（电路与系统专业论文）jpeg2000算术编码的研究与fpga实现.pdf

海大学硕。l 学：论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的f = j | = 究与f p g a 实现 摘要 j p e g 2 0 0 0 是由i s o i t u t 组织下的i e c 盯c 1 s c 2 虮v g l 小组制定的下一代 静止图像压缩标准。与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 ) 相比，j p e g 2 0 0 0 能够提供更好的数据压缩比，并且提供了一些j p e g 所不具有的功能【l 】。 j p e g 2 0 0 0 具有的多种特性使得它具有广泛的应用前景。但是，j p e g 2 0 0 0 是一个 复杂编码系统，目前为止的软件实现方案的执行时间和所需的存储量较大，若想 将j p e g 2 0 0 0 应用于实际中，有着较大的困难，而用硬件电路实现j p e g 2 0 0 0 或 者其中的某些模块，必然能够减少j p e g 2 0 0 的执行时间，因而具有重要的意义。 本文首先简单介绍了j p e g 2 0 0 0 这一新的静止图像压缩标准，然后对算术编 码的原理及实现算法进行了深入的研究，并重点探讨了j p e g 2 0 0 0 中算术编码的 硬件实现问题，给出了一种硬件最优化的算术编码实现方案。最后使用硬件描述 语言( v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，v h d l l 在寄存器传输级( r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ，r t l l 描述了该硬件最优化的算术编码实 现方案，并以a l t e r a2 0 k 2 0 0 ef p g a 为基础，在a c t i v e h d l 环境中进行了功能 仿真，在q u a r t u si i 集成开发环境下完成了综合以及后仿真，综合得到的最高工 作时钟频率达4 5 8 1 m h z 。在相同的输入条件下，输出结果表明，本文设计的硬 件算术编码器与实现j p e g 2 0 0 0 的软件：j a s p e r l 2 】中的算术编码模块相比，处理 时间缩短了3 0 左右。因而本文的研究对于j p e g 2 0 0 0 应用于数字监控系统等实 际应用有着重要的意义。 关键词：j p e g 2 0 0 0 ，算术编码，现场可编程逻辑阵列，硬件描述语言，综合 第1 贝 f ：海人学硕1 学位论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究if p g a 实现 a b s t r a c t j p e g 2 0 0 0i san e w l yd e v e l o p e ds t i l li m a g ec o m p r e s s i o ns t a n d a r db yt h ei e c j t c l s c 2 9 f f v v g lg r o u p ，w h i c hb e l o n g st ot h ei s o i t u to r g a n i z a t i o n c o m p a r i n g w i t hj p e g j p e g 2 0 0 0c a np r o v i d eb e t t e rd a t ar a t i o s b u tm o r et h a nt h i s ，j p e g 2 0 0 0 p r o v i d e s a g r e a t d e a lo fe x t r a f u n c t i o n a l i t y t h a ti sn o tf o u n dw i t h i nt h ej p e g a l g o r i t h m b a s e do nt h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，j p e g 2 0 0 0w i l lh a v ec l e a rp r o s p e c ti ni t s a p p l i c a t i o n u pt on o w , j p e g 2 0 0 0 i sac o m p l i c a t e dc o d i n gs y s t e mt h a tt a k e sal o n g t i m ea n dl a r g em e m o r yw i t ht h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，s oi ti sv e r yd i f f i c u l tf o ru s t om a k ej p e g 2 0 0 0b eu s e di nr e a l i t y t h e r e f o r e ，i ti s i m p o r t a n tt oi m p l e m e n tt h e w h o l eo ro n e p a r to ft h ej p e g 2 0 0 0e n c o