（通信与信息系统专业论文）基于adv202的高速图像数据压缩传输系统.pdf

f 4 l i f l i t l l f 胛舢舢m 肌 y 1 7 9 , , , i 8 j 4 | i h 0 i i , i1 0 1 1 1 1 1 8 i i i i i 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：需1 哎 。护孑年户月2 7 日 摘要 摘要 在电子信息技术领域，大量信息需要存储在有限的硬盘上，这些海量信息 需要在有限带宽的信道中传输，如何有效地减少存储量和提高传输效率就成为 一个关键问题，数据压缩是解决这一问题的有效方法。 本课题设计并实现了一种基于a d v 2 0 2 的j p e g 2 0 0 0 图像实时压缩传输系统。 论文首先对j p e g 2 0 0 0 标准的产生背景、组成部分、特点与应用、编解码基本框 架以及所涉及的关键技术进行了介绍。紧接着介绍了a d v 2 0 2 的主要特点及工作 原理。然后基于a d v 2 0 2 设计并实现了j p e g 2 0 0 0 图像压缩传输系统，采用嵌入 式软核n i o s i i 作为系统的主控，使用uc o s i i 完成多任务调度，并使用可编 程逻辑器件完成压缩数据的打包下传，软件解码单元在工控机终端建立。 试验结果表明，该图像压缩传输系统能够实时连续压缩数据，可将四路r a w 格式图像压缩为j 2 c 格式的码流输出，并能在工控机终端实时解压缩和显示图 像。系统不仅结构灵活，而且通过主机软件可以对j p e g 2 0 0 0 编码参数进行灵活 的配置，支持有损和无损压缩。 关键词：图像压缩j p e g 2 0 0 0a d v 2 0 2n i o s iiuc o s ii a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ea r e ao fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o n ，al a r g ea m o u n to fi n f o r m a t i o ni sn e e d e dt o b es a v e di nh a r d w a r e ，b u tc h a n n e lf o rs om u c hi n f o r m a t i o nh a sl i m i t e db a n d w i d t h ，s o i ti s v e r yi m p o r t a n tt h a th o wt or e d u c ei n f o r m a t i o na n di m p r o v et r a n s m i s s i o n e f f f i c i e n c y i m a g ec o m p r e s s i o ni st h ek e y t ot h e s eq u e s t i o n s i nt h i sr e s e a r c h ，j p e g 2 0 0 0i m a g ee n c o d i n ga n dt r a n s m i t t i n gs y s t e mi sd e s i g n e d a n di m p l e m e n t e db a s e do na d v 2 0 2 f i r s t ，t h ej p e g 2 0 0 0s t a n d a r di si n t r o d u c e da sa w h o l e ，i n c l u i n gt h eb a c k g r o u n d ，c o n s t i t u t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s ，f i a m e w o r ka n dt h ek e y t e c h n o l o g y s e c o n d ，t h ef e a t u r e sa n dt h e o r yo fo p e r a t i o no fa d v 2 0 2a r ed e s c r i b e d t h e nt h ej p e g 2 0 0 0v i d e oe n c o d i n gs y s t e mb a s e do na d v 2 0 2i sd e s i g n e d n i o si i s o f t c o r ei su s e da sc o n t r o l l e r p c o s i is y s t e mi su s e df o rt a s ks c h e d u l e c o m p r e s s e d i m a g ed a t ai sd o w n l o a dt h r o u g hf