摘  要： 根據(jù)彩色圖像" title="彩色圖像">彩色圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將圖像轉(zhuǎn)化為適應(yīng)人類視覺(jué)系統(tǒng)的HSV模式" title="HSV模式">HSV模式分量，并排列組合成新的灰度圖像，將該灰度圖像實(shí)行粗細(xì)分層操作" title="分層操作">分層操作后分別按JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)" title="JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)">JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮編碼。實(shí)驗(yàn)表明，該算法得到的壓縮圖像在與JPEG同等質(zhì)量的條件下，數(shù)據(jù)量要遠(yuǎn)小于JPEG壓縮的數(shù)據(jù)量，操作簡(jiǎn)單快速，可實(shí)現(xiàn)彩色圖像的高質(zhì)量快速壓縮和預(yù)覽。
關(guān)鍵詞：彩色圖像; HSV模式; JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn); 分量組合" title="分量組合">分量組合; 分層操作

    信息技術(shù)的迅猛發(fā)展產(chǎn)生了大量的圖片，要把這些圖片充分有效地利用起來(lái)，往往要求對(duì)其進(jìn)行大量的存儲(chǔ)和傳輸，而且要求在保證質(zhì)量的前提下以較小的空間存儲(chǔ)圖像和較少的比特率傳輸圖像。由此各種圖像壓縮編碼技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。圖像壓縮是信源編碼的目的和手段。從廣義上講，數(shù)據(jù)壓縮［1］就是減少必須分配給指定信息集合或數(shù)據(jù)采樣集合的信號(hào)空間的數(shù)值。數(shù)據(jù)壓縮的效果好與不好，關(guān)鍵要看三個(gè)指標(biāo)：壓縮比、壓縮算法和恢復(fù)效果。
    對(duì)于彩色圖像而言，其色彩模式和數(shù)據(jù)組合直接影響了壓縮效率。本文通過(guò)對(duì)彩色圖像的色彩模式的研究，針對(duì)人類視覺(jué)系統(tǒng)提出了一種HSV彩色圖像使用分量數(shù)據(jù)排列組合進(jìn)行去除冗余壓縮的方法，該方法不同于常規(guī)的對(duì)彩色圖像的各個(gè)色彩分量分別進(jìn)行壓縮的方法,而是將彩色圖像的RGB三個(gè)分量轉(zhuǎn)換為HSV模式下的三個(gè)分量，并將其排列組合成一幅灰度圖像，對(duì)該灰度圖像采取分層壓縮的方法減少數(shù)據(jù)量[2]，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)借用JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其編碼，以便于與JPEG壓縮方法進(jìn)行比較。最后得到兩幅經(jīng)壓縮后包含三個(gè)分量的圖像，一幅為三分量圖像的粗略圖，一幅為三分量圖像的細(xì)節(jié)圖，兩幅圖像經(jīng)過(guò)解壓縮可重現(xiàn)原始彩色圖像。實(shí)驗(yàn)證明，使用本文方法得到的彩色壓縮圖像在與JPEG同等質(zhì)量的條件下，數(shù)據(jù)量要小于JPEG壓縮的數(shù)據(jù)量，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速的彩色圖像壓縮和彩色圖像預(yù)覽。
1 JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)
