（通信与信息系统专业论文）基于视觉特性的小波变换编码及图象质量评价方法的研究.pdf

上海大学博士学位论文 摘要 数字图象压缩在多媒体信息的存储和传输中扮演若非常重要的角色。变换编 码技术是目前最成熟、应用最广泛的主流技术，离散余弦变换和离散小波变换是 最常用的变换手段。基于传统香农信息理论的图象变换编码方法目前已经发展函 极限，在数字图象的编码中根据人眼视觉特性发展新的编码方法是打破香农信息 理论框架，提供更有效压缩方法的途径之一，从而进一步推动数字图象压缩编码 技术的发展。 小波变换作为一种良好的时频分析工具，在信号处理和图象压缩编码领域获 得广泛应用。本文首先对小波变换理论进行研究，详细地分析小波变换在新一代 数字图象压缩标准j p e g 2 0 0 0 中的应用。以j p e g 2 0 0 0 的校验模型为基础讨论了 j p e g 2 0 0 0 中小波变换的分解级数，不同小波基对压缩性能和编码算法复杂度的 影响，提出一种适用于多种小波基的统一提升格式实现方法，使得根据不同的图 象内容选择不同的小波基成为可能。 小波变换与离散余弦变换相比，运算复杂度高，如佃解决小波变换的快速实 现对小波变换的广泛应用具有重要的意义。文中讨论了小波变换卷积计算和提升 格式计算具体实现方法和二者之间的关系，设计了一个j p e g 2 0 0 0 硬件实现的开 发平台。该开发平台采用f p g a 和a r m 微处理器构成，可以方便的对算法的硬 件实现和仿真进行调试分析。本文对小波变换的硬件实现进行了详细的讨论爿提 出相应的解决方法，并提出一种在频域上利用自由参数构造小波基的方法，采用 该方法构造的小波基具有易于硬件实现的特点，从而降低小波变换硬件实现的复 杂性。 结合j p e g 2 0 0 0 的校验模型和人眼视觉特性，本文提出三种在数字图象编码 中利用人眼视觉特性来改善重建图象视觉效果的方法。1 ) 在多级小波变换编码 系统中，人眼最敏感的信息集中在第三和第四分解级和低频子带中，通过加权的 方法增强这些分解级的信息，抑制其他分解级对人眼不敏感的信息可以有效地段 善重建图象的视觉效果；2 ) 利用人眼的视觉掩蔽效应掩蔽重建图象中的编码噪 声从而改善重建图象的视觉效果，视觉掩敞效应主要体现为不同幅度的信号对编 码噪声的掩蔽能力不同和相a 邓- t 象素对自身编码噪声的掩蔽；3 ) 采用具有视觉特 性的小波基也可以在相同的压缩比下有效地改善重建图象的视觉效果：采用哥司 的小波基进行小波变换，变换后小波系数的能量集中特性也不同，具有视觉特性 t 的小波基可以将更多的能善集中剑人眼视觉敏感的f 带z f ，在编胁f | ：| j 以为这二 j 二带分配史多的编码比特，从而改善重建图象的似觉效聚。 最后本文通过对数字图象压缩系统中重建图象质餐的评价办浊的训究挝 一种基于编码噪声视觉愍知阈值的质量评价方法。根据人眼感知视觉火真的闽竹 将编码失真分为人眼无法感知的失真和人眼能够感知的火真两类。对这时类，大典 系数进行不同的处理，只考虑能够引入视觉失真的系数从而得到一种瑟t 人h 昆 视觉感知失真阈值的图象质量评价方法。本文还对算法的评价结果与p s n r 、 s s i m 和u i q 等评价方法进行比较，讨论了这些方法的优缺点。 对基于人眼视觉特性的小波变换编码和重建图象质量评价方法尚仃玎i 少的 问题有待解决，本文在文末也指出了今后继续研究的方向。 关键词：图象压缩编码离散小波变换提升格式j p e g 2 0 0 0 人眼阮觉特性 数字图象质量评价 上海大学博士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g i e so ft h e c o m p r e s s i o no fd i g i t a li m a g ea c tk e y r o l et o s t o r i n g a n d t r a n s f e r r i n g o fm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n t r a n s f o r m c o d i n g i st h em o s te x t e n s i v e m a i n s t r e a mc o d i n g t e c h n o l o g y , a n dt h ed i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m a n dd i s c r e t ew a v e l e t t r a n s f o r mw e r eu s e dw i d e l y t h ec o d i n gm e t h o db a s e ds h a n n o ni n f o r m a t i o nt h e o r y h a d d e v e l o p e d t ot h el i m i t f o rt h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a li m a g ec o m p r e s s i o n ，f i n d i n g a n