專利名稱：無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的準無損圖像壓縮和解壓縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的無損和準無損圖像壓縮方法及裝置屬于醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像壓縮技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及從數(shù)字圖像傳感器輸出的具有類似Bayer彩色圖像陣列格式的高質(zhì)量數(shù)字圖像壓縮的技術(shù)領(lǐng)域。在本發(fā)明中準無損圖像壓縮的定義如下壓縮后圖像的峰值信噪比(PSNR)大于46.37dB，且任一像素壓縮前后的誤差值不超過2。
背景技術(shù)：
彩色數(shù)字圖像傳感器已被廣泛應(yīng)用在各種高端和低端的視頻領(lǐng)域。但由于彩色圖像的數(shù)據(jù)量大，因此對彩色圖像數(shù)據(jù)的壓縮顯得非常重要。一般在低端消費類圖像產(chǎn)品中主要采用的是有損壓縮；而在高端彩色圖像傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域，圖像質(zhì)量是第一位的，因此高效率的準無損和無損圖像壓縮研究在高端彩色圖像傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域顯得尤為重要。
在無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，為了減小通信帶寬和節(jié)省圖像數(shù)據(jù)的發(fā)射功耗(在無圖像壓縮時，膠囊內(nèi)圖像發(fā)射功耗占整個膠囊內(nèi)總功耗的90％)，一種低復(fù)雜度、高質(zhì)量的圖像壓縮算法的應(yīng)用是非常必要的。如圖1顯示了無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)系統(tǒng)中簡化的圖像采集、壓縮和無線傳輸系統(tǒng)的方框圖。在無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，彩色圖像傳感器采集的BAYER格式的內(nèi)窺鏡圖像數(shù)據(jù)在進行彩色插值前將直接被壓縮，再通過信道編碼由無線收發(fā)器發(fā)送到體外。Bayer彩色陣列格式是在數(shù)字圖像傳感器中最普遍采用的一種格式，圖2是該格式圖。而體外接收機把接收的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過解壓縮后再進行彩色插值，最后提供給醫(yī)生作為最后的診斷圖像。由于膠囊內(nèi)采用兩節(jié)氧化銀電池進行供電，因此要求該圖像壓縮系統(tǒng)具有低復(fù)雜性，以保證硬件開銷低和低功耗。
在大多數(shù)傳統(tǒng)數(shù)字圖像傳感器的應(yīng)用中，均是先對從數(shù)字圖像傳感器輸出的具有類似Bayer彩色圖像陣列的數(shù)字圖像進行插值處理，獲得全彩色的RGB數(shù)據(jù)，然后再對插值后的全彩色數(shù)據(jù)進行壓縮處理，最后把這些壓縮后的數(shù)據(jù)在本地進行存儲，或者通過無線或有線的通信方式把壓縮的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，該方法可示于圖3中。然而這種傳統(tǒng)的方法(先彩色插值再壓縮的方法)是在圖像壓縮前先對圖像傳感器輸出的Bayer格式的原始數(shù)據(jù)進行全彩色插值，但這使得在圖像壓縮前引入了新的數(shù)據(jù)冗余，這非常不利于圖像的壓縮。目前人們已經(jīng)開始提出新的用于圖像傳感器的先壓縮后插值的方法，如圖4所示。這種壓縮方法是通過對圖像傳感器輸出的類似Bayer彩色格式圖像數(shù)據(jù)直接進行壓縮，避免了彩色插值引入的不必要數(shù)據(jù)冗余，因此這種圖像壓縮方法能夠提高壓縮的性能。但這些新提出的各種先壓縮后插值的方法主要是針對有損圖像壓縮提出的，不合適有高質(zhì)量圖像要求的應(yīng)用，特別是對無線內(nèi)窺鏡等醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用領(lǐng)域等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種用于無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的高效、低復(fù)雜度、基于類似Bayer彩色圖像陣列的無損和準無損圖像壓縮/解壓縮方法及裝置，其結(jié)構(gòu)如圖5和6所示。
本發(fā)明所述的方法的特征在于該方法是一種用于無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的基于先壓縮后彩色插值的圖像壓縮、解壓縮方法，所述方法由壓縮方法及解壓縮方法依次組成，其中無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的準無損圖像壓縮方法是對圖像傳感器輸出的有很多高頻分量的Bayer彩色圖像陣列數(shù)據(jù)用低通濾波器對該數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的三個分量R、B和G分別進行低通濾波，然后再對濾波后所述的三個圖像分量數(shù)據(jù)分別用無損壓縮編碼進行壓縮的一種方法，其中所述Bayer彩色圖像陣列中，圖像G分量數(shù)據(jù)呈菱形，數(shù)據(jù)量占整個Bayer圖像數(shù)據(jù)量的1/2，R和B分量呈矩形，各占整個Bayer圖像數(shù)據(jù)量的1/4，所述無損壓縮編碼是指JPEG-LS壓縮編碼；所述壓縮方法依次含有以下步驟步驟11向無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的JPEG-LS壓縮編碼控制單元設(shè)定以下低通濾波用的輸入?yún)?shù)質(zhì)量控制因子，即被濾波的像素點占整個圖像像素點百分比，用q表示；在所述無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的低通濾波器中，橫向濾波時均勻地選擇應(yīng)該濾波的列；縱向濾波時，均勻地選擇應(yīng)濾波的行；感興趣區(qū)，用ROI表示，該區(qū)內(nèi)包含了不進行濾波以供直接進行無損壓縮像素點的位置和形狀，該ROI表示進行無損壓縮的處理能力；步驟12步驟11中的JPEG-LS壓縮編碼控制單元在收到q及ROI后，把該數(shù)據(jù)送往位于所達無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)低通濾波器中的低通濾波控制器并存儲；步驟13所述無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)最前端的數(shù)字圖像傳感器采集Bayer陣列彩色數(shù)據(jù)，并在所述JPEG-LS壓縮編碼控制單元所發(fā)出的同步信號控制下把該Bayer陣列彩色數(shù)據(jù)送往所述低通濾波器中；步驟14所述低通濾波器內(nèi)的低通濾波控制單元按照設(shè)定的ROI把不需要濾波的數(shù)據(jù)送往所述低通濾波器中內(nèi)置的緩存SRAM；對于需要進行濾波的數(shù)據(jù)，首先對G分量進行菱形到矩形的變換操作，即把所述Bayer格式的彩色圖像數(shù)據(jù)中的菱形G分量的空點去掉，然后把剩下的數(shù)據(jù)直接組合成一個矩形，所以用同一組濾波器，按照以下步驟對G、B、R分量分別用G分量低通濾波器和B、R分量濾波器濾波后，存入所述相應(yīng)低通濾波器的內(nèi)置緩存SRAM中第I步橫向濾波，以消弱原始圖像中水平方向的高頻成分，所述橫向濾波按列由左至右依次順序進行， 