基于矢量量化的誤差擴散半色調圖像有損壓縮算法

摘 要：隨著誤差擴散半色調圖像在書刊、雜志、打印輸出和傳真文件中廣泛應用和大量傳播，有必要對這類特殊的二值圖像進行壓縮以利于節省存儲空間且加快傳輸速度。提出一種基于矢量量化思想并結合人眼視覺特征的誤差擴散半色調圖像有損壓縮方法。首先，原始圖像被分成若干個4×4的像素塊，將這些塊分別與一個模擬人眼視覺特性的×高斯濾波器做卷積。然后，將得到的8×8的卷積結果作為輸入矢量，經過LBG算法訓練得到一個碼書。之后，對每個碼字，找到與其最相似的4×4的像素塊作為最終的碼字。這樣就建立了用來壓縮原始圖像的碼書。最后一步就是利用該碼書用傳統的矢量量化思想壓縮原始圖像并得到最終的碼字索引。仿真實驗結果表明通過該方法得到的壓縮圖像的視覺質量得到進一步的提高。該方法在壓縮比和保持圖像質量取得了較好的折中。 

關鍵詞：誤差擴散半色調圖像;矢量量化;有損壓縮;人眼視覺系統

Lossy Compression Algorithm for Error Diffused alftone Images Using Vector Quantization

ZAO Zhenfei，ONG Enuo，ZANG aining

(eilongjiang Institute of cience and echnology，arbin，10027，China)

Abstract：Error diffused halftone images appear routinely in books，magazines，printer outputs，and fax documentsIt is desirable to compress halftone images for storage and transmissionhis paper proposes a lossy compression method for error diffused halftone images using vector quantizationhe original image is partitioned into disjoint pixel blocks first，and each block is convoluted with a Gaussian filter simulating characteristics of human eyeshenthe convolution results，ie，training vectors，are used as entries of the LBG algorithmAt last the most similar block patterns of the training results and these patterns are used as codewordshus a codebook is constructed，the codebook to encode the imageIn this way，the error diffused image is lossy compressedExperimental results illustrate the visual quality of the compressed version are better than some other methods with the nearly same compression ratioshe method achieves a good tradeoff in the compression ratio and image quality

Keywords：error diffused halftone image;vector quantization;lossy compression;human visual system

1 引 言

數字半色調化是一種將連續色調圖像轉化為二色調圖像的技術。比如，8 b深的灰度圖像轉化成1 b深的黑白圖像。 由于人眼視覺系統的低通濾波特性，當從較遠的距離看半色調圖像，可以發現它與原始圖像十分相似。目前流行的半色調化方法可以分為3大類：順序調制法［1］、誤差擴散法［2］和直接二值搜索法［3］。其中，誤差擴散法在較好的視覺效果和合理的計算復雜度之間能夠取得較好的折中。隨著誤差擴散半色調圖像的廣泛應用和傳播，針對這類圖像的無損或有損壓縮方法正越來越成為人們感興趣的研究課題之一。對連續色調圖像，研究人員已經提出許多壓縮標準或技術，如JPEG，JPEG2000、矢量量化等。同時，針對二值圖像也提出相應的JBIG壓縮標準。直至目前，人們只提出少數的半色調圖像特別是誤差擴散半色調圖像的壓縮方法。

相比半色調圖像，JBIG，G3等傳統的無損二值圖像編碼技術更適合壓縮文字和圖形數據。一般，用這類方法壓縮半色調圖像所能達到的壓縮比介于0~27之間。目前，半色調圖像的有損壓縮方法較少，而且這些方法大都針對聚類調制法得到的半色調圖像設計，因此它們對誤差擴散半色調圖像的效果不佳。JBIG2標準提出一種針對一般半色調圖像的有損壓縮方案。其高壓縮比主要是在反半色調化中的降采樣過程實現的，但是同時降采樣過程也犧牲了圖像的空間分辨率。 針對這個不足，文獻［4］提出了一種改進方法。該方法包含3個步驟：預濾波、抽取和量化。預濾波用來去除圖像中的高頻噪聲、偽色調和奈奎斯特頻率。再通過抽取來降低空間分辨率，并用一個改進的誤差擴散技術將量化誤差調整到更高的頻率上。這種改進方法能提高重建出的半色調圖像的視覺質量，且與傳統方法相比并不進一步降低空間分辨率。 

本文提出一種基于矢量量化技術的誤差擴散半色調圖像有損壓縮方法。首先，原始圖像被分成若干個4×4的像素塊，將所有的塊與一個模擬人眼視覺特性的×高斯濾波器做卷積。然后，將得到的8×8的卷積結果作為輸入矢量，經過LBG算法訓練得到一個碼書。第三步，對每個碼字，找到與其最相似的4×4的像素塊作為最終的碼字。這樣就建立了用來編碼原始圖像的碼書。最后利用該碼書用傳統的矢量量化思想原始圖像，得到最終的碼字索引。

2 壓縮方法

本文方法的基本思想是矢量量化壓縮技術。如圖1所示，矢量量化壓縮由編碼和解碼2部分組成。輸入圖像經過分塊后得到一系列像素塊，每個像素塊作為輸入矢量，通過訓練得到碼書。碼字搜索是將原始圖像塊在碼書中找到與之最相似的碼字，并用該碼字的索引來表示該圖像塊。這個過程就將原始圖像壓縮成一個比特流。經過信道傳輸后的解碼過程與之正好相反，最后得到解碼后的圖像。