JPEG图像与小波压缩图像的转换方法和系统

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，特别是涉及一种JPEG图像转换为小波压缩 图像的方法，一种JPEG图像转换为小波压缩图像的系统，一种小波压缩图像转 换为JPEG图像的方法，以及一种小波压缩图像转换为JPEG图像的系统。

背景技术

1993年，联合图像专家组（Joint Picture Experts Group）制定了连续色调静 止图像压缩编码的国际标准——第一代图像压缩标准：JPEG标准。在JPEG标 准产生后的二十年内，由于其实现的简单性，所需资源少，因此一直作为数字 图像压缩编码的主流技术而备受各方关注。随着电子设备与多媒体技术的快速 发展，图像显示应用范围的日益增加，人们希望图像压缩技术可提供更多的性 能，图像压缩系统不仅有优良的压缩率，对压缩码流的处理应具有更高的灵活 性及优良的人机交互性。目前在计算机领域广泛应用的JPEG在中高码率下压缩 效果较好，然而在低码率下的重构图像存在严重的方块效应，且无法在单一码 流中实现有损压缩和无损压缩，难以实现渐进式解压，压缩码流容错能力差， 这些缺点使到JPEG越来越不能满足高压缩性能的应用需求。

基于小波变换的第二代图像压缩技术可容易地提供以上性能，例如 JPEG2000压缩标准具有高压缩比，较高的码流容错性，可实现分辨率渐进、质 量渐进等解压缩性能。

为了利用小波压缩图像的优良性能，一种方法是使用电子成像设备（如数 码相机）直接生成小波压缩图像，然而基于小波压缩的数码相机远远没有得到 普及，目前的绝大多数电子成像设备仍然基于JPEG标准。

第二种方法是将已获得的JPEG标准图像转换成小波压缩图像，即图像转码 方法。对于图像转码方法，一种简单直接的方法是全解全编的方法，即对JPEG 码流执行熵解码，反量化，DCT反变换等步骤，获得空域的图像数据，然后进 行小波变换，再进行小波编码等步骤。这种方法可获得较好的图像转换效果， 然而由于是全部编码，其转换速度较慢，对于成千上万的图像所需的转换时间 非常高。

发明内容

基于此，本发明提供一种JPEG图像与小波压缩图像的转换方法及系统，可 显著提高图像转码的效率，降低转换的时间，适合大批量的JPEG图像与小波压 缩图像的快速转换。

一种JPEG图像转换为小波压缩图像的方法，包括如下步骤：

将输入的JPEG图像进行熵解码和反量化后得到DCT系数矩阵；

将所述DCT系数矩阵分割成多个8×8的矩阵，得到多个DCT系数块；

提取每个DCT系数块中的直流系数和交流系数；

将所有直流系数作为低频子带，将所有交流系数作为高频子带，根据所述 低频子带和高频子带构成小波系数矩阵；

根据所述小波系数矩阵进行小波编码，得到小波压缩图像。

一种小波压缩图像转换为JPEG图像的方法，包括如下步骤：

将输入的小波压缩图像进行小波解码，得到小波系数矩阵；

分解所述小波系数矩阵，得到低频子带和高频子带；

将低频子带作为每个DCT系数块的直流系数，将高频子带作为每个DCT 系数块的交流系数，根据所述直流系数和交流系数构成DCT系数矩阵，其中， 所述DCT系数块为所述DCT系数矩阵中每一个8×8的分块矩阵；

根据所述DCT系数矩阵进行量化和熵编码，得到JPEG图像。

一种JPEG图像转换为小波压缩图像的系统，包括：

DCT系数矩阵模块，将输入的JPEG图像进行熵解码和反量化，得到DCT 系数矩阵；

分割模块，用于将所述DCT系数矩阵分割成多个8×8的矩阵，得到多个 DCT系数块；

提取模块，用于提取每个DCT系数块中的直流系数和交流系数；

第一构成模块，用于将所有直流系数作为低频子带，将所有交流系数作为 高频子带，根据所述低频子带和高频子带构成小波系数矩阵；

小波图像模块，用于根据所述小波系数矩阵进行小波编码，得到小波压缩 图像。

一种小波压缩图像转换为JPEG图像的系统，包括：

小波系数矩阵模块，用于将输入的小波压缩图像进行小波解码，得到小波 系数矩阵；

分解模块，用于分解所述小波系数矩阵，得到低频子带和高频子带；

第二构成模块，用于将低频子带作为每个DCT系数块的直流系数，将高频 子带每个DCT系数块的作为交流系数，根据所述直流系数和交流系数构成DCT 系数矩阵，其中，所述DCT系数块为所述DCT系数矩阵中每一个8×8的分块 矩阵；

