（电路与系统专业论文）小波图像视频压缩算法及其vlsi实现体系研究.pdf

浙江大学撙b 学位论文 摘要 摘要 本论文围绕小波图像视频压缩算法的v l s i 实现体系问题，从三个 方露开展m f 研究。 i ) 奁灏予提升的，j 、波交换和嵌入式小渡编褐豹专臻硬件翔速俸系方 丽 ( 1 ) 提出了采恩比倒因子移除结合量化 偿的方法对乙s9 7 小波 的提升系数进行整形亿处理。j 疆：方法在图像质鼙、电路面襁和延辩等方 面综合表现较优。提出了采用对角形的片上块存储器组织方式，并聚用 滚水线技术设计了麟路数据势露的一缀小波变换数摆通路结构，在此基 础上提出采用行一列模式襄现二维小波变换的体系。弛体系可支持 j p e g 2 0 0 05 3 和9 7 两种小波，获得了较高的数据吞吐能力，并且可以 苇套漓编弱绣霖款娲块存糖爨。提舞系数鲍整形饯方法郡蠢继器鳃织方 法对于其它小波变换的专用硬件加速实现具有参考价值。 ( 2 ) 分析了热型的嵌入式编码算法，如e z w 、s p i h t 和e b c 0 t ，认 为e 8 e 蕊稠对易予实褒疆传糖速，显其骞较鳋静压绫鞋憝。提出了三玛 通和一列网个样本淑并行的像平面编码加速体系。研究了不同的码通编 码时算术编码并行的规律性，并利用这种并行规律与流水线技术设计了 算术编码器趣速嚣系。实琨了算术编码羧块与覆乎瑟热逮横凌诗冀垮麓。 所提出的e b c o t 专用硬件加速体系与其它体系相比，降低了5 0 以上 编码时间。 2 ) 奁蘩予挺舞豹枣渡交绞帮褒入式小渡编筠靛专弱指令燕速体系方 面 ( 1 ) 利用基于提升算法的小波变换的规则饿，从专用指令加速的角 度磅究基予褥蠢算法的小波变换秀l 速，著设计了满是4 爨劳毒亍戆提秀翘 法指令和体系。所设计的专用指令可以适用于多种小波变换。 ( 2 ) 提出了四条可变长解码专用加速指令和加速指令数据邋路体 系，总结了鹃字努缎和可变汝解码热邃指令结合的编程方法。采潮罐鑫 的专用指令和编程方法，能鼹著提升可变长解码的速度，而且编程必活， 满足诸如m p e g 2 、m p e g 4 葶鞋h 2 6 4 等标准的变长解码嚣法的应用。 3 ) 络合鹃率、失真度与计算复杂菠关系韵算法磺究方面 ( 1 ) 提出了简化的失真估计方法，面向三码通并行的斜率调熬方法 和实时动态斜率门闸生成方法。新的失真估计方法引起的图像质量下降 很小，减少了存储器访问次数和查找表大小。提出的实时码率控制算法 与其它算法相比，具有较低的计算复杂度和占用较少的存储面积，重建 的图像质量较好。在低比特的情况下，采用实时码率控制算法可以节省 5 0 以上的熵编码时间。 ( 2 ) 为了除去低比特压缩的图像的方块效应，利用极大值提升小波 在变换域中，低频系数保持原信号的极大值而高频系数可反映信号瞬变 的特性，提出基于极大值提升小波的后去块滤波算法。实验表明该算法 能够显著改善图像的主观质量。 本论文研究的主要结论和贯穿整个研究内容的算法、体系、码率和 失真度紧密结合的研究思路，对于其它多媒体算法实现研究具有参考价 值。 关键词小波变换，提升算法，嵌入式编码，专用硬件，专用指令，码 率，失真 濒江大学黪士淦文 确s 懈l a b s t r a c l i nt h i sd i s s e f t a t i o n 。t h er e s e a r c h i m p l e m e n 谂臻o na r e h i 协e t u f eo ft h e a i g o r i t h m s f o c u s e so nt h r e ea s p e c t sa r o t l n dt h ev l s l w a v e l c tb a s e di m 鑫g e ，v d e oc o m p r e s s i o h l1h a r d 蜥r e da c c o l e r a t i o na f c h i t e e l u l | ef o f t h el 删n g - b a s e dw a v e l e lt r 黼s f o m a n de m b e d d e dw a v e l e tc o d i n g ( 1 )t h em e t h o dc o m b i n i n gq u a l l t i z a t i o nc o m p e n s a t i o nw i t hs c a l ef a c t o r r e m o v ei sp p o s e dt oe o n v e nl s9 7w “e l e tt oa 娃i n t e g e fw a v e l e t 。 