　　JPEG 以離散余弦變換DCT(Discrete Cosine Transform)[3]為核心算法，通過(guò)調(diào)整質(zhì)量系數(shù)控制圖像的精度和大小。對(duì)于照片等連續(xù)變化的灰度或彩色圖像，JPEG在保證圖像質(zhì)量的前提下，一般可以將圖像壓縮到原大小的1/10~1/20。如果不考慮圖像質(zhì)量， JPEG 甚至可以將圖像壓縮到“無(wú)限小”,JPEG算法的平均壓縮比為15:1，當(dāng)壓縮比大于50時(shí)將可能出現(xiàn)方塊效應(yīng)。 JPEG編碼的基本處理過(guò)程包括圖像準(zhǔn)備、圖像處理、量化和熵編碼。JPEG首先將圖像分割成8×8小方塊，然后計(jì)算每一塊的DCT變換，再對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化，如果量化精度少，結(jié)果圖像質(zhì)量可能很粗糙，失真較大；而量化級(jí)多，則結(jié)果圖像質(zhì)量比較精細(xì)，但所需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量也比較大。為了找到一個(gè)折中的方法，可以對(duì)低頻信號(hào)賦予較多的量化級(jí)，對(duì)高頻信號(hào)賦予粗糙量化級(jí)，因?yàn)槿搜蹖?duì)低頻信號(hào)的誤差比較敏感。在JPEG中，對(duì)低頻分量采用DPCM(Differential Pulse Code Modulation)編碼，而對(duì)高頻分量采用游程編碼。最后對(duì)這些量化后的系數(shù)進(jìn)行Huffman編碼或算術(shù)編碼，將數(shù)據(jù)流寫(xiě)入一個(gè)輸出文件(*.JPG)。解壓縮過(guò)程與上述過(guò)程剛好相反。
2 圖像色彩模式
    圖像可分為灰度圖像和彩色圖像。隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)彩色圖像處理的要求越來(lái)越高。彩色圖像的采集、處理及顯示技術(shù)在印刷工業(yè)、電視工業(yè)、醫(yī)學(xué)成像等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中都有非常重要的意義。為了用科學(xué)的手段，尤其是計(jì)算機(jī)來(lái)處理彩色信息，必須用定量方法來(lái)描述彩色信息，即建立彩色模型。然而，人眼對(duì)于彩色的觀察和處理是一種生理和心理現(xiàn)象，目前對(duì)其機(jī)理還沒(méi)有完全了解，因而對(duì)于彩色的許多結(jié)論都是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的。正因?yàn)槿绱?，出現(xiàn)了多種不同的顏色描述方法，而不同的顏色描述方法對(duì)應(yīng)于不同的顏色空間。
    從電磁波譜可以得知，電磁波波長(zhǎng)范圍很大，但只有波長(zhǎng)在400 nm～760 nm這個(gè)范圍內(nèi)的電磁波才能使人產(chǎn)生視覺(jué)，感到明亮和顏色，這個(gè)波段稱為可見(jiàn)光。1931年,國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)規(guī)定用波長(zhǎng)為700 nm、546.1 nm、435.8 nm的單色可見(jiàn)光作為紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三原色。根據(jù)三原色原理,任意色彩的顏色方程為：F=α(R)+β(G)+γ(B)，其中α、β、γ是紅、綠、藍(lán)三色的混合比例，一般稱為三色系數(shù)。色彩模型指的是某個(gè)三維顏色空間中的一個(gè)可見(jiàn)光子集，它包含某個(gè)色彩域的所有色彩。任何一個(gè)色彩域都只是可見(jiàn)光的子集，所以任何一個(gè)色彩模型都無(wú)法包含所有的可見(jiàn)光。常見(jiàn)的色彩模型有RGB色彩模型、CMY色彩模型、HSV色彩模型、CIE色彩模型、YCC色彩模型等。HSV（Hue Saturation Value）顏色模型是面向用戶的，有的也稱為HIS，它對(duì)應(yīng)于圓柱坐標(biāo)系中的一個(gè)圓錐形子集，其中每一種顏色和它的補(bǔ)色相差180，飽和度值從0到1。圓錐的頂面對(duì)應(yīng)于V=1，它包含RGB模型中的R=1、G=1、B＝1 三個(gè)面,故所代表的顏色較亮，色度H由繞V軸的旋轉(zhuǎn)角給定，紅色對(duì)應(yīng)于角度0°，綠色對(duì)應(yīng)于角度120°，藍(lán)色對(duì)應(yīng)于角度240°。這種顏色模型符合人眼對(duì)顏色的感覺(jué),同時(shí)其三個(gè)坐標(biāo)是獨(dú)立的，當(dāng)采用RGB(或者CMY)色彩模型時(shí)，改變某一顏色的屬性(例如色調(diào)）必須同時(shí)改變?nèi)齻€(gè)坐標(biāo)，而采用HSV模型只需改變H坐標(biāo)。