JPEG图像模块，用于根据所述DCT系数矩阵进行量化和熵编码，得到JPEG 图像。

上述JPEG图像转换为小波压缩图像的方法及系统，通过对输入JPEG图像 码流进行熵解码及反量化，得到DCT系数矩阵，针对DCT系数矩阵中包含的 各个DCT系数块，提取直流系数和交流系数，分别作为小波系数矩阵的低频子 带和高频子带，得到重组后的小波系数矩阵，最后根据小波系数进行小波编码 得到小波压缩图像；其逆处理过程为上述的小波压缩图像转换为JPEG图像的方 法及系统；本发明通过DCT系数矩阵与小波系数矩阵的系数重组，不涉及乘法、 加法和移位操作，较大地降低了转换过程所耗费的时间，显著提高了图像转码 的效率。

附图说明

图1为本发明一种JPEG图像转换为小波压缩图像的方法在一实施例中的流 程示意图。

图2为图1中DCT系数块的示意图。

图3为图1中DCT系数矩阵与小波系数矩阵的转换示意图。

图4为图1中Lena的JPEG压缩图像经系数重组后三层结构的小波系数矩 阵示意图。

图5为本发明一种小波压缩图像转换为JPEG图像的方法在一实施例中的流 程示意图。

图6为本发明一种JPEG图像转换为小波压缩图像的系统在一实施例中的结 构示意图。

图7为本发明一种小波压缩图像转换为JPEG图像的系统在一实施例中的结 构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式 不限于此。

实施例一、

如图1所示，是本发明JPEG图像转换为小波压缩图像的方法在一实施例中 的流程示意图，包括如下步骤：

S11、将输入的JPEG图像进行熵解码和反量化后得到DCT系数矩阵；

对于JPEG图像到小波压缩图像的快速转换，首先对JPEG码流进行熵解码， 反量化，得到DCT（离散余弦变换，DCT for Discrete Cosine Transform）域的系 数，即所述DCT系数矩阵。

S12、将所述DCT系数矩阵分割成多个8×8的矩阵，得到多个DCT系数块；

在静止图像编码标准JPEG中使用了离散余弦变换，对图像中每个8×8块的 每行进行变换，然后每列进行变换，得到的是由多个8×8的变换系数矩阵构成 的DCT系数矩阵；在本步骤中根据DCT系数矩阵的特点将其分割成多个8×8 的分块矩阵，得到多个DCT系数块。

S13、提取每个DCT系数块中的直流系数和交流系数；

每个DCT系数块中左上角的DCT系数反映了系数块的直流分量，位于该 分量下方的系数代表着逐渐增高的垂直空间频率，位于直流分量右侧的系数代 表着逐渐增高的水平空间频率，其他系数则代表垂直水平空间频率的不同组合； 因此直流系数代表了图像的背景、大部分信息，是保证图像传输业务质量的重 要信息，而交流系数是反映图像的边缘、细节的较次要的信息；在本步骤中， 从每个8×8的分块矩阵中提取出直流系数和交流系数；

具体地，在一较佳实施例中，每个DCT系数块中第（0，0）项的元素为所 述直流系数，其他项元素为所述交流系数。

S14、将所有直流系数作为低频子带，将所有交流系数作为高频子带，根据 所述低频子带和高频子带构成小波系数矩阵；

在小波系数矩阵中，从能量的角度来说，图像的能量集中在相对低频的子 带内，即上述的低频子带，记录图像大部分信息；而高频子带集中的能量较低， 一般是记录原始图像的纹理或边缘等信息；因此根据DCT系数矩阵和小波系数 矩阵的特点，在本步骤中，对DCT系数矩阵进行系数重组，将提取到的DCT 系数矩阵中的直流系数作为小波系数矩阵的低频子带，将提取到的DCT系数矩 阵中的交流系数作为小波系数矩阵的高频子带，最后构建得到小波系数矩阵。