o t h e rc o d i n gm e t h o di se f f i c i e n ta p p r o a c h ，s oi tw i l lp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a li m a g ec o m p r e s s i o nt e c h n o l o g i e s a s p e r f e c tt i m e f r e q u e n c ya n a l y z i n gt o o l ，w a v e l e tt r a n s f o r mi su s e dw i d e l yi ns i g n a l p r o c e s s i n g a n di m a g ec o m p r e s s i o n i nt h i s p a p e rw ef i r s t r e s e a r c ht h e t h e o r y o f w a v e l e tt r a n s f o r mt h e nd e s c r i b et h ej p e g 2 0 0 0s t a n d a r dt h a tw a sd e v e l o p e di n r e c e n t l yy e a r s i nd e t a i l b a s e do nt h ev e r i f i c a t i o nm o d e lo fj p e g 2 0 0 0a n a l y z i n g n u m b e r sa n d c h o o s i n g o fw a v e l e tb a s ei nw a v e l e tt r a n s f o r mw a sd i s c u s s e di nd e t a i li n i m a g ec o m p r e s s i o n a n da nu n i f o r mi m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f l i f t i n gs c h e m ew a sp u t f o r w a r d ，s ow ec a nu s ed i f f e r e n tw a v e l e tb a s ew i t ht h ei m a g ec o n t e x ti nd i g i t a li m a g e c o m p r e s s i o n c o m p a r i n gt o t h e d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) ，t h er e a l i z i n go fd w t ( d i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m ) i sm o r ec o m p l e x ，s os o l v i n gt h ef a s tc a l c u l a t i n go fd w t i s v e r y s i g n i f i c a t i v et ou s ew i d e l yd w t w i t hd i s c u s s i n gt h er e l a t i o n s h i po fl i f t i n gs c h e m e a n dc o n v o l u t i o no fd w t w e d e s i g nah a r d w a r ep l a t f o r m f o rj p e g 2 0 0 0s t a n d a r d t h e p l a t f o r mu s e sa r mm i c r o p r o c e s s o ra n df p g ac h i p t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n o fj p e g 2 0 0 0a l g o r i t h mc a nb ed e b u g g e da n da n a l y z e do ni t ，s p e c i a l l yt h eh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o no fd 、v ti s r e s e a r c h e d w ep r o p o s ea b i o r t h o g o n a l w a v e l e tb a s e c o n s t r u c t e dm e t h o d0 1 1f r e q u e n c yd o m a i nb a s e df r e ef a c t o ra n dc o n s t r u c tas e r i e so f b i o r t h o g o n a lw a v e l e tb a s e s t h e s ew a v e l e tb a s e