t h e m o t h o dp e r f o n n sw e l li nt h ei m a g eq u a l i t yk e e p ，c i r c u i ta r e aa n dc f i t i c 酿p a t h 1 a t e n c yr e d u c t i o n t h 嚣d i a g o n a lt i l em e m o r yo nc h i po r g a n i z a t i o ni sp r e s e n t e d t h er o w c o l u m l lt w od i m e n s i o 摊w a v e l e t f 黼s f o f m 鑫f c h 据c t u 揩i sd e s i g n e d ，氇a t i n c l u d e st h em e m o r ys t r u c t u r ea n d 也ef o u rw a y s 血瞳ap a f a l l e l i s mo n ed i m e n s i o n w a v e l e tt r a n s f b md a t a p a t hu s i n gb yt h ep i p e l i n et e c h n i q u e s t h ea r c h i t e c t u r ec a n s u p 蛰。蛙氇el eg 蠢l5 玛a 珏dc d f9 ，7w 鑫v e l e t 法j p e g 2 0 0 0w i 氇h i 醵e rd a l a t h r o u 曲p u ta n dl e a v eo u tt h ec o d e - b l o c km e m o r yf o rt h ee n t r o p yc o d i n g t h e m e t h o dc o n v e r t i n gt h ew a v e l e tw i t hn o a tl i n e df a c t o rt ot l ei n t e g e rw a v e l e ta n d t h e m e 疆。拶o f g a n i z 戢i o na 鞠黯h 薅f ev a l u 酶l e受d e s g 粒 毽 姆e e 纛e a c c e l e r a 旺o nh a r d w i r ef b ro t h e rw a v e l e tt r a n s f o r n l ( 2 ) a n e ra n a l y z i n gc l a s s i ce m b e d d e dc o d i n ga l g o r i t h m ss u c ha se z w ，s p i h t 赫de b e 0 鼍氧i ss h o w n 氇采b c o ti so 鑫螽盯l oa c o e o 豫栳w i l 羟珏疆建w 毪羚鑫n d h a sb e t t e ri m a g ec o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e t h ed u a lp a r a l l e l i s ma r c h i t e c t u r ei s u s e df o rc o n c u r r e n t l yc o d i n gt h et h r e ep a s s e sa n dt h ef o u rs a m p l e si nac o l u m n 薯h ef e g 醢l a r l 专yo fp a 靛l e l 甜i 撬黼e i ee 。d i n go fd i 氛羚n p a s s e si si n v e g a 圭e d 。 m 撞k i n gu s eo ft h i sr e g u l a r i t ya n dp i p e l i n et e c h n i q u e s ，t h ea r i t h m e “cc o d i n g h a r d w a r ea r c h i t e c t u r ei sd e s 边n e d t h e r e f o r e ，t h ec o m p u t a t i o nb a l a n c eb e t w e e n 嚣篁i 镪m e i e e o d i n ga n db i p l a n ee o d i n g sa c h i 。