（电路与系统专业论文）基于SoPCLinux平台的图像压缩及传输的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 随着多媒体和网络技术的不断发展，人们对图像在质量、大小和应用方面提出了更高的要求。 在图像处理中，用最少的时间和最小的空间开销处理，传输图像是一个难题，也是图像处理的关键 所在。另外便携式多媒体设备的快速发展对芯片的集成度要求越来越高，希望能将图像处理在系统 芯片中实现。本文即在此背景下，利用j p e g 2 0 0 0 图像编码压缩标准在图像质量和压缩效率等方面的 优异特性，对j p e g 2 0 0 0 编码器在系统芯片中的设计和实现进行研究。 本文采用软硬件协同设计的方法进行多媒体系统芯片的设计，即对3 p e g 2 0 0 0 编码器中离散小波 变换模块采用电路模块方式来实现，而其余部分则采用软件实现。在进行离散小波变换电路模块设 计时，本文先从基于提升的维9 7 离散小波变换入手，提出了一种高效的一维架构，该架构与现 有的一些架构相比，将关键路径缩短为t m ( 一个乘法器时间) ，同时将乘法器数目减少为2 个，加 法器减少为4 个，寄存器减少为8 个。在此基础上，本文构建了基于提升的二维9 7 离散小波变换 的架构，并对其所用的存储器进行优化，将存储器的大小减少到5 5 n ( n 为图像宽度) ，乘法器为6 个，加法器为8 个，关键路径为t m 。利用5 3 滤波器与9 7 滤波器提升架构的相似性，在基于提升 的一维和二维9 7 离散小波变换的架构上添加适当的控制和选择电路，从而将5 3 滤波器和9 7 滤 波器在同一个硬件电路上进行实现，进一步节约了电路面积。接着用硬件描述语言实现该架构，并 进行验证，验证结果表明该架构是正确的，然后用o u a r t u si i 软件进行综合，得到的时钟频率为 7 7 o i m h z ，使用的a l u t 单元和存储器资源分别为9 0 9 个和1 3 3 1 2b i t s 。j p e g 2 0 0 0 编码器中其余模 块则利用软件实现，与硬件电路的小波变换处理g i s t 协同实现图像的编码压缩，软件实现部分主要 在参考j p e g 2 0 0 0 标准组织推荐的j a s p e r 软件基础上进行改进和设计。 本文基于s o p c 和l i n u x 平台对所设计的j p e g 2 0 0 0 编码器进行实现与验证，首先，利用s o p c b u i l d e r 工具搭建n i o si i 片上系统，并将离散小波变换模块加入到s o p c 系统中，然后在v c l i n u x 环境下对离散小波变换的驱动程序进行设计，并与j p e g 2 0 0 0 编码器的其它软件模块结合实现图像编 码功能。验证结果表明，我们所设计的j p e g 2 0 0 0 编码器能正确完成j p e g 2 0 0 0 编码功能，并且编码 速度比3 a p p e r 软件更快。 关键词：图像压缩j p e g 2 0 0 0离散小波变换 s o p cl i n u x 优化 东南大学磺士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m u l t i m c t h aa n dn e n 酗d 咄t e c h n o l o g y , w en e e dm u c hn l o f eo nq u a l i t y , s i z ea n d a p p l i c a t i o na b o u td i g i 锄p i c t u r e i ni m a g ep r o c e s s i n g ，p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o nm e d i ai n f o r m a t i o nu s i n g m i n i m a lt i m ea n dm i n i m a ls p a c ei sad i f f i c u l tp r o b l e m , i t sa l s ot h ek e yo fi m a g ep r o c e s s i n g w i 山t h ef a s t d e v e l o p m e n to fp o r t a lm u l t i - m e d i ad e v i c e ，i tn e e d $ t op r o c e s si m a g ei nt h ec h i pu n d e rt h i sb a c k g r o u n d ， t a k e i n gi t sg o o di m a g eq u a l i t ya n dh i g hc o m p r e s s i o ne f f i c i e n c eo f j p e g 2 0 0 0i n t oc o n s i d e r a t i o n , w eg e to n r e s e a r c ho f d e s i g na n di m