專利名稱：用于數(shù)據(jù)壓縮或解壓的小波濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)壓縮或解壓方法。
在數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)領(lǐng)域，尤其是在圖像壓縮技術(shù)領(lǐng)域，一種基于小波變換的壓縮技術(shù)正趨于成熟，在該技術(shù)里，小波濾波器是核心技術(shù)之一，已有不少小波變換芯片和軟件問世。在最新的圖像壓縮技術(shù)國際標準MPEG-4里，就將基于小波變換的圖像壓縮技術(shù)寫進去了。但小波濾波器有很多，它們的壓縮性能各異，計算性能也不同，所以，在MPEG-4里，并沒有規(guī)定采用什么樣的小波濾波器。小波濾波器是數(shù)據(jù)壓縮或解壓的核心技術(shù)，不同的小波濾波器會得到不同的分解結(jié)果，即使用相同的后續(xù)處理方法，重構(gòu)出來的結(jié)果也不一樣。另外，小波分解與小波重構(gòu)的計算量很大。因此，小波濾波器的設(shè)計目標一是壓縮處理性能好，二是計算筒單。就圖像和音頻壓縮來說，壓縮處理性能主要反映在圖像的壓縮率和重構(gòu)圖像的質(zhì)量上，既要有高的壓縮率(原始信號的存儲空間大小除以壓縮信號存儲空間大小)，又要有好的壓縮質(zhì)量(一般用原始圖像或音頻與重構(gòu)圖像或音頻的峰值信噪比PSNR來描述)。
基于小波變換的壓縮技術(shù)，其數(shù)據(jù)壓縮過程一般均可歸結(jié)如下(1)對需壓縮數(shù)據(jù)進行小波分解；(2)對分解后的小波系數(shù)進行量化；(3)對量化后的小波系數(shù)進行熵編碼，以減小其數(shù)據(jù)冗余量，形成壓縮流。上述之步驟(1)之小波分解，就是指選用或設(shè)計小波濾波器，利用小波分解公式對需壓縮數(shù)據(jù)進行分解，得到小波系數(shù)。而設(shè)計出好的小波濾波器對數(shù)據(jù)壓縮性能及計算性能至關(guān)重要。
數(shù)據(jù)解壓過程一般可歸結(jié)如下(1)將需解壓之壓縮流數(shù)據(jù)進行熵解碼；(2)進行反量化；(3)進行小波重構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)解壓。
在上述的數(shù)據(jù)壓縮和解壓過程中，“熵解碼”是“熵編碼”的嚴格互逆過程，“反量化”與“量化”不是嚴格的互逆過程，由于這個環(huán)節(jié)的不嚴格互逆，導(dǎo)致信息有損；上述的“小波重構(gòu)”和“小波分解”是嚴格互逆的，只是由于在“反量化”過程中信息有損，對圖像壓縮和解壓而言，會導(dǎo)致最后的小波重構(gòu)得到的重構(gòu)圖像與壓縮前原始的數(shù)字圖像有差異。
目前，有許多壓縮性能優(yōu)良的小波濾波器已經(jīng)被設(shè)計出來，如Daubechies和Cohen的浮點9-7小波濾波器，其優(yōu)良的壓縮性能是公認的，但由于它的系數(shù)是浮點數(shù)，不利于計算機軟件、集成電路的高效和低成本實現(xiàn)，浮點系數(shù)加大了芯片設(shè)計的難度。也有一些計算性能較好的小波濾波器，如Cohen和Daubechies的12-4和9-3小波濾波器，但這類濾波器的不足是它們的壓縮性能稍差，并且由于高通和低通濾波器的長度不對稱，不利于計算的并行處理。
本發(fā)明的目的在于提供一種既有良好的數(shù)據(jù)壓縮性能、又有良好的數(shù)據(jù)計算性能、不需要采用浮點運算、從而有利于計算機軟件或集成電路的高效、低成本的實現(xiàn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明的主體部分是在小波變換部分，也就是“小波分解”與“小波重構(gòu)”部分，又主要體現(xiàn)在所需小波濾波器的構(gòu)造和設(shè)計上。
本發(fā)明之用于數(shù)據(jù)壓縮的小波濾波器，利用該小波濾波器對需壓縮數(shù)據(jù)之數(shù)據(jù)矩陣P進行小波變換，進行小波變換的變換矩陣包括兩個由數(shù)列{hi}和{gi}生成的循環(huán)矩陣；其中hi={132m8m2-6m+32m+1,-13216m3-20m2+12m-32m+1,182m-32m+1,]]>13216m3-20m2+28m+52m+1,-1168m3-6m2-5m-202m+1,]]>13216m3-20m2+28m+52m+1,182m-32m+1,]]>-13216m3-20m2+12m-32m+1,132m8m2-6m+32m+1}]]>gi={m16,-2m+116,-m-416,2m+38,-m-416,-2m+116,m16}]]>其中，1≥m≥0.5。