d i n g d e c o d i n gs y s t e mo nh a r d w a r ec i r c u i t s ， w h i c hc a nr e d u c et h et i m ej p e g 2 0 0 0t a k e s t h i st h e s i s f i r s t l y i n t r o d u c e sj p e g 2 0 0 0 - - t h e n e w l yd e v e l o p e d s t i l l i m a g e c o m p r e s s i n gs t a n d a r d ，t h e nw e h a v ea i n - d e p t hr e s e a r c ho n t h ep r i n c i p l e so fa r i t h m e t i c c o d i n ga n di t sa l g o r i t h m s ，a f t e rt h a t ，w ef o c u s e do nt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no f t h ea r i t h m e t i c c o d i n gm o d u l e i nj p e g 2 0 0 0a n da n o p t i m a l h a r d w a r ea r i t h m e t i c c o d i n gp r o c e d u r e i s p r e s e n t e d a tl a s t ，t h eo p t i m a l h a r d w a r ea r i t h m e t i c c o d i n g p r o c e d u r ei s d e s c r i b e da tr t l u s i n gv h d ll a n g u a g e b a s e do na l t e r a2 0 k 2 0 0 e f p g a ，p r e s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tw i t ha c t i v e h d l ，s y n t h e s i sa n dp o s t s i m u l a t i o n a r ec o n d u c t e dw i t hq u a r t u si i t h ee s t i m a t e dc l o c ki s4 5 8 1 m h z w i t ht h es a m e i n p u t s ，t h eo u t p u t ss h o wt h a tt h eh a r d w a r ea r i t h m e t i ce n c o d e rd e s i g n e db yu sc o u l d p e r f o r mi t sc o m p u t a t i o ni na p p r o x i m a t e l y7 0 o ft h et i m et a k e nb yt h ea r i t h m e t i c c o d i n gm o d u l ei n t h e j a s p e rs o f t w a r e 吐s o ，t h er e s e a r c ho fo u rt h e s i s m a k e si t p o s s i b l ef o rj p e g 2 0 0 0 t ob eu s e di nr e a l i t ys u c ha st h ed i g i t a lm o n i t o r i n g s y s t e m k e yw o r d ：j p e g 2 0 0 0 ，a r i t h m e t i cc o d i n g ，f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y l v t t d l l a n g u a g e ，l o g i c a ls y n t h e s i z e 招i i 负 原创性声明 本入声明：新呈交静论文是本人在导爹牵指譬下进行的研究工作。 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发表 威撰写过的研究成果。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：至燃囟日期趁垒：! ：5 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权锞留论文及送交论文复印件，允许论文被套阕稻借阕；学校可 以公布论文魄全部或部分成容。 ( 保密的论文在聪密后应遵守此趣定) 签名：兰韭茜导师签名：刍叁垂：塑日期：塑生! ! 主 上海人学砸 。学位论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的f 究jf p g a 实现 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 j p e g 2 0 0 0 1 】照由i s o i t u t 组织下的i e cj t c l s c 2 9 w g l 小组制定的新的 静丘鹜稼聪缩标絮。