p l e m e n t i o no f j p e g 2 0 0 0e n c o d e r t h i sp a p e ra d o p t sb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r et od e s i g n d i $ c l 蛤t e1 】l ，a v e l e tt r a n s f o r mo fj p e g 2 0 0 0 i si m p l e m e n t e db yh a r d w a r e a n dt h eo t h e r sa r ei m p l e m e n t e db ys o f t w a r e 、) l ，l l i l ei m p l e m e n t i n gt h em o d u l e o fd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o n i l , w ef i r s tc o n s i d e i t h ea r e h i t e c t u r eo f1 - d i m e n s i o n9 7d i s e r e t ew a v e l e t t r a m f 0 1 1 1 1b a s e do nl m i n gs c h e m e a n dp r o p o s ea l le r i e e t i v ea r c h i t e c t u r e i tc u t sd o w nt h ee r i t i c a lp a t ht o n n ( am u l t i p l i e rt i m e ) ，a n dr e d u c e st h en u m b e ro f m u l t i p l i e rt o2 ，t h en u m b e ro f a d d e rt o4 ，t h en u m b e ro f r e g i s t e rt o8c o m p a r e dw i t ht h o s ep r o p o s e da r c h i t e c t u r e s t h e2 - t h m e n s i o na r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e db a s e d o nt h e1 - d i m e n s i o na r c h i t e c t u r e t h er a mi so p t i m z e da n dr e d u c e dt o5 5 n ( nj st h ew i d t ho fi m a g e ) ， w h i l ei tu s 懿6m u l t i p l i e r s 8a d d e r s ，a n dt h ec r i t i e a lp a t hi st n tt h e l l ，w ei m p l e m e n tt h e1 - d i m e n s i o na n d 2 d i m e n s i o n5 3d i s e r e = t ew a v e l e tt r a m f o r mb a s e do nl i f t i n gs c h e m eo nt h ea r c h i t e c t u r e sj u s tp r o p o s e d b a s eo nt h ec o m p a r a b i l i t yo f t h et w oa r c h i t e c t u r e st h r o u g ha d d i n gs o n i cc o n t r o la n ds e l e c tc i r c u i t s s o ，w e i m 0 1 e m e a t5 3f i l t e ra n d9 7f i l t e ro nt h e 蛳c i r e u i t , i tc a ns a v ea r e ae f f i c i e n t l y 1 1 1 ea r c h i t e c t u r ei s i m p l e m e n t e db yh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e a n dv e r i f i e d 1 1 1 ev e r i f i c a t i o nr e s u l ts h o w st h a t t h e m o d u l ec a np e r f o r mt h ea l g o r i t h mo f d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r mc o r r e c t l y t h e ni ti ss y n t h e s i s e dl l l r o u g h q u a r t a si i t h er