小波變換為Q＝MPN其中矩陣M和N是由數(shù)列{hi}和{gi}生成的循環(huán)矩陣，當數(shù)據(jù)矩陣P為方陣時，N為MT，即M的轉(zhuǎn)置矩陣。
本發(fā)明之用于數(shù)據(jù)解壓的小波濾波器，利用該小波濾波器對需解壓數(shù)據(jù)之數(shù)據(jù)矩陣Q進行小波變換之反變換，也稱為小波重構(gòu)，進行小波變換之反變換的變換矩陣包括兩個由數(shù)列 和 生成的循環(huán)矩陣；其中 -13216m3-20m2+28m+52m+1,-1168m3-6m2-5m-202m+1,]]>-13216m3-20m2+28m+52m+1,182m-32m+1,]]>13216m3-20m2+12m-32m+1,132m8m2-6m+32m+1}]]>其中，1≥m≥0.5。
小波變換之反變換為 其中矩陣 和 是由數(shù)列 和 生成的循環(huán)矩陣，當數(shù)據(jù)矩陣Q為方陣時， 為 ，即 的轉(zhuǎn)置矩陣。
由以上所述，本發(fā)明用于數(shù)據(jù)壓縮與解壓的小波濾波器，其系數(shù)都是有理數(shù)，通過選取適當?shù)膍值，可使其系數(shù)之分母均為2的冪。
上述的數(shù)列{hi}和 稱為低通濾波器，{gi}和 稱為高通濾波器，這四組數(shù)列構(gòu)成一組雙正交小波濾波器。
本發(fā)明是在離散超小波的概念下，構(gòu)造了上述的小波濾波器族，并可從中選出壓縮性能與計算性能都很好的小波濾波器。本發(fā)明在確定數(shù)列{hi}、{gi}、 和 時，參數(shù)m的選取也很重要。取不同的m值，可得到不同的小波濾波器。本發(fā)明有兩個性能良好的實施例，分別選取參數(shù)m＝1/2或m＝3/4。當m＝1/2時，則
hi＝{1/64，0，-1/8，1/4，23/32，1/4，-1/8，0，1/64}gi＝{1/32，0，-9/32，1/2，-9/32，0，1/32}由數(shù)列{hi}和{gi}構(gòu)成矩陣M和N； 由數(shù)列 和 構(gòu)成矩陣 和 。由此構(gòu)造的小波濾波器(這組濾波器記為W97-1，其中的"9"和"7"分別表示濾波器中數(shù)列所含數(shù)的個數(shù))，其系數(shù)都是有理數(shù)，且分母均為2的冪，如4、8、32、64等。用這種類型的濾波器來作小波分解與重構(gòu)時，運算都可以化為整數(shù)運算和移位運算。當用軟件來實現(xiàn)分解重構(gòu)時，由于大部分CPU芯片處理整數(shù)運算的效率高于處理浮點運算的效率，因而實現(xiàn)小波變換的計算效率會大大提高，計算性能得到了極大的改善，尤其是現(xiàn)在的許多CPU都有MMX指令，整數(shù)運算有著浮點運算所無可比擬的優(yōu)點。該W97-1濾波器中有兩個系數(shù)是0，實際計算效果相當于一個7-5濾波器，它的高通和低通濾波器的長度相仿，完成小波變換時甚至只需要作整數(shù)加法，因而適合IC芯片的實現(xiàn)。當用專用集成電路(ASIC芯片)來實現(xiàn)上述的分解與重構(gòu)算法時，不需要設(shè)計浮點處理器，從而可以降低電路的邏輯門數(shù)，縮小ASIC芯片的體積，降低母片的主頻，簡化設(shè)計難度。這些改進直接改善了小波濾波器的性能和其專用集成電路的成本等經(jīng)濟指標，在實際應(yīng)用時是很有吸引力的。
當參數(shù)m＝3/4，則hi＝{9/32，-3/16，-12/16，43/16，190/32，43/16，-12/16，-3/16，9/32}/10gi＝{3/64，-1/32，-19/64，9/16，-19/64，-1/32，3/64}由數(shù)列{hi}和{gi}構(gòu)成矩陣M和N； 由數(shù)列 和 構(gòu)成矩陣 和 。由此構(gòu)造的小波濾波器(這組濾波器記為W97-2)，均有良好的壓縮性能和計算性能。由于其中有兩個濾波器{hi}和 ，其中有一個系數(shù)1/10，其計算性能比之m＝1/2之小波濾波器略差。
綜上所述，本發(fā)明之小波濾波器具有良好的數(shù)據(jù)壓縮性能與計算性能，其小波濾波器的系數(shù)均為有理數(shù)，且能夠?qū)⑵湎禂?shù)之分母都設(shè)為2的冪，這樣，在做數(shù)據(jù)壓縮計算時，無論是用計算機軟件或是用集成電路實現(xiàn)，均不用處理浮點運算，只需完成整數(shù)運算及移位運算，從而降低了軟件的資源占用以及集成電路的設(shè)計難度和生產(chǎn)成本，既提高了計算效率，又降低了軟件設(shè)計難度和集成電路的成本；本發(fā)明之小波濾波器的高通濾波器、低通濾波器有相當?shù)拈L度，便于計算算法的并行處理。
以下結(jié)合實施例進一步說明本發(fā)明。