表示向下取整操作，即 濾波后第1列圖像數(shù)據(jù)＝原第1列圖像數(shù)據(jù)， ··· 第II步對所述第I步得到的新數(shù)據(jù)進行縱向濾波，以平滑縱向的高頻成分，所述縱向濾波按行有上至下依下述順序進行， 表示向上取整，即 濾波后第1行圖像數(shù)據(jù)＝原第1行列圖像數(shù)據(jù)， ··· 步驟15所述JPEG-LS壓縮編碼控制單元把所述低通濾波器內(nèi)置的SRAM中所存儲的濾波后的圖像數(shù)據(jù)送往位于所述無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的SRAM中待全部圖像數(shù)據(jù)濾波后，把所述于濾波后的圖像數(shù)據(jù)送往一個內(nèi)置于所述無線內(nèi)窺鏡膠囊中的JPEG-LS編碼器中；步驟16所述JPEG-LS編碼器在JPEG-LS壓縮編碼控制單元的控制下對所收到的全部濾波后的圖像數(shù)據(jù)按JPEG-LS無損壓縮編碼進行無損壓縮。
步驟17待步驟16所述的壓縮操作完成后，所述JPEG-LS編碼器把壓縮后的圖像數(shù)據(jù)存儲到所述SRAM中并送至信道編碼單元，進行編碼后輸出到位于所述無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的無線收發(fā)器，以無線方式發(fā)送到體外；無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的無損和準無損圖像解壓縮方法且在體外的JPEG-LS無損解碼的控制單元控制下按以下步驟進行的步驟21體外無線收發(fā)裝置接收所述無線內(nèi)窺鏡膠囊中的相應(yīng)裝置發(fā)來的依次經(jīng)過濾波、壓縮數(shù)據(jù)后，所述數(shù)據(jù)送往一個JPEG-LS解碼器進行解碼；步驟22所述JPEG-LS解碼器對步驟21中的壓縮數(shù)據(jù)解碼后，分別把G分量以及B、R分量送往G分量重構(gòu)濾波器和B、R分量重構(gòu)濾波器進行重構(gòu)濾波；步驟23步驟22中所述重構(gòu)濾波器依次按以下步驟對所述G分量和B、R分量分別進行重構(gòu)濾波第I步所述重構(gòu)濾波器把設(shè)定的ROI區(qū)域內(nèi)不需要重構(gòu)濾波的數(shù)據(jù)送往該重構(gòu)濾波器中內(nèi)置的緩存SRAM中；對于需要重構(gòu)濾波的數(shù)據(jù)按照設(shè)定的q值依次按以下所述縱向重構(gòu)濾波和橫向重構(gòu)濾波進行；第II步縱向重構(gòu)濾波按以下公式順次逐行由下至上進行，已恢復(fù)縱向原始數(shù)據(jù)；重構(gòu)后第m行圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第m行圖像數(shù)據(jù)值-原第m-1行圖像數(shù)據(jù)值，重構(gòu)后第m-1行圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第m-1行圖像數(shù)據(jù)值-原第m-2行圖像數(shù)據(jù)值，·· ·重構(gòu)后第2行圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第2行圖像數(shù)據(jù)值-原第1行圖像數(shù)據(jù)值，重構(gòu)后第1行圖像數(shù)據(jù)值＝原第1行圖像數(shù)據(jù)值，第III步橫向重構(gòu)濾波對第II步得到得新數(shù)據(jù)按以下公式順次逐列從右至左進行，以完成水平方向數(shù)據(jù)的恢復(fù)；重構(gòu)后第m列圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第m列圖像數(shù)據(jù)值-原第m-1列圖像數(shù)據(jù)值，重構(gòu)后第m-1列圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第m-1列圖像數(shù)據(jù)值-原第m-2列圖像數(shù)據(jù)值，·· ·重構(gòu)后第2列圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第2列圖像數(shù)據(jù)值-原第1列圖像數(shù)據(jù)值，重構(gòu)后第1列圖像數(shù)據(jù)值＝原第1列圖像數(shù)據(jù)值；第IV步把重構(gòu)濾波后的圖像數(shù)據(jù)送往所述內(nèi)置的SRAM中；步驟24所述重構(gòu)濾波器把經(jīng)過重構(gòu)濾波的G分量數(shù)據(jù)送往菱形到矩形變換器中進行變換；步驟25把步驟23得到的重構(gòu)濾波后的B、R分量數(shù)據(jù)以及步驟24得到的重構(gòu)濾波后又經(jīng)過變換的G分量數(shù)據(jù)送往一個加法器相加后得到已恢復(fù)的原始Bayer彩色圖像數(shù)據(jù)；步驟26把步驟25得到的數(shù)據(jù)送往一個彩色插值處理器按拉普拉斯方法插值后得到全彩色圖像數(shù)據(jù)。
所述的無損壓縮編碼可以是JPEG-LS，JPEG2000無損壓縮部分以及FELICS算法(P.G.Howard and J.S.Vitter，F(xiàn)ast and Efficient Lossless Image Compression[A]，IEEE DataCompression Conference[C]，USA，1993351-360.)中的任何一種。
本發(fā)明用以下裝置實現(xiàn)所述裝置是一個位于體內(nèi)的無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)，它包括