e s u l ti st h a tt h em a x i m u mf r e q u e n c yi s7 7 0 l m h z t h en u m b e ro fa l u tu s e di s9 0 9 ，t h e s i z eo fr a mu s e di s1 3 3 1 2b i t s o nt h eo t h e rw a y , t h eo t h e rp a r to fj p e g 2 0 0 0e n c o d e ri sm e d i f i e da n d d e s i g n e db ys o f t w a r er e f e r r i n gt oj a s p e rw h i c hi sr e c o m m e n d e db yj p e g 2 0 0 0s t a n d a r do r g a n i z a t i o n i t c o m b i n e sw i t ht h eh a r d w a r em o d u l et oi m p l e m tt h ef u n c t i o no f j p e g 2 0 0 0e a e o d e r j p e g 2 0 0 0e n c o d e ri sv e r i f i e sa n di m p l e m e n t sb a s e do n 山ep l a t f o r mo fs o p ca n dl i m l x a tf a s t , s o p cb u i l d e rt o o ii su s e dt ob u i l dn i o s o n - c h i p s y s t e m , a n da d dt h em o d u l eo fd i s c r e t ew a v e l e t t r a n s f o r mt ot h i so n - c h i p s y s t e m , t h e nt h ed r i v e rc e d ei sd e s i g n e 山a n dj p e g 2 0 0 0e n c o d e ri si m p l e m e n t e d u n d e ru c l i n u xe n v i r o n m e n t t h er e s u l to fv e r i f i c a t i o ns h o w st h a to u rj p e g 2 0 0 0e n c o d e rc a np e r f o r mt h e f o n c 曲no f e n c o d i n gc o r r e c t l y , a n di tm n sf a s t e rt h a nj a s p e r 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 0d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r ms o p cl i n u xo p t i m i z a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的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。 研究生签名：昱圣：鉴 日期： 妒p 7 年z 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：逊导师签名：忙期： 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近几年来，由于网络的普及率越来越高，使得网络的传输量迅速增加，包括影象、图像、以及声音 等多媒体应用技术也得到了迅速的发展与应用。但是由于多媒体所包含的信息量非常大，所以在进行网 络传输时必需进行压缩，压缩不但可以减少存储的空间，缩短传输的时间，而且还能增加信息的安全性 “1 。另一方面随着多媒体市场的迅猛发展，百万像素的数码相机、各种功能强大的彩屏手机等数字消费 产品逐渐普及，而这些多媒体应用均需要处理高质量、高分辨率的大图像，这对存储介质的容量和传输 信道的带宽都提出了新要求，所以进行压缩就显得不可避免了。 目前已经有多种方法基于变换编码的图像压缩方法被提出了，它们都能够有效的降低信息的冗余， 其中静态图像压缩标准( j i o n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ，简称j p e g ) 采用离散余弦变换( d i s c r e t e c o n s i n et r a n s f o r m ，简称d c t ) ，该变换能有效去除图像空间上的相关性，而且实现起来比较简单，但 是d c t 具有蚊式噪声以及块效应，尤其是在高压缩率的情况下，对图像的重建有很大的影响。