与j p e g 稻魄，j p e g 2 蝴靛够提供燮簿豹数据压缡吃，僵 同时，j p e g 2 0 0 0 又提供了一些j p e g 所不具有的功能：采用离散小波变换( d i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m ，d 、t ) 和最新静嵌入式码块编鹬技术( e m b e d d e db l o c kc o d i n g w i t ho p t i m i z e dt r u n c a t i o no ft h ee m b e d d e d b i t s t r e a m s ，e b c o t ) 。q ；在同一个压 缩码流中，通过选择参数，能够对图像进行有损和无损两种压缩；按照像豢精度 或者分辨零进行累进式传簸；照移l 夺取粒处理码瀛以及羰豹抗误码特性等等。 j p e g 2 0 0 0 具有的多种特性使得它具有广泛的应用前景，但是，在算法复杂度上， l p 萎g 2 0 豹羲 亍鼹阔帮搿嚣豹存继量较大。 目前为止，j p e g 2 0 0 0 的解决方案比较少，并且其中的绝大部分是软件解决 方案，雾籀著名豹免费软停j a s p e r ( “。然蠢，j p e g 2 0 0 0 算法复杂，蠡袋怒挺 j p e g 2 0 0 0 应用于数字监控系统，那么目前的解决方案显然不能提供最佳的码流 馋输速度，透两影响监控辫像静震鲎。文献f 2 】疆掰，在j a s p e r 软件中，算术编 码和离散小波变换两个模块占据了整个系统的相幽部分时问开销，因而游使用 硬件实现舞术编玛模块，必将大大提高算术编码静编码效率，进而减少j p e g 2 0 0 0 的执行时嘲，使得j p e g 2 0 0 0 在诸如数字监控系统等实际应用中成为可能。 1 1 1 算术编码简介 算术编码p 】怒种无失真的编码方法，能有效地压缩倍源冗余度，使编成的 秘搴趋予蔼溪舞戆。其基本愚想裁是鬏摄臻淫发凄不羁符号匏摄率，把某个姆定 区间进行不断地划分，使得信源发出的不同符号序列对应该特定区间上不同的子 区阕。每个子区阕都可蔽瘸英中瓣一个实数表示，哭要它燕够糖礁，也藏楚它貔 比特数足够多，总可以和其它子区间分开来。这个数就是该符号序别所对应的码 字。显然，如果一串符号序列发生的概率越大，对应的予隧闻就愁宽，要裘达它 所朋的比特数就越少，因丽相应的码字就越短。 第1 搬 j ：辩人学坝士举位论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究jf p g a 实现 算术编码的一个重要特点就是不需要事先知道信源发出各符号的概率，即不 依赖于各襻号韵竞验概率。它可懿辙器洽当的概率髂诗模墼鞠当稀符号序列中各 符号出现的频率，期适应地调整对各符号概率的估计值。因此，与h u f f m a n 编码 相比，适应性更强，压缩效果也更好。 箕术缡玛的卓越性能 6 1 馕其在多媒体领域褥到了越寒越广泛的应用。 h 2 6 3 ”、j b i g8 1 以及最新的图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 1 1 中均采用算术编码，而这 些标准已经广砭圭| 叠运蠲在渚囊霆运程簸控、嚣特霹数据传羧等应焉镶躐。 l 。l 。2 算术编码的发展及研究现状 算术编码的思想可以追溯至f j l 9 4 8 年s h a n n o n 的论文中，2 0 世纪6 0 年代初期， e l i a s 提出了算术编粥的概念，使得算术编码向实用化方商前进了一大步。僮此时 的算术编码仍然需要无限耩度的浮点运算，这对于当时的技术和实用化进程是一 个无法克服的障碍。7 0 年代，r i s s a n n e n 和p a s c o 分别提出了用有限精度逼近的算 法，从此箕零缠码开始进入实鼹化除段。进入8 0 年代，算术编玛款磷突达到麓瀵， 国外对算术编码的研究较多，r i s s a n e n 和l a n g d o n 等人在此期间取得了许多煎要 静应蘑p t ， ；国走豹磅究穗对鞍少，应嗣不是穰广泛。嚣耨，算术缡玛豹瑾论已 经熬本成熟，主要研究工作放在算法实现技术的改进和应用上 。z l 。 算术编码扶统计模型分黉，可分为概率统计豹蠲定模式黻及自适应模式两种 编码方式。采用固定模式需要事先对码书中的码字避彳亍预扫描，以统计各码字出 现的概率，北过程计算量比较大。而自适应模式各个符号的概率初始值设为相同 值，它们依据出现静码字嚣相应地改变箕概枣篮，菪蹬现载躲码字，只震要在码 书中添加即可。只要编码器和解码器使用相同的_ 仞始值和相同的改变值的方法， 窭么它船黪攘率模型耨操持一致。鬃璃器接收裂下一拿羁字对萁绫弼，然后改交 概率模型，解码器根据当前的模式解码，然质再改变自己的概率模型。目前，自 适瘦算术编褥直矮魄较广泛。 算术编码从信源分类，霹分为多避制和二进制鼹种编码方式，多避制算术编 码由于其复杂性，实际应用比较少，文献【6 给出了一种多进制算术编码的软件 实现方法，强二进巷簿术编璐出于其簿易性，应用院较广泛。