S15、根据所述小波系数矩阵进行小波编码，得到小波压缩图像。

重组后的小波系数矩阵相当于对图像的空域数据进行了小波变换，对小波 系数矩阵进行小波编码，得到压缩后的小波码流，即所述小波压缩图像。

在一较佳实施例中，所述将所有直流系数作为低频子带，将所有交流系数 作为高频子带，根据所述低频子带和高频子带构成小波系数矩阵的步骤为：

每个DCT系数块中的a₀₀项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，i=0～m/8-1，j=0～n/8-1，m为小波系数矩阵的行个数，n为小波系数矩阵的 列个数，b_ij项为小波系数矩阵中的第i行第j列上的元素；

每个DCT系数块中的a₀₁项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，i=0～m/8-1，j=n/8～n/4-1;

每个DCT系数块中的a₁₀项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，i=m/8～m/4-1，j=0～n/8-1;

每个DCT系数块中的a₁₁项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，i=m/8～m/4-1，j=n/8～n/4-1;

每个DCT系数块中的a_pq项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，p=0～1，q=2～3，i=0～m/4-1，j=n/4～n/2-1;

每个DCT系数块中的a_pq项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，p=2～3，q=0～1，i=m/4～m/2-1，j=0～n/4-1;

每个DCT系数块中的a_pq项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，p=2～3，q=2～3，i=m/4～m/2-1，j=n/4～n/2-1;

每个DCT系数块中的a_pq项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，p=0～3，q=4～7，i=0～m/2-1，j=n/2～n-1；

每个DCT系数块中的a_pq项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，p=4～7，q=0～3，i=m/2～m-1，j=0～n/2-1;

每个DCT系数块中的a_pq项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，p=4～7，q=4～7，i=m/2～m-1，j=n/2～n-1；

得到所述小波系数矩阵。

下面再具体阐述上述小波系数矩阵的构建过程。

对DCT系数矩阵中的每一个大小为8×8的DCT系数块，如图2所示，首 先分为左上，右上，左下与右下四个块，每个块大小为4×4；

其中右上，左下与右下三个块称为第1层，即像素块7、8、9记为第1层；

然后对左上的4×4块分为左上，右上，左下与右下四个块，每个块大小为 2×2，其中右上，左下与右下三个块称为第2层，即像素块4，5，6记为第2层；

左上的块（大小为2×2）包含4个像素，称为第3层，即像素0、1、2、3 记为第3层。

新建一M×N的矩阵，用于存储重组后的系数，称为小波系数矩阵。小波系 数矩阵分为三层，如图3所示。对该新建的M×N的小波系数矩阵首先分为左上， 右上，左下与右下四个块，每个块大小为M/2×N/2，其中右上，左下与右下三 个块称为第1层；然后对左上的块（大小为M/2×N/2）分为左上，右上，左下 与右下四个块，每个块大小为M/4×N/4，其中右上，左下与右下三个块称为第2 层，左上的块（大小为M/4×N/4）称为第3层，第三层可分为左上，右上，左 下和右下四个块，每个块的大小为M/8×N/8。

对DCT系数矩阵中的每一个8×8的DCT系数块中的第3层的4个系数， 分别移动到小波系数矩阵的第三层相应位置。方法为：4个DCT系数中的左上 系数移动到小波域的第三层的左上块，右上系数移动到小波域的第三层的右上 块，左下系数移动到小波域的第三层的左下块，右下系数移动到小波域的第三 层的右下块，DCT系数矩阵的第三层移动完毕。DCT系数矩阵的第2层与第1 层分别移动到小波系数矩阵的第2层与第1层，移动方式与第DCT系数矩阵的 第3层类似，但移动的块大小分别为2×2与4×4。完成系数重组完毕，获得三层 的小波系数结构。图4所示为Lena的JPEG压缩图像经熵解码、反量化和系数 重组后三层结构的小波系数矩阵。

如果要获得更多层的小波系数，可对小波系数矩阵的第3层的左上块做小 波变换，即可获得更多层的小波系数。

在JPEG转小波压缩图像中，本实施例用系数重组代替了DCT反变换与小 波变换两个步骤，由于这两个步骤涉及到大量的乘法，加法和移位运算，而本 发明的系数重组不含乘法、加法和移位操作，因此本发明较大地降低了转换过 程所耗费的时间。

表1列出了全解全编与本实施例两种方式转换所需的乘法，加法和移位次 数，M与N分别为图像的高度与宽度。全解全编转换方式的统计针对DCT逆变 换与小波变换两个步骤，而本实施例的统计针对系数重组步骤。