v 0 蠢 c o n l p a 托dw i ho 氇e f a r c h i t e c t u r e s ，t h ep r o p o s e da r c h i t e c t u r ec a ns a v eo v e r5 0p e r c e n tc o d i n gt i m e 2 ) a p p l c a t i o ns p e c i 蠡ci n s t r u c t i o ns e tf o rt h el i n i n g b a s e dw a v e l e tt f a n s f b r r n a n de m b e d d e dw 矗v e l e lc o d i n g ( 1 ) t h ec o m p u t a t i o no ft h ew a v e l e tt r a n s f o r mb a s e do nl i f t i n g s c h e m ei s r e g u l a r 1 i ss u g g e s l e dt h a td e s g n i n ga p p l i e a i o ns p e c i 氍c i n s l r u c t i o ns e t 1 l l i i | i 江人学博士学位论文a b s l r a c t a e e e i e r 采ew a v e l e 专 拙热s 稻f 越弧e 稻ww 科d a t ap 甜a l l e l i s 氆鑫p p l i c a t i o ns p e e 懑e i n 8 t r u c t i o nn a m e dl i ra d d i t i o na n di t sd a 拓l p a t ha r ep r o p o s e d 1 ti sw i d e l yu s e df o r o t h e rw a v e 殴t r a n s f o r m ( 2 ) t h ef o u ra p p l i c 龇i o ns p e c i 羲ci n s t r u c t i o nf o rv a r i a b l el e 娃g t hd e c o d i n ga n d i l sd a t a p a t ha r ed e s i g n e d t h ep r o g r a m m i n g 对l o d e lu s i n gt h o s ei n s t r u c t i o n sa n d t h ee o d w o r d sg r o u pm e 搬o di sg i v e n t h o s e n s l r u c l i o n sa n dt h ep f o g f 8 mm o d e l e a n i m p f o v e t 魏e s p e e do fv a 疽a b l el e n g t h ( k c o d i 琏g 嚣张d h a l v e g o o d p 她g r a m m a b i l i t ys ot h 矗tt h e ya r cs u i t a b l ef o rt h eo t h e rs t a n d a f d ss u c ha sm p e g 2 ， m p e g 4a n dh 2 6 4a n ds oo n 3 )a l g o r i t h m s r e s e a r c h c o n s i d e r i n g t h er e l a t i o nr a t e ，d i s t o r t i o na n d c o m p u t a t i o nc o m p l e i t y ( 1 ) t h es i m p l i e d d 蛙o f t i o n e 建i m 鑫t i o 珏m 。d e l ，t h f e e - p 8 s s b a s # d s l o p e 粥o d u l a 童i o nm e 氆o da n d 像es l o p e 穗f c s h o l 鑫d y n 羽n i c a l 嚣n e 糯 i o 轻s c h e m ea r e p r o p o s e d ，t h ed i s t o n i o nm o d e lc a nk e e pt h eq u a l n yo fi m a 9 0a n dr e d u c et h e a c c o s st om e m o r ya n dt h es p a c eo ft h e1 0 0 ku pt a b l e s t kp r o p o s e d 越g o r i t h m h o l d sl o we o m p u t a t i o ne o m p l e x i t ya n dm o m o r yc o s t ，w h i l et h er e c o n s t f u c t e d i m a g eq u a l i t yo n l y 出o p sal i t t l e ，c o m p a r e dw i t ho t h e rr e a lt i m ef a t ec o n t r o l 翻g o 蠢氆m 。