一種基于梯度的頻域?yàn)V波去塊效應(yīng)算法*

梁積衛(wèi)，黃 堃，董志芳

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096)

離散余弦變換DCT 是在圖像與視頻壓縮技術(shù)中應(yīng)用得非常廣泛的一種變換方法，它是JPEG、MPEG、ITU－T H.261 和H.263 等標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議的基礎(chǔ)。在實(shí)際的DCT 變換應(yīng)用中，通常將圖像分成n×n(如8×8、16×16)大小的塊進(jìn)行分塊壓縮處理。在高壓縮比的情況下，分塊處理通常會(huì)使圖像產(chǎn)生塊效應(yīng)失真從而使得圖像的質(zhì)量下降。

為了使得圖像免遭此類失真影響的同時(shí)，又能夠繼續(xù)保持高壓縮比，許多處理塊效應(yīng)失真的算法被提了出來。一些新的編碼方法，如小波變換編碼等，不再采用原來的分塊處理模式。而另一些方法則是在原有編碼方式的基礎(chǔ)上，通過后處理的方法，在解碼端去除塊效應(yīng)?；趫D像增強(qiáng)的頻域或空域?yàn)V波器［1－2］，以及基于圖像恢復(fù)的凸集投影法［3］和最大后驗(yàn)概率法［4］，都是典型的處理塊效應(yīng)的后處理算法。這些算法或是受到計(jì)算量與計(jì)算復(fù)雜性的局限，抑或是會(huì)產(chǎn)生模糊失真和新的塊邊界，都具有一定程度的副作用。

在文獻(xiàn)［1］中Zeng 提出了一種經(jīng)典的通過頻域?yàn)V波去除塊效應(yīng)的方法。他將塊效應(yīng)看作是二維階梯信號(hào)，并找到與此信號(hào)相關(guān)的DCT 系數(shù)，將這些DCT 系數(shù)清零以達(dá)到去除階梯的目的。但是，Zeng 的模型和方法非常簡(jiǎn)單并且機(jī)械，通常在處理后會(huì)產(chǎn)生新的塊邊界。本文中的方法也是首先尋找與塊效應(yīng)相關(guān)的DCT 系數(shù)，不過與Zeng 直接對(duì)DCT 分量對(duì)階梯信號(hào)能量的貢獻(xiàn)進(jìn)行評(píng)估不同的是:本方法將分塊從各個(gè)DCT 系數(shù)對(duì)塊邊界處梯度值貢獻(xiàn)的角度來評(píng)估各個(gè)DCT 分量對(duì)塊邊界的影響，并且在頻域結(jié)合HVS 特性進(jìn)行分塊自適應(yīng)濾波，減小對(duì)塊效應(yīng)的產(chǎn)生起到重要作用的DCT 系數(shù)的大小，從而達(dá)到減小塊效應(yīng)失真的目的。

1 從梯度角度進(jìn)行頻域?yàn)V波的方法

1.1 對(duì)圖像進(jìn)行重新分塊

對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生塊效應(yīng)失真的圖像重新分塊(如圖1 所示)，將原有的4 個(gè)8×8 的垂直塊邊界和水平塊邊界的交點(diǎn)置于新塊的中心。

圖1 圖像的重新分塊

1.2 利用DCT 系數(shù)計(jì)算圖像的梯度

使用文獻(xiàn)［6］中的方法，可以直接利用DCT 系數(shù)來計(jì)算圖像的梯度值:

其中，F(xiàn)(u，v)為DCT 系數(shù)，HS和HC為文獻(xiàn)［6］中提出的DCT 域邊緣檢測(cè)梯度算子。

由此，對(duì)于圖像中的一點(diǎn)(x，y)處的梯度值G(x，y):

式中，gu，v，(x，y)即為各個(gè)DCT 分量對(duì)于該處(x，y)的梯度值的貢獻(xiàn)。

1.3 對(duì)DCT 分量對(duì)塊邊界的影響進(jìn)行評(píng)估

上面所計(jì)算出的gu，v，其值|gu，v|大小可以表征該DCT 分量F(u，v)對(duì)該處梯度的影響大小，并且不同的|gu，v|之間大小相差很大，該像素處的梯度主要受絕對(duì)值較大的gu，v影響。

由此對(duì)該處(x，y)的gu，v，(x，y)按其絕對(duì)值的大小升序排列成gu，v，(x，y)，［m］，其中［m］為其排序成的順序序號(hào)，取一個(gè)臨界值m'，當(dāng)m≥m'時(shí)，可以認(rèn)為該處(x，y)的梯度主要受這些gu，v，(x，y)所對(duì)應(yīng)的DCT分量F(u，v)的影響。

