基于顏色色差的彩色圖像壓縮技術研究

陳少鋒

(廣東理工學院，廣東 肇慶 526100)

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基于顏色色差的彩色圖像壓縮技術研究

陳少鋒

(廣東理工學院，廣東 肇慶 526100)

基于顏色色差的彩色圖像壓縮技術是將不同彩色圖像自身的DCT特有變換域系數特點與人體肉眼能夠辨識出的顏色色差閾值相結合，進而產生的一種可行的、壓縮質量較佳的圖像壓縮技術，此技術通過彩色圖像的轉換與色差變換，完全可以滿足不同彩色圖像的實際壓縮需求。

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。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備的影響。因為在進行彩色圖像壓縮時，經常需要在不同顯示設備間傳輸，必須將RGB色彩進行色彩空間轉換，使其變成一種不受顯示設備影響的色彩空間，即CIELAB色彩模式。這種色彩模式可以計算和表示出幾乎所有的物體色和光源色，自1976年提出后，發展到現今已經成為一種世界通用的標準色彩模式。它通常還具有以下三方面的優點，更使得它在現代彩色圖像顯示與壓縮技術中應用廣泛。第一，不受顯示設備影響。CIELAB色彩空間是一種完全不受顯示設備影響的色彩表現模式。基于這種特性，它能夠在色彩管理以及各類顯色設備中，使原稿色、印刷色以及屏幕色從視覺系統上實現高度一致，由此將不同設備間的色彩空間進行科學轉換。第二，當不同顏色色差介于視覺識別閾值與相鄰兩極的顏色差值之間時，可以更好地展現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給觀者的色彩感覺差別，這種感覺差別通常以數值方法表現出來。色差公式是指計算不同顏色差值的規劃算法。假如將兩種顏色都以L*、a*、b*顏色模式表現出來，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公式計算出來:

2 離散余弦變換

離散余弦變換又稱DCT變換(英文DiscreteCosineTransform的簡稱)。這種變換是一種與離散傅里葉變換非常類似的實數域正交變換，其整個變換核心就是實數余弦函數。對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轉化成頻率分布函數， 而DCT逆變換則是把圖像自身的頻率分布函數轉化成灰度分布函數。在整幅圖像變換中，通過低頻率余弦信號表示灰度變化緩慢的位置，通過高頻率余弦信號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就完全集中了圖像的主要能量和最主要的可視信息。此時位于變換域系數矩陣左上方位置的系數值一般比較大，而相應的彩色圖像高頻系數卻已經幾乎為零，再加上人體肉眼不能辨識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數，從而最終實現圖像壓縮的目的[2]。

3 基于顏色色差的彩色圖像壓縮技術實施方案

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的色差閾值，彩色圖像存在冗余。對于一幅彩色圖像中的8*8像素來講，在人體肉眼可辨識清楚的范圍內，如果某一像素點與圖像色差較大，則肉眼可以輕易辨識清楚，這類像素點就應該保留。反之，如果某一像素點與圖像差異較小，人體肉眼難以辨識清楚，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量化，從而進行最終圖像壓縮。其具體的壓縮過程，主要分為五步實施:

A.將RGB色彩空間轉換為CIELAB色彩空間。因為RGB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。而彩色圖像壓縮經常要在不同顯示設備間進行圖像傳輸，所以必須將圖像的色彩模式轉化在一種不受顯示設備影響的色彩空間，即CILAB顏色空間[3]。B.對彩色圖像進行色彩分離。對CIELAB色彩模式下的彩色圖像進行亮度分離和色度分離，進而獲得L*、a*、b*三個不同的分量亮度圖。C.對圖像進行子塊劃分和色差計算。以8*8像素值為基準單位對獲得的三個不同的亮度圖進行子塊劃分，然后將劃分好的所有子塊進行離散余弦轉換(DCT變換)。在轉換完成后，取三個不同子塊的轉換平均值當作子塊圖像的整體色彩值。同時把其余像素的色彩值同整體色彩值相對比，進行色差計算。如果總色差值比1小，則可以把該像素點量化在0。D.對圖像進行技術編碼。完成彩色圖像色差計算和像素點量化后，工作人員就可以根據像素量化結果以及量化為0的像素點的分布狀況，通過Huffman計算方法對彩色圖像進行技術編碼和技術壓縮，從而最終以比特率方式成功完成圖像的傳輸或者存儲。這里還存在一個壓縮比的問題。通常彩色圖像的壓縮值為98.355 55∶1時，人體肉眼就無法清楚辨識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。逆行解壓是依據上述四步圖像壓縮步聚反過來操作，對圖像進行解壓。因為在彩色圖像解壓過程中，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。這時就可以用色彩平均值代替那些已經被量化成0的像素點。再加上這些像素點本身就不太容易被人體肉眼識別出來，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流程表明基于顏色色差的彩色圖像壓縮技術，是建立在人體肉眼對不同顏色的辨別閾值和彩色圖像離散余弦轉變特點基礎上的。它以盡量減少彩色圖像信息的數據量為基本出發點，先將彩色圖像從受設備影響較大的RGB色彩模式轉換成不受設備影響的CIELAB顏色空間。在CILAB色彩空間內，彩色圖像被分離為亮度分量圖、紅-綠分量亮度圖以及黃-藍分量亮度圖。然后再通過子塊劃分，對彩色圖像進行離散余弦變換(DCT變換)，將變換值進行色差計算。依據人體肉眼的色彩辨識閾值量化像素，從而進行Huffman編碼、壓縮、逆行解壓。現階段，基于顏色色差的彩色圖像壓縮技術已被廣泛應用在各類大型彩色圖像傳輸與存儲中。大量的彩色圖像壓縮實踐證明:該項壓縮技術能夠在確保彩色圖像良好質量的前提下，獲得較高的像素壓縮比，并且圖像像素編碼質量以及解壓后的圖像質量都十分理想，能夠很好地滿足日常人們在生活和工作中對大數據量彩色圖像基本的傳送、存儲需求，非常值得被相關人員應用與推廣[4]。

4 結語

基于顏色色差的圖像壓縮技術以彩色圖像進行離散余弦變換和人體肉眼對顏色的辨識閾值為實施前提，相較于其他壓縮技術，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。尤其是在現階段整個社會信息量巨大、圖像信息傳送與存儲給計算機存儲空間以及無線通信網絡造成較大壓力的情況下，基于顏色色差的圖像壓縮技術更應該被大規模應用和推廣，從而最終實現超大數據量彩色圖像信息的快速傳播與良好存儲，進一步方便人們的生活與工作。

[1] 張華.多媒體計算機圖像數據壓縮的實現[J].計算機光盤軟件與應用，2014，(01):192-194.

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

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

[4] 趙小明，滕鵬超，宗靖國，等.人眼對不同顏色色差辨別能力的研究[J].電子科學技術，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