內(nèi)部的ASIC芯片含有菱形到矩形變換單元、G分量圖像數(shù)據(jù)低通濾波單元、B、R分量低通濾波單元、JPEG-LS無損壓縮單元以及JPEG-LS無損壓縮的控制單元，其中菱形到矩形的變換單元，該單元的輸入端與一個可以輸出Bayer彩色圖像數(shù)據(jù)的圖像傳感器相連，以把菱形的G分量數(shù)據(jù)中的空白點去掉，再把剩下的數(shù)據(jù)直接組合成一個矩形后再輸出；低通濾波器，含有G分量以及B、R分量的低通濾波單元，所述低通濾波器含有低通濾波控制器、行計數(shù)器、列計數(shù)器、輸入同步提取電路、緩存兩行圖像數(shù)據(jù)的SRAM、G、B、R分量寄存器、數(shù)據(jù)選擇器A、數(shù)據(jù)選擇器B以及濾波運算器，其中低通濾波控制器，設(shè)有質(zhì)量控制因子q值輸入端，所述q是指被濾波的像素點占整個圖像像素點的百分比；感興趣區(qū)ROI值輸入端，所述ROI值是指包含不進行濾波以供直接進行無損壓縮像素點的位置和形狀；行計數(shù)器和列計數(shù)器，其輸出端分別和所述低通濾波控制器的相應(yīng)輸入端相連；輸入同步提取器，設(shè)有Bayer圖像數(shù)據(jù)輸入端，該輸入端與圖像傳感器單元的相應(yīng)輸出端相連；包括行/場同步信號以及每個像素點的同步時鐘在內(nèi)的同步信號輸入端，該輸入端與圖像傳感單元的相應(yīng)輸出端相連；輸入同步提取器把提取出的相應(yīng)行和列信息分別送往行和列計數(shù)器單元；該輸入同步提取器在所述的同步信號控制下逐行或逐列第輸出8位當前行列的Bayer圖像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)；緩存SRAM，設(shè)有地址信號輸入端，該輸入端與所述低通濾波控制器的相應(yīng)輸出端相連，還設(shè)有前一行或列的數(shù)據(jù)輸入端和輸出端；G分量寄存器、B分量寄存器以及R分量寄存器，各設(shè)有選通信號輸入端，該輸入端與所述低通濾波控制器的相應(yīng)輸出端相連；設(shè)有前一行或列的數(shù)據(jù)輸入端，該輸入端與所述緩存SRAM的相應(yīng)輸出端相連；還設(shè)有當前行或列的數(shù)據(jù)輸入端，該輸入端與所述輸入同步提取單元的相應(yīng)輸出端相連；數(shù)據(jù)選擇器A，設(shè)有與所述G、B、R分量寄存器的當前行或列、前一行或列的輸出數(shù)據(jù)相應(yīng)的輸入端；運算器數(shù)據(jù)輸入端和所述數(shù)據(jù)選擇器A的相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端相連，按照下述運算方式依次對輸入的各分量的圖像數(shù)據(jù)進行橫向濾波和縱向濾波第I步橫向濾波，以消弱原始圖像中水平方向的高頻成分，所述橫向濾波按列由左至右依次順序進行， 表示向下取整操作，即
濾波后第1列圖像數(shù)據(jù)＝原第1列圖像數(shù)據(jù)， ··· 第II步對所述第I步得到的新數(shù)據(jù)進行縱向濾波，以平滑縱向的高頻成分，所述縱向濾波按行有上至下依下述順序進行， 表示向上取整，即 濾波后第1行圖像數(shù)據(jù)＝原第1行列圖像數(shù)據(jù)， ··· 數(shù)據(jù)選擇器B，設(shè)有選通信號輸入端，該輸入端與所述低通濾波控制器的相應(yīng)輸出端相連，以便分別輸入不必濾波的以及已經(jīng)濾波的圖像數(shù)據(jù)的輸入；設(shè)有ROI區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)輸入端，該輸入端與所述輸入同步提取器的當前行或列的Bayer彩色圖像數(shù)據(jù)輸出端相連，還設(shè)有濾波數(shù)據(jù)輸入端，該輸入端與所述運算器的相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出端相連；另外還有一個前一行或列的已經(jīng)濾過波的圖像數(shù)據(jù)輸出端，該輸出端與所述緩存SRAM的前一行或列的圖像數(shù)據(jù)輸入端相連，所述前一行或列的圖像數(shù)據(jù)輸出端還是一個經(jīng)過所述低通濾波器處理后的Bayer彩色圖像數(shù)據(jù)輸出端；SRAM，設(shè)有Bayer彩色圖像數(shù)據(jù)輸入端，該輸入端與所述低通濾波器的相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出端相連；還設(shè)有一個控制信號輸入端，該輸入端與所述JPEG-LS無損編碼的控制單元的相應(yīng)輸出端相連；JPEG-LS無損壓縮編碼器，按JEPG-LS無損壓縮標準文件編碼，該編碼器含有四個參數(shù)A、B、C、N的緩存存儲器，各輸入端與所述SRAM內(nèi)設(shè)定的四個參數(shù)A、B、C、N的相應(yīng)的輸出端相連，所述四個參數(shù)都與一個上下文條件相對應(yīng)，A指當前上下文條件下地累積絕對誤差值，C是指平均誤差值，N是指當前上下文出現(xiàn)的總次數(shù)，B參數(shù)是為了簡化計算而引入的中間量，A、B、C、N參數(shù)是供圖像的自身內(nèi)容進行自適應(yīng)調(diào)整用的，用于減少預(yù)測值的誤差；游程掃描和游程編碼電路，該電路的游程模式設(shè)定端與所述SRAM緩存的游程模式值的輸出端相連；上下文決策電路，該電路與所述JPEG-LS無損壓縮編碼的控制單元互連，并有輸入端與SRAM的數(shù)據(jù)輸出端相連。該決策電路根據(jù)被壓縮點的上下文內(nèi)容來進行本地梯度的計算和量化，以及對量化后梯度的融合與壓縮模式的選擇；所述本地梯度，指待壓縮像素點周圍四點形成的三個梯度值(即兩像素點間差值)，本地梯度包含三個梯度分量，分別對應(yīng)待壓縮像素點右上與正上、正上與左上的兩個水平梯度，及左上與正左的一個垂直梯度；誤差預(yù)測電路，該電路的控制信號數(shù)據(jù)端與所述JPEG-LS無損壓縮編碼的控制單元相應(yīng)輸出端相連，并有輸入端與SRAM的數(shù)據(jù)輸出端相連，另一輸口與參數(shù)計算單元相連，以進行A、B、C、N參數(shù)的讀取和更新回寫，誤差預(yù)測電路根據(jù)本地梯度及周圍四點的值進行粗預(yù)測，并且根據(jù)當前像素的上下文值對應(yīng)的A、B、C、N參數(shù)對預(yù)測初值進行微調(diào)，從而最終確定預(yù)測值，然后更新A、B、C、N參數(shù)；參數(shù)A、B、C和N的計算單元設(shè)有四個數(shù)據(jù)端口，所述端口與所述四個參數(shù)A、B、C、N緩存區(qū)單元的相應(yīng)輸出端相連；設(shè)有一個誤差輸入端口，所述端口和誤差預(yù)測電路相連；該單元完成把從誤差電路輸入的誤差預(yù)測值和從參數(shù)A、B、C、N緩存區(qū)單元讀入的相應(yīng)值進行運算，把運算所得到的結(jié)果送回參數(shù)A、B、C、N緩存區(qū)單元以及誤差預(yù)測單元存儲；JEPG-LS無損壓縮編碼的控制單元，設(shè)有所述q、ROI值的輸出端，該輸出端與所述低通濾波器中的低通濾波控制器的相應(yīng)輸出端相連；同時，該JPEG-LS無損壓縮編碼的控制單元又與所述低通濾波器、SRAM以及JPEG-LS壓縮編碼器中的上下文決策電路、誤差控制電路及游程掃描和編碼電路相連。
發(fā)明效果如下1)該壓縮方法提供了一種用于無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的高效、低復(fù)雜度、基于類似Bayer彩色圖像陣列的無損和準無損圖像壓縮。為了證明該壓縮方法的有效性，Bayer彩色格式圖像數(shù)據(jù)一部分是從標準圖像庫中的‘lena’，‘baboon’，‘a(chǎn)irplane’，‘house’，‘lake’，‘peppers’和‘splash’等7幅標準圖像中通過抽樣操作獲得；另一部分圖像是來自采集到的6幅無線內(nèi)窺鏡圖像。