表1本实施例与传统方法计算量比较

实施例二、

小波压缩图像转换为JPEG图像的方法是上述实施例一的逆过程，如图5所 述，包括如下步骤：

S51、将输入的小波压缩图像进行小波解码，得到小波系数矩阵；

对于小波压缩图像到JPEG图像的快速转换，首先对小波码流进行小波解 码，得到小波系数矩阵；

S52、分解所述小波系数矩阵，得到低频子带和高频子带；

在小波系数矩阵中，从能量的角度来说，图像的能量集中在相对低频的子 带内，即上述的低频子带，记录图像大部分信息；而高频子带集中的能量较低， 一般是记录原始图像的纹理或边缘等信息；在步骤中根据小波系数矩阵的特点， 分解得到低频子带和高频子带。

S53、将低频子带作为每个DCT系数块的直流系数，将高频子带作为每个 DCT系数块的交流系数，根据所述直流系数和交流系数构成DCT系数矩阵，其 中，所述DCT系数块为所述DCT系数矩阵中每一个8×8的分块矩阵；

每个DCT系数块中左上角的DCT系数反映了系数块的直流分量，位于该 分量下方的系数代表着逐渐增高的垂直空间频率，位于直流分量右侧的系数代 表着逐渐增高的水平空间频率，其他系数则代表垂直水平空间频率的不同组合； 因此直流系数代表了图像的背景、大部分信息，是保证图像传输业务质量的重 要信息，而交流系数是反映图像的边缘、细节的较次要的信息；

因此根据DCT系数矩阵和小波系数矩阵的特点，在本步骤中，对小波系数 矩阵进行系数重组，将小波系数矩阵中的低频子带作为DCT系数矩阵的直流系 数，将小波系数矩阵的高频子带作为DCT系数矩阵中的交流系数，最后构建得 到DCT系数矩阵。

S54、根据所述DCT系数矩阵进行量化和熵编码，得到JPEG图像。

在一较佳实施例中，所述将低频子带作为直流系数，将高频子带作为交流 系数，根据所述直流系数和交流系数构成DCT系数矩阵的步骤为：

建立与所述小波系数矩阵的行数和列数相等的DCT系数矩阵，将所述DCT 系数矩阵分割为多个8×8的矩阵，得到多个DCT系数块；

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a₀₀项中， 其中，i=0～m/8-1，j=0～n/8-1，m为小波系数矩阵的行个数，n为小波系数矩阵 的列个数，b_ij项为小波系数矩阵中的第i行第j列上的元素；

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a₀₁项中， 其中，i=0～m/8-1，j=n/8～n/4-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a₁₀项中， 其中，i=m/8～m/4-1，j=0～n/8-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a₁₁项中， 其中，i=m/8～m/4-1，j=n/8～n/4-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a_pq项中， 其中，p=0～1，q=2～3，i=0～m/4-1，j=n/4～n/2-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a_pq项中， 其中，p=2～3，q=0～1，i=m/4～m/2-1，j=0～n/4-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a_pq项中， 其中，p=2～3，q=2～3，i=m/4～m/2-1，j=n/4～n/2-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a_pq项中， 其中，p=0～3，q=4～7，i=0～m/2-1，j=n/2～n-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a_pq项中， 其中，p=4～7，q=0～3，i=m/2～m-1，j=0～n/2-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a_pq项中， 其中，p=4～7，q=4～7，i=m/2～m-1，j=n/2～n-1；

得到所述DCT系数矩阵。

实施例三、

如图6所示，本发明提供了一种JPEG图像转换为小波压缩图像的系统，包 括：

DCT系数矩阵模块61，将输入的JPEG图像进行熵解码和反量化，得到DCT 系数矩阵；

分割模块62，用于将所述DCT系数矩阵分割成多个8×8的矩阵，得到多个 DCT系数块；

提取模块63，用于提取每个DCT系数块中的直流系数和交流系数；

第一构成模块64，用于将所有直流系数作为低频子带，将所有交流系数作 为高频子带，根据所述低频子带和高频子带构成小波系数矩阵；

小波图像模块65，用于根据所述小波系数矩阵进行小波编码，得到小波压 缩图像。

在一较佳实施例中，每个DCT系数块中第（0，0）项的元素为所述直流系 数，其他项元素为所述交流系数。

在一较佳实施例中，所述第一构成模块64还用于：

每个DCT系数块中的a₀₀项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，i=0～m/8-1，j=0～n/8-1，m为小波系数矩阵的行个数，n为小波系数矩阵的 列个数，b_ij项为小波系数矩阵中的第i行第j列上的元素；