f o e o m p 瓣s s i n g 醴l o wb i lf 鑫耄ei m a g e ，i le 8 ns 鑫v e 酶o v e5 0p e f c e n t e x e c l l t i v et h n eo f p a s s * p a r a i i e lb a s e de n t p yc o d i n g ( 2 ) t b et r a n s f o f 獭d o m a 弧o ft h em a x l i rw a v e l e ib e h a v e s 也a tt h el o w 脯q u e n c yw a v e l e tc o e 蕊c i e n t sk e e pt h e1 0 e a ll a 培e rv a j u e s ，w et h oh i 曲 f 确q u e n c yw a v e l e tc o o 脯c i e n t si n d i c a t el h es i 8 n a l st r a n s i e n t b e c a u s eo ft h i s ，t h e p o s t 疗l t e 蛀n gb a s e dm a x 一珏& w a v e l e ti su s e dt 。r c m o v et h et i l i n ga f t f a c ti nl o w b i tr a 塘i m a g e h ee x p e 妇鞋e 鞋r e 强l s 照o w 镥a t 氆枣m e 疆o dc 赫i 燃p 粒v e 鼍h e s u b j e e n v ei m a g eq u a l i t y t h ec o n c l u s i o n smt h i sd i s 8 e r t a t i o n 蝴d 搬or c s e a r c hw a y si nl h ew h o l ew o r k t h a t a l g o r i 也m ， a r c h i t e c t u r e ，r a t ea n d 僦s t o r t i d na r ec l o s e l yc o n s i d e r e d a r e v a l u a b l ef o rt h er e s e a r c ht 圭l ei m p l a n t a t i o no fo t h e rm u l t i m e d i a 巍l g o r i t h m k e y w o r d sw a v e l e tt 1 隅n s f o r m ，“r i n gs c h e 礤e ， e n l b e d e dc o d i n 参 a s l c ， a p p l i c a t i o ns p e c i 颤cl n s t r c t i o ns e t ，r a t e ，d i s t o n i o n 浙江a 学博十学位论文 图目录 图疆录 慰l 。l 小波变换编码与国际燃像视频标准发震，2 图j 。2j p e g 2 0 0 0 简单原理图4 图1 3 数字影院的工俸流程，5 图l 一4m p e g 4 静态纹理编码原理6 圈 。5 珏。2 s 4 静冒 孛缩编璃嘏粱7 图1 6 小波图像编码框架、论文研究思路和文章结构图8 图2 - 】d w t 的分解和麓构示意图1 2 图2 ，2 提升框架一f 的一维小波变换示意圈1 4 图2 3 提升算法计算步骤15 图2 。4 基予提舞算法的5 3d 弹t 数据相关性强。2 3 图2 5 二维小波变换存储空间分布圈2 3 疆2 6 基于对襄存镱懿块存镰器组嫒2 霉 图2 7 ( a ) 一维5 3d w t 体系，( b ) 一维9 7d w t 体系2 6 鹜2 穗二维d 撵彳v l s l 体系2 7 图3 。l 灰度l e n n a 图像经过d o u b e c h l e s9 7 小波分解后的图像一3 0 图3 2 传统非嵌入式的编码3l 图3 3 嵌入式编码，3 2 网3 4 嵌入式小波编码框架3 3 圈3 s 小波变换会子塔分鼹、嵌入式零撼编鹞黢序及零撼缓构示爨3 4 图3 6 子带分布及编码块划分3 7 图3 编码块中，l 、渡系数豹扫整模式3 8 图3 。8 样本跳过加速方式4 1 圈3 9 样本并行使平面编码幸拳系结构4 3 图3 1 0 内容生成模块结橡框图4 4 图3 11 鼹著性移匏寄存器结构4 4 匿3 。1 2 毒= 号，蝠度内存缌织方式4 6 网3 13f i f 0 的结构4 7 霆3 1 毒二邀翻算术编礴原理4 8 图3 。