對標準圖像庫中自然圖像采用該壓縮方法，當質(zhì)量控制因子q＝1時，彩色圖像的平均壓縮碼率為3.35比特/像素點、圖像的峰值信號噪聲比(PSNR)＞＝46.37dB；對無線內(nèi)窺鏡圖像采用該壓縮方法能提供彩色圖像的平均壓縮碼率為2.18比特/像素點、圖像的峰值信號噪聲比(PSNR)＞＝47.57dB。
2)該方法中涉及的低通濾波器的實現(xiàn)復(fù)雜度非常低，只需要加法和移位運算即可實現(xiàn)。
3)由于本發(fā)明提出的壓縮方法是在彩色插值之前進行壓縮，與常規(guī)的先彩色插值后壓縮的方法比較，需要壓縮的G分量數(shù)據(jù)只有常規(guī)方法G分量數(shù)據(jù)量的一半，而R和B分量均只有常規(guī)方法的四分之一，因此該方法大大降低了壓縮的數(shù)據(jù)量，降低了硬件實現(xiàn)的復(fù)雜性和存儲量。
4)能提供信噪比在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的準無損壓縮或無損壓縮的圖像數(shù)據(jù)。在對標準圖像庫中的圖像進行壓縮的結(jié)果表明通過對低通濾波器的輸入?yún)?shù)質(zhì)量因子的控制可以獲得信噪比從大約46.37dB到無窮大范圍內(nèi)連續(xù)變化的準無損壓縮、無損壓縮的圖像數(shù)據(jù)，相應(yīng)壓縮比從平均3.35比特/像素點～6.9比特/像素點變化。
5)能提供對指定感興趣區(qū)ROI區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無損壓縮等功能，即支持興趣區(qū)(ROI)處理功能。通過對感興趣區(qū)(ROI)壓縮控制端口。ROI的形狀可以任意比如矩形，圓，橢圓以及任意形狀等。
為了驗證算法的有效性，表1列出了論文提出的算法和下列幾種算法進行比較的結(jié)果。
a)‘本發(fā)明的壓縮方法(q＝1)，無損壓縮編碼JPEG-LS’本發(fā)明提出的壓縮方法，其中的無損壓縮編碼部分采用JPEG-LS壓縮編碼，低通濾波器的質(zhì)量控制因子q＝100％。
b)‘本發(fā)明的壓縮方法(q＝1)，無損壓縮編碼JPEG2000’本發(fā)明提出的壓縮方法，其中的無損壓縮編碼部分采用JPEG2000壓縮編碼，低通濾波器的質(zhì)量控制因子q＝100％。
c)‘本發(fā)明的壓縮方法(q＝1)，無損壓縮編碼FELICS’本發(fā)明提出的縮方法，其中的無損壓縮編碼部分采用FELICS壓縮編碼，低通濾波器的質(zhì)量控制因子q＝100％。
d)‘JPEG-LS的準無損壓縮(near參數(shù)是2)’BAYER數(shù)據(jù)直接被JPEG-LS準無損壓縮編碼器壓縮，其中near參數(shù)是2，即壓縮后圖像的每個像素點的誤差值不大于2。
e)‘本發(fā)明壓縮方法(q＝0.25)，無損壓縮編碼JPEG-LS’本發(fā)明提出的壓縮方法，其中的無損壓縮編碼部分采用JPEG-LS壓縮編碼，低通濾波器的質(zhì)量控制因子q＝25％。
f)‘參考文獻中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方法(Chin Chye Koh，Jayanta Mukherjee and Sanjit K.Mitra，New Efficient Methods of Image Compression in Digital Cameras with Color Filter Array[J](用于彩色濾波陣列圖像數(shù)據(jù)輸出的數(shù)字相機的高效圖像壓縮方法)，IEEE Trans.ConsumerElectronics，Nov 2003，49(4)1448-1456.)’BAYER數(shù)據(jù)通過文獻中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換濾波器濾波后再經(jīng)過JPEG-LS進行無損壓縮編碼。
g)‘JPEG-LS直接壓縮的方法’采用JPEG-LS直接對Bayer彩色格式的圖像數(shù)據(jù)進行壓縮。
f)‘JPEG2000直接壓縮’采用JPEG2000直接對Bayer彩色格式的圖像數(shù)據(jù)進行壓縮。
表1是對準圖像庫中7幅標圖像進行壓縮的結(jié)果，它表明本發(fā)明提出的壓縮方法(q＝1)的平均壓縮碼率達3.35比特/像素點，平均PSNR值達到46.43dB，且壓縮后每個像素點值誤差不會大于2，因此該算法保證了壓縮圖像的質(zhì)量；本發(fā)明提出的壓縮方法所獲得的壓縮碼率(q＝1)要大大低于采用JPEG-LS和JPEG2000無損編碼器對Bayer彩色格式圖像數(shù)據(jù)直接壓縮情況下的壓縮碼率，而且恢復(fù)后圖像仍保持很高的信噪比(大于46.37dB)；表中的壓縮結(jié)果也表明了在本發(fā)明提出的壓縮方法中的無損壓縮編碼采用JPEG-LS要比采用JPEG2000以及FELICS有更好的壓縮性能；在q＝0.25時，本發(fā)明提出的壓縮方法的壓縮性能要高于參考文獻中的“結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換”算法；在q＝1時，本發(fā)明提出的壓縮方法的壓縮性能要高于JPEG-LS的準無損壓縮(near參數(shù)是2)。
表2是對六幅典型的無線內(nèi)窺鏡圖像進行壓縮的試驗結(jié)果。結(jié)果同樣表明了本發(fā)明提出的壓縮算法有著比JPEG-LS準無損壓縮(near參數(shù)是2)以及參考文獻中的“結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換”算法更高的壓縮性能。
試驗結(jié)果表明從壓縮性能和硬件實現(xiàn)復(fù)雜性的角度考慮，本發(fā)明提出的壓縮方法是最合適直接對Bayer彩色陣列圖像數(shù)據(jù)進行準無損壓縮的算法，也因此合適于無線內(nèi)窺鏡膠囊系統(tǒng)對低復(fù)雜度、低功耗的要求。
表1對標準圖像庫中7幅圖像壓縮的實驗結(jié)果與比較

CR表示壓縮碼率，∝表示無窮大表2幾種圖像壓縮算法的比較(6幅典型的無線內(nèi)窺鏡圖像)

本發(fā)明提出的壓縮方法除了具有低復(fù)雜性和高壓縮性能外，還具有壓縮圖像質(zhì)量可調(diào)整和對ROI進行無損壓縮的功能。圖15顯示了三幅圖像(baboon，lena和airplane)的可調(diào)整的圖像質(zhì)量PSNR與壓縮碼率的關(guān)系，圖像質(zhì)量PSNR從46.37dB至無窮大連續(xù)可調(diào)整的功能，相應(yīng)平均壓縮碼率從3.35比特/像素點到6.9比特/像素點范圍變化。


