（微电子学与固体电子学专业论文）jpeg2000核心处理单元的设计.pdf

摘 要 随着互联网和多媒体技术的技术进步， 信息技术得到了飞速的发展。 随着人 们追求更高质量的多媒体信息， 信息的传递受限于信息传输线路的带宽， 大容量 的信息往往无法及时传递:信息的存储受限于存储设备的容量。 在这种情况下， 原有的j p e g标准已 经不能满足越来越高的对静态图像压缩标准的要求。 j p e g 2 0 0 0 标 准是由 联 合图 像 专 家组 在2 0 0 1 年1 月 推出 的 新一 代数 字图 像 压 缩标准。 j p e g 2 0 0 0 标准和现行的j p e g标准相比，具有压缩效率高， 传输方式 灵活，能够进行感兴趣区域编码和压缩码流抗干扰能力强等特点。 本论文对j p e g 2 0 0 0 标准进行了分析，研究了j p e g 2 0 0 0的编码过程，将整 个编码系统分类可通过软件或者使用现成i p 的， 以及算法较复杂， 需要通过a s i c 实现的两部分。并且主要针对 p e g 2 0 0 0编码系统中的核心运算单元作了v l s i 实现上的研究。 对j p e g 2 0 0 0 标准中的离散小波变换算法进行了一些讨论。 针对j p e g 2 0 0 0 标准中复杂的位平面算法， 提出了一种基于过程并行处理结 构的e b c o t 编码器。 将j p e g 2 0 0 0 标准位平面算法中的三个扫描过程合并为一 个扫描过程，从而实现了一种执行速度、编码效率和面积都比较适宜的e b c o t 编码器。 针对j p e g 2 0 0 0 标准中的二进制算术编码算法编码效率较低， 不适合硬件实 现的特点， 对算法进行了一定的改进。 并且采用了流水线的结构， 分别设计了基 于优化算法的m q _编码器和解码器， 从而大大改进了 编码和解码的效率。 关键词:静态图像压缩编码、 j p e g 2 0 0 0 标准、 超大规模集成电路、 离散小波变 换、e b c o t编码器、二进制算术编码器 ab s t r a c t wi t h t h e a d v a n c e m e n t o f n e t w o r k a n d m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y , i n f o r ma t i o n t e c h n o l o g y h a s g r e a t d e v e l o p m e n t . p e o p l e l o o k f o r w a r d t o m o r e q u a l i f ie d m u l t i m e d i a i n f o r ma t i o n . b u t t h e t r a n s f e r o f i n f o r m a t i o n i s li m i t e d b y t h e b a n d w id t h o f t r a n s f e r l i n e . a n d t h e r e s t o r e o f i n f o r m a t i o n i s l i m i t e d b y t h e c a p a c i t y o f m e m o ry . s o j p e g s t a n d a r d i s n o t a b l e t o a f f o r d t h e r e q u i re m e n t o f s t i l l i m a g e c o m p r e s s i o n a n y m o re . j p e g 2 0 0 0 s t a n d a r d i s d e v e l o p e d u n d e r t h e a u s p i c e s o f i s o / iec j t c i / s c 2 9 f wg 1 i n j a n u a ry , 2 0 0 1 . c o m p a r e d w i t h j p e g s t a n d a r d , t h e j p e g 2 0 0 0 s t a n d a r d h a s m a n y e x c e l l e n t f e a t u r e s s u c h a s h i g h c o m p re s s i o n e f f i c i e n c y , l o s s y a n d l o s s l e s s c o m p r e s s i o n , m u l t i p l e re s o l u t i o n r e p re s e n t a t i o n , e m b e d d e d b i t - s t r e a m ( p r o g r e s s i v e d e c o d i n g a n d s n r s c a l a b i l i t y ) , r e g i o n - o f - i