1 5 编码区间隳整流程一4 9 图3 1 6 s i m p l e s c a l a r 编译器映鸯于m q 算法确a r m 处瓒器上的指令类鍪统计5 浙江 学博士学位论文图目录 煳3 - 1 7 基于i m b s 的每周期2 位符弩编码黥m q 编码器c 寄存器燮新逻辑5 3 图3 - 8 凌诗不弱豹璃逶榉零孛| 绉到熬数强涎位乎瓣戆变纯趋势5 5 图3 - 1 9m q 编码器实现的模块图5 5 图3 也o 区阈划分模块5 6 图3 2 l 魄特流处理模块5 7 溷4 1 意銎速糖令生戒方法5 9 图4 2 四个并行的提升算法遮算节点数据相关图6 l 圈4 3 数据置换艇则演示6 l 图4 4 矢登处理器酶4 路数攘通路中的路结构图6 2 惑4 5 变长解鹳时主要静茭瞧猿悖醛 圈4 6s h o w b i t s 的算法6 7 图4 + 7 可变长躺码加速指令数据通路示意6 8 圈4 8 采用指令嬲速c a v l c 的性能晓较一7 2 图5 1 码搴失真一复杂度麓蓠7 3 图5 2 码通并行熵编码与码察控制集成的e b c o tv l s i 体系7 4 圈5 - 3 质鳖鼷与截断点的形成7 5 匿5 4 裁搴门阐生成方法s 3 图5 5 查找表1 与查找表2 的关系8 3 图6 1 图像后处理滤波的形式8 6 图6 2 原始豳像与小波隧缩厝的图像比较8 8 蚕6 3 极大蠖掇潮小波s 9 图6 _ 4 二维缀金字塔分解和原图对照，9 0 图6 5 基于对称周期延牦的提升算法与边界9 l 图6 6 本文酹去块滤波方法9 l 图6 。7 器寿嫒效应迭赛麴线耱去块滤波薏恢复的藉线魄较9 3 图6 - 8 三种图像滤波结果与压缩后的原豳比较9 4 v 灏汪大学博士学位论文袅强录 表目录 袭2 1c d f9 7 小波和l s9 ，7 小波的子带增盏值1 9 表2 2l s9 疗枣波爨纯方法2 0 寝2 3 不同提升系数的3 幅测试图像的p s n r 假2 1 表2 4 不同提升系数的面积，延时结果比较2 2 裹2 5 ，k 浚存储器靛大，l 、效予繁存稳关系( 2 8 1 2 8 的块) 2 5 农2 69 7d w t 小波执行周期( 输入数据长度为n ) 2 8 表2 7 凹个j p e g 2 0 0 0 二维姬反d w tv l 。s i 体系性能比较2 8 衰3 1 三静编码方法覆缩毪辘静院较3 9 表3 2 内存模块所需容量分类4 5 袭3 3 通过统计不嗣码通编码时出现两个可_ 并行舞术编码的数目及程分比5 4 衷3 4 _ | 舞需硬 孛资源 表3 5 各种体系所需时钟数的比较 5 7 5 8 褒4 一l 字母集中德号的概率秘信息量6 4 表4 2 字堪集的霍夫曼编码i 曩程6 4 农4 3 四种操作在h 2 6 4c a v l c 解面马器中的覆箍率6 6 袭4 4 可变长解码煳速指令6 8 表4 5h 2 6 4 的可燮长编码的码本部分6 9 表4 6h 2 6 4 的c o e f rt o k e n 的码本分组示意7 0 褒4 7 与翅专罔嫒 孛藤遮方案鞠毙7 2 表5 1 失真度增量的计算7 8 表5 2 失真估计权重表8 0 表5 3 撵 荚懿失窦 鑫诗方法与标准撬罄麴方法戳率控制嚣续果毙鞍8 碡 表5 4 重构图像的p s n r 与标准评估软件重构图像p s n r 比较8 5 表5 5 码率控制算法运行结果及和与文献f 9 7 1 方法的计算复杂眭比较8 5 v l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导爆撂导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特剐加以栎注和致谢的地方外，论文中不包含英 他久已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸墨基鐾蠛其他教育枫 构的学位或谥书而使用过韵材科。与我一间工作的间志对零研究所傲的任倪贡献 均已在论文中伟了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字吼z 苫年多月7 r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎婆盘鲎裔关保窝、使用学位论文鹃规定， 鸯权保鲤磐向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阕和 畿阅。本人授权逝鎏盘鐾可以烤学位论文的全部或部分内容编入有关数据瘁 进行检索，可以采用影印、缀印或扫撞等复制手段保存、汇编学位论文e ( 保密的学位论文在孵密蓐邋用本授权书) 寿蛾 岁月了日 学位论文母乍者毕业层去向； 工作单位： 通讯地址： 导师签名；薹萝轳1 万吣 签字日期；知髦磊? 月s 日 电话： 自g 编： 绪论 耋。l 课题篱景及意义 第一章绪论 数字圈像和视频，作为现代信息社会的主要交流媒介，不仪在工业、军 事、教育和交通等领域瘦埔广泛，而且已经成为我们现代生活不可缺少的一 部分，如数字照相机、m p 3 播放器、数字电视和可视电话等。数字图像和视 鞭产蝗强蒸发震巷大，成为下一滚推动全球溃费瞧予产遂蓠逶静圭要摇动力。 