p g a d e c o d i n gu n i tc a ns h o wr e a l - t i m ei m a g e so n p c t h er e s u l to fe x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ec o m p r e s s i n gs y s t e mc a nw o r k w e l l i tc a nc o m p r e s sr a wi m a g ed a t ai n t ot h ec o d es t e a mo f j 2 cf o r m a t i m a g ei s r e a l - t i m e l ys h o w e do np c t h i ss y s t e mf e a t u r e dt h ef l e x i l es t r u c t u r ea n dc a i lu s et h e h o s ts o f t w a r et oc o n f i g u r ec o n v e n i e n t l yj p e g 2 0 0 0c o d ep a r a m e t e r s t h es y s t e m s u p p o r t sb o t hl o s s l e s sa n dl o s sc o m p r e s s i o nm o d e s k e yw o r d s ：i m a g ec o m p r e s s i o n j p e g 2 0 0 0a d v 2 0 2n i o s i ii _ t c o s - i i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 第一节j p e g 2 0 0 0 概述1 第二节国内外研究状况2 第三节全文的结构3 第二章j p e g 2 0 0 0 标准简介4 第一节j p e g 2 0 0 0 的提出背景4 第二节j p e g 2 0 0 0 的特点4 2 2 1 预处理6 2 2 2 核心处理7 第三节j p e g 2 0 0 0 关键技术1 0 2 3 1 离散小波变换1 0 2 3 2 速率控制算法1 0 2 3 3 渐进传输特性1 1 2 3 4 感兴趣区域压缩1 1 第三章图像压缩传输系统的硬件设计1 2 第一节a d v 2 0 2 芯片介绍1 2 第二节l v d s 电平信号介绍1 4 3 2 1l v d s 概述1 4 i i i 目录 3 2 2l v d s 接口的原理及电特性1 5 3 2 3l v d s 接口电路的设计1 6 第三节软核n i o s i i 介绍1 8 第四节开发环境及使用工具2 0 第五节系统整体设计思想2 0 3 5 1 接口定义2 1 3 5 2 关键元器件2 5 第六节时序电路各部分设计3 2 3 6 1 前端时序电路设计3 2 3 6 2 后端s o p c 设计4 5 第四章图像压缩传输系统的软件设计5 8 第一节| lc o s - i i 介绍5 8 第二节n i o s i i 软件设计6 0 第五章系统调试及试验结果6 4 第一节系统调试6 4 5 1 1 硬件调试6 4 5 1 2 逻辑调试6 5 5 1 3 软件调试6 5 第二节试验结果分析6 6 第三节功能扩展7 0 5 3 1 后端软件改进7 0 5 3 2a d v 2 0 2 相关该进7 0 5 3 3f p g a 选型改进7 0 5 3 4 仿真解压系统改进7 0 第四节全文总结7 1 参考文献7 2 v 第一章绪论 第一章绪论 第一节j p e g 2 0 0 0 概述 j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 是一个由i s o 和c c i t t 两个组织机 构联合组成的一个图像专家小组，它开发的算法称为j p e g 算法，并且成为国际 上通用的标准。j p e g 2 0 0 0 标准的制定工作始于1 9 9 7 年3 月，作为核心的图像 编码系统在2 0 0 0 年1 2 月成为国际标准，2 0 0 5 年初，d c i 宣布采用j p e g 2 0 0 0 作为数字影院的标准格式。j p e g 2 0 0 0 综合了小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ) 和 嵌入式算术编码器( e b c o t ，嵌入式块编码优化截断算法) 的技术优势，相对 于以离散余弦变换d c t 的压缩标准，率失真性能有大幅提高，帧内压缩效率极 高，压缩后的图像显得更加细腻平滑，同时支持无损压缩和有损压缩两种模式。 j p e g 2 0 0 0 标准可以说综合了图像方面所有的现代技术，其目标是把其作为 在未来的千年中标准的静止图像压缩格式，它拥有以下几个方面的主要特点： ( 1 ) 压缩效率高，图像还原质量好。