sa r e l o wc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y a n de a s i l yi m p l e m e n t e do nh a r d w a r e c o m b i n i n gt h ev e r i f i c a t i o nm o d e lo fj p e g 2 0 0 0a n dh u m a n v i s u a ls y s t e m ( h v s ) ，w e p r o p o s et h r e em e t h o d s t h a tu s i n gh v st ot h ed i g i t a li m a g e c o m p r e s s i o nf o ri m p r o v i n g t h er e c o n s t r u c t i o ni m a g ev i s u a lq u a l i t y 1 ) i nm u l t i - l e v e lw a v e l e tt r a n s f o r mo f d i g i t a l i m a g et h ei m p o r t a n tc o e f f i c i e n t si n f o r m a t i o nt oh u m a ne y e si sc o n c e n t r a t e di nt h e t h i r d ，f o r t ha n dl o wf r e q u e n c yg r a d e s t h r o u g hw e i g h t i n gt h ew a x 7 e l e tc o e f f i c i e n t s ，t h e ， i m p o r t a n tc o e f f i c i e n t s i se n h a n c e da n dt h eu n i m p o r t a n tc o c l f i c i e m si sr e s t r a i n e d s o w ec a ng e tb e t t e rv i s u a le f f e c to fr e c o n s t r u c t e di m a g e ，二) u s i n gt h em a s ko fh u m a n v i s u a ls y s t e mt o i m p r o v et h ev i s u a le f f e c t ：v i s u a lm a s k i n ge f f e c t st oe n c o d i n gn o i s e i n c l u d ep i x e l s e l fd i f f e r e n tm a s k i n g a b i l i t yw i t hd i f f e r e n ta m p l i t u d ea n dm a s k i n gf r o m n e i g h b o rp i x e l 3 ) u s i n gn e ww a v e l e tt h a tc o n s t r u c t e db yc h a r a c t e r so fh u m a nv i s u a l s y s t e mt h eb e t t e rv i s u a le f f e c tc a nb e o b t a i n e di nd i g i t a li m a g ec o m p r e s s i o ns y s t e m f i n a l l yt h ee v a l u a t i n gm e t h o do fr e c o n s t r u c t i o ni m a g eq u a l i t yi s r e s e a r c h e d u 。ep u t f o r w a r dan e we v a l u a t i n gm e t h o dt h a tb a s e dj u s tn o t i f i c a t i o n v i s u a ld i s t o r t i o ni n w a v e l e tt r a n s f o r mf i e l d i nt h i sm e a n s ，t h ed i s t o r t i o ni sd i v i d e di n t ot w ot , p e s ：o n e c a nb ed e t e c t e da n dt h eo t h e rc a nn o tb e d e t e c t e d o n l y d e t e c t e dd i s t o r t i o ni s c o n s i d e r e di ne v a l u a t i n gm o d e l w ec o m p a r en e wm e t h o dw i t hs i m i l a re v a l u a t i n g m e t h o d sn a m e dp