HSV色彩模型構(gòu)成的是一個(gè)均勻的顏色空間，采用線性的標(biāo)尺，彩色之間感覺(jué)上的距離與HSV色彩模型坐標(biāo)上點(diǎn)的歐幾里德距離成正比。各種色彩模型均可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。RGB色彩模型到HSV色彩模型的轉(zhuǎn)換最可靠的方法是:首先把RGB坐標(biāo)變換為1931CIE－XYZ系統(tǒng)中的（X，Y，Z）坐標(biāo)，然后根據(jù)（X，Y，Z）查找對(duì)應(yīng)表，得到相應(yīng)的（H，S，V）坐標(biāo)，但這種方法需要依賴對(duì)照表，不方便。為方便在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)換，可假定

    反過(guò)來(lái)也可用公式實(shí)現(xiàn)從HSV顏色坐標(biāo)到RGB顏色坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。
    目前許多彩色圖像處理都使用對(duì)色彩空間中各個(gè)分量分別處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色圖像的有關(guān)操作。數(shù)字圖像的獲取實(shí)質(zhì)上就是模擬信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程，它的處理步驟大致可分為取樣、分色、量化，其中在分色部分對(duì)應(yīng)彩色圖像中任何一種顏色使用3或4個(gè)基色表示，即每一個(gè)取樣點(diǎn)有3或4個(gè)亮度值，整體上表現(xiàn)為三維或四維空間。雖然一幅三色數(shù)字圖像可以認(rèn)為是三個(gè)坐標(biāo)（兩個(gè)空間和一個(gè)光譜）的一個(gè)標(biāo)量函數(shù)，但是一般情況下，將其看作是一幅普通（二維）圖像，且每個(gè)像素具有三個(gè)灰度值（R、G、B）更為方便。在另外一些情況下，將其看作是三幅單色數(shù)字圖像的疊加更為有用。因此三幅圖像代表三個(gè)空間，彩色圖像處理的重點(diǎn)就轉(zhuǎn)移到空間的選擇上。一般說(shuō)來(lái)，在彩色圖像中，應(yīng)該在RGB格式的圖像中實(shí)現(xiàn)顏色平衡，而大量的處理和分析則在HSV格式的圖像中進(jìn)行[4]。
3 HSV分量組合分層壓縮
    目前,圖像壓縮研究主要還是集中在灰度圖像方面，對(duì)彩色圖像壓縮算法的研究則相對(duì)較少。與黑白圖像相比，彩色圖像的色彩部分是其特有的，并且與人眼的視覺(jué)特性關(guān)系非常緊密，因而對(duì)彩色圖像的處理也應(yīng)有獨(dú)特的方法。顯然，編碼彩色圖像的一個(gè)最直接的方法就是將真彩色圖像看成是三個(gè)獨(dú)立的灰度圖例進(jìn)行單獨(dú)編碼的SFC(Separated Fractal Coding)方法[5]。例如JPEG彩色圖像壓縮，就是在RGB色彩模型中分別對(duì)三原色進(jìn)行JPEG壓縮后統(tǒng)一編碼。這種方法由于沒(méi)有考慮彩色圖像三個(gè)顏色分量之間的相關(guān)性，因而壓縮比較低而且很費(fèi)時(shí)。
    基于彩色圖像所具有的色彩信息和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并非將彩色圖像按三色數(shù)據(jù)分別壓縮，而是將RGB模式彩色圖像轉(zhuǎn)換為HSV模式，然后將其三個(gè)分量H、S、V進(jìn)行排列組合成一幅灰度圖像，對(duì)該灰度圖像使用筆者另一篇文章中的壓縮方法[2]進(jìn)行分層壓縮，即提取分量組合的粗略部分和細(xì)節(jié)部分分別存儲(chǔ)以降低數(shù)據(jù)的冗余程度，減少數(shù)據(jù)量，分別將粗略圖、細(xì)節(jié)圖按JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮后存儲(chǔ)，最后得到兩幅圖像，分別對(duì)應(yīng)分量組合粗略圖和細(xì)節(jié)圖。其中分量組合的粗略圖能大致提供該彩色圖像的內(nèi)容信息，方便在搜索和預(yù)覽時(shí)使用，即未打開(kāi)或下載該彩色圖像就可預(yù)知圖像的內(nèi)容，大大節(jié)省了時(shí)間和空間。同時(shí)還可通過(guò)選擇分量組合粗略圖的壓縮質(zhì)量實(shí)現(xiàn)不同程度的壓縮比和壓縮質(zhì)量。