j p e g 2 0 0 0 的图像压缩率可在j p e g 基础 上再提高3 0 ，而且压缩后的图像显得更加细腻平滑。此外，j p e g 标准在中高 码率下还能提供比较好的失真性能，但在低码率条件下，它提供的主观图像质 量往往让人无法接受。率失真( r a t e d i s t o r t i o n ) 在j p e g 2 0 0 0 码率下降的同时 仍能保持最优性能，这是j p e g 2 0 0 0 最重要的特点。也就是说，我们将j p e g 图 片换成以j p e g 2 0 0 0 编码方式的图片，在同样的网络带宽下，我们的对于图片下 载的等待时间将大大缩短。 ( 2 ) 无损和有损压缩。在一个j p e g 2 0 0 0 码流中，可以同时存在有损压缩和 高性能的无损压缩数据，并且对图像的无损恢复可以利用渐进式解码自然得到。 而j p e g 只能做到有损压缩，压缩后数据不能还原。因此j p e g 2 0 0 0 保存了原始 信息，即使在较小的图像文档尺寸的情况下，也不会有信息丢失。 ( 3 ) 渐进传输，这是j p e g 2 0 0 0 的重要特征之一。它在同一影像文件中融合 不同质量级别的数据，这一特性允许图像重建根据目标设备的需求进行，从而 在传输和带宽利用上具有更大的灵活性。也就是说，它先传输图像的大体轮廓， 然后逐步传输其他数据，不断地提高图像质量。这样图像就由朦胧到清晰显示 出来，从而节约、充分利用有限的带宽。而传统的j p e g 无法做到这一点，只能 】 第一章绪论 是从上到下逐行显示。 ( 4 ) 感兴趣区域压缩。j p e g 2 0 0 0 的另一个技术特点是提供一个能让用户控 制的、可选择分辨率的影像数据，即r o i ( r e 西o i l so f i n t e r e s t ) 技术。你可以指 定感兴趣区域，在这些区域，你可以在压缩时指定特定的压缩质量，或在恢复 时指定特定的解压缩要求。这是因为小波在空间和频率域上具有局域性，要完 全恢复图像中的某个局部，并不需要所有编码都被精确保留。 ( 5 ) 基于内容的描述。j p e g 2 0 0 0 允许在压缩的图像文件中包含对图像内容 的说明，这是因为除了存储和传输之外，运行用户在一个大的数据库中迅速找 到感兴趣的图像也是图像处理中一个非常重要的问题。 ( 6 ) j p e g 2 0 0 0 在颜色处理上，具有更优秀的内涵。与j p e g 相比，j p e g 2 0 0 0 同样可以用来处理多达2 5 6 个通道的信息。而j p e g 仅局限于r g b 数据。也就 是说，j p e g 2 0 0 0 可以用单一的文件格式来描述另外一种色彩模式，比如c m y k 模式。 ( 7 ) j p e g 2 0 0 0 使基于w e b 方式多用途图简单化。j p e g 2 0 0 0 图像文件在它 从服务器下载到用户的w e b 页面时，能平滑地提供一定数量的分辨率基准， w e b 设计师们处理图像的任务就简单了。例如我们经常会看到一些提供图片欣 赏的站点，在一个页面上用缩略图来代理较大的图像。浏览者只需点击该图像， 就可以看到较大分辨率的图像。不过这样w e b 设计师们的任务就在无形中加重 了。因为缩略图与它链接的图像并不是同一个图像，需要另外制作与存储。而 j p e g 2 0 0 0 只需要一个图像就可以了。用户可以自由地放缩、平移、剪切该图像 而能得到他们所需要的分辨率与细节【l 】。 第二节国内外研究状况 国外的i m a g e p o w e r 公司已开发出了j p e g 2 0 0 0 的多媒体数字信号编解码器： c y p r e s sj p e g 2 0 0 0e n e o d e r d e e o d e rr e l e a s e l 0 ，是针对t m s 3 2 0 c 6 2 1l p l a t f o n i l 开 发的，并适用于整个t i 公司的c 6 x x 系列d s p 。但是该产品是收费的商品，且 费用昂贵。此外，a r n p h i n n 公司也开发了实现j p e g 2 0 0 0 编解码功能的硬件，使 用通用a r m 处理器，可以满足实时解压缩数字图像的要求。国内目前对 j p e g 2 0 0 0 的研究也比较少，发表的相关论文也大多集中在j p e g 2 0 0 0 的介绍上， 涉及到具体算法的不多，讨论其实现的就更少了。做得比较深入的有清华大学 2 第一章绪论 的微电子学研究所，他们以j p e g 2 0 0 0 图像压缩算法的硬件实现为研究对象，完 成了基于s c l a 的d w t 和e b c o t 的v l s i 结构设计。高性能信号处理解决方 案供应商美国模拟器件公( a n a l o g d e v i c e s l n c ，简称a d i ) ，其j p e g 2 0 0 0 视频 压缩技术为新兴的数字电影市场带来重大技术突破。