每个DCT系数块中的a₀₁项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，i=0～m/8-1，j=n/8～n/4-1;

每个DCT系数块中的a₁₀项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，i=m/8～m/4-1，j=0～n/8-1;

每个DCT系数块中的a₁₁项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，i=m/8～m/4-1，j=n/8～n/4-1;

每个DCT系数块中的a_pq项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，p=0～1，q=2～3，i=0～m/4-1，j=n/4～n/2-1;

每个DCT系数块中的a_pq项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，p=2～3，q=0～1，i=m/4～m/2-1，j=0～n/4-1;

每个DCT系数块中的a_pq项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，p=2～3，q=2～3，i=m/4～m/2-1，j=n/4～n/2-1;

每个DCT系数块中的a_pq项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，p=0～3，q=4～7，i=0～m/2-1，j=n/2～n-1；

每个DCT系数块中的a_pq项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，p=4～7，q=0～3，i=m/2～m-1，j=0～n/2-1;

每个DCT系数块中的a_pq项元素按顺序存储在小波系数矩阵的b_ij项中，其 中，p=4～7，q=4～7，i=m/2～m-1，j=n/2～n-1；

得到所述小波系数矩阵。

实施例四、

如图7所示，本发明还提供一种小波压缩图像转换为JPEG图像的系统，包 括：

小波系数矩阵模块71，用于将输入的小波压缩图像进行小波解码，得到小 波系数矩阵；

分解模块72，用于分解所述小波系数矩阵，得到低频子带和高频子带；

第二构成模块73，用于将低频子带作为每个DCT系数块的直流系数，将高 频子带每个DCT系数块的作为交流系数，根据所述直流系数和交流系数构成 DCT系数矩阵，其中，所述DCT系数块为所述DCT系数矩阵中每一个8×8的 分块矩阵；

JPEG图像模块74，用于根据所述DCT系数矩阵进行量化和熵编码，得到 JPEG图像。

在一较佳实施例中，所述第二构成模块73还用于：

建立与所述小波系数矩阵的行数和列数相等的DCT系数矩阵，将所述DCT 系数矩阵分割为多个8×8的矩阵，得到多个DCT系数块；

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a₀₀项中， 其中，i=0～m/8-1，j=0～n/8-1，m为小波系数矩阵的行个数，n为小波系数矩阵 的列个数，b_ij项为小波系数矩阵中的第i行第j列上的元素；

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a₀₁项中， 其中，i=0～m/8-1，j=n/8～n/4-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a₁₀项中， 其中，i=m/8～m/4-1，j=0～n/8-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a₁₁项中， 其中，i=m/8～m/4-1，j=n/8～n/4-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a_pq项中， 其中，p=0～1，q=2～3，i=0～m/4-1，j=n/4～n/2-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a_pq项中， 其中，p=2～3，q=0～1，i=m/4～m/2-1，j=0～n/4-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a_pq项中， 其中，p=2～3，q=2～3，i=m/4～m/2-1，j=n/4～n/2-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a_pq项中， 其中，p=0～3，q=4～7，i=0～m/2-1，j=n/2～n-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a_pq项中， 其中，p=4～7，q=0～3，i=m/2～m-1，j=0～n/2-1;

将小波系数矩阵的b_ij项元素按顺序存储在每个DCT系数块中的a_pq项中， 其中，p=4～7，q=4～7，i=m/2～m-1，j=n/2～n-1；

得到所述DCT系数矩阵。

本发明JPEG图像转换为小波压缩图像的方法及系统，通过对输入JPEG图 像码流进行熵解码及反量化，得到DCT系数矩阵，针对DCT系数矩阵中包含 的各个DCT系数块，提取直流系数和交流系数，分别作为小波系数矩阵的低频 子带和高频子带，得到重组后的小波系数矩阵，最后根据小波系数进行小波编 码得到小波压缩图像；其逆处理过程为上述的小波压缩图像转换为JPEG图像的 方法及系统；本发明通过DCT系数矩阵与小波系数矩阵的系数重组，不涉及乘 法、加法和移位操作，较大地降低了转换过程所耗费的时间，显著提高了图像 转码的效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。