n t e r e s t ( r o i ) c o d i n g a n d e r r o r r e s i l i e n c e . i n t h i s t h e s i s , t h e p r o c e s s o f j p e g 2 0 0 0 e n c o d e r i s a n a l y z e d . t h e s y s t e m i s d i v i d e d in t o t w o p a rt . o n e p a rt c a n b e i m p l e m e n t e d w i t h s o f t w a r e a n d i p t h e o t h e r p a rt m u s t b e i m p l e m e n t e d w i t h a s i c . i n t h e t h e s is , r e s e a r c h a b o u t h o w t o i m p l e m e n t t h e k e y a c c e l e r a t o r s o f j p e g 2 0 0 0 w i t h v l s i i s m a d e t h e a lg o r i t h m o f d wt b a s e d o n l i f t i n g s c h e m e i s a n a l y z e d . t h e a l g o r i t h m f o r b i t p la n e c o d i n g is a n a l y z e d . a n e b c o t e n c o d e r b a s e d o n c o d i n g - p a s s p a r a l l e l p r o c e s s i n g i s p r e s e n t e d . t h e t h r e e s c a n p r o c e d u r e s o f t h e a l g o r i t h m f o r b i t p l a n e c o d i n g i n j p e g 2 0 0 0 i s in c o r p o r a t e d i n t o o n e c a n p r o c e d u r e t h e a c c e l e r a t o r i s e f f i c i e n t , a n d a r e a i s n o t l a r g e . s i n c e t h e a l g o r i t h m o f b i n a r y a r i t h m e t i c c o d e c i n j p e g 2 0 0 0 s t a n d a r d i s n o t e f f i c i e n t e n o u g h a n d n o t s u i t a b l e f o r v l s i i m p l e m e n t a t i o n . t h e a l g o r i t h m i s m o d i f ie d . t h e b i n a r y a r i t h m e t i c c o d e c u s e d i n j p e g 2 0 0 0 s y s t e m b a s e d o n p i p e li n e a r c h i t e c t u r e i s p r e s e n t e d . k e y w o r d s : s t i l l i m a g e c o m p r e s s i o n , i p e g 2 0 0 0 s t a n d a r d , v l s i , d wt , e b c o t , b i n a r y a r i t h m e t i c c o d e c 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1图像压缩技术简介 随着互联网和多媒体技术的技术进步，信息技术得到了飞速的发展。所传 递的信息内容从以文字为主，发展到了文字、图像、视频、音频等相结合。多 媒体技术的发展大大提高了人们的生活质量，网上购物、远程医疗、在线电影 和3 - d游戏已经进入千家万户， 数码相机、 可视手机、 mp 3 播放机等多媒体设 备也越来越普及。 然而， 大量的多媒体信息带来了“ 信息爆炸” ， 大量数据的存 储和传输成为多媒体技术发展中一个棘手的瓶颈问题。例如:现有的电视标准 是3 0 帧j 秒， 每帧6 4 0 x 4 8 0 像素， 每一个像素需要2 4 b i t 的信息来显示颜色。 但 是在下一代电视标准( h d t v ) 中， 信息量是6 0 咖秒，每帧 1 2 8 0 02 0 像素。 于 是 播 放一 个小 时电 视 所需 要的 数 据 量从9 5 0 亿b y t e 增 加到5 6 0 0 亿b y te lil . 