    壓縮時(shí),首先按轉(zhuǎn)換公式將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換為HSV模式的彩色圖像，然后將其三個(gè)分量H、S、V進(jìn)行排列，組合成一幅灰度圖像，對(duì)該灰度圖像使用DCT變換，取變換后數(shù)據(jù)的高頻部分有效值，該取值的多少直接影響基準(zhǔn)分量的清晰程度和最后的壓縮比，這里按Z字形4-3-2-1排列取10個(gè)值，剩余值均設(shè)為零，利用DCT反變換后按8×8的塊操作，每一塊取原有64個(gè)數(shù)據(jù)的最大值，從而得到分量組合的粗略圖，其大小只占原圖像的1/64，大大減少了數(shù)據(jù)量。分量組合原圖與恢復(fù)相同尺寸的分量組合粗略圖的差值為分量組合細(xì)節(jié)圖，尺寸大小與原圖像相同，但大部分?jǐn)?shù)據(jù)為零，壓縮時(shí)能減少數(shù)據(jù)量。將這兩幅圖像分別按JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮后打包就得到了壓縮后的RGB彩色圖像。可提取分量組合粗略圖預(yù)覽圖像。
    解壓時(shí)，利用分量組合的粗略圖和細(xì)節(jié)圖按逆變換恢復(fù)彩色圖像的分量組合原圖，再利用該圖恢復(fù)H、S和V三個(gè)分量，然后將H、S、V分量重組得到HSV模式彩色圖像，利用轉(zhuǎn)換公式重新得到RGB彩色圖像。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　下面以彩色圖像Lena（256×256×3）為例，如圖1所示，按本文方法進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理。得到的分量組合粗略圖數(shù)據(jù)大小為1.52 KB，得到的分量組合細(xì)節(jié)圖數(shù)據(jù)大小為5.22 KB，總大小為6.74 KB，將兩幅圖像打包壓縮后的數(shù)據(jù)量為5.57 KB。而具有相同彩色圖像質(zhì)量效果直接采用JPEG方法壓縮得到的圖像大小為15.8 KB，本文方法的壓縮數(shù)據(jù)量減少了1/3。
    同時(shí)也選取了一些其他圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖2所示，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在高質(zhì)量壓縮的情況下(均方根誤差MSE和峰值信噪比PSNR都相當(dāng)高),本文壓縮比都比相同質(zhì)量下JPEG算法高。

    本文基于JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)的彩色圖像壓縮前的圖像預(yù)處理，通過(guò)對(duì)彩色圖像的色彩模式的轉(zhuǎn)化，將通常的RGB色彩模式轉(zhuǎn)換為滿足人類視覺(jué)系統(tǒng)的HSV模式后，實(shí)現(xiàn)了彩色圖像的分量組合操作，對(duì)處理后得到的兩幅圖像直接采用JPEG壓縮方法的編碼部分進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。在相同圖像質(zhì)量效果的基礎(chǔ)上，該方法壓縮比高，壓縮質(zhì)量?jī)?yōu)，算法簡(jiǎn)單，反應(yīng)時(shí)間短，操作容易。選取不同分量組合經(jīng)DCT變換后的保留值可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量下的不同壓縮比。同時(shí)，如果對(duì)分量組合的粗略圖采用有損編碼，還可以實(shí)現(xiàn)更高的壓縮比和較好的壓縮質(zhì)量，并且使用壓縮后的圖像集合中的分量組合粗略圖還可實(shí)現(xiàn)對(duì)原始彩色圖像的預(yù)覽，大大節(jié)省了時(shí)間和空間。使用時(shí)可將壓縮得到的兩幅圖像打包壓縮，不僅能減少數(shù)據(jù)量，同時(shí)方便存儲(chǔ)和傳輸。
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