圖1無線內(nèi)窺鏡中簡化的圖像壓縮系統(tǒng)模型；圖2BAYER彩色陣列格式圖；圖3傳統(tǒng)基于數(shù)字圖像傳感器的圖像采集、壓縮和傳輸系統(tǒng)(先彩色插值后壓縮方法)；圖4新的基于數(shù)字圖像傳感器的圖像采集、壓縮和傳輸系統(tǒng)(先壓縮后彩色插值方法)；圖5本發(fā)明提出的一種用于無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的基于先壓縮后彩色插值方法的壓縮結(jié)構(gòu)框圖；圖6本發(fā)明提出的一種用于無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的基于先壓縮后彩色插值方法的解壓縮結(jié)構(gòu)框圖；圖7Bayer彩色格式圖像數(shù)據(jù)的G分量從菱形到矩形的變換圖；圖8基于類似Bayer彩色圖像陣列的數(shù)字圖像無損和準無損圖像壓縮/解壓縮方法及裝置實例圖；圖9a橫向濾波；圖9b縱向濾波；圖9c縱向重構(gòu)濾波；
圖9d橫向重構(gòu)濾波；圖10(a)q＝50％時，橫向濾波器選擇的被濾波行數(shù)；(b)當q＝25％時，縱向濾波器選擇的被濾波的列數(shù)；圖11圖像質(zhì)量調(diào)整時的算法流程圖；圖12虛線框內(nèi)是選擇的ROI；圖13圖像壓縮方法的VLSI結(jié)構(gòu)；圖14圖像壓縮算法中低通濾波器的硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)；圖15調(diào)整圖像壓縮的質(zhì)量控制因子時壓縮碼率和壓縮比的關(guān)系；圖16本發(fā)明提出的壓縮方法的程序流程圖；圖17本發(fā)明提出的解壓縮方法的程序流程具體實施例方式圖1是無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)系統(tǒng)簡化的圖像采集、壓縮和無線傳輸系統(tǒng)的方框圖。無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的圖像傳感器輸出的Bayer彩色格式圖像數(shù)據(jù)直接被壓縮，然后送至信道編碼單元，進行信道編碼后輸出到無線收發(fā)器，以無線電波的形式發(fā)送到體外。膠囊也可通過無線收發(fā)器接收來自外部的控制命令數(shù)據(jù)，然后送到信道解碼單元，解碼后的數(shù)據(jù)輸出到控制單元，由控制單元根據(jù)接收到的控制命令來控制膠囊內(nèi)電路的下一步動作。
圖2是圖像傳感器輸出的BAYER格式彩色圖像陣列。其中圖像G分量數(shù)據(jù)呈菱形，數(shù)據(jù)量占整個Bayer圖像數(shù)據(jù)量的1/2，R和B分量呈矩形，各占整個Bayer圖像數(shù)據(jù)量的1/4。
圖3是傳統(tǒng)先彩色插值后壓縮的方法。圖像傳感器輸出Bayer格式的彩色圖像數(shù)據(jù)首先經(jīng)過彩色插值處理后形成全彩色的RGB圖像數(shù)據(jù)，然后對該全彩色的圖像數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)在本地存儲或通過有線或無線的通訊方式發(fā)送出去，最后對存儲在本地或通過有線或無線方式獲得的壓縮數(shù)據(jù)進行解壓縮后即可得到恢復(fù)后的全彩色的圖像數(shù)據(jù)。
圖4新的基于先壓縮后彩色插值的壓縮方法。圖像傳感器輸出的Bayer彩色格式圖像數(shù)據(jù)直接被壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)將在本地存儲或通過有線或無線的通訊方式發(fā)送出去，最后對存儲在本地或通過有線或無線接收方式獲得的壓縮數(shù)據(jù)進行解壓縮，最后對解壓縮后的Bayer彩色格式圖像數(shù)據(jù)進行彩色插值處理后形成全彩色的RGB圖像數(shù)據(jù)，恢復(fù)為全彩色的RGB圖像數(shù)據(jù)。
圖5是本發(fā)明提出的用于無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的基于先壓縮后彩色插值的壓縮結(jié)構(gòu)。圖像傳感器輸出Bayer格式的彩色圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中的G分量首先通過菱形到矩形的轉(zhuǎn)換后，送入到低通濾波器中進行平滑濾波，最后送入無損壓縮模塊進行無損壓縮，其中R和B分量原本就是矩形，因此將分別直接通過低通濾波器進行低通濾波，最后送入無損壓縮模塊進行無損壓縮，平滑濾波器有兩個控制參數(shù)質(zhì)量控制因子和感興趣區(qū)(ROI)參數(shù)。
圖6中是對圖5中輸出的壓縮數(shù)據(jù)進行解壓縮，然后對解壓縮輸出的G分量通過矩形到菱形的變換，再送入重構(gòu)濾波器進行重構(gòu)，而對解壓縮輸出的R和B分量則分別直接送入重構(gòu)濾波器進行重構(gòu)，重構(gòu)濾波器有兩個與壓縮部分的低通濾波器相同的輸入控制參數(shù)質(zhì)量控制因子和感興趣區(qū)(ROI)參數(shù)，對兩個重構(gòu)濾波器輸出的G、R和B分量由加法器重新組合成Bayer格式的彩色圖像數(shù)據(jù)輸出到彩色插值處理單元進行彩色插值，最后獲得全彩色RGB的數(shù)據(jù)輸出。
圖7是把Bayer格式的彩色圖像數(shù)據(jù)中的菱形G分量的空點去掉，然后把剩下的數(shù)據(jù)點直接組合成一個矩形。
圖8所示是本發(fā)明涉及的用于無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的高效、低復(fù)雜度、基于類似Bayer彩色圖像陣列的無損和準無損圖像壓縮/解壓縮方法的具體實施裝置。無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)包括數(shù)據(jù)采集、本發(fā)明提出的壓縮裝置(包括菱形到矩形的變換單元、低通濾波器、JPEG-LS編碼器)以及無線收發(fā)射裝置A；在無線膠囊外包括本發(fā)明提出的數(shù)據(jù)解壓縮和恢復(fù)裝置，以及無線收發(fā)射裝置B組。膠囊內(nèi)的數(shù)據(jù)采集、壓縮裝置主要完成對Bayer彩色格式圖像數(shù)據(jù)的采集和壓縮的過程，該裝置的最前端為CCD/CMOS數(shù)字圖像傳感器，它完成圖像采集后輸出Bayer彩色格式圖像數(shù)據(jù)。由于Bayer彩色格式數(shù)據(jù)具有很多高頻分量的特點，未加處理的原始數(shù)據(jù)不適合直接壓縮，因而需對原始數(shù)據(jù)進行低通平滑濾波處理。Bayer彩色格式圖像數(shù)據(jù)中G分量的像素點排列呈菱形，在對G分量濾波前需要進行由菱形到矩形的變換，然后進行低通濾波，R和B分量則可直接進行低通濾波，最后濾波后的三個分量將被分別送入無損壓縮單元進行壓縮，壓縮單元采用JPEG-LS的無損壓縮編碼。該壓縮裝置采用專用集成電路(ASIC)實現(xiàn)。經(jīng)壓縮后的數(shù)據(jù)將通過無線收發(fā)射裝置A以無線電波形式發(fā)射到膠囊外。
膠囊外的無線收發(fā)射裝置B接收來自膠囊內(nèi)發(fā)射的壓縮圖像數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由本發(fā)明提出的解壓縮方法進行數(shù)據(jù)解壓縮，解壓縮后的數(shù)據(jù)最后通過彩色插值處理恢復(fù)成全彩色的RGB圖像數(shù)據(jù)。解壓縮裝置包括重構(gòu)濾波器、菱形到矩形的變換單元、加法器以及JPEG-LS解碼器。解壓縮部分在具體實例中由軟件實現(xiàn)。