随着人们追求更高质量的多媒体信息，会在两方面形成瓶颈。一方面，信 息的传递受限于信息传输线路的带宽，大容量的信息往往无法及时传递;另一 方面， 信息的 存储受限于存储设备的容量， 这一点在移动设备( 例如手机和p d a ) 上表现得尤为明显。虽然我们可以通过改善信息传递线路的带宽和采用大容量 的存储设备来应对，但是很明显，在很多应用中，单纯的增加带宽和加大存储 容量并不足以完全解决这两个问题。由此带来的思索是，如果在保证信息质量 的前提下，能够对信息进行一定程度的压缩，无疑会有很重要的意义。 本论文讨论的对象就是静态图像的压缩技术。 1 . 1 . 1图像压缩的必要性 近几年来，对以数字形式处理图像的需求显著增加。由于图像扫描器性能 的改善以及成本大大降低，相片、印刷文木和其他介质现在可以很容易的转换 成数字形式 ( 图像数字化) 。 数字图像 ( 镜象数字化) 的直接获取也像传感器以 及相关的电子学发展一样更加普遍; 在地球遥感技术中例如l a n d s a t 卫星拍 照的利用，以及消费市场中电子景物摄像机的出现就是很好的例证。此外，医 学中很多不同的摄像方式，诸如计算层析 x射线摄影法 c t )或磁共振摄像 m r i ) ， 直接以数字形式产生图像。 计算机生成图像 ( 合成图像) 也称为数字 数据的主要来源。在广告和文娱活动中广泛应用计算机制图，并且它在科学显 像以及工程应用中也在迅速增长。对数字图像如此感兴趣的原因十分明显:用 第一章 绪论 数字形式表示图像可以使可是信息以有效、心音方式灵活的加以控制。在过去 的十年中，随着计算能力按指数规律增长的事实，致使数字图像系统在以下各 个领域中广泛应用， 如天文学、 遥感、医学、 摄影报道、图形艺术、法律实施、 广告和制造业等等。 尽管数字图像存在很多优点，但有一个潜在的问题， 就是要表示他们需要 大量的比特数。幸而，在数字图像的标准表示钟，通常含有大量冗余度。图像 压缩是图像数据有效编码的技术，其目 的在于获得这种冗余优点，从而减少表 示图像所需的比特数。这样就使存储图像所需的存储器，或者传输图像所需的 通道容量大大节省。 1 . 1 .2图像压缩的原理 数字信息传i t , / 存储系统中， 从信源输出的信息是数字化信息， 即输入到信 源编码部分的信息是数字化信息。习惯上，我们将代表样值 ( 样本)的n位二 进制代码成为“ 数据” 。 而数据与信息是两个完全不同的概念。 信息是对发生事 件的抽象描述，而数据是在确定了描述方法后对事件的具体描述记录。显然， 对同一信息，若使用的描述方法不同，则形成记录的数据可能完全不同。我们 总希望能用最小的数据量对给定信息进行描述和表达。而数据压缩的目的，就 是用尽可能少的数据来表达信息，从而节省传输和存储的开销。 研究表明， 原是视频数据表示中再亮度和色度信息方面存在着大量的冗余。 因此，可利用一部分样点的亮、色参数可推导出另一部分样点的亮、色参数， 从而使原始数据量极大的减少， 有利于传输/ 存储。 原始图像数据表示中的冗余 主 要 形 式 如 下 (2 .3,4 ,5 空间冗余:图像序列中某帧的某一样点的亮、色信息，与同一帧的相 邻样点间存在极强的相关性。 时间冗余:图像序列中某帧的某一样点的亮、色信息，与相邻帧的相 应位置上的样点存在极强的相关性。 结构冗余: 在有些图像的纹理区 ( 如方格形地板) ， 像素亮、色值存在 着明显的分布模式，就可以通过某一过程生成图像，我们称此为结构 冗余。 知识冗余:有些图像的理解与某些知识有相当大的相关性。例如，人 脸的图像有固定的结构，比如说嘴的上方有鼻子， 鼻子的上方有眼睛， 鼻子位于正脸图像的中线上，等等。这类规律性的结构可由先验知识 和背景知识得到，我们称此类冗余为知识冗余。 第一章 绪论 视觉冗余:实验发现人眼的视觉特性是非线性的，例如，对图像色度 得敏感性远不如亮度，又如，随着亮度的增加对量化误差的敏感度降 低 这是由 于人眼的辨别能力与物体周围的背景亮度成反比，因此， 可把图像的边缘和非边缘区域分开来处理) ，因此， 对视觉敏感区可用 较多的数据表示.而对簿敏感区则可用更少的数据表示。 通过一定的编码方法减少表示某一图像序列的数据量，这些编码方法称为 图像 ( 视频)压缩编码。 1 . 1 .3图像压缩技术的分类 图像编码的方法很多，可以以多种方式对其进行分类。根据编码过程中是 否存在信息损耗可将图像编码分为有损压缩和无损压缩。 无损压缩无信息损失， 解压缩时能够从压缩数据精确的恢复原是图像;有损压缩不能精确重建原是图 像， 存在一 定 程度的 失真4 1 根据编码原理可以将图像编码分为墒编码、预测编码、变换编码和混合编 码等。 令 嫡编码:嫡编码是纯粹金鱼信号统计特性的编码技术，是一种无损编码。 嫡编码的基本原理是给出 现概率较大的符号赋予一个短码字，而给出现概 率较小的符号赋予一个长码字从而使得最终的平均码长很小。常见的嫡 编码万法 有游 程编 码 ( r u n l e n g t h e n c o d i n g ) 、 哈夫曼编码和算 术编码。 个 预测编码:预测编码是基于图像数据的空间或时间冗余特征，用相邻的己 知像素 ( 或像素块)来预测当前像素 ( 或像素块)的取值，然后再对预测 误差进行量化和编码。