對(duì)于一個(gè)8×8 分塊而言，一條塊邊界的兩側(cè)有16 個(gè)塊邊緣像素，可以對(duì)DCT 分量對(duì)塊邊界兩側(cè)的塊邊緣像素處梯度的影響程度進(jìn)行評(píng)估，即計(jì)算該DCT 分量F(u，v)在各個(gè)塊邊緣像素點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的各個(gè)gu，v，［m］，對(duì)m≥m'的那些塊邊緣像素的個(gè)數(shù)Cu，v進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。無論m'如何取值，對(duì)于8×8 分塊的一條塊邊界而言，統(tǒng)計(jì)所得的Cu，v只會(huì)有5 個(gè)取值:16，12，8，4，0。其值表征了該DCT 分量F(u，v)對(duì)處于該塊內(nèi)的塊邊界的影響程度。

1.4 利用削減系數(shù)更新DCT 系數(shù)

根據(jù)上面所計(jì)算得到的Cu，v值，可以對(duì)各個(gè)DCT 系數(shù)進(jìn)行處理:

式中ai為不同Cu，v值所對(duì)應(yīng)的對(duì)DCT 分量的削減系數(shù)，取值為0 到1。

低頻分量對(duì)圖像的影響甚大，改動(dòng)低頻系數(shù)會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，所以低頻分量應(yīng)維持不變，在8×8 分塊中，保留的低頻分量如圖2 中陰影所示。

圖2 圖像保留的低頻分量

1.5 利用HVS 特性對(duì)不同分塊進(jìn)行自適應(yīng)處理

人類視覺系統(tǒng)(HVS)具有亮度掩蓋特性和空間活動(dòng)性掩蓋特性，這兩個(gè)特性對(duì)于塊效應(yīng)失真的可見性有著重要的影響。對(duì)于亮度而言，當(dāng)塊邊界所處的局部背景亮度較暗時(shí)，塊邊界處的灰度差值的可見性較大。在文獻(xiàn)［13］中定義了一種亮度掩蓋函數(shù):

其中B 為塊邊界所處的局部背景亮度，B0與r 為常數(shù)，B0=150，r=2。

對(duì)于空間活動(dòng)性而言，紋理較多的區(qū)域空間活動(dòng)性強(qiáng)。在紋理密集的區(qū)域，塊邊界會(huì)被紋理所掩蓋。紋理密集程度或是空間活動(dòng)性可以用區(qū)域的平均梯度值表示:

其中，G(x，y)為在m×n 的區(qū)域中各點(diǎn)處的梯度值。

由塊邊界所處分塊的亮度掩蓋函數(shù)Lb和平均梯度值ˉGb與其周圍區(qū)域的L 和ˉG 進(jìn)行比較，可以將塊邊界所處分塊所處的環(huán)境進(jìn)行分類。對(duì)于處于不同環(huán)境下的分塊采用不同的削減系數(shù)ai對(duì)DCT 分量進(jìn)行處理。

1.6 算法執(zhí)行步驟

整個(gè)方法的執(zhí)行步驟如下:

(1)對(duì)圖像進(jìn)行重新分塊;

(2)分塊利用壓縮域的DCT 系數(shù)計(jì)算圖像的梯度值以及對(duì)梯度貢獻(xiàn)gu，v;

(3)對(duì)各個(gè)塊邊緣像素點(diǎn)處的gu，v進(jìn)行排序得到gu，v，［m］，以閾值m'統(tǒng)計(jì)塊內(nèi)各個(gè)DCT 分量對(duì)應(yīng)的Cu，v值;

(4)根據(jù)HVS 特性確定該塊所處的環(huán)境，用相應(yīng)的削減系數(shù)ai對(duì)原有的DCT 系數(shù)進(jìn)行處理。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為測(cè)試提出算法的性能，分別對(duì)常用的8 幅圖像進(jìn)行測(cè)試，并與Zeng 的算法進(jìn)行比較。本算法的測(cè)試中，m'=45，塊邊界所處分塊的周邊區(qū)域取其周圍7×7 分塊，ai表1 所示。測(cè)試結(jié)果如表2 所示，其中對(duì)Lenna 圖像處理結(jié)果如圖3 所示。圖3 中第一列為L(zhǎng)enna 塊效應(yīng)失真圖像;第二列Zeng［1］的方法處理結(jié)果;第三列為本文方法處理結(jié)果。