a d i 公司的集成j p e g 2 0 0 0 实时压缩技术己经对数字电影创导有线公司( d c i ) ( 由七家主要好莱坞片厂组成 的合资企业) 起到了促进作用，以被正式采用j p e g 2 0 0 0 作为将所有电影内容数 字传输到电影院的标准格式。j p e g 2 0 0 0 视频压缩芯片a d v 2 0 2 能获得高清晰度 的实时图像质量，同时也能提供无与伦比的图像传输灵活性和可扩缩性。随着 d c i 公司采用j p e g 2 0 0 0 作为标准的数字压缩格式，电影业将得益于将已经证明 的j p e g 2 0 0 0 高性能视频压缩能力同样用于消费类、监视系统、专业广播和工业 市场2 1 。 a d i 公司的a d v 2 0 2 解决方案的特点是其具有专利权的空间高效递归滤波 ( s u r f ) d , 波技术，它能实时压缩和解压缩高质量运动图像和静止数字图像。由 于a d v 2 0 2 带有一个灵活的接口，所以它能够使用于多种视频和静止图像格式， 它采用小型1 2 m m x l 2 m m 或1 3 m m x l 3 m m 的b g a ( 球栅阵列) 封装【2 】。除了数字 电影，a d v 2 0 2 还能将j p e g 2 0 0 0 高性能视频压缩能力用于监视，广播和专业系 统。 第三节全文的结构 本文首先介绍了j p e g 2 0 0 0 标准，然后利用a d i 公司推出的a d v 2 0 2 芯片 设计j p e g 2 0 0 0 数字图像压缩传输系统，然后对试验结果进行分析和讨论。 第一章：概述了j p e g 2 0 0 0 标准。 第二章：详细介绍j p e g 2 0 0 0 的理论基础和关键技术。 第三章：对数字图像压缩传输系统的硬件部分进行设计。 第四章：对数字图像压缩传输系统的软件部分进行设计。 第五章：对试验结果进行分析，得出结论，并提出了进一步的改进设想。 3 第二节j p e g 2 0 0 0 的特点 j p e g 2 0 0 0 以其特有的优点弥补了现行j p e g 标准的不足。离散小波变换算 法中，图像可以转换成一系列可更加有效存储像素模块的子带，因此，j p e g 2 0 0 0 格式的图像压缩比可在现在的j p e g 基础上再提高1 0 - - 3 0 ，而且压缩后的 图像显得更加细腻平滑。也就是说，在网上观看采用j p e g 2 0 0 0 压缩的图像时， 不仅下载速率比采用j p e g 格式的快近3 0 ，而且品质也将更好。对于目前的 j p e g 标准，在同一个压缩码流中不能同时提供有损和无损压缩，而在j p e g 2 0 0 0 系统中，通过选择参数，能够对图像进行有损和无损压缩，可满足图像质量要 求很高的医学图像、图像库等方面的处理需要。现在网络上的j p e g 图像下载时 是按“块”传输的，因此只能逐行地显示，而采用j p e g 2 0 0 0 格式的图像支持渐 进传输( p r o g r e s s i v et r a n s m i s s i o n ) ，这就允许图像按照所需的分辨率或像素精度进 4 第二章j p e g 2 0 0 0 标准简介 行重构，用户根据需要对图像传输进行控制，在获得所需的图像分辨率或质量 要求后，便可终止解码，而不必接收整个图像的压缩码流。由于j p e g 2 0 0 0 采用 小波技术，利用其局部分辨特性，在不解压的情况下，可随机获取某些感兴趣 的图像区域( r o i ) 的压缩码流，对压缩的图像数据进行传输、滤波等操作【3 1 。 j p e g 2 0 0 0 编解码系统架构如图2 1 ： h 鬻h 燃 _拒佴 圈严 剧燃卜 ( a ) j p e g 2 0 0 0 编码器 ( b ) j p e g 2 0 0 0 解码器 图2 1j p e g 2 0 0 0 编解码系统框图 在编码器中，首先对源图像进行前期预处理，对处理的结果进行离散小波 变换，得到小波系数。然后对小波系数进行量化和熵编码，最后组成标准的输 出码流( 位流) 。解码器是编码器的反过程，首先对码流进行解包和熵解码，然 后是反向量化和离散小波反变换，对反变换的结果进行后期处理合成，就得到 重构的图像数据。尽管j p e g 2 0 0 0 编解码过程与j p e g 类似，但是对于每一步的 具体实现两者却有非常大的差异。编码过程的一般步骤如下： ( 1 ) 将有多个颜色分量组成的图像分解成单一颜色分量的图像。分量之间存 在一定的相关性，通过分解相关的分量变换，可减少数据间的冗余度，提高压 缩效率。 ( 2 ) 分量图像被分解成大小统一的矩形片图像片。图像片是进行变换和 编解码的基本单元。 ( 3 ) 每一个图像片进行小波变换，产生多级系数图像。这些不同级数的系数 5 第二章j p e g 2 0 0 0 标准简介 图像可以重构出不同分辨率的图像。 ( 4 ) 多级分解的结果是由小波系数组成的多个子带。