s n r ，s s i ma n du i q t h i se v a l u a t i n gm e t h o di sm o r ea c c o r d a n tt o s u b j e c ts e n s et h a nt r a d i t i o n a lm e t h o d t h e r ea r es o m ep r o b l e m sn e e ds o l v ei nw a v e l e tt r a n s f o r mc o d i n gb a s e dh u m a n v i s u a ls y s t e m ( h v s ) t h e nw e p r e s e n td e v e l o p i n gd i r e c t i o no f t h ee v a l u a t i n gm e t h o d o f i m a g eq u a l i t ya n dc o m p r e s s i n g o f i m a g e i nf u t u r e k e y w o r d s ：d i g i t a li m a g e c o m p r e s s i o nc o d i n g ，j p e g 2 0 0 0 ，h u m a n v i s u a l s y s t e m ( h v s ) ，d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ( d w t ) ，l i f ts c h e m e ，e v a l u a t i n gm e t h o d o f i m a g eq u a l i t y v 上海大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确 认符合上海大学博士学位论文质量要求。 拙：) 破够卫勒她犬专袤旋 委员： 璇( 玉踹庶垂葱嘲) 蔓l 占主 ( 叩卯屋脚私扫可霸乏毒) 翩：餮缟勘触薛嘣钢彩舻) 答辩日期：复7 7 。 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导l - - 进_ 行的研究： ：作。 除了文中特别加以标注和致谓 的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：龃一日 本论文使用授权说明 本人完令了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被套阅和借阅：学校【1 j + 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：彗垒导师签名：缝芝鱼奶f 肌玉蛆6 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 多媒体技术及其应用是进入2 0 世纪9 0 年代后发展起来的一个新型综合学 科。多媒体本身是一个计算机技术、视频、音频和通信等技术集成的产物。数字 图象作为多媒体信息的主要组成部分，在多媒体技术的研究中起着重要的作用。 数字图象的数据量尤其巨大，同时由于受到通讯带宽和存储空间的限制，所 以图象压缩在数字电视、网络多媒体通信、会议电视、可视电话、遥感图象传输、 图象数据库、自动指纹识别系统的指纹存储等应用中起着重要的作用。如果图象 不经过处理就进行存储或者在网络上进行传输，将占用非常大的存储空间和网络 带宽，必将限制数字图象在众多领域中的广泛应用l “，其压缩技术一直是多媒体 信息处理技术研究中最活跃的领域【1 + ”。 1 1 1 本文的研究背景 随着电子技术的飞速发展，计算机性能的不断提高，数字图象压缩技术的研 究进入一个日新月异的阶段。8 0 年代末期，j p e g 压缩标准的制定，在数字图象 压缩发展历史上具有里程碑的意义。该标准的制定不仅便得静止图象的压缩技术 进入一个新的时代，同时带动了视频信号的压缩技术的发展，随后出现m p e g l 和m p e g 2 ，都与该标准的制定和广泛应用有密切的关系。 数十年此领域的研究结果表明，选用合适的数据压缩技术，图象数据量压缩 到原来的二分之一到六十分之一甚至更高，而编码噪声不被人的视觉系统所觉 察。目前获得广泛应用的压缩编码标准已经充分的说明了这一点，并且这方面的 研究使得数字图象的压缩正在朝着更高压缩比、更灵活编解码方法的方向前进， 从8 0 年代中期开始，小波变换在数字信号处理领域的应用成为研究热点， 并取得了瞩目的成就。到2 0 世纪9 0 年代末期，采用小波变换作为图象信号去相 关技术的压缩编码标准j p e g 2 0 0 0 问世标志着数字图象压缩编码技术的 发展进入一个崭新的阶段。 j p e g 2 0 0 0 是由i s o i e cj t c is c 2 9 标准化小组负责制定的，相应的国际标 准号为1 s 0 1 5 4 4 4 。j p e g 2 0 0 0 与传统j p e g 不同之处在于它放弃了j p e g 算法中 所采用的以离散余弦变换( d c t ) 为主的分块编码方式，而采用以小波变换为主的 多分辨率编码方式。 