表1 本文方法參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)

表2 去除塊效應(yīng)不同算法比較結(jié)果

圖3 去除塊效應(yīng)不同算法比較圖

由測(cè)試可以看出，本文中的方法明顯地消除了塊效應(yīng)并保護(hù)了邊緣。在對(duì)Lenna 圖像的處理中，對(duì)帽檐(如第3 組圖所示)與人物肩膀(如第4 組圖所示)等塊效應(yīng)明顯的邊緣處的改善效果明顯，與Zeng 在文獻(xiàn)［1］中提出的方法相比，性能要更為優(yōu)秀。多數(shù)圖像的PSNR 要比Zeng 的方法高出1 dB以上。并且在主觀感受方面，本文的算法并沒有出現(xiàn)多數(shù)頻域?yàn)V波器所造成的嚴(yán)重的模糊失真，而且也沒有因?yàn)橹匦路謮K而產(chǎn)生明顯的新塊邊界，圖像質(zhì)量得到了明顯的改善。

3 結(jié)論

本方法通過從DCT 域計(jì)算塊邊界處的梯度值，并據(jù)此評(píng)估各個(gè)DCT 分量對(duì)塊效應(yīng)的影響大小，再結(jié)合HVS 特性，根據(jù)塊效應(yīng)所在的局部環(huán)境，分塊對(duì)那些對(duì)于塊效應(yīng)有較大影響的DCT 分量進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法在主觀視覺感受和客觀評(píng)價(jià)上都具有良好的表現(xiàn)，在消弭塊邊界的同時(shí)，又沒有產(chǎn)生模糊失真等明顯的副作用。

［1］ Zeng B.Reduction of Blocking Effect in DCT－Coded Images Using Zero－Masking Techniques［J］. Signal Processing，1999，79(2):205－211.

［2］ 徐金波.變換編碼中消除圖像塊效應(yīng)的優(yōu)化算法［J］.計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2006(2):51－53.

［3］ Yang Y，Galatsanos N P，Katsaggelos A K. Regularized Reconstruction to Reduce Blocking Artifacts of Block Discrete Cosine Transform Compressed Images［J］.IEEE Trans on Circuits Sys Video Technol，1993，3(6):421－432.

［4］ Stevenson R L. Reduction of Coding Artifacts in Transform Image Coding［C］//IEEE Int Conf Acoustics，Speech，and Signal Processing，Minneapolis，1993，5:401－4－4.

［5］ Liu S，Bovik A C. Efficient DCT－Domain Blind Measurement and Reduction of Blocking Artifacts［J］.Circuits and Systems for Video Technology，IEEE Transactions on，2002，12(12):1139－1149.

［6］ 劉振宇，崔遜田，李曉輝.基于DCT 壓縮域的圖像邊緣檢測(cè)算法［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008(4):111－117.

［7］ 叢爽，蒲亞坤，王軍南. DCT 圖像壓縮方法的改進(jìn)及其應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46(18):160－163.

［8］ Shen Meiyin，Kuo C C J.Review of Postprocessing Techniques for Compression Artifact Removal ［J］. Journal of Visual Communication and Image Representation，1998，9(1):2－14.

［9］ Egger P，Ebrahimi F T. High－Performance Compression of Visual Information—A Tutorial Review － Part Ⅰ:Still Pictures［J］.Proceedings of the IEEE，1999，87(6):967－1011.

［10］ 張?chǎng)?，田逢春，黃揚(yáng)帆，等.一種去除塊效應(yīng)的自適應(yīng)后處理算法［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009(10):127－130.

［11］ 米偉哲.基于HVS 及偏微分方程的去塊效應(yīng)算法［J］. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2010(4):213－215.

［12］ 蔣方純，許智良，謝勝利. 一種空間域自適應(yīng)去塊效應(yīng)算法［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007(12):36－39.

［13］ Karunaseker S A，Kingsbury N G. A Distortion Measure for Blocking Artifacts in Image Based on Human Visual Sensitivity［J］.IEEE Trans on Image Processing，1995，4(6):713－724.

［14］ 余青山，蘇宏業(yè)，董力達(dá)，等.一種基于DCT 域的自適應(yīng)塊效應(yīng)消除算法［J］.信息與控制，2008(2):203－209.

［15］ Bovik A C，Liu Shizhong. DCT－Domain Blind Measurement of Blocking Artifacts in DCT－Coded Images［C］//IEEE International Conference on Acoustics，Speech and Signal Processing，2001，3:1725－1728.