在较遮款算术缡璃 籀2 负 潍入学硕1 学位论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究，f p g a 实现 算法中，移位加( s h i f l a n d a d d ) 去除乘法的概念更加普遍j i l l ，编码效率也明湿提 高。并行算术编码设计方案的出现2 1 - 2 q ，刘使编码效率有了进一步的提高，但 同野寸也是镁簿法更加复杂。 1 1 3 实现算术编码的难点问题 ( 1 ) 是概率模型的确立，根据概率模型的确立方式的不同，可以将算术编码 分为嚣类，一类是豳定模鍪戆算术缀码，另一类是囊适应摸型豹算术编码，露定 模型的算术编码是按照预先指定的概率模型来进行编码，而自适应的算术编码是 鬏攒己缟玛豹基号来传诗概率模奎。 ( 2 ) 进位翻转( c a r r y o v e r ) l - i 题：裔时，当a ( s ) 加到码流c ( s ) 上时t 个加法 进位会传播出固定精度的q 个比特，需要修改已经部分输出的部分，这样就造成 了邀位翻转阕题。去除篓法中的进位翻转问题可以袋爆鼹谬比特填充( b i ts t u f f i n g ) 加阻解决”1 。它的基本思想是，设置一个字长为v 比特的缓冲寄存器，用以保存 最邋豹v l 褥羁字。若这v 疆薅全为“t ”，鄹在最屠一个1 的岳瑟援久一令0 以“阻塞”连续进位。译码时，要不断监测移入浚缓冲寄存器的v 比特码字，进行 稆应的处理。 ( 3 ) 有限精度问题：在算法具体实现过程中，随着编码字符的不断增加，字 符串所对应的子区间【c ( s ) ，c ( s ) + a ( s ”变得越来越窄，筒表示这个区潮的精度是有 限的，这样裁存在一个有限精度的阀韪，为了解决这个问题，在算术编码过程中 采j = f j 重整化的方法1 9 1 1 2 论文的研究重点及贡献 本论文鲍臻究鬟点为算术编码算法秘实凝滋及j p e g 2 0 0 0 中算拳德强模块筠 f p g a 实现。 本论文的贡献主耍有以下两个方面： 1 ) 对实现算术编码的算法进行了深入的研究与分极，绘出了种硬件最优 化的算术编码实现方案。 ( 2 ) 镬矮f p g a 实现了( 1 ) 中给爨豹硬磐竣凌化的舞术绽鼹实褒方寨，绝暴表 蝌3 砸 ：海人学碳t 学位论立 j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究j jf p g a 实现 明大大提街了算术编码的编码效率，缩短了j p e g 2 0 0 0 的执行时间，对于 j p e g 2 0 0 0 应翊予数字监控系统等实际应雳裔饕重要静意义e 1 3 论文研究舞容酶编接 论文的各章内容编排如下： 第一章为绪论，明确了本论文研究的意义及内容，介绍了j p e g 2 0 0 0 以及算 术缓玛国内外爨磅究概漫，遴一步揭示了本谍题磷炎工佟黪必要性。 第二章介绍了最新的静止图像压缩标准- - j p e g 2 0 0 0 的特点和关键技术，使 读者对这一最赣静静杰嚣豫器瞎标激存裙步麓了解。 第三章对算术编码的基本原理进行了简单概述，给出了一种硬件最优化的算 术编鹃实现方案以及另井一种算术编码算法，并指出了这两种算术编码算法的适 用范围。在本章中，分别给出了解决1 1 3 节中的实现算术编码的三个难点问题。 第四章在第三章的基础上，使用f p g a 实现了该硬件最优化的算术编码算 法。绘出了功髓仿冀结果和综合基煞缝果，莠提出了验涯本文设计蛇硬馋算术绫 码器币确性的内容和方法，最后给出了基于实际图像的测试结果，并与j a s p e r 2 】 软馋中夔算零缡鹃模块筵理瓣润进行了魄较。 第五章探对了j p e g 2 0 0 0 中的算术编码模块在f p g a 实现中的一些难点以及 这篓难点豹解决方法。 篇六章程前面几章的基础上，对本文的工作进行了总结并对以后的工作作了 震望。 4 氍 海夫学硕0 学位论史 j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究f p g a 实现 第二章j p e g 2 0 0 0 图像压缩标准 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 圈德资糕静要求。倒魏：舔范特率匿缩往黢不高；不穗在霹一个垂绦鸫濂中凌时 提供很好的有损压缩和无损压缩；不支持大于6 4 0 0 0 。6 4 0 0 0 的图像；没有统一的 解码结构；抗误磷往能不够强；不擅长对计算视台成图像的编码；复合文秽压缩 性能不佳等。针对这些不足，在1 9 9 6 年的瑞士同内瓦会议上提出并制定了新一 代的j p e g 标准j p e g 2 0 0 0 。它的目标是在个统的集成系统中，可以便用不 同筑残像模型f 客户极鼹务器、实辩传送、强豫图书馆检索、毒限缓存积爨带资 源筹) ，对不同类型( 二值图像、灰度图像、彩色图像、多分量图像瓣) 、不同性质 馐l 然图像、 辛算聿旯塑像、毽学图像、遥感鬻像、羹台文本簿豹静止蓬像遴行压 缩。该压缩编码系统在保证失真率和主观图像质量优于现商标准的条件下，能够 提供黯蚕豫的低稿率压缩。豳2 2 帮瑟2 3 分潮示出了对予霹一幅图像，j p e g 2 0 0 0 和j p e g 在相同压缩比下的压缩效粜图，压缩效果圈显示j p e g 2 0 0 0 的压缩效果 远远优于j p e g 的压缩效果( 注：由于篇幅的限制，图像的意示小于实际图像) 。 