j p e g 2 0 0 0 标准o “1 采用离散小波变换“( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ，简称d w t ) ，该变换可以对整张图像进 行变换，而d c t 是以码块的形式进行计算，所以d v f l 可以避免方块效应。同时，离散小波变换可以将图 像分解为不同的频率成份，因此，可以对图像进行多阶分解，而且近年来许多基于离散小波变换为基 础的图像压缩编码方法被证实在多方面优于基于d c r 为基础的图像压缩编码方法。 另一方面，j p e g 采用h u f f m a n 编码，虽然h u f f m a n 编码4 。在理论上是最优的，但是这是建立在事先 知道各个数据的概率分布的基础之上的，一般来说这是不可能做到的，所以，采用h u f f m a n 编码不可能 达到最优；另一方面，h u f f 编码对二元信源是无效的，即如果一个信源由两个符号组成，h u f f m a n 编码只能分配0 或1 两个码字给两个符号，平均码长为1 ，如果两个符号的出现概率相差很大，编码效 率将很低。而j p e g 2 0 0 0 中采用改进的自适应算术编码”。，它克服了上述缺点，可以获得更好的编码效 率。 基于以上两方面的比较，可以看出j p e g 2 0 0 0 具有许多新的优点和特性，很值得去研究，因此本论 文也主要是针对j p e g 2 0 0 0 编码器设计与实现进行研究。对于j p e g 2 0 0 0 编码器的设计与实现，有三种方 案；第一种方案是用软件实现；第二种方案是用硬件实现；第三种方案是用软硬件协同设计。这三种方 案各有优缺点，第一种方案实现相对比较容易，但是运行效率可能不高；第二种方案实现比较复杂，但 是运行效率较高。鉴于前两种方案的优缺点，我们采用第三种方案，即对j p e g 2 0 0 0 编码器中离散小波 变换部分采用硬件实现，而对j p e g 2 0 0 0 编码器的其余部分采用软件实现。 在近几年，s o p c 技术得到了较大的发展”“”1 ，它是一种高效、灵活的s o c 解决方案，而且支持模 块的重用，所以大大缩短了设计的开发周期。另一方面，f c l i n u x 操作系统“”“已经支持n i o si i 内 核，这样，相关移植的工作就比较简单了。因此我们将利用这两个平台进行设计，实现j p e 6 2 0 0 0 编码 器的功能，同时我们可以利用c l i n u x 操作系统提供的网络功能实现相关数据的网络传输。 1 2 课题主要研究方向 本课题的研究工作主要是基于s o p c 和_ c l i n u x 平台，对j p e g 2 0 0 0 编码功能进行软硬件协同设计。 在实现过程中的具体研究工作如下： ( 1 ) 对离散小波变换硬件架构的进行研究、改进以及硬件实现，这是本论文的重点； ( 2 ) 参考j a s p e r 软件，用软件实现j p e g 2 0 0 0 编码器中的其余部分； 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 搭建n i o si i 系统，将离散小波变换的硬件模块加载到n i o si i 系统中； 在n 1 0 si i 上运行c l i n u x 操作系统，实现离散小波变换模块的驱动程序设计，然后在 f c l i n u x 操作系统中用软件实现完整的j p e g 2 0 0 0 编码功能，最后利用芦c l i n u x 操作系统 中的网络功能来完成相关数据的网络传输； 在s o p c 和l i a u x 平台对j p e g 2 0 0 0 编码器进行验证。 1 3 论文主要内容 本论文总体可以分为六个章节。第一章为绪论，它对j p e g 2 0 0 0 的背景，以及论文的研究方向和研 究重点等作一个简要的介绍；第二章，主要是针对j e g 2 0 0 0 作一个简要的介绍，包括它的制定，特性， 以及它所包含的各个模块的主要功能做一个简要的介绍；第三章是对s o p c 平台以及j a s p e r 软件作一个 简要的介绍；第4 章是对j p e g 2 0 0 0 编码器进行设计，对于离散小波变换部分采用硬件设计，而对 j p e g 2 0 0 0 编码器中的其余部分采用软件设计，在离散小波变换的硬件设计中，我们提出了一种高效的 离散小波变换的架构，并在此基础上进行硬件电路的实现；第5 章，主要是基于s o p c 和c l i n u x 平台 上进行验证与实现，包括搭建n i o si i 片上系统，添加离散小波变换的模块到该片上系统，然后在n i o s i i 处理器上运行c l i n u x 操作系统，并对离散小波变换模块的驱动进行设计，接着将其与软件实现部 分结合起来实现j p e g 2 0 0 0 编码功能，最后对j p e g 2 0 0 0 编码器进行验证；第6 章是对本论文的工作进行 总结与展望。