他们表示图像片中局部 区域( 而不是整幅图像) 的频率特性。 ( 5 ) 对系数子带进行量化，并且组成矩形数组的“码块 。 ( 6 ) 对一个码块中的系数位平面( 也就是一个码块中整个系数中具有同样权 值的那些位) 进行熵编码。 ( 7 ) 相对于图像的背景区域，可以对感兴趣区域进行更高质量的编码。 ( 8 ) 通过在位流中加入掩码来增加抗干扰性。 ( 9 ) 在每一个码流的最前部都有一个头结构，他描述的是源图像的属性，各 种分解情况和编码风格。这个头结构可以用来进行定位、抽取、译码和重构图 像，得到的图像可以具有所期望的分辨率、重现精度、感兴趣的区域或是其他 特性。 编码过程主要分为以下几个过程：预处理、核心处理和位流组织。预处理 部分包括对图像分片、直流电平( d c ) 位移和分量变换。核心处理部分由离散 小波变换、量化和熵编码组成。位流组织部分则包括区域划分、码块、层和包 的组织【引。 2 2 1 预处理 ( 1 ) 图像分片 分片指的是把源图像分割成相互不重叠的矩形块图像片，每一个图像 片作为一个独立的图像进行压缩编码。编码中的所有操作都是针对图像片进行 的。图像片是进行变换和编解码的基本单元。图像的分片降低了对存储空间的 要求，并且由于他们重构时也是独立进行的，所以可以用来对图像的特定区域 而不是整幅图像进行解码。当然，图像分片会影响图像质量。比较小的图像片 会比大图像片产生更大的失真。图像分片在低比特率表示图像的时候所造成的 图像失真会更加严重。 ( 2 ) d c 电平位移 在对每一图像片进行正向离散小波变换之前，都要进行直流电平位移。目 的是在解码时，能够从有符号的数值中正确恢复重构的无符号样本值。直流电 平位移是对仅有无符号数组成的图像片的像素进行的。电平位移并不影响图像 6 的质量。在解码端，在离散小波反变换之后，对重构的图像进行反向直流电平 位移。 ( 3 ) 分量变换 j p e g 2 0 0 0 支持多分量图像。不同的分量不需要有相同的比特深度，也不需 要都是无符号或有符号数。对于可恢复( 无损) 系统，唯一的要求就是每一个 输出分量图像的比特深度必须跟相应输入分量图像的比特深度保持一致。 2 2 2 核心处理 ( 1 ) 小波变换 不同于传统的d c t 变换，小波变换具有对信号进行多分辨率分析和反映信 号局部特征的特点。通过对图像片进行离散小波变换，得到小波系数图像，而 分解的级数视具体情况而定。小波系数图像由几种子带系数图像组成。这些子 带系数图像描述的是图像片水平和垂直方向的空间频率特性。不同子带的小波 系数反映图像片不同空间分辨率的特性。通过多级小波分解，小波系数既能表 示图像片中局部区域的高频信息( 如图像边缘) ，也能表示图像片中的低频信息 ( 如图像背景) 。这样，即使在低比特律的情况下，我们也能保持较多的图像细 节( 如边缘) 。另外，下一级分解得到的系数所表示图像在水平和垂直方向的分 辨率只有上一级小波系数所表示的图像的一半。所以，通过对系数图像的不同 级数进行解码，就可以得到具有不同空间分辨率( 或清晰，或模糊) 的图像。 小波变换因其具有的这种优点被j p e g 2 0 0 0 标准所采用。在编码系统中，对 每个图像片进行m a l l a t 塔式小波分解。经过大量的测试，j p e g 2 0 0 0 选用两种小 波滤波器：l e g a l l5 3 滤波器和d a u b e c h i e s9 7 滤波器。前者可用于有损或无损 图像压缩，后者只能用于有损压缩。 在j p e g 2 0 0 0 标准中，小波滤波器可以有两种实现模式：基于卷积的和基于 提升机制的。而具体实现时，对图像边缘都要进行周期对称延伸，这样可以防 止滤波器对图像边缘操作时产生失真。另外，为了减小变换时所需空间的开销， 标准中还应用了基于行的小波变换技术。 ( 2 ) 量化 由于人类视觉系统对图像的分辨率要求有一定的局限，通过适当的量化减 小变换系数的精度，可在不影响图像主观质量的i j 提下，达到图像压缩的目的。 7 第二章j p e g 2 0 0 0 标准简介 量化的关键是根据变换后图像的特征、重构图像质量要求等因素设计合理的量 化步长。量化操作是有损的，会产生量化误差。不过一种情况除外，那就是量 化步长是一，并且小波系数都是整数，利用可恢复整数5 3 拍小波滤波器进行小 波变换得到的结果就符合这种情况。 在j p e g 2 0 0 0 标准中，对每一个子带可以有不同的量化步长。但是在一个 子带中只有一个量化步长。量化以后，每一个小波系数由两部分来表示：符号 和幅值。对量化后的小波系数进行编码。对于无损压缩，量化步长必须是一。 ( 3 ) 熵编码 图像经过变换、量化后，在一定程度上减少了空域和频域上的冗余度，但 是这些数据在统计意义上还存在一定的相关性，为此采用熵编码来消除数据间 的统计相关。将量化后的子带系数划分成小的矩形单元码块( c o d eb l o c k ) 。 