如，世界视频设备市场已经进入从模拟设铸向数字设备的转型期，这个为期十 年翡历史魏转援将孳l 发基大豹枣场震求；售息产渡部颚计数字彀褪移搬关多 媒体产业产值约占信息产业总产值的三分之一，“十五”期间的5 年累计值将 超过万亿元。毫无疑问，擦数字图像和视频压缨作为研究课题，具有 受重 要的现实懑义。 小波变换编码作为“第二代”图像压缩编码方法的杰出代表，不同于“第 一 ”经典压缩编褐方法，如秘p c m 翻，d c t l 3 l 等，它可戳综台考瘩入靛褪 觉特性，在较低码率下也不会出现图像质量的严匿损失，从而极大提高了压 缩缝力。撼终，爨必经过小渡变换嚣豹辫缘呈臻凌时频共存帮多分瓣率等特 性，为编码和传输提供了丰富的处理空间，可以实现可伸缩性编码，满足目 藤器构网络逶信的要求。所有的这些优势使褥它成为一种极有魏途的编鼹方 法，已经戏正在被一些国际图像视频标礁所采纳。 图1 。l 给出了到目前为止，圈际组织完成制定和正露制定的图像视频压 鲻标准。在闺像缔码方甏，先嚣涎生了，p e g 州和j p e g 2 0 0 0 戮两个标毽。萁 巾j p e g 2 0 0 0 因为采用了小波交换和嵌入式小波编码的思想，熬体性能有很 大翡提裹。因藤j p e g 2 0 0 踅豫愿臻据溱梭采纳为蓉际数字影羧鼹圈豫压壤 格式1 6 j 。在视频方丽，最早是1 9 8 8 开始起草，1 9 9 0 年通过的i t u th 2 6 l 标 准l ，它楚屠寒楣继提嫩的混合缡码m 王e g 1 l 蚋、m p e g 一2 1 9 1 、h + 2 6 3 积 h 2 6 4 a v c ( a d v a n c e dv i d e oc o d i n g ) 的基础。其中h 2 6 4 标准为最新的视频标 准，并融入到m p 蒜g 4 标准的第十部分l 。困为h 。2 6 4 采用了鞠：多新的编码 技术，露4 4 的褴形d c t 交换，多赖和多模式运动估计，顿阙预测帮环路 去块滤波，所以垮m p e g 4 比较在同样的图像质屋的情况下码率下降了一倍 | 1 2 l 。醚p 萎g 4 是第一令将覆囊霹象编鹃葶 l 小渡交筷编码恿怒引入援频缡羁豹 国际标准1 1 3 】。在m p e g 4 标准中，静态纹理是采用小波变换和零树编码压缩 新江丈学博十学位论文= ，j 、波瀚像，祝祯压缩算法殷其v l s l 实现佛系研究 豁。滔藩， 王。2 6 4 的酉伸鳙编鹞( s c a l a b i ev i d e oc o d i n g ，s v c ) 标准正在制 定中，有两个议案最有希塑获得通过，一个足微软提出的3 d 小波视频编码 方案”“，另外一个蘧德国h h i 撵出的h 2 6 4 标准扩震的方案h ”。后者采用 了基于小波提舞算法的运动补偿时域滤波技术i l “，熬体上与h 2 6 4 兼容。国 际上正在酝酿新的视频标准h 2 6 5 将存未来大致5 年肉诞生，它将主要依靠 挖掘人的视觉特性将压缩性能再提高一倍 j ”。因为j 、波在图像祁视频编码方 面已表现出采的突出优势，所以估计它在h 2 6 5 中应该会有所体现。 从熬个圊际图像视频标准发展的脉络看，小波缡码已经得到了成功的应 用，并显现出勃勃生机，嗣而研究基子小波的图像和视频压缩算法也具有重 要的理论意义。 i l t u 辩2 5 融2 格 h 。2 酊+娃2 站+ + s 嘲d 8 喇s i t w m p g h 。2 6 2 ， 【麟兹黧洲 辩，2 6 4 s 、 s 协n d 斛- d sm p e 6 2 w 盯西o t 麓 l 4 m p e g m p g 1 w 酣如t s t a n d 8 f d s c 9 8 41 9 8 6 1 9 8 8i 01 9 9 21 9 9 41 9 1 9 9 82 0 0 0 2 0 0 2 2 0 0 42 0 0 6 图1 1 小波变换编码与阑际图像视频标准发麓 尽警枣浚在圈镣援鬃编码方嚣表糕出卓越熬程筑，毽楚它龟带来较大翦 计算复杂度和较大的临时存储空间开销。例如，j p e g 2 0 0 0 计算复杂度是j p e 0 鹣2 3 倍。j p e g 2 0 0 0 为了完残小渡交筷，一般需簧静最小藕辩存诺大夺为 3 2 k 字节( 小波变换一个编码块的大小为1 2 8 1 2 8 ) ，而j p e 0 才5 1 2 字节( d c t 变换一个编璐块韵大小是1 6 x1 6 ) 。象赢覆鼓稻大尺寸懿图像压缩，魏数字 影院的每帧图像大小是4 k ( 4 0 9 6 x 2 1 6 0 ) 或2 k ( 2 0 4 8 1 0 8 0 ) ， 而且必须 实时，其计算量是菲常巨大静。辩2 6 4 辫码的计算复杂凄大概是m p e g 2 静西 倍- 引，丽支持可伸缩编码的h 2 6 4 扩展方案的计算复杂度和存储空间就更高 了，这也是遮一方案迟迟不能确定为国际标准的骧瀚之一。嵌入式小滚编码 算法一般是基于比特级的，是典型的控制密集性算法，一般处理器很难加速。 