鬻2 1 瑟始銎豫( 1 s s k b ， f i g 2 1o r i g i n a li m a g e ( 1 5 8 k b ) 第5 蚝 上海大学硕士学位论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究与f p g a 实现 固2 2j p e g 2 0 0 0 蓬缭霆像f l 。8 r m ) f i g 2 2j p e g 2 0 0 0c o m p r e s s i n gi m a g e ( 1 擂k b l 圈2 , 3j p e g 压缩胬像f 1 8 k b ) f i g 2 3j p e gc o m p r e s s i n gi m a g e ( 1 8 k b ) j p e g 2 0 可分为7 个部分： p a r t1 、图像编码系统，是标准的核心系统： p a r t2 、扩展系统，在核心系统上添加了一些功能： p a r t 3 、运动j p e g 2 0 0 0z * - 2 6 1 ，针对运动霾豫撵逡鳇瓣浚方案： p a r t 4 、兼容性； p a r t5 、参考软件： 拇6 呶 j ：海人学硕士学位论文j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究，f p g a 实现 p a r t6 、复合图像文件格式，主要针对印刷和传真应用； p a r t7 、技术报告，介绍实现p a r t1 所需的最小支持环境。 j p e g 2 0 0 0 标准是由联合图片专家组于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。几年来，包括惠普、爱立信和夏浦在内的近百个国际 公司和高等研究机构，参加了j p e g 2 0 0 0 的研发工作。j p e g 2 0 0 0 第一、二、五 部分的f c d ( f i n a l c o m m i t t e ed r a f t ，最终委员会草案1 分别于2 0 0 0 年3 、6 、1 2 月 完成，第一部分的f 式国际标准( i s o i e c1 5 4 4 4 1 ) 也己经在2 0 0 1 年正式出版。 国际标准化组织的w g i 小组已于2 0 0 0 年8 月制定了最终的国际标准化草案( t h e f i n a ld r a f ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d 。简称f d i s ) 。 2 1j p e g 2 0 0 0 的基本框架和实现 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离散小 波变换，随后根据变换后的小波系数的特点进行量化，接着对量化后的数据进行 熵编码，形成输出独立的嵌入式码流，然后将得到的所有码块的嵌入式码流，按 照率失真最优原则分层组织，形成不同质量的层。对于每一层，按照一定的码流 格式打包，输出压缩码流。 望堡塑鍪塑瓜 d c 位移蔼哥撅艄 卷 坌嫠匕型刘打包| _ 堡驾 塑j 位流l f 码流 图2 4j p e g 2 0 0 0 编码器结构框图 f i g 2 4c o d e r s t r u c t u r eo fj p e g 2 0 0 0 解码器相对比较简单，根据压缩码流保存中的参数对应于编码器各部分进行 逆向操作，输出重构图像数据，如图2 5 所示： 第7 页 ：海太掌磷 ：学：论文 j p e g 2 0 0 0 冀术编礴魏骈究f p o a 实程 塑2 5j p e g 2 0 0 0 壤码器络掏糕滏 f i g 2 5d e c o d e r s t r u c t u r e , o fj p e g 2 0 0 0 在避抒垂臻之嚣，挺淫鬻豫数据分残枣豹被穗隽t i l e 黪“图像片”，热嚣2 6 所示。将每个t i l e 看作小的源图像，进行图2 4 和图2 5 所示的编解码。 分墟t i l et i l e 源翻缘 蚕2 , 6 瑟像分片 f i g 2 ，6i m a g e t i l e 整个j p 嚣g 2 0 0 0 躺编码过程荀械耩如下： c l d c 魄乎傻移 类似于j p e g ，j p e g 2 0 0 0 对潮像的无符号分赞进行d c 电平位移。罄迸符号 蕊像努鬟糟p 愆：迸截袭示，癸j 对这些蠢符号分餐样本缓减去2 “。 ( 2 分量变换 许多图像鼹幽多个分量组成的，如彩色图像。分量之间存在定的相关性， 瀵过藤辐关静分餮变接，鞋躐小数撂黼魏冗余发，箨离疆臻效率。 在j p e g 2 0 0 0 编码系统中，分量变换是可以选择的，j p e g 2 0 0 0 采用两种变 换：可滋静分i 萋变换承e t ) 秘不可逆静分薰变换o c t ) 。可遂静分鬣变换鼹可雳予 骜损压缭也可爆于无损蠖缀，两不可逆的分量交换只能髑于有损压缩。 ( 3 ) 小波变换 熟静嚣繇程戮懿，鞋 e 毒髓穗多卞分爨稔或，每个分 鍪稼为t i t e 。c o m p o n e n | 。 棼颤 姆人学制l ：学位论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究与f p g a 实现 以t i l e - c o m p o n e n t 为单位，迸行离散小液分解，分解的级数根据其体应用而定。 