预测编码可分为帧内预测和帧间预测，常用的预测 编码有差分脉冲调制 ( d i f f e r e n t i a l p u l s e c o d e mo d u l a t i o n )和运动补偿法。 令 变换编码:变换编码通常是将空间域上 的图像经过正交变换映射到另一变 换域上，使变换后的系数之间的相关性降低。图像变换本身并不能压缩数 据，但变换后图像的大部分能量只集中到少数几个变换系数上，采用适当 的量化和墒编码就可以有效地压缩图像。 今 混合编码: 混合编码是指综合了嫡编码、 变换编码或预测编码的编码方法， 如 j p e g标准和 mp e g标准。 根据对压缩编码后的图像进行重建的准确程度，可将常用的图像编码方法 分为三类。 令 信息保持编码:也称无失真编码，它要求在编解码过程中保证图像信息不 第一章 绪论 丢失，从而可以完整地重建图像。信息保持编码的压缩比较低，一般不超 过3 : 1 ， 主要应用在图 像的数字存储方面，常用于医学图 像编码中。 保真度编码:主要利用人眼的 视觉特性， 在允许的失真 ( lo s s y )条件下或 一定的保真度准则下，最大限度的压缩图像。保真度编码可以实现较大的 压缩比，主要用于数字电视技术、静止图像通信、娱乐等方面。对于这些 图像，过高的空间分辨率和过多的灰度层次，不仅增加了数据量，而且人 眼也接受不到。因此在编码过程中，可以丢掉一些人眼不敏感的信息，在 保证一定的视觉效果条件下提高压缩比。 特征提取:在图像识别、分析和分类等技术中，往往并不需要全部图像信 息，而只要对感兴趣的部分特征信息进行编码即可压缩数据。例如，对遥 感图像进行农作物分类时，就只须对用于区别农作物与非农作物，以及农 作物类别之间的特征进行编码，而可以忽略道路、河流、建筑物等其它背 景信息。 1 . 1 .4 图像压缩系统的 性能评价和度量 评价图像压缩技术和系统的性能，主要考虑以下参数a 算法的编码效率算法的编码效率通常有几种表现形式: 平均码字长度、 图像的压缩比、每秒钟所需的传输比特数、图像墒与平均码长之比。这些表现 形式很容易互相转换。 编码图像质量图像质量评价可分为客观质量评价和主观质量评价。最 创用的客观质量评价指标是均方误差和峰值信噪比。主观质量评价是指由一批 观察者对编码图像进行观察并打分，然后综合所有人的评判结果，给出图像的 质量评价。 算法的适用范围特定的图像编码算法具有其相应的适用范围，并不对 所有图像都有效。一般来说大多数基于图像信息统计特征的压缩算法具有较广 的适用范围，而一些特定的编码算法的适用范围较窄，如分形编码主要用于自 相似性高的图像。 算法的复杂度算法的复杂度指完成图像压缩和解压缩所需的运算量和 硬件实现该算法的难易程度。优秀的压缩算法要求有较高的压缩比，压缩和解 压缩快，算法简单，易于硬件实现，还要求解压缩后的图像质量较好。 1 .2对j p e g标准的回 顾3 1 j p e g ( j o i n t p h o t o g r a p h i c e x p e rt s g r o u p ) 是联合图 像专家小 组的英 文缩略 第一章 绪论 语， 其中 联合的 含义是指国际电 报电 话咨询委员会 ( c c i tt ) 和国际标准化组 织 ( i s o )的共同参与。该专家组多年来一直致力于标准化工作，他们开发研 制出连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压缩编码方法，这些编码方法 称为j p e g算法。 j p e g算法被确定为j p e g国际标准， 它是彩色、灰度、 静止 图像压缩编码的第一个国际标准。j p e g标准的正式名称 “ 信息技术连续 色调静止图像的数字压缩编码” ， 文件号为i s oc d 1 0 9 1 8 - 1, c c i tt t . 8 1 , 1 9 9 1 0 j p e g标准支持任何一种色空间的连续色调静止图像压缩，并且压缩度可调节， 重构出的图像质量也很好。 j p e g标准同时支持有损压缩和无损压缩。有损压缩基于离散余弦变换 ( d c t ) ， 可以用较少的数据量获得较好的图像质量， 是j p e g标准的基础。图 1 . 1 是j p e g有损压缩编解码系统的基本结构。 图1 . 1 j p e g的有损压缩编解码系统 j p e g标准的无损压缩基于差分脉冲 ( d p c m) ,压缩比比较低。其主要特 征是: 输入图像精度为2 1 6 b i t 1 像素/ 色， 分层编码操作方式， 采用哈夫曼编码和 算术编码。图1 .2 是j p e g无损压缩编解码系统的基本结构。 输入图像数据 重构图像数 图1 .2 j p e g的无损压缩编解码系统 最常用的j p e g有损压缩编码模式被称为基线j p e g ( b a s e l i n e j p e g ) o输 第一章 绪论 入的图像被划分为不交叠的8 x 8 大小的 码块， 对每个码块进行离散余弦变换。 