。對(duì)CIELAB色彩模式下的彩色圖像進(jìn)行亮度分離和色度分離，進(jìn)而獲得L*、a*、b*三個(gè)不同的分量亮度圖。C.對(duì)圖像進(jìn)行子塊劃分和色差計(jì)算。以8*8像素值為基準(zhǔn)單位對(duì)獲得的三個(gè)不同的亮度圖進(jìn)行子塊劃分，然后將劃分好的所有子塊進(jìn)行離散余弦轉(zhuǎn)換(DCT變換)。在轉(zhuǎn)換完成后，取三個(gè)不同子塊的轉(zhuǎn)換平均值當(dāng)作子塊圖像的整體色彩值。同時(shí)把其余像素的色彩值同整體色彩值相對(duì)比，進(jìn)行色差計(jì)算。如果總色差值比1小，則可以把該像素點(diǎn)量化在0。D.對(duì)圖像進(jìn)行技術(shù)編碼。完成彩色圖像色差計(jì)算和像素點(diǎn)量化后，工作人員就可以根據(jù)像素量化結(jié)果以及量化為0的像素點(diǎn)的分布狀況，通過Huffman計(jì)算方法對(duì)彩色圖像進(jìn)行技術(shù)編碼和技術(shù)壓縮，從而最終以比特率方式成功完成圖像的傳輸或者存儲(chǔ)。這里還存在一個(gè)壓縮比的問題。通常彩色圖像的壓縮值為98.355 55∶1時(shí)，人體肉眼就無法清楚辨識(shí)出解壓后的彩色圖像與原彩色圖像之間的色彩差異。E.逆行解壓。逆行解壓是依據(jù)上述四步圖像壓縮步聚反過來操作，對(duì)圖像進(jìn)行解壓。因?yàn)樵诓噬珗D像解壓過程中，反量化存在不可逆的特性，所以，很多解壓圖像看上去都比較失真。這時(shí)就可以用色彩平均值代替那些已經(jīng)被量化成0的像素點(diǎn)。再加上這些像素點(diǎn)本身就不太容易被人體肉眼識(shí)別出來，又是一些可有可無的信息，所以能夠有效緩和圖像失真的狀況。

上述五步主要的彩色圖像壓縮技術(shù)流程表明基于顏色色差的彩色圖像壓縮技術(shù)，是建立在人體肉眼對(duì)不同顏色的辨別閾值和彩色圖像離散余弦轉(zhuǎn)變特點(diǎn)基礎(chǔ)上的。它以盡量減少彩色圖像信息的數(shù)據(jù)量為基本出發(fā)點(diǎn)，先將彩色圖像從受設(shè)備影響較大的RGB色彩模式轉(zhuǎn)換成不受設(shè)備影響的CIELAB顏色空間。在CILAB色彩空間內(nèi)，彩色圖像被分離為亮度分量圖、紅-綠分量亮度圖以及黃-藍(lán)分量亮度圖。然后再通過子塊劃分，對(duì)彩色圖像進(jìn)行離散余弦變換(DCT變換)，將變換值進(jìn)行色差計(jì)算。依據(jù)人體肉眼的色彩辨識(shí)閾值量化像素，從而進(jìn)行Huffman編碼、壓縮、逆行解壓?，F(xiàn)階段，基于顏色色差的彩色圖像壓縮技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在各類大型彩色圖像傳輸與存儲(chǔ)中。大量的彩色圖像壓縮實(shí)踐證明:該項(xiàng)壓縮技術(shù)能夠在確保彩色圖像良好質(zhì)量的前提下，獲得較高的像素壓縮比，并且圖像像素編碼質(zhì)量以及解壓后的圖像質(zhì)量都十分理想，能夠很好地滿足日常人們?cè)谏詈凸ぷ髦袑?duì)大數(shù)據(jù)量彩色圖像基本的傳送、存儲(chǔ)需求，非常值得被相關(guān)人員應(yīng)用與推廣[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

基于顏色色差的圖像壓縮技術(shù)以彩色圖像進(jìn)行離散余弦變換和人體肉眼對(duì)顏色的辨識(shí)閾值為實(shí)施前提，相較于其他壓縮技術(shù)，它具有較高的可行性，并且壓縮出來的彩色圖像也不失真，能夠很好地滿足各類彩色圖像的壓縮需求。尤其是在現(xiàn)階段整個(gè)社會(huì)信息量巨大、圖像信息傳送與存儲(chǔ)給計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間以及無線通信網(wǎng)絡(luò)造成較大壓力的情況下，基于顏色色差的圖像壓縮技術(shù)更應(yīng)該被大規(guī)模應(yīng)用和推廣，從而最終實(shí)現(xiàn)超大數(shù)據(jù)量彩色圖像信息的快速傳播與良好存儲(chǔ)，進(jìn)一步方便人們的生活與工作。

[1] 張華.多媒體計(jì)算機(jī)圖像數(shù)據(jù)壓縮的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2014，(01):192-194.

[2] 蘆希.關(guān)于顏色損傷對(duì)視覺感知圖像質(zhì)量影響的分析[J].中小企業(yè)管理與科技，2016，(31):168-171.

[3] 王志勇.基于自適應(yīng)Bayes彩色分割的擴(kuò)展式并行壓縮圖像傳輸方法研究[J].寧夏大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，37(01):16-21.

[4] 趙小明，滕鵬超，宗靖國(guó)，等.人眼對(duì)不同顏色色差辨別能力的研究[J].電子科學(xué)技術(shù)，2014，(03):303-307.

Research on color image compression based on color chromatic aberration

CHEN Shao-feng

(Guangdong Institute of Technology, Zhaoqing 526100, China)

The color image compression technique produces a kind of feasible and better quality image combined with the color difference threshold which can be recognized by the human eye and specific transform domain coefficients of DCT in different color images. Through the color image conversion, compression technology can meet the actual compression needs of different color images.

Image compression; CIELAB color space; Color chromatic aberration; DCT

2017-03-15

陳少鋒(1978-)，男，碩士，講師。

TP391.41

A

1674-8646(2017)10-0154-02