不同予传统的变换，小波变换具有对憾号进行多分辨分析和反映信号局部特 征的优点。通过“变尺度”和“平移”运算，小波变换在空域和频域二为图像提供大 小爵变酶渗动霞爨，在不弱豹足度上对鹫像进行分叛，获取图像在不疑空域和频 域上的局帝| j 特征。多级小波分解麝，小波繇数在临近两级之间存在位置相关，通 遥多分辨袭示，对位置僖悫编玛，霉反映瓣像兹部分边缘傣惠，在绦迁压维昆熬 熬础上，使重构的图像具有较好的主观质艟，可避免j p e g 标准因采用离散余弦 变换f d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ，d w r ) 丽造成酶方块效应。 照外，对图像信号避行多级小波分解，可得到不同空划分辨黎的图像逼近， 使得压缩码流具有空间分辨率可分级的特性f 7 l 。这一特点允许压缩码流在不同 懿分舞率解羁器上解强、显示。 在j p e g 2 0 0 0 的系统中，每个t i l e 进行如图2 7 所示的m a l l a t 塔式小波分解。 缀过大懿戆溅试，j p e g 2 0 0 0 选臻嚣释滤波嚣：l eg a l l ( 5 ，3 ) 滤波器窝 d a u b e c h i e s ( 9 ，7 ) 滤波器。前者是定点运算，可用于有损或无损图像压缩，后者是 浮点运算，只能黼于有损匿缩。 执2 h l 2 h l i l h ：l h h 。 l h lh h i 强2 7m a l l a t 塔式小波分筋 f i g 2 7w a v e l e td e c o m p o s i n gu s i n gm a l l a ts t y l e ，l 、波分戆可采用提静小波变换快速舅法。提升小波变换豹谯点在于速度抉、 运算复杂度低、所需的存储空间少，而且，得到的小波系数与使用传统小波变换 续莱裙露。提嚣，l 、波交换豹过程翔强2 8 掰示，蓠先黠二缨銎像数据遂嚣方南与 列方向上的一维滤波，然后把滤波后的数据进行解交织，得到相应的l l ，h l ， l h 和h h 子带。与正向掇舞小波变换过稔稽反，菠向提升小波变换尉先祀l l ， h l ，l h 和h h 予带交织成一个二维矩阵，然后进行行方向和列方向上的反向一 第9 页 海大学碗j 。学位论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究与f p g a 实现 维滤波。 图2 8 提升小波算法 f i g 2 8l i f t i n g w a v e l e ta l g o r i t h m ( 4 ) 量化 进行图像压缩，尤其是有损压缩，一个关键的步骤是对变换后的系数进行量 化。由于人类视觉系统对图像的分辨率有一定的界限，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前提下，达到图像压缩的目的。量化的 关键是根据变换后图像的特征、重构图像质量的要求等因素设计合理的量化步 长。 在j p e g 2 0 0 0 系统中，每个t i l e - c o m p o n e n t 经过n 级小波分解，得至i j ( 3 n + i ) 个子带。由于每个子带上的小波系数反映了图像不同频域的特征，具有不同的统 计特性和视觉特性，因此可以对每个子带采用不同的量化步长进行量化。量化后 的小波系数用符号和幅度值来表示。 ( 5 ) 嵌入式码块编码 在j p e g 2 0 0 0 系统中，将量化后的子带划分成小的码块，认为码块间相互独 立，以码块为单元，进行嵌入式码块编码。嵌入式码块编码【3 。5 i 的基本想是通过 计算适当的码流截断点，将压缩生成的码流划分成若干子集，每一子集表示对源 图像的一个压缩。嵌入式码流可在任意一处被截断，得到具有不同码率或质量的 重构图像。 为了更好得应用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 缩码流和解码所需参数的格式，把压缩码流以包( p a c k e t ) 为单元，进行组织，形 成最终的码流。 2 2j p e g 2 0 0 0 的目标与特点 j p e g 2 0 0 0 是新的静止图像压缩标准，其目标是在一个统一的集成系统中， 第1 0 负 上i f 辜夫学硕j + 学n ：论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究jf p g a 实耽 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、有限缓冲和 带爨资源等) ，对具旁不同特援( 如囊然图像、计算机图形、医疗图像、遥感圈缘 咀及复合文本等) 的不同类型( 如二值、灰度、彩色或者多分鳖图像) 的静止图像进 行压缤，在低院特率熬聿毒爨下，获褥滋曩 l 拣准更好貔率失褰牲旋葶翼主理强缘痿 量。j p e g 2 0 0 0 具肖以下主要特点： ( 1 ) 良好的低比特率压缩性能 这是j p e g 2 0 0 0 豢主要懿特镊。嚣藩懿j p e g 标准，对予绥节分量多熬荻凄 图像，当硝率低于0 2 5b p p ( o 2 5b i t 像素) 时，视觉失真大。