具体的章节内容安排如下： 第一章：绪论 第二章：j p e g 2 0 0 0 概述 第三章：s o p c 和l i n u x 平台介绍 第四章：j p e g 2 0 0 0 编码器的设计 第五章：基于s o p c 和c l i n u x 平台的验证与实现 第六章：总结与展望 2 第二章j p e g 2 0 0 0 概述 第二章j p e g 2 0 0 0 概述 本章对j p e g 2 0 0 0 进行个概要的介绍，主要是针对j - p e g 2 0 0 0 标准标准的第一部分( 即核心编解码 器部分) 进行介绍，让读者对j p e g 2 0 0 0 产生一定认识和了解。本章分为六节，第一节介绍j p e g 2 0 0 0 静态图像压缩标准的制订；第二节主要介绍j p e g 2 0 0 0 的特性以及针对这些特性的主要应用领域，同时 介绍j p e g 2 0 0 0 标准的组织结构；第三节主要介绍j p e g 2 0 0 0 即核心编码器部分的流程和算法；第四节将 对离散小波变换部分作较为详细的介绍；第五节是本章小结。 从2 0 世纪8 0 年代中期起，国际电联标准化部门i t u - t 与国际标准化组织i s o 成立的联合图像专家组 j p e g ( 正式名称为i s o i e cj t c l s c 2 9 w g l ，i s o i e c 联合技术委员会1 2 9 学习委员会l 工作组) ，就开始 致力于制订灰度和彩色静止图像的压缩标准。j p e g 组织工作的成果最终形成了i s o i e c1 0 9 2 8 一l 国际标 准，j p e g 于1 9 9 2 年成为国际标准。 随着多媒体和i n t e r n e t 应用的扩展，唧g 标准逐渐无法满足日益增长的需求。国际上于1 9 9 7 年3 月 开始为新一代静止图像压缩标准，即j p e g 2 0 0 0 征集意见。制订新标准的目标包含两个方面：一是为解决 现有j p 踮标准的一系列弱点；二是提供j p e g 标准中所没有的功能”。j p e g 工作组于1 9 9 7 年1 1 月对递交的 2 2 种候选算法进行了仿真和测试，选择了由s a i c 和亚利桑那大学提出的w t c q ( w a v e l e t t r e l l i sc o d e d q u a n t i z a t i o n ) 算法，并形成了验证模型l ( v e r i f i c a t i o nm o d e l l ，v m i ) 。1 9 9 8 年i l 月，3 采用了口 的d a v i dt a u b m a n 提出的e b c o t 算法。1 9 9 3 年3 月，采纳了由m i t s u b i s h i 建议的m q 编码器作为j p e g 2 0 0 0 算 术编码的实现。2 0 0 0 年1 2 月，j p e g 2 0 0 0 标准的第一部分( p u t1 ) ，核心编码系统正式通过，l l p l s o i e c 1 5 4 4 4 - 1 。 2 2j p e g 2 0 0 0 的特性和应用领域 j p e g 2 0 0 0 作为一种新的静态图像压缩标准，为新的需求提供了以往标准未能或没有很好实现的特 性以及技术支持。j p e g 2 0 0 0 要实现的目标和它本身具有的特性紧密相关，能很好的发挥j p e g 2 0 0 0 特长 的应用包括互联网、彩色拷贝、打印、扫描，数字摄影、遥感、医学图像、数字图书馆、数字存档及移 动图像通信等。 j p e g 2 0 0 0 具有的主要特性如下： ( 1 )良好的低比特率压缩性能：j p e g 2 0 0 0 标准较之以往的静态图像压缩标准在低比特率下能呈 现更好的图像压缩质量( 例如，在0 2 5 b p p 以下得码率，以较好的质量压缩多细节的灰度 图像) ，网络图像传输( 尤其是带宽受限的网络) 以及遥感技术都需要这种特性。j p e g 2 0 0 0 具有更高压缩效率的效果，在有损压缩时，平均压缩效率约为2 0 。3 0 。 ( 2 ) 无损和有损压缩：j p e g 2 0 0 0 可以在同一个码流中提供有损和无损压缩，这主要是由于 j p e g 2 0 0 0 标准采用嵌入式可分级码流。随着累进解码，所接受到的图像的质量会越来越好。 ( 3 ) 信噪比和分辨率的累进传输：这个特性是指随着接受到的码流长度增加，图像仍然是完整 的图像，但质量( 像素精度) 和空间分辨率逐渐提高。这就允许接受者根据不同的重构图 像质量需要随时截断码流。 ( 4 )固定码率、固定尺寸、有限的工作存储器：固定码率( 固定局部码率) 意味着对于给定数目 的相邻像素，其编码后的比特数等于( 或小于) 固定值，这样解码器就可以通过有限带宽的 东南大学硕士学位论文 通道实时解码。 ( 5 ) 对误码的鲁棒性：在设计码流的时候，考虑对误码的鲁棒性是很合理的。j p e g 2 0 0 0 标准的 一个运用就是在无线信道上传递图像信息，而无线信道上的误码干扰非常强。部分码流 在决定图像质量的时候比其他部分的码流更加重要，合适的码流设计能帮组纠错系统减少 灾难性解码错误。 ( 6 ) 连续色调和二值图像压缩：j p e g 2 0 0 0 编码系统在压缩连续色调和二值图像上都具有比较 好的效果。 ( 7 ) 能进行感兴趣区域( r e g i o n so fi n t e r e s t ，简称r o i ) 编码以及对码流的随机访问和随机 处理：在有些情况下，图像中只有一小块区域对用户是有用的，那么将它定义成一个感兴 趣的区域，采用低压缩比以获取较好的图像效果。