收 稿日期 : 2007-09-24; 修回 日期 : 2007-12-25 基 金项 目: 江 苏省高 校自 然科学 基础 研究资 助项 目 ( 07KJD520005) ; 常 熟 理工 学 院新 引
进教师 科研启 动基 金资助 项目 ( ky11520) ; 常 熟理 工学院 青年教 师科 研启动 基金 资助项 目( ky200657)
作 者简介 : 刘 在德 ( 1977-) , 男, 山东 莱芜人 , 博 士, 主要 研究 方 向为 图 像 处 理、小 波 分 析 及其 应 用 ( lzd. 122604@ gmail. com) ; 常 晋 义( 1955- ) ,
男, 山西忻 州人 , 教 授, 主要 研究方 向为空 间决 策支持 系统 、信 息系统 安全 ; 聂 盼红( 1977- ) , 女, 山西翼 城人 , 讲 师, 硕士 , 主 要研究 方向 为图像 处理.
新 Burt-Adelson 双 正 交 小 波 的 优 化 设 计
*
刘在德, 常晋义, 聂盼红
( 常熟 理工 学院 计 算机 科学 与工 程学 院, 江 苏 常熟 215500)
摘 要: 根 据小 波滤 波器 的精 确重 构条 件, 推导 出 Burt-Adelson 双正交 小 波 滤波 器 组 的 参数 表 达 式 。该 表 达 式
参数 可任 意取 值, 因此 能够 随意 构造具 有不 同特 征的 Burt-Adelson 小波。作 为构 造实 例, 构造 出一 个新 的有 理系
数 Burt-Adelson 小 波, 它具 有优 化的 编码 增 益 。实 验 表 明, 其 图 像 压 缩 性 能 略 低 于 CDF-9/7 小 波, 但优 于 JPEG
2000 标 准推 荐的 7/5 小波 ; 而且其 提升 小波 变换 的计 算效 率比 CDF-9/7 小波 高 20% 以上 , 也优 于 7/5 小 波。
关键 词: 双 正交 小波 ; 滤波 器; 离 散小 波变 换; 提 升; 图 像编 码
中图 分类 号: TN911. 73 文 献标 志码 : A 文章编 号: 1001-3695( 2008) 010-3078-03
Optimization design of new Burt-Adelson biorthogonal wavelets
LIU Zai-de, CHANG Jin-yi, NIE Pan-hong
( School of Computer Science & Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu Jiangsu 215500, China)
Abstract: This paper derived the parameter expressions of Burt-Adelson ( B-A) biorthogonal wavelet filter bank ( FB) family
based on the perfectreconstruction conditionof FB. By assigning arbitrary real number to thisfree parameter, any B-A wavelet
with different features could be constructed with ease. As an instance, constructed anewrational-coefficient B-A waveletwith
optimumcoding gain. Simulations show thatthe new B-A wavelet enjoys the image compression performance slightlyinferior to
that of the CDF-9/7 waveletby Cohen, Daubechies, and Feauveau; however surpassesthe 7/5 wavelet recommended in JPEG
2000 standard. Moreoverits corresponding lifting based discrete wavelettransform( DWT) gains an improvement of computa-
tional efficiency up to 20% over the CDF-9/7, superior to 7/5 wavelet also.
Key words: biorthogonal wavelet; filter bank; discrete wavelet transform( DWT) ; lifting; image coding
双正交小波已被广泛应用于工程和科学计算的各个领域,
尤其在数 字 图 像编 码 领 域取 得 了 极大 的 成 功
[ 1,2]
。CDF- 9/7
小波
[ 3]
是图像变换 编码 领域 中应 用 最为 广 泛的 小波 之 一, 并
在 JPEG 2000 标准中得到应 用, 但 其滤 波器系 数是 无理 数, 需
要用无限的计算精 度实 现对应 的离 散小 波变 换( DWT) , 这 极
大地增加了计算复杂度。有理系数双正交小波计算复杂度低、
应用方便, 引 起了许 多研究 者的兴 趣
[ 4 ~8]
。第一个 Burt-Adel-
son( B-A) 双正交小波 被用 于 Laplacian 金 字塔 算法, 实 现数 字
图像的有损压缩
[ 9]
。该小波有三个 优点: 对称 性; 系 数为有 理
数; 分解小波与合成小波 近似正 交, 即 小波滤 波器为 近似正 交
镜像滤波器 ( quadrature mirror filter) 。但 其 编码 性能 很 低, 在
图像编码的实际 应用 中效 果并 不 好。JPEG 2000 标准Ⅱ 中 推
荐的 7/5 小波是另 一 个广 为采 用 的 B-A 小 波
[ 2]
, 它 同样 具 有
有理系数, 压缩性能 也 优于 第一 个 B-A 小波。 此小 波的 计 算
复杂度 低于 CDF-9/7 小 波, 但压 缩性能 也与 之有 着较 大的 差
距。因此设计高压缩性能、低计算复杂度的有理系数双正交小
波是图像变换编码领域中十分现实的一个问题。
1 预备知识
这里给出本文用到的基本理论, 有关双正交小波的完整理
论可参看文献 [ 3] 。一个 双正 交小 波包 括两 个互 为对偶 的 尺
度函数 φ( x) 和 珘φ( x) , 它们分别满足如下的两尺度方程:
φ( x) = 2∑
k
h
k
φ( 2x - k) , 珘φ( x) = 2∑
k
珘h
k
珘φ( 2x - k) ( 1)
对应的小波低通滤波器分别定义为
H( ξ) =1 / 2∑
k
h
k
e
- jkξ
, 珟H( ξ) =1 / 2∑
k
珘h
k
e
- jkξ
( 2)
类似地, 小波函数 ψ( x) 和对偶小波函数 珘ψ( x) 分别定义为
ψ( x) = 2∑
k
g
k
φ( 2x - k) , 珘ψ( x) = 2∑
k
珘g
k
珘φ( 2x - k) ( 3)
对应的小波高通滤波器分别定义为
G( ξ) =1 / 2∑
k
g
k
e
- jkξ
, 珘G( ξ) =1 / 2∑
k
珘g
k
e
- jkξ
( 4)
如果令:
G( ξ) =e
- jξ
珟H( ξ+ π) , 珘G( ξ) = e
- jξ
H~( ξ+π) ( 5)
那么双正交条件( 滤波器精确重构条件) 可简化为
H( ξ) 珟H( ξ) + H( ξ+ π) 珟H( ξ+ π) =1 ( 6)
这里上划线代表复变函数中的共轭算子。满足式( 5) ( 6) 的滤
波器集合{ H( ξ) , G( ξ) ; 珟H( ξ) , 珘G( ξ) } 构成一 个精 确重 构双 正
交小波滤波器组。
消失矩对于一个双正交小 波取得 好的能 量集中 能力至 关
重要, 一方面具有高消失矩的小波用很少的变换系数即可精确
表达平滑信号; 另一方面过 高的消 失矩会 增加滤 波器长 度, 不
利于信号奇异点附近能量的集中, 而且也会急剧增大计算复杂
性。因此在构造小 波时, 一般 设定 消失 矩为 2 ~6。指定 一 个
小波滤波器 具有 N 阶消 失矩 的 简 单方 法 是 添加 多 项 式 因 子
cos
N
( ξ/2) 。对于一个双 正交小 波, 如果 基本 小波 滤波 器具 有
偶数或奇数阶消失矩, 那么对偶小波滤波器同样具有偶数或奇
第 25 卷第 10 期
2008 年 10 月
计 算 机 应 用 研 究
Application Research of Computers
Vol. 25 No. 10
Oct. 2008