如图2 2 所示，采用两层编码策略，首先使用基于上下文的算术编码器，每 个码块进行独立的嵌入式码块编码，得到码块的嵌入式压缩位流。然后，根据 率失真优化原则，采用p c r d ( p o s tc o m p r e s s i o nr a t ed i s t o r t i o n ) 优化算法思想， 将所有码块的压缩位流适当截取，组织成具有不同质量级的压缩位流层。每一 层上的压缩位流连同其前面的所有层的压缩位流，可重构出一定质量的图像。 在分层组织压缩位流时，须对每个码块在每一层上的贡献信息进行编码，即对 码块位流在该层的截断点信息等编码。由于图像采用小波变换，整个图像压缩 码流具有分辨率可分级性，从而，压缩码流可同时具有质量上和分辨率上的可 分级性。由于对码块进行独立编码，因此，可根据需要，随机获取并解码相应 的码块压缩位流，重构出所需的图像区域。 銎鐾巷塞签尘篱蒺矧使雾鬈砉蓑裂曩法 编码l “。1 “ 图2 2j p e 6 2 0 0 0 两层编码框图 分层组织的码沆格式 第一层编码算法 与传统的依次对每个系数进行算术熵编码不同，j p e g 2 0 0 0 编码系统把码块 中的量化系数组织成若干个位平面，从最高有效位平面( m s b ) 开始，依次对 每个位平面上的小波系数位进行算术编码。 第一层编码可以看作两部分：上下文的生成( c f ) 和算术编码器( a e ) 。 8 第二章j p e g 2 0 0 0 标准简介 在上下文的生成中，以一定的顺序扫描码块中的所有位。在码块的每个位平面 上，从左上角系数开始，从左到右，从上到下进行扫描，并为每一位生成一个 上下文。算术编码器根据生成的上下文，对每一位进行编码。 在量化后，小波系数被转换为符号振幅模式。在从m s b 到l s b 编码时， 当遇到第一个为1 的比特时，这个像素被称作是显著的，否则，为不显著的。 所有比特的上下文都是由他们的邻域通过以下的4 种方法产生：零编码( z e r o c o d i n g ，z c ) 用来编码非显著像素在当前的位平面中是否将变得显著；游程编 码( r u n 1 e n g t hc o d i n g ，r l c ) 用来编码位于同一列中的4 个非显著性像素，如果 它们的邻域都是非显著的；符号编码( s i g nc o d i n g ，s c ) 当该位变得显著后，编 码它的符号位；幅度编码( m a g n i t u d er e f i n e m e n t ，m r ) 用来编码显著位。 每个位平面都在3 个编码通道中进行编码。通道l 是重要性传播通道 ( s i g n i f i c a n c ep r o p a g a t i o np a s s ) ，至少有一个重要性邻域的像素，在此通道进行 编码，使用z c 和s c 。通道2 是幅度细化通道( m a g n i t u d er e f i n e m e n tp a s s ) ， 所有的重要位在此通道进行编码，使用m r 。通道3 是清除通道( c l e a n u pp a s s ) ， 所有没有在上两个通道中进行编码的像素，在此通道中进行编码，使用z c ，l r c 和s c 。位平面中的每一位在3 个通道中进行检查来确定是否应当被编码。 由编码通道得到的上下文和与其对应的数据一起，送至算术编码器进行编 码。在这里，采用了自适应二进制算术编码，主要是考虑到计算的复杂度以及 实现的方便性。在进行算术编码后，对每一个码块，得到一个独立的嵌入式码 块压缩位流。 第二层编码算法 在第二层编码算法中，采用p c r d 率失真优化算法思想，对所有码块的嵌 入式压缩位流进行适当的截取，分层组织，形成整个图像的具有质量可分级的 压缩码流。第二层编码算法也可以看作两部分：速率控制和分层组织压缩位流。 速率控制是指通过一定的编解码措施，获得给定压缩码率下的最佳重构图像质 量。分层组织压缩位流根据编码参数所规定的分层层数以及每一层的编码速率， 估算每一层的率失真门限，然后根据每一层估计出的率失真门限，按照码块率 失真算法，找到每个码块嵌入式压缩位流在该层上的截断点，将截断的码块压 缩位流进行打包，按照规定的格式存储，形成图像压缩码流。将码流分层组织， 每一层含有一定的质量信息，在前面层的基础上改善图像质量。这样用户可以 根据自己的需要，控制图像的传输，在取得满意的图像效果后，中止传输，在 9 第二章j p e g 2 0 0 0 标准简介 某种程度上缓解当前网络带宽有限而图像数据量大而造成的瓶颈问题。 为了适合图像交换，更好地应用j p e g 2 0 0 0 压缩码流的功能，j p e g 2 0 0 0 标准规定了存放压缩位流和解码所需参数的格式，把压缩码流以包为单元进行 组织，形成最终的码流。 2 3 1 离散小波变换 第三节j p e g 2 0 0 0 关键技术 j p e g 2 0 0 0 与传统j p e g 最大的不同在于他放弃了j p e g 所采用的以离散余 弦变换( d c t ) 为主的区块编码方式，转而采用以小波变换( d w t ) 为主的多 解析编码方式。 