而对其它部分采用高压缩比以节省存储 空间。 以上是j p e g 2 0 0 0 主要区别于以往的静止图像压缩标准的特性以及这些特性使用的领域。 关于j p e g 2 0 0 0 标准的组织结构，可以分为以下1 2 个部分： 第l 部分：j p e g 2 0 0 0 图像编解码系统，即j p e g 2 0 0 0 标准的核心系统； 第2 部分：扩展系统，在核心系统上，提供了一些可选技术； 第3 部分：在第1 部分的基础上定义运动j p e g 2 0 0 0 ( e j p 2 ) 。m j p 2 能用于许多不同的领域，例如数 字照相机需要一个能同时处理静止和运动的序列图像的编解码器。这部分标准将允许以运动j p e g 2 0 0 0 文件格式存储一个或更多j p e g 2 0 0 0 压缩图像序列、同步的音频和数据。最终希望实现运动j p e g 2 0 0 0 与j p e g 2 0 0 0 文件格式和m p e g - 4 文件格式协调工作； 第4 部分：定义适应性测试； 第5 部分：定义高质量的免费参考软件，目前有两个参考软件，一个用j a v a 实现的j p e g 2 0 0 0 标准 的第1 部分，叫做j j 2 0 0 0 ；另一个是用c 语言实现的，叫做j a s p e r ； 第6 部分：定义一个复合图像文件格式，主要对印刷和传真适用； 第7 部分：技术报告，介绍实现第1 部分需要的最小支持环境( 这个部分已经不存在) ； 第8 部分：安全性( j p s e c ) ； 第9 部分：交互性和传输协议； 第1 0 部分：三维编码( j p 3 d ) 。 第1 i 部分：无线编码( j p w l ) ，这部分主要用于开发无线多媒体应用，它的主要内容是关于j 吼 中错误的预防、检测和纠正。 第1 2 部分：i s ob m f f ( b a s em e d i af i l ef o r m a t ) 与i s o i e c1 4 4 9 6 - 1 2 的一个共同文件，主要用 于m p e g - 4 。 2 3j p e g 2 0 0 0 核心编解码器 上一节简单介绍了一下j p e g 2 0 0 0 标准的一些基本情况，本节将重点放在j p e g 2 0 0 0 编解码器，由于 本轮文主要研究j p e g 2 0 0 0 编码器的设计，所以只对j p e g 2 0 0 0 编码器的各个组成部分以及所使用的算法 进行相应的介绍，对于j p e g 2 0 0 0 解码器可以阅读相关文献“1 。j p e g 2 0 0 0 核心编码器的流程框图如图2 1 所示。在编码器架构中，首先对原始图像预处理，并有选择的进行前向分量间变换，接着进行正向小波 变换，变换后的系数在码流控制作用下进行量化、t i e r 一1 编码和t i e r z 编码，最后组织成j p e g 2 0 0 0 码流( 比特流) 格式，当然如果用户对图像中的特定区域感兴趣，可以对该区域进行特殊的处理。 以下，我们对j p e g 2 0 0 0 编码器中各个模块的功能进行简要的介绍，其中离散小波变换部分在下一 节中进行介绍。 4 第二章j p e g 2 0 0 0 概述 原始 图像 编码后 图像 2 3 1 预处理模块 图2 1 编码器结构 在对原始图像进行编码之前，先要对它进行瓦片( t i l e ) 分割和直流电平平移。瓦片分割是指将原 始图像分割成为不重叠的矩形块，即瓦块。这些瓦片可以单独进行压缩编码，就像它们是完全独立的图 像。在某些场合下，原始图像数据大小比编解码器系统提供的内存要大，这时将图像进行瓦片分割后单 独处理很有必要。 瓦片分割的大小对图像压缩的质量也有影响“”。用峰值信噪比( p s n r ) 来表示重构图像与原始图 像质量的差别。表2 1 是在0 2 5 b p p 和4 b p p 的压缩码率下，用j p e g 2 0 0 0 标准第5 部分提供的程序对 5 1 2 5 1 2 的灰度图像l e n a 图进行压缩得到的p s n r ( 单位为d a ) 。 表2 1 取不同瓦片大小对编码性能的影响“” 编码方式 码率b p p 不分瓦片瓦片1 2 8 x1 2 8 瓦片6 4 6 4 o 2 53 3 2 6 3 0 6 02 6 7 8 45 4 5 05 0 9 24 9 5 3 由上表可以看出，瓦片越小，压缩重构图像的质量会越来越差，这个现象在低码率的情况下越发明 显。在取小的瓦片时，可以明显的看出块效应，但是在小的瓦片对编码器的存储容量的要求也较小，如 果在满足存储器要求的条件下，选择更大的瓦片对改善压缩质量是有帮助的。 预处理中另一个重要的工作是将无符号的分量中的样本进行直流电平平移。这种处理可以使样本的 动态范围基本关于零对称，使在进行离散小波变换后的系数的动态范围不会过大，有利于编码。在解码 器中的处理过程与编码器中处理过程正好相反。 2 3 2 分量间变换模块 分量问变换在j p e g 2 0 0 0 编解码过程中并不是必须的，所以在图2 1 中用虚线框表示。