专利名称：一种基于光学原理的图像压缩及解压缩方法
技术领域：
本发明涉及一种基于光学原理的图像压缩及解压缩方法。
背景技术：
随着宽带网络及数字电影等多媒体技术的快速发展，单一图像数据的获取、传输、处理已远远不能满足人们对信息量的要求，如何将电影等大信息容量的图像数据进行压缩和传输已得到了业界越来越多的关注，而这其中，图像压缩技术就成为了最为关键的核心技术。传统的MPEG等压缩技术已经不能适应其发展要求，目前常用的基于JPEG2000的小波图像压缩等方法对于连续图像的压缩失真也不能完全的令人满意。光学技术作为实用技术手段的出现无疑为我们的研究开辟了一条新的道路，然而光学技术的物理操作在实施中又存在着诸多的困难。例如操作设备的价格比较昂贵，光学仪器的精密度要求较高，实现难度大，操作实施复杂难以应用于实际等问题。
发明内容
本发明提出了一种基于光学原理的图像压缩及解压缩方法，其目的在于，克服上述现有技术中操作实施复杂，操作设备价格昂贵的问题。本发明所采用技术方案如下一种基于光学原理的图像压缩及解压缩方法，包括如下步骤步骤1:依次提取待处理影像中的图像，并对图像进行灰度处理，图像帧数为n，其中n为整数； 步骤2 :采用闪耀光栅调制步骤I获取的n帧图像；步骤3 :将步骤2中被光栅调制的n帧图像的各像素点的振幅和位相按像素点分别逐点相加，获得一幅包含振幅和位相的合成图像；步骤4:将合成图像放置在一个凸透镜的前焦面，利用凸透镜具有二维傅里叶变换的性质，即一束光通过凸透镜，在焦平面上形成到的图像包含这束光的频率空间信息，即在凸透镜的后焦面获得傅立叶变换结果，得到频谱平面的衍射光斑分布图；会聚透镜(即凸透镜)除了具有成像性质外，最有用的就是它还具有进行二维傅立叶变换的本领；由物理光学可知，在单位振幅的平面光波垂直照明下的夫朗和费衍射，恰好实现衍射屏透过率函数的傅立叶变换；即一束光通过凸透镜在焦平面上采集到的图像即为这束光的频率空间信息，亦即数学上对这束光进行一次傅立叶变换后的结果；所以傅立叶变换在这里的物理意义就是将光的空间分布转换为频率分布(相空间)，在靠近原点的部分为图像低频部分，远离原点部分为图像高频部分。光栅的旋转角度为逆时针旋转光栅使光栅刻线方向与竖直方向所夹的角度，且光栅的旋转角确定衍射光斑在频谱平面(或衍射平面)的角向位置；光栅的闪耀角度由光栅的每个刻槽的倾斜角度决定，且光栅的闪耀角度确定衍射光斑在频谱平面(或衍射平面)的径向位置；
闪耀角度为光栅的衍射光点偏离光轴的角度，即其+1级衍射光斑的衍射角。由于不同的图像由闪耀角度和旋转角度不同的光栅调制而成，因而在频谱面上其+ 1级衍射光斑的频谱分布点位置会互不重叠，即每一个衍射光斑都包含有区别于其他光斑的图像信息。步骤5 :选用光斑滤波器逐个将衍射光斑进行过滤；其中，过滤选用的光斑滤波器个数与步骤4中得到的频谱平面的衍射光斑数量一致，衍射光斑滤波器的位置与衍射光斑的位置分别对应，所述光斑滤波器为通光圆孔；步骤6 :依次将过滤得到的衍射光斑单独通过凸透镜，即进行傅里叶逆变换，从凸透镜的后焦面处获得的光强分布即为解压缩图像。所述步骤2中闪耀光栅调制图像的具体步骤如下步骤A :1表示第i巾贞图像，i=0 ;步骤B :将光栅刻线所在的竖直方向定为起始方向，光栅旋转间隔角度为a，光栅的闪耀角度为b ;步骤C :将光栅的位相值与待调制图像序列中的第i幅图像的灰度值按像素逐点相乘，图像尺寸受到光栅调制后保持不变，经过光栅调制后的图像的衍射光斑在频谱平面出现的位置将由光栅的闪耀角度和旋转角度决定；
步骤D :每隔角度a沿逆时针方向旋转光栅，即逐步增大光栅的旋转角度，闪耀角度保持为不变为b，i=i+l，若光栅旋转角度小于360°，则返回步骤C ;否则，进入步骤E ;步骤E :若i〈=n，则减小光栅的旋转间隔角度a，增大光栅的闪耀角度b，返回步骤B，否则，结束光栅调制，得到经过光栅调制的图像的衍射光斑在频谱平面上形成一圈衍射光斑，每个衍射光斑对应一幅被调制的图像；其中，光栅旋转间隔角度a的取值为1° 180°，光栅的闪耀角b的取值范围是1° 89° ;闪耀角度的选取原则是使每一圈衍射光斑的重叠尽可能小，总的衍射光斑圈数尽可能多且每圈光斑在径向近似等距离排列，直至所有被调制图像的衍射光斑将衍射区域填满；其中，所述闪耀光栅刻槽的函数形式如下；