绪沦 所以，必须围绕小波变换及嵌入式小波编码算法研究v l s l 实现的加速方案。 在v l s i 实现的加速方案中，专用硬件加速方案是一种较为普遍的选择。 因为它可以针对某一标准算法进行优化，设计出在性能、面积和功耗最优的 v l s i 体系出来。如a d l 公司自1 9 9 6 年以来，一赢是基于小波技术视频压缩 研发的倡导者，利用公司在j p e g 2 0 0 0 方面的算法基础一空间高效递归滤波 小波技术，设计出来了世界上最好的j p e g 2 0 0 0 编解码器a d v 2 0 2 1 1 9 】。在研 究专用硬件加速方案( a s i c ) 中，如何将算法优化、体现结构的设计和压缩 图像质量与码率等因素紧密结合是本论文研究的重点。 另外一个加速方案，就是设计专用指令处理器( a p p c a t i o ns p e c i f i c i n s t r u c t i os e tp r o c e s s o r ) ”。从图卜1 可以看出图像视频压缩算法在不 断变化，而且标准更新的周期越来越缩短，算法复杂度也越来越高。但是， 各个标准的算法一般并不兼容，例如j p e g 2 0 0 0 在算法上与j p e g 完全不同， h 2 6 4 与h 2 6 3 很多算法模块不兼容。如果采用专用加速方案，则必须为不 同的算法标准定制不同的硬件。随着超亚微米芯片设计中一次性工程费用的 增长和产品上市时间的缩短，专用硬件方案遇到了挑战：较高的设计成本和 设计风险。另外，在实际应用中，已有的图像视频格式和新的图像视频格式 必然同时存在，必须采用灵活的实现方案支持多标准。通用指令集处理器， 如a r m ，x 8 6p c 等，虽然具有很好的编程性，但往往难以适应较高要求的图 像视频实时压缩解压缩的应用。分析数字图像视频算法发现它们一般具有相 同的底层基本操作，如f i r ，s a d ，比特级操作等。专用指令处理器是瞄准一 类应用的高效可编程解决方案，可针对一类图像视频算法特点，找出共性的 计算密集性操作，将其设计成专用的加速指令。因此，这种处理器既具有a s i c 技术定制加速的特点，同时也具有通用处理器编程灵活性和硬件可复用的特 点。如何在算法的分析基础上，提炼出适合小波变换和嵌入式编码的专用加 速指令也是本论文研究的内容。 1 2 小波图像，视频编码标准现状 1 2 1j p e g 2 0 和数字影院标准 j p e g2 0 0 0 采用以小波转换( w a v e l e tt r a n s f o m ) 为主的多解析编码方 式。此外j p e g 2 0 0 0 还将彩色静态画面采用的j p e g 编码方式与二值图像采 用的j b i g 编码方式统一起来f 2 ”，成为各种图像的通用编码方式。j p e g 2 0 0 0 浙江大学博士学位论文小波例像，视频麟缩算法及奠v i ，s j 实现体巷研究 麓擎蒙理始溺l 一2 黪示。 比特流 钷屯至h 互m 耍h 芦黼 图l * 2j p e g 2 0 0 0 简单原理阁 整个j p e g 2 0 0 0 的编码过穰可概括如下f 2 2 l ： 把原阐像分解藏为各个成份( 一个巍度成伶和两个色艘成静) ； 把图像和它的各个成份分解成小波变换块( t i l e ) 。小波变换块是原始图 像秘重建图像鲍基本处理单元； 对小波变换块进行小波变换： 对分解后的小波系数进行凝化并组成矩形的编码块( c o d e - b l o c k ) ： 对在编妫块中豹系数进嚣佼乎露( b i t p l a 珏e ) 编码和黪零编码； 采用码率控制算法进行码流重组织，形成可伸缩的比特流。 i p e g 2 0 豹最主要的特缝秘下： 高压缩率：由于采用离散小波变换和嵌入式编码算法，j p e g 2 0 图像 压缩比可比j p e g 提简1 0 3 0 ，而压缩后的图像显得燃加细腻平滑，这 一特援杰要联藏耪遥感等图像铵臻矮竣鸯蓑广泛戆应瘸。 渐进传输：现在湖络上的j p e g 图像下载时鼹按“块”传输的，因此只 能逐行地显示，而采用j p e g2 0 0 0 格式的图像支持渐进传输( p r o g r e s s i v e 静a n s 峨s s i o n ) 。舞锖戆渗送转埝蓑是先辏辕嚣豫耱塞鼗据，然嚣聂遴步话赣 其它数据来不断提商网像质量。互联网、打印机和图像文档是这一特性的主 要应用场台。 感兴趣嚣壤压缭；霹强搔窥銎， 上缫兴趣送竣( r e 垂o n 嘏l n 持糖艇) ，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。这是因为小波在窝闻和频率域上具有局域性，完全恢复图像中的某个局 都，并不需要掰有编码舔被精确保蜜，炙要对应它虢一部分编码没有误差戴 可以了。 码流的黢枧访阍翱处理：这一特征允许用户在图像中随机地定义感兴趣 绪论 区壤，笈褥这一区域匏熬圆绦矮量毫予其窀图缘区域。