余弦变换是经典的谱分析工具，他考察的是整个时域过程的频域特征或整 个频域过程的时域特征，因此对于平稳过程，他有很好的效果，但对于非平稳 过程，他却有诸多不足。在j p e g 中，离散余弦变换将图像压缩为8 8 的小块， 然后依次放入文件中，这种算法丢弃频率信息实现压缩，因而图像的压缩率越 高，频率信息被丢弃的越多。在极端情况下，j p e g 图像只保留了反映图像外貌 的基本信息，精细的图像细节都损失了。小波变换是现代谱分析工具，他既能 考察局部时域过程的频域特征，又能考察局部频域过程的时域特征，因此即使 对于非平稳过程，处理起来也得心应手。他能将图像变换为一系y u d , 波系数， 这些系数可以被高效压缩和存储，此外，小波的粗略边缘可以更好地表现图像， 因为他消除了d c t 压缩普遍具有的方块效应。 2 3 2 速率控制算法 j p e g 2 0 0 0 通过采用速率控制方法来计算码流的理想截断点，从而获得给定 压缩码率下的最佳重构图像质量。速率控制使用了p c r d 率失真优化算法。率 失真优化，即给定整个压缩码流的最大编码速率，找出每个码块压缩位流的适 当截断点，在满足的条件下，使重构图像失真最小。从而使得嵌入式码块编码 具有如下特点：生成的压缩位流可根据需要，被截断成不同长度的位流子集； 将所有码块的截断位流组织起来，可重构出一定质量的图像。 1 0 2 3 3 渐进传输 现在网络上的 用j p e g 2 0 0 0 格式 分辨率的渐进传输和按照质量的渐进传输。按照质量的渐进传输就是先传输图 像轮廓数据，然后再逐步传输细节数据来不断提高图像质量，而按照分辨率的 渐进传输则先传输分辨率较低的图像，后一幅图像在前一幅图像的基础上提高 其分辨率。图像的渐进传输使得用户不需要像以前那样等图像全部下载后才决 定是否需要，有助于快速地浏览和选择大量图片，从而有效的解决了网络传输 的瓶颈问题。 2 3 4 感兴趣区域压缩 j p e g 2 0 0 0 一个极其重要的优点就是r o i ( r e g i o no f i n t e r e s t ，感兴趣区域) 。 用户可以任意指定图片上感兴趣的区域，然后在压缩时对这些区域指定压缩质 量，或在恢复时指定某些区域的解压缩要求。这是因为子波在空间和频率域上 具有局域性，要完全恢复图像中的某个局部，并不需要所有编码都被精确保留， 只要对应他的一部分编码没有误差就可以了。在实际应用中，我们就可以对一 幅图像中感兴趣的部分采用低压缩比以获取较好的图像效果，而对其他部分采 用高压缩比以节省存储空间。这样就能在保证不丢失重要信息的同时又有效地 压缩了数据量，实现了真正的“交互式 压缩【3 】。 第三章图像压缩传输系统的硬件设计 第三章图像压缩传输系统的硬件设计 第一节a d v 2 0 2 芯片介绍 a d v 2 0 2 是a d i 公司新推出的一款单片实现j p e g 2 0 0 0 编解码的a s i c 。该 芯片带有一个灵活接口，适用于多种视频和静止图像格式。a d v 2 0 2 集成了一个 基于获得专利的空间高效递归滤波小波技术( 简称s u r f t m 小波技术) 的小波 核。a d v 2 0 2 可编程的分块图像尺寸在三分量4 ：2 ：2 交织模式下，宽度可达到 2 0 4 8 个像素。在单分量的模式下，宽度可达到4 0 9 6 个像素。最大分块图像高 度为4 0 9 6 个像素。a d v 2 0 2 还集成了一个嵌入式3 2 位r i s c 处理器。这个处理 器用来配置，控制和管理a d v 2 0 2 内部的专用硬件，并且分析产生符合用户设 置的j p e g 2 0 0 0 码流。由于熵编码在j p e g 2 0 0 0 压缩解压缩过程中是计算复杂度 最高的操作，所以在a d v 2 0 2 中提供了三个专用的硬件熵编码器。a d v 2 0 2 的 视频接口支持c c i r 6 5 6 ，s m p t e l 2 5 m ，p a un t s c ，s m p t e 2 9 3 m ，t u r b t l 3 5 8 或者任何最大输入速率在非可逆模式下为6 5 m s p s ，在可逆模式下为4 0m s p s 的视频格式【4 】。 a d v 2 0 2 的内部功能框图如图3 1 所示，输入的视频或图像数据进入视频接 口后经过解交错传输到小波变换引擎中。在小波引擎中，每帧图像或每个图块 通过5 3 或9 7 滤波器分解成许多子带，生成的小波系数写入内部寄存器中。熵 编码器将图像数据编码为符合j p e g 2 0 0 0 标准的数据。内部d m a 引擎提供存储 器之间的高带宽传输以及各模块和存储器之间的高性能传输。内部f i f o 提供像 素数据、码流数据、特征数据和辅助数据的存储空间，既可由外部主机通过标 准地址读写周期直接访问，也可以采用d r e q d a c k 协议通过d m a 方式访问 或专用硬件握手机制访问。