首先定義一個客觀的圖像壓縮的比較標準，見下面公式(1)PSNR=10log10(25521H×WΣx=1WΣy=1H(I1(x,y)-I2(x,y))2)...(1)]]>
低通濾波器設(shè)計首先對G分量先進行如圖7的菱形到矩形的變換操作，然后對G、B、R分別濾波，并采用相同的一組濾波器。該組濾波器分兩個部分橫向濾波見圖9a和縱向濾波見圖9b。圖中所示為4×4的bayer數(shù)據(jù)。圖9a中，‘●’代表首列的原始數(shù)據(jù)， 代表第m列濾波后數(shù)據(jù)， 代表第m列未濾波原始數(shù)據(jù)，在橫向濾波過程中，除第一列數(shù)據(jù)外的其它數(shù)據(jù)都要經(jīng)過濾波處理，具體操作可由公式(2)來表達，其中 表示取整操作，有 濾波操作的順序是由左至右。
濾波后第1列圖像數(shù)據(jù)＝原第1列圖像數(shù)據(jù)， ··· 經(jīng)過橫向濾波后，原始圖像中水平方向的高頻成分大大減少，為了進一步平滑縱向的高頻成分，濾波輸出數(shù)據(jù)接入一個縱向濾波器，濾波過程如圖9b。圖9b中，‘●’代表首行原始數(shù)據(jù)， 代表第m行濾波后數(shù)據(jù)， 代表第m行未濾波原始數(shù)據(jù)，具體操作可用公式(3)表示。其中 是取整操作，但 濾波過程按照從上到下的順序。
濾波后第1行圖像數(shù)據(jù)＝原第1行列圖像數(shù)據(jù) ··· 重構(gòu)濾波器設(shè)計重構(gòu)濾波器組也包含兩個濾波器縱向重構(gòu)濾波器和橫向重構(gòu)濾波器，這兩部分重構(gòu)濾波分別于前面的縱向濾波和橫向濾波相對應(yīng)?？v向重構(gòu)濾波目的在于恢復(fù)縱向原始數(shù)據(jù)，濾波操作過程見圖9c，重構(gòu)過程按行進行，按照由下至上順序，逐個恢復(fù)上一行數(shù)據(jù)值直至首行為止，具體濾波過程可由公式4來表達?？v向重構(gòu)時，公式中的序號表示行的序號。
重構(gòu)后第m行圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第m行圖像數(shù)據(jù)值-原第m-1行圖像數(shù)據(jù)值重構(gòu)后第m-1行圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第m-1行圖像數(shù)據(jù)值-原第m-2行圖像數(shù)據(jù)值···重構(gòu)后第2行圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第2行圖像數(shù)據(jù)值-原第1行圖像數(shù)據(jù)值重構(gòu)后第1行圖像數(shù)據(jù)值＝原第1行圖像數(shù)據(jù)值 (4)橫向重構(gòu)濾波器完成水平方向數(shù)據(jù)恢復(fù)的功能，重構(gòu)過程按行進行，按照從右至左的順序，逐個恢復(fù)前一列數(shù)據(jù)直至首列為止，過程也可用公式(4)描述，但公式中的序號表示列的序號，其濾波操作過程見圖9d。
誤差分析提出算法的誤差產(chǎn)生根源是在低通濾波器中的橫向和縱向濾波操作，也即公式(2)和(3)中的取整操作。在實際無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中采用的是8比特/像素點的精度。橫向濾波公式(2)導(dǎo)致的誤差eH可以用公式(5)表達，公式中x是表示濾波過程中相鄰兩個像素點值的和，是一個8比特的整數(shù)。從該公式可知eH＝0或1。
同樣縱向濾波公式(3)導(dǎo)致的誤差eV可以用公式(6)表達。從該公式可知eV＝0或-1。
因此通過橫向和縱向濾波后，總的誤差可用下面公式(7)描述。其中公式中的 部分是由于縱向濾波引入誤差再通過橫向重構(gòu)濾波器擴大后的最終誤差，而 則是由于橫向濾波引入的誤差。因此通過公式(6)可知低通濾波器總的引入誤差將不會大于2。

通過對大量圖像進行統(tǒng)計的結(jié)果，可以得到公式(8)所示關(guān)于橫向濾器和縱向濾波器所分別引入誤差的概率分布。
pH(0)=pH(1)=pv(0)=pv(-1)=12...(8)]]>結(jié)合低通濾波器的誤差公式(7)和橫向和縱向濾波引入誤差的概率分布，可以得出低通濾波器總得引入誤差值的概率分布見下面公式(9)。
pH+V(0)=pV(0)×pV(0)×pH(0)+pV(-1)×pH(1)=14pH+V(1)=pV(0)×pV(0)×pH(1)+pV(-1)×pH(0)+pV(-1)×pV(-1)×pH(0)+pV(-1)×pV(0)×pH(1)=12pH+V(2)=pV(-1)×pV(0)×pH(0)+pV(-1)×pV(-1)×pH(1)=14...(9)]]>因此根據(jù)低通濾波器的誤差概率分布公式(8)以及PSNR的定義(1)，可以得出解壓縮后的重構(gòu)圖像數(shù)據(jù)的理論上的PSNR值將是46.37dB，見公式(10)。因此論文提出的準無損壓縮算法在理論上不僅僅保證了解壓縮重構(gòu)后的每個像素點的誤差值不超過2，同時也保證了解壓縮重構(gòu)后的圖像PSNR大于46.37dB。
PSNR=10log10(25521H×W×[p(1)×(H×W)×12+p(2)×(H×W)×22])10log10(2552p(1)+p(2)×22)=46.37dB...(10)]]>算法中可以通過控制濾波器的質(zhì)量因子來選擇要被濾波的像素點個數(shù)的多少來調(diào)整壓縮后圖像的質(zhì)量和壓縮比。在算法中被濾波的像素點占整個圖像像素點的百分比，將被作為低通濾波器的輸入?yún)?shù)，即質(zhì)量控制因子。如果把質(zhì)量因子引入公式(1)，可以得出可調(diào)整圖像質(zhì)量的公式(11)。公式中q表示質(zhì)量因子，q≤1。當q＝0時，表示無損壓縮，PSNR趨于無窮大，當q＝1時，表示所有像素點將全部被濾波，此時PSNR＝46.37dB。因此該算法可以提供了PSNR從46.37dB左右到無窮大的調(diào)整。
PSNR=10log10(25521H×W[p(1)×(H×W×x)×12+p(2)×(H×W×q)×22])=46.37-10log10q...(11)]]>在實際的應(yīng)用中為了簡化被濾波點的選擇，本發(fā)明給出了一個簡單方法來進行濾波點選擇。通過對濾波點的選擇改為對濾波行或列的選擇來調(diào)整壓縮圖像的質(zhì)量。在橫向濾波時根據(jù)質(zhì)量因子，均勻地選擇該濾波的列；在縱向濾波時，則盡量均勻地選擇該濾波的行。圖10顯示了當q＝25％時，縱向與橫向濾波器選擇的被濾波的行數(shù)與列數(shù)。進行圖像質(zhì)量調(diào)整時算法過程可見圖11的流程。
為了能夠保證感興趣區(qū)(ROI)圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量，算法提供了能夠?qū)OI進行無損壓縮的處理能力。算法根據(jù)濾波器的輸入ROI參數(shù)中包含的ROI位置和形狀等信息對ROI內(nèi)的點不進行濾波來實現(xiàn)對ROI的無損壓縮。如圖12給出了對一個2×2虛框所示ROI進行無損壓縮的例子，其中G44，R45，B54和G55四個點將不被濾波。