其变换系数经过量化后再用嫡编码( 霍夫曼编码或算术编码) ， 以此作为压缩图 像数据输出:而解码时，先对压缩图像数据进行嫡解码、逆量化，然后进行逆 d c t变换 ( i d c t ) ， 得到重构图 像输出。 其中， 霍夫曼编码和算术编码对d c t 变换系数的直流分量d c和交流分量a c编码方式是不同的; d c i ， 变换后经过 量化其d c系数，由于相邻块相关性强，可以用差分技术进一步降低直流分量 的直，增加0 个数，提高效率;为使解码准确，编解码器所用量化表和编码表 必须一致:彩色图像按亮度和色度分量输入，然后对其压缩一起输出。 j p e g标准的缺点是: j p e g标准在压缩率为大约0 .5 b i t/ 像素时表现得相当 好。 但是当压缩率 低于0 1 5 b i t/ 像素时压缩后图像的质量令人无法接受。 j p e g标准有4 4种不同的模式，这些模式针对不同的应用，而且模式 之间无法互换。 j p e g标准的有损压缩模式和无损压缩模式完全是两个 不同的压缩过程。 不支持在同一比 特流中的图像质量和分辨率上的渐进传输。同样，如 果不对图像进行解压缩， 对图像的翻转、 平移等操作就会变得很困难。 传输过程中的容错能力有待改善。 v 不支持感兴趣区域编码。也不支持对数据的随机访问。 d 在标准中没有包括例如水印图像、知识产权等特征。 1 .3 j p e g 2 0 0 0 标准简介3 ,8 1 j p e g 2 0 0 0 是j p e g工作组于2 0 0 0 年底公布的最新的静止图像压缩编码标 准，文件号为i s o / i e c 1 5 4 4 4 ( i t u - t t . 8 0 0 ) 。该标准由6 部分组成，其中第一 部分是编码的核心部分，相当于 j p e g的基本系统，使公开并免费使用的。这 六个部分分别是: . p a rt 1 一 j p e g 2 0 0 0 图像编码系统 0 p a rt 2 一扩展 ( 针对第一部分加入更多的 特征) . p a rt 3 一 mo t i o n j p e g 2 0 0 0 技术 . p a rt 4 一对j p e g 2 0 0 0 标准的测试 . p a rt s 一参考软件 ( 包括用j a v a语言和c语言写的软件) 0 p a rt 6 一混合图像文件格式 ( 针对印刷和传真等应用) 本论文所讨论的对象只是 j p e g 2 0 0 0 标准的第一部分。 第一章 绪论 j p e g 2 0 0 ( 标准作为新的图像压缩标准，允许使用不同的图像模型 如客 户/ 服务器，实时传输、图像库驱动等) ，对具有不同特征 ( 如自 然图像、计算 机图形、医疗图像、遥感图像、以及复合文本等)的静态图像进行压缩，在敌 彼特律的情况下，获得更好的速率失真特性和有关图像质量。 j p e g 2 0 0 0标准 提供了一套新的特征，这些特征将在下一章进行描述。 表1 . 1 对j p e g 标 准 和j p e g 2 0 0 0 标 准 进 行了 一 些比 较 9 标准目 标比 特率 应用场合算法效 率 采用的主要编码技术速率失真 特性 j p eg压缩比 2 - 3 0 r i n t e me t r数字相机 /图像 视 频 编缉 3 0 : 1 以 上 急 剧 卜 降 r dc t r知觉量化 r z i g z a g 扫描 v霍夫曼编码 j算术编码 j p eg2 0 0 0压缩比 2 - 5 0 j i n t e me t r移动通信 /打印 r扫描 /数字相机 v遥感 r传真 了医学图像 r数字 图书 馆 v电子商务 1 0 0 : 1以 匕平 稳 衰减 r j p e g中的部分技术 r dwt r e b c o t r r o i 编码 / 空间可扩展编码 r 质量可扩展编码 j 面向 对象编码 v 位图形状编码 r容错编码 r t c q r零数编码 比j p e g提 高3 0 % a 1 .4论文的安排 论文的主要工作是j p e g 2 0 0 0 标准中核心运算单元的v l s i 实现。 在接下来 的第二章， 将对j p e g 2 0 0 0 的标准进行一些研究， 在这一章中将讨论j p e g 2 0 0 0 的整个系统中的各个组成部分，以及各自的特点，并且将整个系统分解成可用 软件和现有 i p实现的，以及需要用 a s i c实现的两部分。在第三章中，将对 j p e g 2 0 0 0的离散小波变换算法进行讨论， 并且对文献 1 1 1 和 2 6 1 中的一种基于 提升算法的离散小波变换 v l s i结构的特点进行了介绍。在第四章中，将对 j p e g 2 0 0 0标准中的位平面编码算法进行讨论，并且给出一种基于过程并行技 术的e b c o t编码器结构。在第五章中，将对j p e g 2 0 0 0标准中的算术编解码 算法进行优化，并且给出一种流水线结构的m q编码器和解码器。 第二 章 j p e g 2 0 0 0 标准及 其系 统结构 第二章 j p e g 2 0 0 0 标准及其系统结构 2 . 1 j p e g 2 0 0 0 标准的特征 由于 j p e g优良的品质，使得它在短短的几年内就获得极大的成功，目 前网 站上百分之八十的图像都是采用j p e g 的压缩标准。