在j p e g 2 0 0 0 标准中定义了两种分量间的变换：可逆分量变换( r c t ) 和不可逆分量变换( i c t ) 。这里的可逆和不可 逆并不是针对逆变换存不存在，而是针对有无精度丢失。可逆分量变换是整数到整数的有限精度的计算， 不会丢失精度，而不可逆分量变换是实数到实数的变换，在运算过程中会有精度的损失，因此不可逆分 量变换只能用于有损压缩，这是假设在编解码器实现时，所用运算器是有限精度的，存储器是有限位的。 可逆分量变换只有和5 3 可逆小波变换一起使用，而不能和9 7 不可逆小波变换一起使用；同样，不可 逆分量变换只和9 7 不可逆小波变换起使用。r c t 是将图像数据从r g b 空间变换到1 u v 空间，而i c t 是将传统的r g b 空问变换到y c b c ，。 5 东南大学硕士学位论文 f y = l ( r + 2 g + b ) 4 j j u = r g i 矿= b g f g = y - u ( u + n 4 j r ：u + g l b = y + g 刚罾巍篡。罔 雕i 势! 吲 2 3 3 量化 ( 2 _ 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 1 3 ) 在j p e g 2 0 0 0 中，图像经过小波变换后的系数继续被量化，以便用更少的位来表征系数，从而减 少后续的嫡编码操作。量化降低了小波系数的精度，是一种有损运算，因此必须确保足够的信息以便重 构高质量的图像。j p e g 2 0 0 0 标准采用了死区标量量化( d e a d z o n es c a l a rq u a n t i z a t i o n ) 方法。对于 子带b 的变换系数a ( u ，v ) 按照下式( 2 5 ) 被量化为输出量化值q ( u ，v ) 。 咖，v ) ：咖( 础，呦i 坦掣l ( 2 - 5 ) l 凸 j 这里为子带b 的量化步长，s i g n ( x ) 为x 的极性。由式( 2 5 ) 可知，位于区间( 一，) 内的所有 小波变换系数将被量化成零。这段区间的宽度为2 a ，而其它区间的宽度都为，因而把这段区间称为 “死区”。 根据j p e g 2 0 0 0 标准，每个子带都对应一个量化步长。对于一个子带b ，典型的量化步长选择方法 如下式( 2 - 6 ) 是： ，l r ：r 6 a = 二r( 2 - 6 ) q 这里，r ，为原始图像成分的位深，r - 为子带b 的标称动态范围，】，- 为子带b 的能量权重。i l b 由分 析滤波器决定，而，- 则是由综合滤波器决定。通过对综合滤波器系数进行零插值和卷积运算，就可以 求得不同小波分解级数所对应的各子带能量权重。 在9 7 不可逆小波变换系数量化方面，对于子带b 的量化步长a - ，设子带b 的变换系数动态范围 为凡，设表示步长的指数为e ，设尾数为p ，用下式( 2 7 ) 进行计算： 6=2矗。(1+旦)(2-7) 2 “ 这里，和p 分别为非负整数，分别为0 2 5 位和0 l a 2 “范围内的数值。因此，为了使编 解码的量化步长一致，通常根据给定的量化步长。来近似计算( e ，t , t ) 对，其方程如下所示： 6 第二章j p e g 2 0 0 0 概述 f 占= i r 。一如g ：( 。) i 气参叫叫 q 。8 2 3 4t i e r 一1 编码 t i e r 一1 编码”1 可以看作两部分：上下文的生成( c f ) 和算术编码器( a e ) 。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环境，然后就可以对每一位进行编码。 上下文的生成主要是对位平面进行编码，在这个编码过程中首先对位平面进行码块划分，每个码块 通常被划分为矩形码块，而且码块的长和宽通常为2 的幂，在实际处理时采用的码块大小为6 4 x 6 4 或 者3 2 3 2 ，每一个码块将被独立编码。分码块进行编码的原冈主要是利用图像的局部统计特性，便于 实现随机存取和并行处理以及减少了硬件实现上的内存需求。每个码块又可以分解成多个位平面，即一 个个的比特平面层，位平面编码会从码块的非零最高有效位平面逐平面编码指导晟低位平面。 在每个比特平面层上都会有三个扫描过程，这3 个扫描过程分别是：有效性传播扫描( s i g n i f i c a n c e p r o p a g a t i o np a s s ) 、量值改进扫描( m a g n i t u d er e f i n e m e n tp a s s ) 、清除扫描( c l e a n u pp a s s ) 。在每 个扫描的过程中，以列中的四个数据作为一个条带，按照从左到右的顺序对每个条带进行扫描，位平面 上对每个比特位的编码取决于该比特位当前的有效状态以及它周围的8 个相邻的比特位( 见图2 2 ) 的 有效性状态( 如果该比特位在码块边界上，则设边界外的相邻比特所在系数的有效性状态为无效) 。码 块中的每个数据都对应一个比特表示该数据的有效性状态，有效性状态初始时为0 ( 称为无效) ，随着 编码的进行，当该系数的第一个非0 的比特也就是最高位被编码后，其有效性状态变为1 ( 称为有效) 。 