j p e g 2 0 0 0 的优点主要体现在如下几个方面： 1 j p e g 2 0 0 0 提供更高的压缩比，其压缩率比j p e g 提高约3 0 左右。 2 j p e g 2 0 0 0 同时支持仃损平厄坝j i j 缩此心f j 领城l lj p e g 业i ij 。i ! ： 3 ，j p e g 2 0 0 0 能实现渐进传输，这是j p e g 2 0 0 0 的1 、擞j o t 驻c 担n 0 7 锄卜亡 九传输矧象的主要成盼，然后逐步f i 输数槲小【断提，： | 冬| 缘质：纠 象【f i 朦咙剑i 占晰“渐进”显v ；， 4 j p e g 2 0 0 0 支持“感兴趣区域”( r e g i o no fi n t e r e s t i n g ) 特性，l j j 以仟意指 定例象上感兴趣区域的压缩质母，还j j 以选择指定的部分先解j 氍缩：这 f 一r 以方便地突出图象中的感兴趣区域，从而实现幅图象 ：吖：司的【k 域具仃不同的压缩质量。 5 j p e g 2 0 0 0 在颜色处理上，具有更优秀的内涵。o j p e g 相比，j p e g 2 0 0 0 可以用来处理多达2 5 6 个通道的信息。而j p e g 汉局限于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包彩模式。 6 由于j p e g 2 0 0 0 采用的是小波变换它克服了j p e g 压缩算法中j k 缩比 增大时出现的分块效应。 7 此外j p e g 2 0 0 0 还具有较强的容错性能，误差稳定性好，运行、 ，稳，抗 。扰性强易于操作等优点。 n in 夏标准目前只仃第一部分的内容已经标准化，其余的部分如扩j 挺编码系 统、运动图象编码标准m o t i o nj p e g 2 0 0 0 仍然在制定r f ，因此天十二该叻、议的研究 有很多l ，以深入的地方。本文的研究选择j p e g 2 0 0 0 作为基本的研究、| ，台，所仃 的工作都足在j p e g 2 0 0 0 标准的基本系统上进行的， 1 1 2 研究图象编码的重要意义 i 割缘所携带的信息昔远大n i 音和数据，人们h 常所获信息的7 【) o 匕、 米 臼视觉充分利明视觉通信可以大大提高通信效率。k | ：【j 以求人仃j 刊惯j u 礼 电报进f j 信息交换。随着社会的发展，人们对通信利远叫i 离控制的i 哥求巴 甜卿 加，推动了通信事业的迅速发展，通信的内弈不仅仃语扎还扩人到蚓象、数拭 的实时传送。同时，通信技术的发展也为t 述的需求提供了保讹夫脊髓律j 集波 分复削光纤通信的实用化，为图象的实时传输提供了町能：计算机技术发垤人 规模集成电路的集成度日益提高，为数字图象处理提供了强仃力的支撑：矧琢通 信的核心技术压缩编码理论的研究及试验1 作已取得k 足进腱系列i 钭象 j r 缩编酽5 的十o ；准l 经制订并且获得厂7 。泛的世 j ，所订这；郝为矧象迎f ，。i f 内发键 提f = | = 丁l 竖实的苍础，使图象通信发展到丁推j 、i 剐的阶段： 上联刚l 经渗透到人们牛活领域中在未来还将获锝巫人的应川。 、“ij 想 在互联嘲上传输高质量的多媒体信息。就必须能够提供种性能良n ，的数；：图象 压缩编码技术，+ 方面i ，以提供高的压缩比尽量减少信道带宽的。l t 刖：们f 具有i 硅强的伸缩降，可以满足以不同带宽接入的用、：最后t 缩编码系统心恢r i 第章绪论 有优秀的抗干扰性能，能够有效的减小信道突发错误导致的数据出错。 j p e g 2 0 0 0 被认为是互联网和无线接入应用中理想的图象传输解决方案。 j p e g 2 0 0 0 采用离散小波变换( d w t ) 和位平面算术编码，在压缩率相同情况下其 信噪比将比j p e g 提高3 0 5 0 。由于采用了离散小波变换和位平面扫描的压缩 技术，j p e g 2 0 0 0 可以提供相当稳定的码流。并且能够为不同带宽的用户提供相 应带宽下的最优数据服务。对于促进3 g 甚至4 g 通信的普及应用具有巨大的推 动作用。 人类对娱乐影视节目质量的追求是无止境的，从最初的黑白电视到彩色电视 再到即将投入使用的高清晰度电视；从最初的家用录像带h s ) 到v c d ，再到今 天的d v d ，每一次的技术革新，画面质量都会产生质的飞跃，所有的这些都是 以数字图象的压缩为基础的。而且人对娱乐影像效果的还会提出更高的要求。 因此，研究数字图象的压缩编码技术，对于缓解通信带宽资源的缺乏和节省 大量的存储空间具有相当重要的意义。数字图象的压缩技术主要分为两种：有损 压缩和无损压缩，这两种压缩方法有各自的特点和应用场合。j p e g 2 0 0 0 作为最 新的数字图象压缩标准。它是采用改进的压缩技术因此可获得高质量的解压缩图 象，它可以提供从无损到有损的各种压缩比的数字图象压缩编码。数字图象k 缩 技术的重要意义体现在个人通信，互联网应用和娱乐传媒等各个领域。 1 2 图象压缩的研究现状与发展方向 1 2 1 数字图象压缩技术的现状 数字图象压缩是利用人的视觉特征和图象的本身特征，去除图象数据中的冗 余信息和人视觉系统不敏感的信息，从而达到减少信息熵的目的，从而实现数字 图象的压缩。