然而，随着多媒体应用领域 的激增， 传统j p e g 压缩技术已 无法满足人们对多媒体图像资料的要求。因此， 更高压缩率以及更多新功能的新一代静态图像压缩技术 j p e g 2 0 0 0就诞生了。 j p e g 2 0 0 0正式名称为: i s o 1 5 4 4 4 ，同样是由j p e g组织负责制定。该标准是由 联合摄影专家组于 1 9 9 7年开始征集提案，把它作为j p e g标准的一个更新换代 标准。 它的目标是进一步改进目前压缩算法的性能，以适应低带宽、 高噪声的环 境，以及医疗图像、电子图书馆、 传真、 i n t e rn e t 网上服务和保安等方面的应用。 j p e g 2 0 0 0与传统 j p e g最大的 不同， 在于它放弃了j p e g所采用的以 离散 余弦变换 ( d i s c r e t e c o s i n e t r a n s f o r m )为主的区块编码方式， 而采用以小波 变换 ( w a v e l e t t r a n s f o r m )为主的多解析编码方式。离散小波变换算法是现代 谱分析工具， 在包括压缩在内的图像处理与图像分析领域正得到越来越广泛的应 用。 j p e g 2 0 0 0标准提供了一套新的特征，这些特征对于一些新产品 ( 如数码相 机)和应用 ( 如互联网)是非常重要的。它把j p e g的四种模式 ( 顺序模式，渐 进模式， 无损模式和分层模式) 集成在一个标准之中。 在编码端以最大的压缩质 量 ( 包括无失真压缩) 和最大的图像分辨率压缩图像， 在解码端可以从码流中以 任意的图像质量和分辨率解压图像，最大可达到编码时的图像质量和分辨率。 j p e g 2 0 0 0应用的领域包括互联网、彩色传真、打印、扫描、数字摄像、遥感、 移动通信、医疗图 像和电 子商务等等。 它的 最主要的 特征如下x9 .1 0 . 同时支持无损压缩和有损压缩方式 支持感兴趣区域压缩: 在压缩时， 可指定图片感兴趣区域( r e g i o n o f i n t e r e s t ) , 并制定压缩质量;再解压缩时，对这些区域制定解压缩顺序及解压缩质量。 因为子波在时域及频域上具有局域性， 有可能完全恢复或以高分辨率恢复图 像的某个局部。这对于医疗图像的压缩意义重大。 在高压缩比 下仍能保持较高的图像质量:在类似质量的前提下， j p e g 2 0 0 0 的压缩比比j p e g高 1 0 %-3 0 %( 如图2 . 1 所示) ; 而且 在低码率时， 压缩后 的图像比j p e g显得更加细腻平滑 ( 见图2 .2 l 第二章j p e g 2 0 0 0 标准及其系统结构 且高质量的图像。 j p e g 2 0 0 0 在节约和充分利用有限带宽方面显得更加优越。 容错能力强: 在有限带宽上进行文件传输时， 有很强的纠错能力， 在用户指 定文件尺寸时，能保证较高的再现图像质量。 这一点在无线领域得到广泛的 应用。 支持对码流的随机访问 和处理: 这一特征允许用户在图像中随机地定义感兴 趣区域， 使得这一区域的的图像质量高于其它图像区域; 码流的随机处理允 许用户进行旋转、移动、滤波和特征提取等操作。 2 . 2 j p e g 2 0 0 0 的编解码流程 无论是有损压缩模式还是无损压缩模式， j p e g 2 0 0 0都需要经过离散小波变 换、 量化 ( 针对有损压缩模式)和对子带的每个位平面进行嫡编码的过程。 所形 成的码流能够被用来进行图像质量和分辨率的渐进传输， 并且可以不需要重构图 像就能够完成对图像的翻转和平移等操作。同样也可以执行感兴趣区域 ( r o i ) 压缩和对码流进行随机访问和处理等操作。 新的文件格式增强了容错性， 并支持 水印等特性。j p e g 2 0 0 0编码系统优秀的特性使得即使在压缩比较高的情况下也 能维持相当好的图像质量。j p e g 2 0 0 0标准与j p e g标准相比主要的缺点是编码 系统所使用的算法更加复杂。 所以， 针对特定的应用， 将算法最复杂的部分用硬 件来实现是完全必要的。 j p e g 2 0 0 0系统输入的图像 ( i m a g e )可以包括一个或者多个成分 ( c o i p p o n e n t ) 。 例如传统的r g b图像包括红色、绿色、 蓝色三个成分， 而打印 机图像包括青色、 品红、 黄色、 黑色四个成份， j p e g 2 0 0 0 最多支持图像中有1 6 3 8 4 ( 2 14 ) 个成份。 各个成分中 每个样点的值可以 是1 - 3 8 位的符号或者无符号整数。 假设一幅图像的某个成分的样点是由 b位整数来表示的，那么无符号数表示方 法表示的范围 是 ( 0 ,2 8 - 1 ) ， 符号树表示方法表示的范围是 ( - 2 b - 1 ,2 b - 1 - 1 ) 。 图 像的 每个成分都能被独立编码， 就好像他们是不同的图像一样， 并且图像的各个成分 不需要同样的尺度， 也就是说各个成分可以有不同的b i t 深度、 分辨率和符号数/ 无符号数表示方法。 