圖像壓縮電路的大規(guī)模集成電路(VLSI)結(jié)構(gòu)見圖13。從圖像傳感器輸出的Bayer陣列彩色圖像數(shù)據(jù)以及各種同步信號首先將通過一個低通濾波器對G、B和R分量分別進行低通平滑濾波，然后存入SRAM中，直到所有像素點濾波完畢，再由JPEG-LS模塊把濾波后的數(shù)據(jù)從SRAM中讀出進行無損壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)將再次存回SRAM，以提供無線收發(fā)射裝置能以不同碼率發(fā)射到膠囊外部。JPEG-LS的硬件實現(xiàn)部分主要包括如下幾部分a)JPEG-LS的控制單元主要實現(xiàn)對輸入的Bayer圖像數(shù)據(jù)的濾波和數(shù)據(jù)存儲的控制，以及數(shù)據(jù)的壓縮，并對上下文的決策單元的輸出結(jié)果判斷當前壓縮點應(yīng)該進入的編碼模式，它還控制著整個JPEG-LS壓縮模塊的時鐘管理。
b)上下文決策單元該模塊是根據(jù)當前被壓縮點的上下文內(nèi)容來進行本地梯度的計算和量化，以及對量化后梯度的融合與壓縮模式的選擇，決策的結(jié)果將送回控制單元，所述本地梯度，指待壓縮像素點周圍四點形成的三個梯度值(即兩像素點間差值)，本地梯度包含三個梯度分量，分別對應(yīng)待壓縮像素點右上與正上、正上與左上的兩個水平梯度，及左上與正左的一個垂直梯度。。
c)誤差預(yù)測該單元首先完成對被壓縮點的中值邊緣檢測，也即對被壓縮點值的固定預(yù)測，并對固定預(yù)測值進行自適應(yīng)校正，然后計算預(yù)測值的誤差，以及對誤差值的歸類與映射。
d)參數(shù)A、B、C和N的計算單元在誤差預(yù)測和計算中，需要用到四組參數(shù)A、B、C和N，所述參數(shù)A指當前上下文條件下地累積絕對誤差值，C是指平均誤差值，N是指當前上下文出現(xiàn)的總次數(shù)，B參數(shù)是為了簡化計算而引入的中間量，這四組參數(shù)A、B、C、N是供圖像根據(jù)自身內(nèi)容進行自適應(yīng)調(diào)整用的，用于減少預(yù)測值的誤差，該單元完成把從誤差電路輸入的誤差預(yù)測值和從參數(shù)A、B、C、N緩存區(qū)單元讀入的相應(yīng)值進行運算，把運算所得到的結(jié)果送回參數(shù)A、B、C、N緩存區(qū)單元存儲這四組預(yù)測參數(shù)被存儲在各自參數(shù)的緩存區(qū)中和誤差預(yù)測單元，所需內(nèi)存大?。?68×16(參數(shù)A)+368×6(參數(shù)B)+368×8(參數(shù)C)+368×6(參數(shù)N)＝13248比特。
e)Golomb編碼
JPEG-LS的正常編碼模式下，對預(yù)測誤差值進行限定碼字長度的Golomb編碼。
f)游程掃描和游程編碼對進入游程編碼模式的壓縮點進行游程掃描，并對掃描的游程長度進行Golomb編碼。因此圖像壓縮部分總的內(nèi)存開銷是322×288×8+13248＝755136比特。
其中核心的濾波器部分的硬件結(jié)構(gòu)見圖14所示，實現(xiàn)非常的簡單。輸入的同步信號主要包括行/場同步信號，以及每個像素點輸出的同步時鐘信號等。行場同步信號與同步時鐘信號主要用來計算當前輸出圖像數(shù)據(jù)所在的行和列，提供濾波控制單元來決策當前的像素點是否要被低通器濾波，并通過數(shù)據(jù)選擇器B的選擇，來實現(xiàn)對ROI內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)實現(xiàn)無損壓縮。那些已被濾波和ROI中未濾波的數(shù)據(jù)都將存入SRAM中。濾波過程只需要一個8比特位寬的加法器，加法器的輸入選擇是通過數(shù)據(jù)選擇器A來實現(xiàn)，即實現(xiàn)選擇對G、B和R三路圖像分量分別進行濾波。該濾波器的硬件開銷非常低，對于每個需濾波的像素點只需要進行兩次8比特位寬的加法操作和一次SRAM的寫操作，每個彩色分量只需要兩個寄存器來存儲相鄰點的像素點值。
權(quán)利要求
1.無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的準無損圖像壓縮和解壓縮方法，其特征在于該方法是一種用于無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的基于先壓縮后彩色插值的圖像壓縮、解壓縮方法，所述方法由壓縮方法及解壓縮方法依次組成，其中無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的準無損圖像壓縮方法是對圖像傳感器輸出的有很多高頻分量的Bayer彩色圖像陣列數(shù)據(jù)用低通濾波器對該數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的三個分量R、B和G分別進行低通濾波，然后再對濾波后所述的三個圖像分量數(shù)據(jù)分別用無損壓縮編碼進行壓縮的一種方法，其中所述Bayer彩色圖像陣列中，圖像G分量數(shù)據(jù)呈菱形，數(shù)據(jù)量占整個Bayer圖像數(shù)據(jù)量的1/2，R和B分量呈矩形，各占整個Bayer圖像數(shù)據(jù)量的1/4，所述無損壓縮編碼是指JPEG-LS壓縮編碼；所述壓縮方法依次含有以下步驟步驟11向無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的JPEG-LS壓縮編碼控制單元設(shè)定以下低通濾波用的輸入?yún)?shù)質(zhì)量控制因子，即被濾波的像素點占整個圖像像素點百分比，用q表示；在所述無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的低通濾波器中，橫向濾波時均勻地選擇應(yīng)該濾波的列；縱向濾波時，均勻地選擇應(yīng)濾波的行；感興趣區(qū)，用ROI表示，該區(qū)內(nèi)包含了不進行濾波以供直接進行無損壓縮像素點的位置和形狀，該ROI表示進行無損壓縮的處理能力；步驟12步驟11中的JPEG-LS壓縮編碼控制單元在收到q及ROI后，把該數(shù)據(jù)送往位于所達無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)低通濾波器中的低通濾波控制器并存儲；步驟13所述無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)最前端的數(shù)字圖像傳感器采集Bayer陣列彩色數(shù)據(jù)，并在所述JPEG-LS壓縮編碼控制單元所發(fā)出的同步信號控制下把該Bayer陣列彩色數(shù)據(jù)送往所述低通濾波器中；步驟14所述低通濾波器內(nèi)的低通濾波控制單元按照設(shè)定的ROI把不需要濾波的數(shù)據(jù)送往所述低通濾波器中內(nèi)置的緩存SRAM；對于需要進行濾波的數(shù)據(jù)，首先對G分量進行菱形到矩形的變換操作，即把所述Bayer格式的彩色圖像數(shù)據(jù)中的菱形G分量的空點去掉，然后把剩下的數(shù)據(jù)直接組合成一個矩形，所以用同一組濾波器，按照以下步驟對G、B、R分量分別用G分量低通濾波器和B、R分量濾波器濾波后，存入所述相應(yīng)低通濾波器的內(nèi)置緩存SRAM中第I步橫向濾波，以消弱原始圖像中水平方向的高頻成分，所述橫向濾波按列由左至右依次順序進行， 