权利要求
1.一种基于光学原理的图像压缩及解压缩方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤1:依次提取待处理影像中的图像，并对图像进行灰度处理，图像帧数为n，其中n为整数； 步骤2 :采用闪耀光栅调制步骤I获取的n帧图像； 步骤3 :将步骤2中被光栅调制的n帧图像的各像素点的振幅和位相按像素点分别逐点相加，获得一幅包含振幅和位相的合成图像； 步骤4:将合成图像放置在一个凸透镜的前焦面，利用凸透镜具有二维傅里叶变换的性质，即一束光通过凸透镜，在焦平面上形成到的图像包含这束光的频率空间信息，即在凸透镜的后焦面获得傅立叶变换结果，得到频谱平面的衍射光斑分布图； 步骤5 :选用光斑滤波器逐个将衍射光斑进行过滤；其中，过滤选用的光斑滤波器个数与步骤4中得到的频谱平面的衍射光斑数量一致，衍射光斑滤波器的位置与衍射光斑的位置分别对应，所述光斑滤波器为通光圆孔； 步骤6 :依次将过滤得到的衍射光斑单独通过凸透镜，即进行傅里叶逆变换，从凸透镜的后焦面处获得的光强分布即为解压缩图像。
2.根据权利要求1所述的基于光学原理的图像压缩及解压缩方法，其特征在于，所述步骤2中闪耀光栅调制图像的具体步骤如下 步骤A i表示第i巾贞图像，i=0 ； 步骤B :将光栅刻线所在的竖直方向定为起始方向，光栅旋转间隔角度为a，光栅的闪耀角度为b ; 步骤C :将光栅的位相值与待调制图像序列中的第i幅图像的灰度值按像素逐点相乘，图像尺寸受到光栅调制后保持不变，经过光栅调制后的图像的衍射光斑在频谱平面出现的位置将由光栅的闪耀角度和旋转角度决定； 步骤D :每隔角度a沿逆时针方向旋转光栅，即逐步增大光栅的旋转角度，闪耀角度保持为不变为b，i=i+l，若光栅旋转角度小于360°，则返回步骤C ;否则，进入步骤E ； 步骤E :若i〈=n，则减小光栅的旋转间隔角度a，增大光栅的闪耀角度b，返回步骤B，否贝U，结束光栅调制，得到经过光栅调制的图像的衍射光斑在频谱平面上形成一圈衍射光斑，每个衍射光斑对应一幅被调制的图像；其中，光栅旋转间隔角度a的取值为1° 180°，光栅的闪耀角b的取值范围是1° 89° ; 其中，所述闪耀光栅刻槽的函数形式如下；
3.根据权利要求1或2所述的基于光学原理的图像压缩及解压缩方法，其特征在于，所述步骤2中的步骤B中的光栅的闪耀角度b初始为11.48°。
4.根据权利要求3所述的基于光学原理的图像压缩及解压缩方法，其特征在于，采用计算机模拟实现所述步骤4到步骤6的过程将合成图像进行傅里叶变换，得到频谱平面的衍射光斑分布图； 利用数字傅立叶变换，对过滤后的衍射光斑的光场作运算，即利用透过率函数乘以衍射光斑的复振幅，然后对乘积作傅立叶变换，取傅立叶变换后光场的光强分布，即为解压缩图像； 其中，空间滤波器即为透过率函数，其表达形式如下
5.根据权利要求4所述的基于光学原理的图像压缩及解压缩方法，其特征在于，所述步骤5中的光斑滤波器的半径取值范围为10 15个像素，使得解压缩图像与原图像的均方根误差为0 0. 3 ; 其中，图像的均方根误差定义为解压缩图像与原始图像所有像素点之间光强差的平方和的平方根与原始图像所有象素点光强平方和的平方根的比值。
全文摘要
本发明提出了一种基于光学原理的图像压缩及解压缩方法，通过提取待处理影像中的图像，并对提取的图像进行灰度处理后，利用闪耀光栅对图像进行调制，利用经闪耀光栅调制的图像中各像素点的振幅和位相分别逐像素点相加后得到合成图像，对合成图像进行傅里叶变换后得到合成图像对应的衍射光斑，利用光斑滤波器对衍射光斑进行逐个过滤，获得解压缩图像；该方法操作简单，成本低，利用常用的凸透镜或者采用计算机虚拟光学4f系统模拟傅里叶变换及逆变换过程即可实现，能够广泛运用于图像压缩及传输领域中，提高了传输效率，经过解压缩得到的图像清晰，恢复程度高，与原始图像的误差较小，有极大的应用空间。
文档编号H04N5/14GK103067664SQ20121059065
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月29日 优先权日2012年12月29日
发明者陶少华, 尹珅 申请人:中南大学