图像中的各个成分被划分成矩形的结构，被称为图像片 ( 工 m a g e t i l e ) . j p e g 2 0 0 0针对各个图像片进行编码，如图2 .3 所示。具体的过程我们会在接下 来的章节中逐一描述。 j p e g 2 0 0 0 编码器的结构框图如图2 .4 所示， 首先对源图像数据进行预处理， 包括色空间转换、 图像分割 ( t i l i n g 、 和减去直流成分 ( d c - s h i f t ) 三个过程; 然后对每个 “ 图像片”( t i l e )进行离散小波变换，再对变换后的小波系数进行 】 o 第二章 j p e g 2 0 0 0 标准及其系统结构 量化，接着对量化后的数据按码块 ( c o d e - b l o c k )进行嫡编码，包括位平面编码 和算术编码， 最后经过优化组织后形成输出码流。 解码器是编码器的逆过程， 进 行墒解码， 然后解量化和小波反变换，最后生成重建图像数据1 1 ) . t i l et i l e t i l et i l e w a v e l e t t r a n s f o r m s u b b a n d s u b b a n ds u b b a n d q u a n t i z a - li on codeb lo k c o d eb l o c k 瑙 瑙 绷 手办 写 洲 叩 c o d eb l o c kc o d eb lo c k i m a g e ti l es u b b a n d c o n t e x t a n d d a t a b i t c o m p r e s s e d d a t a b i t s t r e a m b i t p l a n e c o d i n g b i n a r y a r i t h m e t i c c o d i n g f i l e f o r m a t t i n g a n d l a y e r f o r m a t i o n 图2 .3 j p e g 2 0 0 0 标准的编码过程 图2 . 4 j p e g 2 0 0 0 标准的编码流程 2 . 2 . 1预处理 a .留袭分刹 预处理的第一步是将图像的某 一 成分划分成相同大小( 除非该图像片正好处 于图像的边缘) 的非交迭矩形图像片。图像片的大小是任意的， 最大可以是整个 图像的大小 最小可以仅仅包括一个像素。 每个图像片可以用各自的一套压缩参 数进行独立压缩。将图像划分成图像片的意义在于可以适应m e m o r y 不足的情况 下的应用。如图 2 . 5 所示，整幅图像被分割为 6 个 t i l e . 第章 j p e g 2 0 0 0 标准及其系 统结 构 g 二 y 一 l ( c b + c r ) i 4 i r =cr +g b =cb+g ( 2 . 4 ) r，卫，.11 2 .2 .2离散小波变换 在j p e g标准基于的离散余弦变换 ( d c t )在j p e g 2 0 0 0 标准中被替换成了 离散小波变换 ( d wt ) 离散小波变换拥有一些独特的特性， 使它能很好的满足 j p e g 2 0 0 0 标准的 某些要求。 例如，多分辨率分析是离散小臂变换本身固 有的属 性;使用整数离散小波变换滤波器可以在同一个码流中进行无损压缩和有损压 缩。 离散小波变换对每个经过水平移位的图像片实施两维离散小波变换 ( d w t ) , 目的是将能量大部分集中到低频子带， 而高频子带的广大区域可以出现很多0 或 绝对值很小， 这样便于后面的e b c o t 编码器进一步的压缩图像。 经过第一级两维 离散小波变换。就形成 l l t , l h i , h l i , h h i 四个子带;然后再对 l l i 进行第二 级两维离散小波变换，又形成 l l 2 , l h 2 , h l 2 , h h 2四个子带;， ， ;则 n 级小 波变换可生成3 n + 1 个子带，如图2 . 7 所示。每经过一级离散小波变换，图像的 分辨率从长和宽上都减半。 最多可以 进行3 2 级离散小波变换。 在j p e g 2 0 0 0 标准 的第一部分中，( 5 , 3 ) 滤波器被用于无损压缩方式，( 9 , 7 ) 滤波器被用于有损压 缩方式。 r e s o l u t i o n 0 : l l 3 . 嫩 组h l3 王 界双林 re s : l f 1 3一 r e s 0宁 i i l 2 ! 一 f i l 3十1 - 1 h 3 l1 1 31 1 1 1 1 3 盗 魏 燕杯分罗畏 叱汉沂邵欲 r e s l t 卫 re s i 1 l 2-1 1 1 1 2- lh2hh2卜 钟 桑 薰 r e s 3 : r e s 2十 1- 1 1 1 +1 1 1- 1 - 1 -1 1 - 1 1 笠 裂 翼 纂 麟、 、 : 一澎簇摄 攀 巡 鬓 懊 犷赫 产八介沐浪从 粉一代片决甲 燃教猫蕊 ho r i z o n t a l 淤 摊- ve r t i c a l 一j袭粼 诬 众乙执 洛 洛 尸 妞 致义 旅 热撇 料扮 图2 . 