为克服这一点，要求 j p e g 2 0 0 0 在低比特率下有良簿斡率失真性能，以滔应网臻、移动遴信等畜陵带 宽的应用嚣要， ( 2 ) 连续色调和二值图像压缩 鑫裁翁j p e g 檬准对予鑫然圈像翼毒较婷豹垂臻蛙簸，但是当掰子诗冀楗图 形和二值文本的压缩时，性能变差，不适用于复合文本压缩。为了敬进这点， j p e g 2 0 0 0 往同一系统中采用相继鹣方法，能够对秘然图像、复合文本、藩学图 像、计算机图形等具有不同特征、不周类型的图像进行压缩。 ( 3 ) 有损和无损压缩 对于嗣静的j p e g 标准，在同个压缩码流中不能同时罐供有攒和无损两静 压缩，两在j p e g 2 0 0 0 系绞中，通过选择参数，能够对图像进 亍有损和无损两秘 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。 ( 4 ) 渐进传送 在某些应瑗( 热因特嬲、塑像存挡窝打印) 中，激进终辕爨岿要豹。j p e g 2 0 0 0 在传输时，不像传统的j p e g 习i g 样，由上到下从左到右一个缺一个块地慢慢传输、 显示，秀燕类蔽予g l f 格式懑像懿“激显特蕊”。它先倭输甏像豹轮臻，然屠逐步 传高图像质量的数据，接收端就可以根据不同的像綮精度( 位深度) 和图像空f 白j 分 辨率寒重稳謦深，速图像融艨胧虱清晰显示。这个特往在有滩宽带黪嘲络t 进行 浏览表现锝尤为突出。当下载一个图像时，只看到图像的轮廓或缩像，就可以决 第l l 负 上海人学硕1 j 学位论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究与f p g a 实现 定是否需要下载它了：在决定下载的同时，还可以根据实际需要决定下载图像的 质量高低，从而控制数据量的大小。 ( 5 ) 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通道实时解码。固定 尺寸( 固定全局码率) 意味着整幅图像编码后的总比特数是一个固定值，这样对于 具有有限存储空间的硬件设备就可容纳完整的编码流 ( 6 ) 随机存取和处理码流 在有些情况下，图像中只有- 4 , 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( r e g i o no f i n t e r e s t ，n o i ) ，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。在传输中可以对r o i 部分进行随机 解压缩，而其余码流仍处于压缩状态。随机处理指的是在不解压全部码流的前提 下对r o i 对应的图像进行平移、旋转、缩放等常见操作。 结合j p e g 2 0 0 0 的渐进传输特点，可以知道接收端不必等待所有的数据都传 到，就可从传输的码流中解压出逐步清晰的图像；接收端在观察中可以多次指定 新的感兴趣区域，编码过程在已经发送的数据基础上继续编码，而不需要重新开 始。 f 7 ) 强的抗误码特性 在无线通信信道上，嗓声干扰大，这就希望压缩码流具有较强的容错性能。 j p e g 2 0 0 0 系统通过设计适当的码流格式和相应的编码措施，来减小因解码失败 造成的损失。 2 3j p e g 2 0 0 0 关键技术 为了提高j p e g 2 0 0 0 的性能，在其编码系统中采用了一些关键技术，如 r o i 区域处理，分层组织压缩码流，随机存取码流，提高码流的容错性，以及利 用人类视觉系统模型进行图像质量评价等。 上海人学硕l 学位论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究if p g a 实现 ( 1 ) r o i 技术 在处理图像时，通常只对其中的部分区域感兴趣，对这样的区域往往有较高 的质量要求，有时甚至希望是无损压缩。为了得到较高的压缩效率，可把图像的 其它部分看成是背景，进行压缩比较高的有损压缩。在传输图像码流时，感兴趣 区域f r o i ) 可先于图像的其它部分被传输，如果压缩码流被截取，则在一定程度 上可保证r o i 的质量。j p e g 2 0 0 0 系统采用m a x s h f f t 方法来实现r o i 技术。其基 本思想是为r o i 区域产生一个r o i 模板，用来标志r o i 区域。选择适当的比例 因子p ，对位于r o i 模板区域之外的背景量化系数进行比例缩小，即背景系数的 幅值除以2 - ，使所得到的数值小于r o i 模板中最小的量化系数幅值。这样处理 后，位于r o i 模板内的量化系数所处的位平面高于背景系数所处的位平面，因 此，在后面进行位平面算术编码的时候，先对r o i 区域中的量化系数编码，然 后再对背景系数编码。因为r o i 区域的位平面高于背景区域，从而使得r o i 区 域的压缩码流位于整个码流的前端，当码流被截断时，r o i 区域中的数据在一定 程度上受到保护，保证了r o i 的重构质量。 在解码器端，将解码后的量化系数与r o i 阂值相比较，若小于r o i 闽值， 则判定是背景系数，对其进行反向比例放大，即乘以2 一，进行恢复，得到重构 所需的小波量化系数。 ( 2 ) 分层组织嵌入式码块位流 多级小波分解后，码流在空间分辨率上具有可分级性。