采用的方法主要有j 2 j ： 1 变换编码：将数字图象从空间域变换到变换域中，实现图象中冗余信息的 消除，然后对变换域中的数据进行量化编码：目前应用最广泛的编码技术。 2 分彤编码：利用自然界中万物具有的分形特点，实现图象的无限逼近以此 实现图象的压缩编码：该编码方法最大的缺陷在于无法实现数字图象的无 损压缩：而且在进行编码时需要进行迭代计算，其计算量非常大，因此该 编码方法尚未获得实际应用。分形图象压缩编码仍然是- j j 新型的学科， 其理论还在不断的发展和完善之中”。 3 模型编码：是最近出现的一种编码技术：与上述的编码思想不同，模型编 码是在信息的发送端和接收端通过建立模型，然后在通信中根据模型参数 的变化，由发送端将参数传送给接收端，接收端根据参数修正模型使得 接收端的模型与发送端的模型相同，从而实现图象信息的传送。模型编码 生叁主兰盟! ! ! 疗法中并i f , 是对数字图象的内容进 j ：爪缩它越通过建0 。h 篆ll 刈缘n 0 模型( 如人，人8 等) ，通过获得摸掣的参数并将浚参数f 1 ：为信q 、l 容f 送到接收端。 这些编码方方法中戍用最为成熟的要数变换编码疗泣。变换编咐的心踏址：f 譬 数字削象的窄间域表示，利用信号处理中的变换技术将具转换为变换域。：日j 外 冲 1 表现形式，使得原始图象信号中的能量重新分布( 如d c t 变换j 以：除象 豢之间的相天性：，j 、波变换i r 以去除象素间的相天性，井儿使得变换后的系数之 川观一种白相似的特性) ，从而可以有效地实现数字图象的j 矗缩编码。i j 时啦 用最为j 泛的数字图象压缩标准j p e g 采用的就是基于离散余弦变换的编码技 术。新制定的j p e g 2 0 0 0 静止图象压缩标准采用的是离散小波变换。 数字图象压缩编码系统的发展还体现为应用目标的多样化。一i 仪仡计筇机 j 二，很多的嵌入式系统和手持系统上也将数字图象的胝缩作为基础技术之。吲 此研究数字图象压缩编码系统在不同平台上实现具有重要的意义。如伍汁算机系 统中，图象压缩编码软件是主要的研究方向：而在数码丰h 机、航天遥感等j 逗p 目领 域则考虑到系统的执行效率和可靠性，偏重于硬件实现。这i e 体现了数字引象脏 缩编码技术应e h 领域的，“泛性。 对j p e g 2 0 0 0 压缩算法的研究目前主要集中在其核心技术：离散小波变换和 基j 二 ：f 文的进算术编码。小波变换技术的应用在近j u - f 获得飞速的发腱，并 n 取得。定的成果。关于研究构造具有视觉特性小波肇的报导则相对较：，未 她7 r 槲天论文的报导。可以看出有关视觉特性的小波基的构造与验证是个儿订 先进胜的课题， 1 2 2 数字图象压缩技术的发展方向 迄今为止，数字图象压缩技术大部分仍然琏j ：香农( s h a n n o n ) f i ! f 息删沦的骶 架聚4 i 习找其它的途径将很难征j t 缩比i 二取得较大的突破一1 9 4 8o i ? s h ：l n n o n 的纤她沦文通信的数学原理中苗次提到厂信息二# 一一火真( r d ：r a t e d i s t o r t i o n ) 函数慨念，1 9 5 9 年义进步确奇：f 二缸火舆理论，从咖奠定j f 占班j i 屿 的州论r l i t l 往随后的儿f 年中人们都是n ：此基础f 一迸 j i 数j 。：图象n 0 限毋i 编码 叭瓮即任何。组随机分f f j 的数据信息是由其熵求表征厄欠真编日峙的化目“效：# 以此熵为抖，7 k 舆编码的压缩效率也受此熵约束： 从香农信息论理论发很容易得到数据爪缩的两种腠本逢径：1 0嫂注 【1 殳变信源的概率分布，使其尽可能地非均匀，再用最北编码了j 法使1 7 均刖【：追近 信源熵：其二，联合信源的冗余度也存在于信源问的干h 天性之叶i ，去除它们之问 的相戈性，使：三成为或近似成为不相关信源。日前的编码技术已经接近倍，i 、自玑 也就是说压缩比已经接近香农信息理论框架f 的极限。 第一章绪论 为此m k u n t 等学者提出所谓的第二代图象压缩编码方法 4 j ，是从仿生学的 角度，去除图象中人眼无法觉察的信息，从而获得高质量( 视觉感知质量) 的重 建图象。人眼是一个非常复杂的成像系统，其视觉感知特性现在尚在研究之中， 但是已经取得一定的成果。如a b w a t s o n 等人提出的j n d 模型( j u s t n o t i f i c a t i o n d i s t o r t i o n ) 和c s f 模型( c o n t r a s ts e n s i t i v ef u n c t i o n ，又称m t f 模型：m o d u l a t i o n t r a n s f o r mf u n c t i o n ) 。 这种编码技术可以突破香农信息理论的框架，提供很高的压缩比，同时保持 很好的视觉质量，是一种正处在发展阶段的编码技术。然而采用这种编码技术获 得的重建图象，如果采用第一代编码方法中数字图象质量评价方法，将会导致实 际观察效果与计算结果的脱节，因此相应的数字图象质量评价方法也作为一个重 要的课题而受到众多学者的关注。 