7 3 级两维离散小波变换后生成 t o 个子带 第二章i p e g 2 0 0 0 标准及 其系 统结 构 针对传统的离散小波变换实现方法需要大量计算的缺点， j p e g 2 0 0 0 标准提 供近年来出 现的离散小波变换提升算法， 该算法使得离散小波变换的计算量大大 减少。 提升算法将传统的基于滤波器的设计变成矩阵相乘， 从而使硬件实现的效率 大大改善。 矩阵的因 数分解数目 取决于滤波器。 例如， ( 9 ,7 ) 滤波器可以被因数 分解成4 个矩阵， ( 5 ,3 ) 滤波器可以 被因数分解成2 个矩阵。 值得注意的是，印 数分解的方式不是独一无二的。这种特性可以用来选择一种对称和有效的矩阵， 从 而 实 现 离 散 小 波 变 换 10 l 2 . 2 .3量化 如果采用有损压缩方式的话， 需要对子带的值进行量化。 量化的程度取决于 子带中的值的范围， 和标准中定义的常数， 该常数被用于编码器中， 并且被嵌入 在压缩数据的开始部分n o r 2 .2 .4位平面编码 经过若干级离散小波变换分解后得到的各小波系数子带， 又被进一步分割成 相对小的矩形子块，被称为码块 ( c o d e b l o c k ) ，如图2 . 8 所示。码块的长和宽是 2的幂，最小是 4 ，最大是 1 0 2 4 。而且，如果码块的长等于 2 x 而码块的宽等于 2 y ，那么x 十 y必须小于或者等于 1 2 。 每个码块的小波系数按位逐层剖为一个个 “ 位平面” ( b i t - p l a n ) 。 这些位平面经过位平面编码 ( b p c ) 形成二进制算术编码 ( b a c ) 所需的 上下文 ( c o n t e x t ) 和数据 ( d a t a ) 0 . 在j p e g 2 0 0 0 标准中， 采用了e b c o t ( e m b e d d e d b l o c k c o d i n g w i t h o p t i m i z e d t r u n c a t i o n )算法来进行位平面编码。该算法被用来去除位平面中的对称和冗余 的数据。 在e b c o t算法中， 每个位平面会经过不交叠的3 轮编码 ( c o d i n g p a s s ) ( 为平面中的每一个b i t 只会在3 轮编码中的 1 轮编码过程中进行 1 次编码) 。 所 以，这种编码方式也被称为 “ 碎片 ( f r a c t i o n a l ) ”位平面编码。在包括全部位平 面的位平面编码过程中， 需要保持3 种状态信息用来判断究竟是哪一轮编码过程 对当前b i t 位置进行编码。这3 种状态信息连同数值信息和符号位信息，一起形 成上下文和数据。 上下文的数量杯最小化， 3 个c o d i n g p a s s 一共有 1 9 种上下文。 第三章 基于l i f p i n g的离散小波变换算法的v l s i 实现介绍 第三章 基于l i f t i n g的离散小波变换算法 的v l s i 实现介绍 离散小波变换 ( d wt )被越来越多地用于图像编码。 这是由于离散小波变 换支持渐进的图像传输、便于对己压缩的图像进行操作、并且感兴趣区域编码 等等。 在每一级离散小波变换分解中， 会产生4 个子带: l l , l h , h l 和h h , 如图3 . 1 所示。 l l 2h l 2 h l i l h 2i m l h 1珊1 1 图3 . 1 2 级离散小波变换分解 l l子带是低频子带，和原图像的比例是2 : 1 ，并且有着相似的概率统计特 征。 h l子带和l h子带分别对应着水平和垂直方向的高频， 而h h子带对应着 既非水平方向也非垂直方向的高频，也就是对角方向的高频。这些子带包括了 原始图像边缘和其它细节信息。 l l子带被进一步划分成4 个新的子带， 这一过 程被一只进行下去，直到需要分解的级数全部完成。 离散小波变换传统的实现方法是通过卷积来完成。这种实现方法需要大量 的计算和存储，因此不利于高速和低功耗的应用。近来，基于提升算法的离散 小波变换实现方法被采用，该方法需要的计算量远远小于传统的方法。 本章介绍了一种基于提升算法( l i f t i n g ) 的离散小波变换( d wt ) 统一结构。 该结构无需额外的边界延拓过程， 经配置后可适用于j p e g 2 0 0 0 中的无损或有损 小波变换。通过将边界延拓过程内嵌于离散小波变换中，可以降低功耗，减少 所需内存 ， 习 。 3 . 1 j p e g 2 0 0 0 标准中的d wt算法简介 j p e g 2 0 0 0 图像编码过程的首要步骤就是对原始图像做小波变换， 将图像信 号由时间域 ( 空间域) 表示变换到小波域表示。 利用小波变换的正交/ 双正交变 第三章 纂于l i f r i n g的离散小波变换算法的v l s i 实现介绍 换特性，它能够解除图像像素间的相关性，消除图像信号在空间域的冗余，并 集中图 像信号的能量x 7 1 在j p e g 2 0 0 0 种， 小波变换具体是由小波提升算法来实现的。 提升方法主要 有3 个步骤: 分裂 ( s p l i t )