主机接口提供1 6 3 2 位的控制总线和8 1 6 3 2 位的数 据传输总线，用于对内部寄存器的配置、控制和状态传递以及压缩数据流的传 输。 1 2 键瓤接口 主执接口 特征n f 0 劲f i f o 嵌人式砒s c 魅曩il 存自纛麓 图3 1a d v 2 0 2 内部功能框图 a d v 2 0 2 有两种工作模式：一种是编码模式，另一种是解码模式。在编码模 式下，视频数据通过v d a t a 总线输入a d v 2 0 2 ，由小波核对输入的数据进行小 波变换，并把所有频率子带的小波系数存入a d v 2 0 2 内部的存储器。每一个子 带根据a d v 2 0 2 编码参数的设置进一步分成编码子块，然后由熵编码器对编码 子块执行内容建模和算术编码，运算的结果存入内部存储器。随后由内部d m a 传输到c o d ef i f o ，通过h d a t a 总线把压缩数据流输出a d v 2 0 2 。在解码模 式下，工作过程是编码模式的逆过程。根据特殊的应用需求，a d v 2 0 2 可提供 j p e g 2 0 0 0 压缩所支持的不同标准。它既可以提供原始的编码块和特征数据输 出，而由主机软件来完成j p e g 2 0 0 0 编码流的产生和其他诸如位速率控制等的压 缩过程，另外它也可以产生完整的完全兼容的j p e g 2 0 0 0 码流( 二j 2 e ) 及诸如j p 2 、 j p x 和m j 2 ( m o t i o n j p e g 2 0 0 0 ) 增强型的文件格式。 有几种模式可以用来配置a d v 2 0 2 的接口。可以同时使用视频接口( v d a t a 总线) 和主机接1 3 ( h d a t a 总线) 或者单独使用主机接d ( h d a t a 总线) 。 ( 1 ) 视频接口( v d a t a 总线) 视频接口应用于未压缩象索数据和压缩数据分离的场合。例如，利用v d a t a 总线输入未压缩的数据，而通过h d a t a 总线输出压缩后的数据。该接口常应用 在实时视频采集等需要高速数据吞吐量的应用系统中。视频接口支持多种格式 的视频数据和静止图像输入输出，包括8 ，1 0 ，1 2 位单分量或多分量格式及双 通道8 ，1 0 ，1 2 位分量格式。v d a t a 总线支持单通道输入模式下y c 圮b 格式的 数字视频和双通道输入模式下y 和c r c b 分离的数字视频，且y c r c b 数据必须 是4 ：2 ：2 格式。v d a t a 总线支持多种视频数据模式的输入输出，如表3 1 所示， 在这些模式中，v c l k 引脚必须输入象素时钟信掣2 1 。 1 3 第三章图像压缩传输系统的硬件设计 表3 1 视频输入输出模式 视频模式 描述 e a v s a v 模式包含嵌入式e a v s a v 编码的视频，y c b c r 数据交叉存储丁单一总线 h v f 模式 具有独立的h ，v , f 信号，而y c b c r 数据交叉存储于单一总线 双通道模式包含e a v s a v 编码的视频，y 和c b c r 数据在单独的总线 原始视频模式用于静i 卜图片和非标准视频信号 h d t v 模式用于高于2 7 m h z 时钟信号的视频数据 ( 2 ) 主机接1 2 ( h d a t a 总线) a d v 2 0 2 可以通过异步s r a m 方式、d m a 访问方式或j d a t a 接口直接和 大多数主机处理器及a s c i 器件相连接。a d v 2 0 2 支持1 6 位和3 2 位的控制总线 及8 ，1 6 和3 2 位的数据传输总线。控制总线和数据总线配置可以不同，这使得 a d v 2 0 2 可以应用于控制总线和数据总线需要不同宽度的场合。主机接口用于配 置、控制、状态传递以及传输压缩后的数据流，在某些模式中还可用作未压缩 数据流的传输。主机接口可以由并发的四个数据流及控制和状态通信所共享， 这四个数据流包括：未压缩图块数据( 例如静止图像数据) ；完全编码的j p e g 2 0 0 0 码流( 或者未打包码流) ；编码块特征属性数据；辅助数据【2 1 。 第二节l v d s 电平信号介绍 h 1 ， l v d s 接口又称r s 6 4 4 总线接口，是2 0 世纪9 0 年代才出现的一种数据传 输和接口技术。l v d s 即低电压差分信号，这种技术的核心是采用极低的电压摆 幅高速差动传输数据，可以实现点对点或一点对多点的连接，具有低功耗、低 误码率、低串扰和低辐射等特点，其传输介质可以是铜质的p c b 连线，也可以 是平衡电缆。l v d s 在对信号完整性、低抖动及共模特性要求较高的系统中得到 了越来越广泛的应用。目前，流行的l v d s 技术规范有两个标准：一个是t i a e i a ( 电讯工业联盟电子工业联盟) 的a n s i 厂r i e n 一6 4 4 标准，另一个是i e e e 1 5 9 6 3