（测试计量技术及仪器专业论文）基于小波变换的高速星载图像解码系统的核心模块设计.pdf

摘要 摘要 随着航天遥感技术的发展，空间遥感数据量日益庞大，图像数据量的巨增给 存储和传输带来了新的问题。一方面，星上存储器有限的存储空间难以满足巨大 的图像数据量的存储需求，另一方面，卫星有限的信道容量造成了传输的瓶颈。 因此，遥感图像的实时高倍率压缩成为解决以上问题的关键。同时，卫星遥感图 像自身具有显著的特点一细节非常丰富。众所周知，卫星飞行高度通常约在几百 千米高度以上，地面覆盖范围广，地面上的小目标在卫星成像后，通常只有几个 像素大小。由此，针对卫星遥感图像的压缩算法、实现方式、传输协议等均要根 据其自身的特点进行选择和重新设计。为此，本文主要基于f p g a 硬件实现方案 对j p e g 2 0 0 0 标准中的关键技术进行研究。 离散小波变换是j p e g 2 0 0 0 的核心之一，它和e b c o t 一起造就了j p e g 2 0 0 0 标准的优越性能。然而，由传统卷积方式实现的小波变换运算量大，难以在硬件 上实现。尤其在图像压缩应用中，经常需要多级小波变换来实现能量的集中性及 消除部分冗余信息，成为了j p e g 2 0 0 0 实时处理的一个瓶颈。腰e g 2 0 0 0 作为一个 完整的系统，任何一部分模块的性能都将影响整体性能的发挥，因此在f p g a 等 硬件实现中，离散小波变换的结构设计及算法改进成为关键。 本论文对j p e g 2 0 0 0 标准中的小波变换进行了深入的研究，结合目前工程实 现中常用的提升算法，从保障系统实时性的需求出发，以一种双路并行的设计结 构实现了小波逆变换的硬件实现。该方案力求资源的消耗量最小化，使系统能够 更加广泛的嵌入到各种应用场合。 关键词：图像压缩j 1 p e g 2 0 0 0f p g a 小波逆变换 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs p a c er e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y , t h ev o l u m eo fs e n s i n g d a t ai n c r e a s e sr a p i d l y s o ，t h eh u g ei n c r e a s i n gi nt h ev o l u m eo fi m a g ed a t ab r i n g sn e w p r o b l e m so ft h es t o r a g ea n dt r a n s m i s s i n g o no n eh a n d ，t h el i m i t e dm e m o r ys t o r a g e s p a c eo nt h es a t e l l i t ea r ei n a d e q u a t et om e e tt h eh u g ed e m a n df o rs t o r a g e ，o nt h eo t h e r h a n d ，c a u s e db y t h el i m i t e dc h a n n e l c a p a c i t y , w e e n c o u n t e rt r a n s m i s s i o m d i f f i c u l t t h e r e f o r e ，t h er e a l - t i m ea n dh i g hc o m p r e s s i o nr a t i oo ft h ei m a g ed a t ab e c o m e t h ek e yt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s m e a n w h i l e ，s a t e l l i t er e m o t es e n s i n gi m a g eh a si t s o w nn a t a b l ef c a t u r e - r i c hd e t a i l s a sw ea i lk n o w , t h es a t e l l i t ei su s u a l l ya b o u ts e v e r a l h u n d r e dk i l o m e t e r sa b o v et h eh e i g h to ft h ef l i g h tw i t hl a r g eg r o u n d c o v e r a g e ， c o n s e q u e n t l y , s m a l lt a r g e t so nt h eg r o u n du s u a l l yb e c o m e saf e wp i x e ls i z ea f t e rt h e p r o c e s so fs a t e l l i t ei m a g i n g r i c h l yd e t a i l e d ，h i g hr e s o l u t i o n ，m a k i n gr e m o t es e n s i n g i m a g ep r o c e s s i n gh a v eh i g h e rs t a n d a r dt h a nt h ei m a g ed a t ap r o c e s s i n go nt h eg r o u n d , a n db e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c ei nw o r k i n ge n v i r o n m e n t i t sm o r et e c h n i c a l l yd i f f i c u l tt o f i n i s ht h ep r o c e s s i n gi m a g ed a t a ( i n c l u d i n gc o m p r e s s i o na n dt r a n s m i s s i o n ) i nt h es p a c e f r o mt h i sv i e w , w es h o u l dc h o o s eo rr e - d e s i g nt h ei m a g ec o m p r e s s i o na l g o r i t h m ，t h e w a yo fh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o na n dt r a n s f e rp r o t o c o la c c o r d i n gt o t h e i ro w n c h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e ，i t sr e s e a c h e di nt h i st h e s i st h ek e yt e c h n i q u e so fj p e g 2 0 0 0 i nt h ep r o c e s so fd e c o d e sf p g a c o n t r i v i n g d w ti st h en u c l e a ro ft h ej p e g 2 0 0 0 s t a n d a r d , l e a d i n g j p e g 2 0 0 0t o h i g h p e r f o r m a n c ei nc o m p a n yw i t he b c o t h o w e v e r , t r a d i t i o n a ld w tc o n v o l u t i o n m e t h o d sr e q u i r el a r g ea m o u n to fc o m p u t i n g ，i ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v ei nh a r d w a r e e s p e c i a l l yi ni m a g ec o m p r e s s i o na p p l i c a t i o n s ，m u l t i - l e v e ld w ti so f t e nr e q u i r et o a c h i e v et h e c o n c e n t r a t i o no fe n e r g ya n dt h ee l i m i n a t i o no fs o m er e d u n d a n ti n f o r m a t i o n ， w h i c hb e c o m eab o t t l e n e c ko fr e a l t i m ep r o c e s s i n g s oi ti so b v i o u st h a ts t r u c t u r e d e s i g na n da l g o r i t h mi m p r o v i n gh e l pt oi m p l e m e n t a t i o no nf p g a i nt h i sp a p e r , at w o w a yp a r a l l e ld e s i g ns t r u c t u r eo fi d w ti sp r e s e n t e db y i n - d e p t hs t u d y , c o m b i n e dw i t ht h el i f tw a v e l e tc a l c u l a t ea l g o r i t h mt op r o t e c tt h e s y s t e mf r o mt h ed e m a n do fr e a l - t i m ep r o c e s s i n g a st h es y s t e ms e e k st om i n i m i z e c o n s u m p t i o no fr e s o u r c e s ，i tc a nb ee m b e d d e di naw i d e rv a r i e t yo fa p p l i c a t i o n s k e y w o r d ：i m a g ec o m p r e s s i o n j p e g 2 0 0 0f p g ai d w t 创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： ，日期型! ! ：! ! 兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期型! ! ：! ：! 兰 日期础z 2 ：。