本發(fā)明設(shè)計了一族小波濾波器(對于m的不同取值)，上述濾波器W97-1和W97-2為本發(fā)明的兩個實施例。對于這兩組濾波器在圖像壓縮與解壓的應(yīng)用，進行壓縮與計算性能測試，其結(jié)果是壓縮性能測試采用MPEG-4(最新的一種國際標準)中的零樹編碼算法，來對512×512(即圖像的長度和寬度都是512個點)標準試驗圖像Lena和Zelda進行壓縮性能測試。設(shè)定壓縮率為32∶1，采用原始圖像與重構(gòu)圖像的峰值信噪比(PSNR)來描述壓縮質(zhì)量，并與Daubechies的9-7小波濾波器(記為D97)相比較，得到如下的表 峰值信噪比PSNR的值越大，表示圖像的客觀質(zhì)量越好。從上表可見，雖然I97的客觀質(zhì)量是最優(yōu)的，但這些濾波器的性能差距已經(jīng)很小了，壓縮性能相當，幾乎不影響圖像客觀質(zhì)量和實際使用。
計算時間測試在CPU為PII350的微機上，分別用小波濾波器W97-1、W97-2、D97，對512×512的Lena圖像做四次小波分解，所需時間分別是0.0222秒、0.0327秒、0.15秒，從這些數(shù)據(jù)可以看出，濾波器W97-1和W97-2的計算時間比起濾波器D97明顯要快，計算速度有顯著提高，重構(gòu)時間與分解時間是對稱的。
采用本發(fā)明之W97-1小波濾波器，設(shè)計和生產(chǎn)數(shù)碼相機里的圖像壓縮芯片，與采用著名的Daubechies的D97濾波器，前者的設(shè)計成本只有后者的2/3，前者的生產(chǎn)成本只有后者的1/3，有利于ASIC的設(shè)計，成本明顯被降低，但圖像效果是相同的，并且本發(fā)明的小波濾波器能保存更多的圖像細節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)據(jù)壓縮的小波濾波器，利用該小波濾波器對需壓縮數(shù)據(jù)之數(shù)據(jù)矩陣P進行小波變換，進行小波變換的變換矩陣包括兩個由數(shù)列{hi}和{gi}生成的循環(huán)矩陣；其特征在于hi={132m8m2-6m+32m+1,-13216m3-20m2+12m-32m+1,182m-32m+1,]]>13216m3-20m2+28m+52m+1,-1168m3-6m2-5m-202m+1,]]>13216m3-20m2+28m+52m+1,182m-32m+1,]]>-13216m3-20m2+12m-32m+1,132m8m2-6m+32m+1}]]>gi={m16,-2m+116,-m-416,2m+38-m-416,-2m+116m16}]]>其中，1≥m≥0.5。
2.一種用于數(shù)據(jù)解壓的小波濾波器，利用該小波濾波器對需解壓數(shù)據(jù)之數(shù)據(jù)矩陣Q進行小波變換之反變換，進行小波變換之反變換的變換矩陣包括兩個由數(shù)列 和 生成的循環(huán)矩陣；其特征在于 -13216m3-20m2+28m+52m+1,-1168m3-6m2-5m-202m+1,]]>-13216m3-20m2+28m+52m+1,182m-32m+1,]]>13216m3-20m2+12m-32m+1,132m8m2-6m+32m+1}]]>其中，1≥m≥0.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的小波濾波器，其特征在于其中數(shù)列{hi}、{gi}、 和 中之參數(shù)m＝1/2，則hi＝{1/64，0，-1/8，1/4，23/32，1/4，-1/8，0，1/64}gi＝{1/32，0，-9/32，1/2，-9/32，0，1/32}
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的小波濾波器，其特征在于其中數(shù)列{hi}、{gi}、 和 中之參數(shù)m＝3/4，則hi＝{9/32，-3/16，-12/16，43/16，190/32，43/16，-12/16，-3/16，9/32}/10gi＝{3/64，-1/32，-19/64，9/16，-19/64，-1/32，3/64}
全文摘要
一種用于數(shù)據(jù)壓縮或解壓的小波濾波器,利用該小波濾波器對需壓縮或需解壓數(shù)據(jù)進行小波分解或小波重構(gòu);本發(fā)明通過構(gòu)造一個雙正交小波濾波器族,從中選出壓縮性能與計算性能都很好的小波濾波器,其小波濾波器的系數(shù)均為有理數(shù),且能夠?qū)⑵湎禂?shù)之分母都設(shè)為2的冪,數(shù)據(jù)計算時不用處理浮點運算,只需完成整數(shù)運算及移位運算,計算效率高,又降低了實現(xiàn)本發(fā)明之軟件或集成電路的設(shè)計難度和生產(chǎn)成本,且便于計算算法的并行處理。
文檔編號H03M7/30GK1336729SQ0011358
公開日2002年2月20日 申請日期2000年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月1日
發(fā)明者王國秋 申請人:王國秋