羁渡戆夔瓿处理龛谗 用户迸行旋转、移动、滤波和特征提取等操作。 容错性：在码流中提供容错性有时是必要的，例如在无线等传输误码很 舞懿逶翁信遴中传簸圈稼对，没有容锩淫是诖入不爱接受瓣。 2 0 0 4 年由迪斯尼、2 0 世纪福克斯、派拉蒙、索尼电影、华纳兄弟等公司 组成的数字电影倡导联盟( d c l ) 正式公布了数字电影标准，采用目静最新的 j p g 2 0 g 0 压鳕穆式。这穗数字影院毒磊壤将完全改交一百多年来，凌获片充 当电影拍摄、制作和放映主角的局面，使整个电影业发生数字革命。如图1 - 3 为未来的数字影院的工作流程。电影供应商( m a s t e r ) 将单帧图像大小为4 k ( | 车0 9 6 2 6 0 ) 或2 k ( 2 0 4 8 i 0 8 0 ) 静鼙豫，著秘音频数据麓密形成数字电 影包( d c p ) ，通过网络、卫星或其它物理存储介质分发到各数字影院系统。 由于这些公司麦导着世器数字电影市场的发展，该标准很有可能成为全 球通用静标准。这对于性链牵越而应爝壤广一壹低迷静j p e g 2 0 0 g 标准来说， 是一件非常振奋的潦情。 m a 甜e r l n gt r n s p o r ts t o r g ep r 0 e ( 芽l o n 0 c pv l a o p h ￥5 1 0 a l 静e d p 一 图1 3 数字影院的1 作流程 1 2 2m p e g 4 的静态纹理编码 在m p e g 4 中羚态纹理编码采用小波交换。如璺一4 激示静态纹理经小波 ；圜，；豳。 薰器燮黼蠹一 浙江人学博士学位论义冲城图像，视频艇缩算法及箕v ls i 实现体泵研究 ( d a u b e e 纛i e s9 舄) 二维变换生袋壹滚系数，朝低凝予带l l ，氇生残了交滚 系数，即高频子带l h ，h l 和h 。由于l l 子带几乎是重要信号成分，因此不 需经过零树扫描方式去编码，直接由d p c m f d i f f c r e n t i a lp u l s ec o d e 瓢o d 蠢采i o n ) 逶过线瞧预涎对联溅谖号误蓑帮分终缀羁。毫簇子豢l ，珏l 彝 h h 先经过标量量化( s c a l a r q u a n t i z a t i o n ，s q ) ，然后再经由零树编码( 黼r o t r e e c o d i n 氍e z w ) 将这些高频成分很有效率地，用几个位来作编码，达到压缩的 鬟静，最瑶掰袁结象都经过雾寒编羁( a r i 氇m e t i ec o d i n 函痿缭。 壁1 4m 瞪g 4 静态绞理编羁蒙理 1 2 - 3 2 6 4 的可伸缩编码 h 2 6 4 最然也怒混合式编码，餐采麓了许多新的技术： 运动补偿方面：可变块大小运动补偿，最小的运动补偿块可以小到4 4 ， l 4 运动补偿精度和多参考图像运动 偿。 顿肉空阋预测：将编码圈像边沿进行矫撵应蠲到当前桢内编鹞辫像的预 测。 循矮去块效应滤波：自邋疲去块效应滤波，熊套效消滁块效应，改善视 频豹主观和客观质量。 整数余弦变换：以前余弦变换块都是8 8 ，凰余弦算予为浮点数，而 ，2 6 戢茂v c 熬余弦算予为整形，主要捷爨霹4 交换块，使绽弼器表示绩号局帮 邋应性更好，更适含预测编码，减少“铃”效应。 基于上下文的熵编码：h 2 6 4 a v c 使用两种熵编码方法，上下文自适应 静露变长缡妈( c o n t e x a 硅a p t i v e v 蠹i 酶l o l 锺g 氇c o d i n g ，c a v l e ) l ”秘上下 文自适应二进制算术编码( c o n t e x t a d a p t i v e v 捌如l e l e n 昏h c o d i n g ，c a b a c ) 。 h ，2 6 碡静爵 孛缓壤码主癸露懿是璎强珏2 6 碡健之其餐可 枣拣编褥斡戆 绪论 力。嚣游，霹 孛缭靛稷频编璃主要基于运动蛰嫠瓣阉滤波( 磁o l i o n c o m p e n s a t i o nt e m p o r a if i l t e r i n g ，m c t f ) 的框架，而m c t f 是将提升小波 变换引入列运动补偿之中的一种技术。h 2 6 4 的可伸缩编码的主要方案有两 个，一个楚骧软鬣瀵骚究藏三维子荣小波视凝编码方鬃，舅一个是基予霹 h 2 6 4 ，a v c 的可伸缩编码扩展方案。2 0 0 4 年七月份的m p e g 会议的测试结果 显示h h i 架构的臌缩性能在大部分的测试条件之下( 码率、分辨率和每秒帧 数) 都跑3 d ，d w 下絮秘静实黢效栗要露。 鹫1 5 珏。2 6 4 的霹 幸缨绫羁捱絮 h h i 的提案中有许多的编码模式都可以沿用h 2 6 4 标准的功能，如帧间 运动馈计豹方法，簸肉疆溅簿。其编羁絮稳主要豹跨餐鸯；菱奉瑟(