袁宗文　陳初俠

摘要：盡管更快的圖像解碼方法應(yīng)用更為廣泛，但在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，需要漸進(jìn)可控的圖像解碼方法.在保證最終解碼圖像不變的前提下，將傳統(tǒng)壓縮映射的固定參數(shù)改為可變參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)解碼過(guò)程漸進(jìn)可控.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)分形解碼約迭代8次即已收斂，提出的算法可實(shí)現(xiàn)迭代8到36次解碼收斂，實(shí)現(xiàn)了解碼過(guò)程靈活可控，而且該算法可更多地展現(xiàn)解碼圖像序列的生成過(guò)程.

關(guān)鍵詞：分形;解碼;收斂;可控

中圖分類號(hào)：TP391? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）09-0059-03

分形圖像編碼因其較高的壓縮比、分辨率無(wú)關(guān)性、迭代解碼的新穎思想而受到人們廣泛關(guān)注.分形圖像編碼是非對(duì)稱的，即編碼較為耗時(shí)，解碼又非常快.在近二十多年中，學(xué)者們發(fā)表了大量的論文[1-11]，大都圍繞怎樣加快分形圖像編碼速度，但仍也有少量論文討論了如何加快分形解碼速度[12-13].然而在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如卡通的計(jì)算機(jī)輔助制作、圖像解碼的教學(xué)、信號(hào)的窄帶漸進(jìn)傳輸，需要一種較慢的可以控制的漸進(jìn)解碼方式.JPEG2000支持漸進(jìn)圖像傳輸技術(shù)，它解決了在窄帶信道中以漸進(jìn)的方式傳輸圖像信息，即先以較低的碼流傳輸圖像的輪廓信息，然后同樣以較低的碼流逐漸傳輸圖像的細(xì)節(jié)信息，這樣既可解決窄帶用戶焦躁的等待問(wèn)題，又可滿足用戶對(duì)圖像質(zhì)量的不同要求.分形圖像編碼還沒(méi)有漸進(jìn)傳輸上的應(yīng)用，重要原因是傳統(tǒng)的分形解碼無(wú)法控制，它從初始圖像到吸引子需要的迭代次數(shù)比較固定，一般都在7到8步左右.本文提出一種漸進(jìn)可控的分形解碼算法，可以將解碼迭代的次數(shù)控制在8到36步之間.

1 算法分析

1.1 改進(jìn)的不動(dòng)點(diǎn)定理

不動(dòng)點(diǎn)定理[14]：定義圖像空間（，||·||）上的變換W：→.如果存在0≤s<1使得

||（W（C），W（B））||≤s||C，B||，C<B∈? （1）

則稱W為壓縮映射.設(shè)圖像序列{Un}滿足Un+1=W（Un），n≥0，U0=U，U是空間（，||·||）中的任意圖像，則在壓縮映射W作用下的圖像序列有唯一不動(dòng)點(diǎn)U*=U∞，也就是說(shuō)存在唯一圖像U*，使得W（U*）=U*.

改進(jìn)的不動(dòng)點(diǎn)定理：定義圖像空間（，||·||）上的變換S：→，滿足

因?yàn)?≤s<1，所以0≤w1+sw2+s2w3<1，所以S是壓縮映射的.另一方面，設(shè)U*為W的不動(dòng)點(diǎn)，則

從而U*也是s的不動(dòng)點(diǎn).所以，S是壓縮映射的且與W具有相同的不動(dòng)點(diǎn).

證畢.

1.2 算法的實(shí)現(xiàn)方案

傳統(tǒng)的分形解碼是由分形碼描述的壓縮映射W對(duì)任意一幅圖像U反復(fù)迭代完成的，根據(jù)拼貼定理，其不動(dòng)點(diǎn)U*就是原圖像Uorg的一個(gè)近似圖像.即：

通常情況下，不論原圖像是什么，滿足式（3）中的N約為8，所以這是一個(gè)不能控制的迭代過(guò)程.基于改進(jìn)的定理，我們使用壓縮映射S代替W，通過(guò)改變加權(quán)系數(shù)，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)迭代過(guò)程的控制，而且其不動(dòng)點(diǎn)也是原圖像的一個(gè)近似圖像，即最終的解碼圖像質(zhì)量是相同的.實(shí)現(xiàn)的方案如圖1（b）所描述.