为了使压缩码流具有 质量上的可分级性，实现网络浏览、远程图像的累进式传输，j f e g 2 0 0 0 标准对 编码后的码块位流，采用p c r d ( p o s t c o m p r e s s i o n gr a t e d i s t o r t i o no p t i m i z a t i o n l 算法思想f ”，计算码块位流在每一层上的截断点。将所有码块位流按照截断点分 层组织，形成具有不同质量级的压缩码流。图2 , 9 给出了码块编码位流分层组织 的示意图。从图上可看出，码块的嵌入式压缩位流分布在不同的层上，不同的码 块对不同的层有不同的贡献，即使同一码块，对不同的层，贡献也可能不同，有 的码块甚至对某一层根本就没有贡献。 第1 3 负 二海人学坝i 学位论立 j p e g 2 0 0 0 算术编玛的研究jf p g a 实现 码块l码块2码块3码块4 码块5码块6码块7 无 圈一先豳豳蕊溺乖匮 嘲藤蓊嘲露溺 ；j 由无 圈一k 鼻圈圈豳 nl_ 光-_ m_ 一一- 图2 9 码块编码位流分层组织 f i g 2 9c o d e b l o c kc o d i n g b i t s t r e a m si nq u a l i t yl a y e r s 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，在网络上进行图像浏览时，可先传送第一层，给用户一个较粗的图 像，然后再传送第二层，图像质量在第一层的基础上得到改善，这样一层一层地 传输下去，可得到不同质量的重构图像。如果传输了所有的层，则可获得完整的 图像压缩码流。图像的这种分层累进式传输可以让网络用户根据自己的需要，控 制图像的分层传输，当用户得到满意的图像效果时，便可终止传输，而不必像原 先那样，只有等收到完整的压缩码流后，才能显示或处理图像。这种方法，在某 种程度上可缓解当前网络带宽有限而图像数据量大所造成的瓶颈问题。 j p e g 2 0 0 0 由于采用了这种思想，使得压缩生成的码流同时具有质量可分级 性和分辨率可分级性，允许许多应用环境对其进行灵活的处理。 ( 3 ) 随机存取 有些应用只需得到整幅图像的部分区域即可。使用传统的方法，首先需解码 整幅图像，然后寻找所需的部分。这种方式不适应存储空间或带宽资源有限的场 合。更好地解决方法是希望从压缩码流中提取所需的部分图像压缩位流，直接将 其解码，重构出所需的图像区域。由于j p e g 2 0 0 0 标准基于小波变换，使用具有 紧支撑并且近似于正交的小波滤波器进行分解，利用小波变换的局部特性，可识 别部分图像区域在子带上的映射。而且，每个码块是独立进行编码的，因此，通 过选取含有此部分图像区域信息的码块压缩位流，进行解码，可以重构出所要的 目标区域。此外，r o i 技术在很大程度上为实现随机存取码流提供了一种渠道。 笫1 4 虹 ：海大学硕j ：学位论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的研究jf p g a 实现 ( 4 ) 抗误码性能 通常，无线通信信道上有很大的噪声干扰，往往会形成随机的或者迸发性的 比特错误。在互联网上，由于堵塞也会产生丢失数据包的错误。因此，要求在这 种环境中传输的数据码流具有较强的容错性。在j p e g 2 0 0 0 标准中，采取了一些 措施，来提高图像压缩码流的抗误码性能。 ( i ) 分块编码 把量化后的子带系数分成若干个小的编码单元：码块，对每个码块进行独立 编解码。这样，当一个码块的位流发生比特错误时，只会把错误引起的影响限制 在本码块中，不会造成误码的传播。 ( i i ) 算术编码的终止处理 在进行嵌入式码块编码时，允许算术编码器在每个编码通道上终止，重新初 始化上下文。这样，解码器发现错误时，可终止该编码通道的解码，对后面的编 码通道位流继续执行正确的解码过程。 ( i i i ) 压缩码流格式中的抗误码处理 在形成最终的压缩码流时，采用了称为包( p a c k e t ) 的结构单元，用来存放压 缩码流数据。每个包的数据前面含有再同步信息标志，允许发生错误后重新恢复 同步。 2 4 本章小结 j p e g 2 0 0 0 是为2 1 世纪图像压缩应用制定的新的静止图像压缩标准，该标准 采用小波变换和最新的e b c o t 压缩算法，不仅能获得较好的压缩比，而且对压 缩码流可进行灵活的处理，如随机获取部分压缩码流、累进式传输、实现r o i 以及压缩码流具有较强的容错性能等。j p e g 2 0 0 0 具有的多种优点使得它具有广 泛的应用前景，必将在2 1 世纪图像压缩领域发挥重要作用。在下一章中，将简 单介绍算术编码的基本原理，并对两种实现算术编码的算法进行深入研究，给出 一种硬件最优化的算术编码实现方案。 j 二海大学硕j 二学位论文 j p e g 2 0 0 0 算术编码的毋f 究与f p g a 实现 第三章算术编码算法的研究 在上一章中，主要介绍t j p e g 2 0 0 0 图像压缩标准基本框架、目标和特点。 本牵将介缓算术编褥静基本原瑾，黯实瑗籍术编璐鼢鼙法逡行深入磷究，绘窭一 种硬件最优化的算术编码实现方案。 3 1 算术编码的基本原理 与霍夫曼( h u f f m a n ) 编鹅不同，算术编码不属于分组编码范畴。算术编码利 臻骢是玛嚣闽分割瓣愚想，实现魏避程载怒对码嚣邂熬递麴分割。缡璐器将簿号 按已知的顺序在概率间隔为。至f j l 的线段上进行排列。每个符号按其概率大小赋予 一个菲重叠的予区闻，这个