在考虑人眼视觉系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 特性的基础上，评价重建图象的 质量才是科学、合理的。n b n i l l ，e l u k a s 等学者1 7 】是这方面研究的先驱，将h v s 引入重建数字图象的质量评价系统中。在随后的几年中，又有a e b r a d l e y 等学 者提出一些基于h v s 的可计算的图象质量客观评价系统【8 j ，但是同时也存在一 些问题，如计算量巨大，不是在所有的压缩比下与客观评价系统的结果相吻合等。 研究可以方便计算的质量评价系统，不仅可以对重建的图象质量进行合理的 评价，还可以应用于压缩编码中的率失真特性计算，从而进一步的改善压缩编码 系统的率失真特性，提供更加有效的压缩。因此数字图象质量评价系统的研究是 数字图象压缩领域中一个重要的分支。该领域的研究还将推动人类对视觉系统认 知的进一步发展。 根据不同的应用领域和对实现速度要求的不同，数字图象压缩编码算法的实 现仍然沿着硬件实现和软件实现两个途径发展。 1 3 本文的研究方法和主要内容 根据上一节中数字图象压缩编码的研究现状和发展方向，本文首先是构造 j p e g 2 0 0 0 的软硬件测试平台，然后在软件平台和硬件平台上进行所有的研究。 软件研究平台主要以j p e g 2 0 0 0 标准中指定的两个校验模型( j a s p e r l 7 和v m 7 o ) 为基础【”】，根据研究的需要进行源代码级的修改，取得实验结果并给出理论解 释。研究内容包括小波变换中小波基的选择和人眼视觉特性的应用，并且对加入 视觉特性的后的重建图象质量的评价方法进行探讨，提出一种可计算的基于h v s 的数字图象质量评价方法。硬件平台的构建以f p g a 和a r m 嵌入式3 2 位微处 理器构成，可以在该硬件实验系统上调试算法的硬件实现。 由于j p e g 2 0 0 0 数字图象压缩标准刚刚制定不久，目前只有基本系统已经标 准化，而扩展系统，m o t i o n j p e g 2 0 0 0 等部分尚未标准化，因此关于该协议的研 上海大学博士学位论j 究有很多可以深入的地方。而且目前国内对j p e g 2 0 0 0 压缩标准的研究非常少 大部分的科研机构将研究的重点放在了m p e g 4 ，m p e g 7 ，m p e g 2 1 等系统的研 究上。从这一点上讲，对j p e g 2 0 0 0 进行深入的研究就更加有必要。 j p e g 2 0 0 0 压缩编码标准中，两个重要的组成部分为小波变换和基于比特平 面的上下文二进算术编码：前者是实现去相关的重要变换工具，后者是实现熵编 码的技术。本文主要研究小波变换部分的软硬件实现。具体的内容包括压缩编码 系统中小波基的选择，将我们实验室自己以h v s 为基础构造的小波基应用到 j p e g 2 0 0 0 的压缩系统，与j p e g 2 0 0 0 标准中推荐的两个小波基进行压缩效果和 计算复杂度进行比较，说明该小波基在数字图象的压缩中具有一定优势。 结合对人眼视觉特性的研究成果，将视觉特性的数学模型应用到编码系统 中，从而改善相同压缩比下重建图象的视觉效果。从现有的关于h v s 的研究成 果可以发现，视觉掩蔽效应是最容易应用到压缩编码系统的视觉特性。我们通过 修改参考软件实现视觉掩蔽效应的应用。由于在编码系统中引入了视觉特性模 型，从而导致了客观评价( p s n r ) 准则下计算结果与观察结果不符合的情况，为 此对数字图象质量的评价方法进行研究，提出一种可以计算的能与客观评价结果 相吻合的数字图象质量评价方法。 1 4 本文的研究成果及论文结构安排 在充分理解数字图象压缩标准的现状和发展的基础上，根据对相关领域发展 的判断，对提出的问题进行深入的研究分析和实验，主要取得如下的研究成果： 1 建立了j p e g 2 0 0 0 的软件和硬件试验系统。软件试验系统建立在 j p e g 2 0 0 0 的参考软件j a s p e r 和v m 7 上：硬件实验系统采用f p g a ( 型号 为：a l t e r a 公司的e p l c l 2 ) $ da r m 7 ( 型号为：三星公司的s 3 c 4 5 1 0 ) 3 2 位嵌入式处理器。 2 研究j p e g 2 0 0 0 中的小波变换的软件实现：将实验室构造的具仃税觉特 性的紧支撑双正交小波基应用于参考软件中，在同等压缩比下，得到视 觉效果优于使用d a u b e c h i e s 9 7 小波和l e g a l l 5 3 小波的重建图象。 3 提出小波变换硬件实现中能有效提高计算效率和计算精度的实现方法。 分析小波变换的提升机构，提出在硬件实现中，通过调整提升系数的方 法，降低硬件实现的复杂度。 4 将人眼的视觉特性应用于j p e g 2 0 0 0 压缩编码系统中，在相同的压缩比 下，可以改善重建图象的视觉效果。 5 分析j n d 视觉模型，提出一种基于j n d 视觉特性的数字图象质最评价 方法，使用在具有视觉特性的编码系统中，可使重建图象的质量评价和 视觉效果相一致。 第一章绪论 论文的结构安排也基本按照上面的顺序。第一章简述数字图象压缩编码的现 状和发展，明确课题的研究背景，给出研究方法，总结研究中取得的成果。 