图2 ，2 用来形成上下文环境的8 个临近比特位 在三个扫描的过程中主要有四种编码方法： ( 1 ) 有效性传播编码( s i g n i f i c a n c ec o d i n g ) ：当前比特位为非显著时，它将根据该比特位周 围的8 个比特位进行编码，并根据该比特位的值将它变为显著或者保持原来的非显著特性。 ( 2 ) 符号编码( s i g nc o d i n g ) ：当前比特位的状态从非显著状态变为显著状态时，进行符号编码。 ( 3 ) 量值改进编码( m a g n i t u d er e f i n e m e n tc o d i n g ) ：该编码方式只有在量值改进扫描过程中才 被使用，如果当前系数在上一个位平面的扫描中已经变为显著，则在当前位平面扫描中对该 系数采用量值改进编码。 ( 4 ) 游程长度编码( r u nl e n g t hc o d i n g ) ：该编码方式只出现在清除扫描的过程中，如果被扫描 的列内4 个相邻系数均属于清除扫描，而且这4 个系数全都不是有效系数时( 即全部系数的 上下文标记均为o ) ，则进行具有独立上下文的游程长度编码。 位平面扫描中每个扫描分别采用的编码方法为： ( 1 ) 在有效性传播扫描中采用有效性传播比编码和符号编码； ( 2 ) 在量值改进扫描中只采用量值改进编码； ( 3 ) 在清除扫描中采用有效性传播编码、符号编码和游程长度编码。 j p e g 2 0 0 0 中采用了基于上下文的二进制算术编码，它对三个扫描中产生的数据进行编码，这种编码 7 东南大学硕士学位论文 是无损的，它能正确的还原出原来的数据，并且能够对数据进行有效的压缩。 2 3 5t i e r 一2 编码 t i e r - 2 编码“1 的实质是让第一级输出的一系列编码后的信息形成数据单元包( p a c k e t ) ，这些 包随后输出给最终码流，这层编码最终完成了j p e 6 2 0 0 0 标准具有的许多良好特性，如压缩质量和分辨 率的分级性。 一个包实质上就是一些编码扫描的集合，一系列的包按照一定的顺序排列就组成了码流。一个包可 以分成包头和包体两部分，包头中包括的信息是对包体重数据的说明。 j p e g 2 0 0 0 码流中的包头信息及信息组织顺序如下： ( 1 ) 是否这个包是零长度的包，即这个包中不带任何码块信息，这个信息用一个比特表示，如果 这个包是零长度的，就不用进行后面的处理了； ( 2 ) 码块的包含信息，即辖区中各个码块是否对这个包有贡献，如果这个码块在代表以前的层的 包中出现过，就用一个比特表示这个码块的包含情况，如果是第一次出现，就用标志数编码 ( t a gt r e ec o d e ) 这个码块第一次出现的层数； ( 3 ) 零位平面( z e r ob i tp l a n e ) 信息，如果一个码块是第一次被包含在某个包中，则这个码块 中用来表示系数的实际位平面数要在包头中指明。一般情况下，这个码块所在子带的最大位 平面数用胁表示，每个码块用来表示数据的实际位平面数可能小于m b ，于是在包头中用标 志数编码这个辖区中 i b 与各码块实际位平面的差； ( 4 ) 包中各个码块贡献给这个包的扫描数，用事先定义好了的码字表示； ( 5 ) 码块数据长度，即每个码块贡献给这个包的字节数。 将包组织成为码流有不止一种组织顺序，这些顺序在标准中被称为累进顺序( p r o g r e s s i o n o r d e r ) 。标准中定义了5 种累进顺序：层分辨率分量位置顺序；分辨率一层分量 位置顺序；分辨率位置分量一层顺序；位置分量分辨率层顺序；分量一 位置分辨率层顺序。其中位置就是指辖区，并且按从外层循环到内层循环排列。很显然， 第一种顺序是按照信噪比来累进的，即随着码流的逐步传输，图像的质量也即信噪比会越来越高。第 二种顺序是按照分辨率来累进的，即随着码流的逐步传输，图像的分辨率会越来越高。其余3 种累进 顺序比较复杂，不是很直观。这种累进式编码也可以称为嵌入式编码，是j p e g 2 0 0 0 区别于其他静止 图像编码方式的重要特征，决定了j p e g 2 0 0 0 编码系统的重要性特征即信噪比和分辨率的累进性。虽 然j p e g 也支持累进传输，但为此付出的代价是编码效率的明显下降，j p e g 2 0 0 0 的各种累进传输式在 保持高效压缩下获得的，这是明显的进步。 2 4 离散小波变换 小波变换理论的建立是在二十世纪8 0 年代的中期，法国的学者m o r l e t 、g r o s s m a n n 和m e y e r 等人 首次使用小波这个名词为该项理论命名。该项理论的主要精神在于透过一个原型函数所产生的基函数来 对信号做多维解析度的描述与分析。此原函数称为母小波，而由其所产生的基函数就称为小波。由于小 波理论在信号的分析与处理上，建立了一套新且实用的架构，能将信号分解成不同频率成分，每一个不 同的成分可分开进行后续的处理，变换后的信号也能够有效的降低信号的相关性，这使得小波变换在许 多传统的工程问题上得到了广泛的应用空间”。 2