表示向下取整操作，即 濾波后第1列圖像數(shù)據(jù)＝原第1列圖像數(shù)據(jù)， 第II步對所述第I步得到的新數(shù)據(jù)進行縱向濾波，以平滑縱向的高頻成分，所述縱向濾波按行有上至下依下述順序進行， 表示向上取整，即 濾波后第1行圖像數(shù)據(jù)＝原第1行列圖像數(shù)據(jù)， 步驟15所述JPEG-LS壓縮編碼控制單元把所述低通濾波器內(nèi)置的SRAM中所存儲的濾波后的圖像數(shù)據(jù)送往位于所述無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的SRAM中待全部圖像數(shù)據(jù)濾波后，把所述于濾波后的圖像數(shù)據(jù)送往一個內(nèi)置于所述無線內(nèi)窺鏡膠囊中的JPEG-LS編碼器中；步驟16所述JPEG-LS編碼器在JPEG-LS壓縮編碼控制單元的控制下對所收到的全部濾波后的圖像數(shù)據(jù)按JPEG-LS無損壓縮編碼進行無損壓縮。步驟17待步驟16所述的壓縮操作完成后，所述JPEG-LS編碼器把壓縮后的圖像數(shù)據(jù)存儲到所述SRAM中并送至信道編碼單元，進行編碼后輸出到位于所述無線內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)的無線收發(fā)器，以無線方式發(fā)送到體外；無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的無損和準無損圖像解壓縮方法且在體外的JPEG-LS無損解碼的控制單元控制下按以下步驟進行的步驟21體外無線收發(fā)裝置接收所述無線內(nèi)窺鏡膠囊中的相應(yīng)裝置發(fā)來的依次經(jīng)過濾波、壓縮數(shù)據(jù)后，所述數(shù)據(jù)送往一個JPEG-LS解碼器進行解碼；步驟22所述JPEG-LS解碼器對步驟21中的壓縮數(shù)據(jù)解碼后，分別把G分量以及B、R分量送往G分量重構(gòu)濾波器和B、R分量重構(gòu)濾波器進行重構(gòu)濾波；步驟23步驟22中所述重構(gòu)濾波器依次按以下步驟對所述G分量和B、R分量分別進行重構(gòu)濾波第I步所述重構(gòu)濾波器把設(shè)定的ROI區(qū)域內(nèi)不需要重構(gòu)濾波的數(shù)據(jù)送往該重構(gòu)濾波器中內(nèi)置的緩存SRAM中；對于需要重構(gòu)濾波的數(shù)據(jù)按照設(shè)定的q值依次按以下所述縱向重構(gòu)濾波和橫向重構(gòu)濾波進行；第II步縱向重構(gòu)濾波按以下公式順次逐行由下至上進行，已恢復(fù)縱向原始數(shù)據(jù)；重構(gòu)后第m行圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第m行圖像數(shù)據(jù)值-原第m-1行圖像數(shù)據(jù)值，重構(gòu)后第m-1行圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第m-1行圖像數(shù)據(jù)值-原第m-2行圖像數(shù)據(jù)值，…重構(gòu)后第2行圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第2行圖像數(shù)據(jù)值-原第1行圖像數(shù)據(jù)值，重構(gòu)后第1行圖像數(shù)據(jù)值＝原第1行圖像數(shù)據(jù)值，第III步橫向重構(gòu)濾波對第II步得到得新數(shù)據(jù)按以下公式順次逐列從右至左進行，以完成水平方向數(shù)據(jù)的恢復(fù)；重構(gòu)后第m列圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第m列圖像數(shù)據(jù)值-原第m-1列圖像數(shù)據(jù)值，重構(gòu)后第m-1列圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第m-1列圖像數(shù)據(jù)值-原第m-2列圖像數(shù)據(jù)值，…重構(gòu)后第2列圖像數(shù)據(jù)值＝2*原第2列圖像數(shù)據(jù)值-原第1列圖像數(shù)據(jù)值，重構(gòu)后第1列圖像數(shù)據(jù)值＝原第1列圖像數(shù)據(jù)值；第IV步把重構(gòu)濾波后的圖像數(shù)據(jù)送往所述內(nèi)置的SRAM中；步驟24所述重構(gòu)濾波器把經(jīng)過重構(gòu)濾波的G分量數(shù)據(jù)送往菱形到矩形變換器中進行變換；步驟25把步驟23得到的重構(gòu)濾波后的B、R分量數(shù)據(jù)以及步驟24得到的重構(gòu)濾波后又經(jīng)過變換的G分量數(shù)據(jù)送往一個加法器相加后得到已恢復(fù)的原始Bayer彩色圖像數(shù)據(jù)；步驟26把步驟25得到的數(shù)據(jù)送往一個彩色插值處理器按拉普拉斯方法插值后得到全彩色圖像數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)無損和準無損圖像壓縮、接壓縮方法，其特征在于所述的無損壓縮編碼可以是JPEG-LS，JPEG2000無損壓縮部分以及FELICS算法中的任何一種。
全文摘要
本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像壓縮技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它是一種基于先縮后彩色插值的圖像壓縮及解壓縮方法，在壓縮前用低通濾波器去除圖像的高頻成分，用質(zhì)量控制因子來控制被濾波像素點占整個圖像的百分比，以改進圖像質(zhì)量，用感興趣區(qū)來確定無須壓縮后直接進入編碼的像素點區(qū)以保證所感興趣區(qū)的圖像質(zhì)量。無損壓縮采用JPEG－LS無損壓縮編碼。相應(yīng)地提供了硬件框圖。在對標準圖像數(shù)據(jù)庫中的7幅自然圖像進行壓縮試驗，它可以實現(xiàn)信噪比從46.37dB到無窮大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，相應(yīng)的壓縮碼率從3.3比特/像素點到6.9比特/像素點范圍變化；在對無線內(nèi)窺鏡圖像進行壓縮時，可以獲得平均圖像壓縮碼率2.18比特/像素點，且PSNR大于47.57dB。
文檔編號A61B1/04GK1799492SQ20051012625
公開日2006年7月12日 申請日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月2日
發(fā)明者謝翔, 李國林, 李曉雯, 王志華 申請人:清華大學(xué)