第二章介绍了小波变换的基本理论以及数字图象压缩编码中的应用，介绍厂 小波变换中的一些基本概念，讨论小波函数，多分辨率分析和镜像滤波器组之间 的关系。然后介绍新一代静止图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 的实现原理、组成部分， 以及与以往的静止图像压缩标准相比该标准的优点。 第三章在以j p e g 2 0 0 0 标准的参考软件为基础，修改参考软件实现了不同小 波基在j p e g 2 0 0 0 中的实现的分析。对于这些长度不同的小波滤波器的压缩性能， 在重建图象客观评价标准( p s n r ) 下进行了比较，结果表明在p s n r 准则下， 采用v 9 7 小波基作为j p e g 2 0 0 0 中的小波变换核，在相同压缩比下重建图象的 p s n r 最高：另外还讨论了不同小波分解级数对压缩比的影响。 第四章给出硬件实验系统的构建，从器件的选择到电路设计进行详细的介 绍。对小波变换硬件实现中如何降低硬件实现的复杂度，提高计算效率等方面， 提出一种有利于高效实现的小波基构造方法。对木实验室胡海平博士在莫玉龙教 授的指导下基于h v s 构造的小波基进行压缩效果的验i i ! j 验证结果表明该小波 基在算法的复杂度和与人眼视觉特性的匹配度上确实优于j p e g 2 0 0 0 中推荐使用 的d a u b e c h i e s 9 7 和l e g a l l 5 3 小波基。 第五章和第六章为视觉特性在j p e g 2 0 0 0 中的应用。详细讨论了在j p e g 2 0 0 0 的参考系统中如何结合h v s 视觉特性有效改善重建图象视觉效果的方法。并对 由此带来的客观评价结果( p s n r ) 与主观视觉效果不符合的问题进行深入的研 究，提出一社基于视觉特性和小波变换的可计算的数字图象质量评价方法。使得 客观评价和主观视觉效果相一致。 最后为结论部分，对本文的研究工作进行总结，指出其中的成果和升i 足，概 括地介绍该研究领域中新出现的标准和技术，提出该课题进一步的研究方向。 本文的研究受到上海市科委重点基础研究项目( 编号0 2 d j l 4 0 3 3 ) ，国家自然 科学基金( 编号6 9 8 7 5 0 0 9 ) 和上海市重点学科建设项目( 2 0 0 1 - - 4 4 j 的资助。 7 上海人学盹上学位论史 第二章小波分析理论及其在数字图 象压缩中的应用 小波变换的概念是由法国从事石油信号处理的工程师j m o r l e t 在1 9 7 4 年首 先提出的通过物理的直观和信号处理的实际需要建立了反演公式，当时未能得 到数学家认可。正如1 8 0 7 年法国的热学工程师j f b t j f o u r i e r 提出任一函数都能 展开成三角函数的无穷级数的创新概念未能得到著名数学家j l l a g r a n g e ， e s l a p l a c e 以及a m l e g e n d r e 的认可一样。 1 9 8 6 年著名数学家y m e y e r 偶然构造出一个真正的小波基，并与s m a l l a t 合作建立了构造小波基的统一方法及多尺度分析之后，小波分析才开始蓬勃发展 起来1 1 l ”】。数学家i d a u b e c h i e s 撰写的小波十讲( t e nl e c t u r e so i lw a v e l e t s ) 对小波的普及起了重要的推动作用。它与f o u r i e r 变换、窗口f o u r i e r 变换( g a b o r 变换) 相比，是一种时间和频率的局域变换，因而能有效的从信号中提取信息， 通过伸缩和平移等运算功能对信号进行多尺度细化分析( m u l t i s c a l ea n a l y s i s ) ， 解决了f o u r i e r 变换不能解决的许多困难问题，它是调和分析发展史上里程碑式 的进展【1 3 1 “。 近年来离散小波变换在包括压缩在内的图象处理与图象分析的各个领域中 得到了广泛应用【1 7 _ 18 1 ，小波变换理论和应用的研究成为热点之一【1 9 l 。这主要因为 小波的时频局域化使它在信号分析中有着优良的性质，而且由于它对高频成分采 用由粗到细渐进的时空域上的取样间隔，从而能像物理上自动调焦看清远近不同 景物一样放大任意细节。因此，小波分析被誉为数学上的显微镜是构造圈缘多 分辨率表示的有力工具。由于具有快速算法和多分辨率分析的特点，为数字图象 提供了累进压缩的基础和f “泛应用的可能。 本章将介绍有关小波分析的理论基础及最新发展动态，这包括多分辨率分 析、紧支撑正交和双正交小波的一般的构造方法、第：代小波以及提升算法。 2 1 小波变换概论 本节介绍小波变换的发展过程和小波变换的定义等相关内容。网顾信号处理 领域中从傅立叶变换直到小波变换工具的发展历程，不难看出工程应用领域的j 程师们功不可没，信号分析工具每一次飞跃都是在解决实际问题的过程中，自j + 信号的特殊性而驱动他们不断的探索适合于自己领域中信号的处理和分析】：具： 数学家们从理论上为工具的发展提供支持从而使得信号分析工具得以不断的发 展。 第二章小波分析理论及其在数字图象压缩巾的心用 2 1 1 从傅立叶变换到g a b o r 变换