當(dāng)然在此基礎(chǔ)上，還可以構(gòu)造更為復(fù)雜的漸進(jìn)解碼方案，例如可以構(gòu)造變換

式中加權(quán)系數(shù)w1，w2，w3，…，wN∈[0，1）且w1+w2+w3+…+wN=1，可以證明該S也是壓縮映射的且與W具有相同的不動(dòng)點(diǎn)，不過(guò)可以預(yù)見，這樣的解碼方案會(huì)因其復(fù)雜性反而降低其實(shí)用性.此外，改進(jìn)方案中因?yàn)榘藘纱螇嚎s映射W，所以當(dāng)預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)N為奇數(shù)時(shí)，前（N-1）/2次采用本方案，對(duì)于最后一次即第（N-1）/2+1次，可令w3=0，w2=1-w1，而w1保持不變，再進(jìn)行迭代解碼，這樣就可以使得迭代次數(shù)能任意設(shè)置，同時(shí)保證了不動(dòng)點(diǎn)圖像不變.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

改進(jìn)方案的加權(quán)系數(shù)w1，w2，w3中只有兩個(gè)變量是獨(dú)立的，我們可以任意改變其中兩個(gè)系數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)解碼速度的控制.為顯示該系數(shù)對(duì)解碼的影響，實(shí)驗(yàn)中，我們?nèi)×?12×512的Lena灰度圖像，編碼采用傳統(tǒng)方案，圖像采用固定分割，值域塊大小為8×8，解碼時(shí)令w2、w3取不同值，得到漸進(jìn)解碼結(jié)果如圖2所示.

圖2中，圖例baseline曲線表示傳統(tǒng)分形解碼，其他曲線為改進(jìn)方案解碼.可見改進(jìn)方案解碼比傳統(tǒng)解碼速度更為緩慢，改進(jìn)方案解碼具有更多的選擇和解碼可控的特點(diǎn).為了主觀感受改進(jìn)方案漸進(jìn)解碼的特點(diǎn)，我們可以從圖2中任取一條非baseline曲線，以圖像序列的方式展示它的解碼過(guò)程，譬如取w2=0.2，w3=0.2對(duì)應(yīng)的曲線，得到的解碼圖像序列如圖3所示.初始圖像為全黑圖像，其中圖3（k）為第36次迭代，其PSNR=30.26dB，與不動(dòng)點(diǎn)圖像的PSNR=30.31dB相差0.05dB，表明已基本收斂（見圖2（a））.

作為對(duì)比，同樣從圖2中取出baseline曲線以展示解碼過(guò)程，即傳統(tǒng)分形解碼過(guò)程，得到的圖像序列如圖4所示，圖4（e）為第8次迭代，其PSNR=30.28dB，表明已基本收斂.可見改進(jìn)方案解碼較傳統(tǒng)方案解碼的收斂速度要慢得多，而且如果調(diào)整加權(quán)系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的收斂速度，特別地如果令w2=1，則改進(jìn)方案就變成傳統(tǒng)的方案.

我們還計(jì)算了改進(jìn)方案相鄰解碼圖像的差值圖像，以顯示其細(xì)節(jié)的增加情況.設(shè)Un表示第n次迭代解碼圖像，圖5從左到右，從上到下，依次為：U2-U0、U4-U2、U6-U4、…、U18-U16.結(jié)果表明，解碼圖像序列細(xì)節(jié)以較均勻的比例逐漸增加.如果我們改變系數(shù)，可以得到更多的細(xì)節(jié)增加特點(diǎn).

3 結(jié)論

基于傳統(tǒng)分形解碼的過(guò)程不能控制的特點(diǎn)，提出了一種可以控制的漸進(jìn)分形解碼算法，而且這種解碼算法不需要改變?cè)械木幋a算法，實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單.對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

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