丝 第一章绪论 第一章绪论 【摘要】本章对图像压缩技术的发展现状作个简单的回顾，并对立题的意义进行阐述最后 对本论文的研究内容和章节安排进行了介绍 1 1 引言 近年来，世界范围内各种自然灾害频繁发生，人类赖以生存的自然环境进一步 恶化。特别是世界各地不断发生的地震、洪涝和强风暴等灾害，导致许多国家和 地区遭受巨大生命和财产损失。其中，汶川大地震对于中华民族造成的深重灾难 相信大家永远不会忘记。虽然地质灾难的发生不可避免，但是我们却可以依靠现 在的高科技手段来快速组织救灾工作，把人民生命财产的损失降低到最小。大家 知道，汶川大地震发生之后，由于通信瘫痪、道路阻隔以及天气恶劣，灾区范围 内的地面通讯设施是很难得到可靠的安全保障，因此使用星载卫星来实时的对地 面环境的状态进行监测来保障救灾工作的顺利开展就显得非常的必要。然而，救 灾工作所依赖的大量高分辨率遥感图像的传输和储存与现有相对有限的卫星传输 信道容量之间的矛盾日益突出，给数据的传输和存储带来极大的困难。因而，对 遥感图像进行适当的压缩处理就变得尤为必要。为了尽可能地减小存储设备的容 量需求及传输的时间，图像数据压缩传输的解决方案是非常必要的。 图像数据的压缩不仅是必要的而且也是可能的。数字图像能够进行压缩，主要 原因是图像数据在时间域、空间域和频率域等方面都存在很强的相关性，这表明 了图像数据存在多种信息冗余。按照信息论的原理，一幅图像按其信源熵的大小 给予相应的比特数即可表示。然而现实中由于很难获得每一个像素的熵值，因而 其数字化表示的每个像素都分配了相同的比特位，因此图像存在着大量的信息熵 冗余。自然图像的像素之间往往在亮度和色度上都存在着比较强的关联，这是图 像数据存在空间冗余的表现。连续图像前后数据帧之间存在较强的致性，这是 图像数据存在时间冗余的表现。很多图像存在比较强的纹理结构，其内部结构之 间有很多相似性，这是图像数据存在结构冗余的表现。一定范围的图像误差并不 能被视觉反映出来，这是由人眼的视觉特性造成的，也是图像数据存在视觉冗余 的表现。图像信息中不仅存在着冗余，还存在很多无用的或不相干的信息。图像 基于小波变换的高速星载图像解码系统的核心模块设计 最终是由人眼来观察和理解，在不影响图像所代表的主要信息的前提下，一定程 度的失真并不影响人对图像的理解。事实上，大量的数据往往是用在对这些不相 干信息的表示上。因此，使用图像数据压缩技术，在保证图像质量的前提下，降 低图像数据的冗余性、减少图像数据中无用的或者不相干的信息，从而用尽可能 少的比特数来表示数据图像中所包含的信息是完全有可能的。 由于航空航天技术及遥感遥测系统在多种应用领域有着不可替代的作用，这些 应用的发展又不断的对图像压缩编码的研究提出了新的挑战，因此相应的空间图 像压缩传输算法已成为数字信号处理技术的热门之一。 1 2 图像压缩技术的发展现状 图像压缩编码技术一直沿着两条主线索在不断发展，一是对图像信源特性的不 断认识；二是对人类视觉系统特性的不断认识。它大致经历了以下三个阶段： ( 1 ) 早期阶段的研究( 5 0 - - 一7 0 年代) 图像编码的发展起始于基于s h a n n o n 信息论的熵编码理论，该理论表明信源无 失真编码的下限是信源熵( 信源的平均信息量) 。这类编码技术的压缩效率有限， 压缩比徘徊在1 5 - - 3 之间，其代表方法包括h u f f m a n 编码、游长编码、算术编码 和l e m p c l z i v 字典编码。 ( 2 ) 中期阶段的发展( 7 0 - 一8 0 年代) 1 9 8 5 年，瑞士学者m k u n t 提出“第二代图像编码技术 的概念。区别于去 除图像统计冗余的早期编码方法，第二代图像编码技术以去除图像的视觉冗余为 主要目标，强调编码不仅应充分利用图像信源的局部和全局的统计相关性，而且 要利用图像内部的几何特征、自相似性和方向性等多种自然属性和规律，同时强 调对于图像不再简单地作为客观信源来看待，而在充分考虑人类视觉系统特性 h v s 的基础上，针对图像视觉信息进行有效编码。 ( 3 ) 当前阶段的进展( 8 0 年代至今) 这一阶段的编码技术又可称为现代图像编码技术，区别于经典图像编码技术， 其最大特点是引入了新的数学工具和理论。从8 0 年代末n 9 0 年代中期，大量崭 新的数学理论成果被引入图像编码领域，为图像编码技术的发展注入了巨大活力。 这些数学工具是：小波理论、分形几何理论、神经网络理论和计算机视觉理论。 第一章绪论 自从j p e g 2 0 0 0 标准发布以来，许多软件公司推出了它们的j p e g 2 0 0 0 的图 像处理软件，促进着该标准在商业上的应用。然而由于算法复杂和运算需求高， j p e g 2 0 0 0 标准的硬件设计一直比较滞后，直到2 0 0 3 年上半年a d 公司才推出了 据称是世界上第一款商用的j p e g 2 0 0 0s o c 芯片a d v 2 0 2 1 ，最高处理速度可达 1 5 0 m h z ，处理最大图像块为4 0 9 6 像素。除了公司之外，国内外的很多大学也在 进行关于j p e g 2 0 0 0 的研究，西安交通大学开元集团开发了j p e g 2 0 0 0 高效图像 压缩芯片，实现了5 3 离散小波变换，外部时钟频率为2 7 m h z l 2 1 。清华大学研制 的j p e g 2 0 0 0 编码芯片t h j 2 k 1 3 , 4 】，该芯片率先采用5 1 2x5 1 2 的大图像片分片结 构，降低了分片结构造成的边缘噪声；采用d m c 机制，大幅度减少了片内小波 系数的存储：通过预测率失真门限的方式来并行截断码流，在保证压缩图像质量 的基础上实现了对码率精确的控制；在正常工作频率下，每秒可完成1 2 帧分辨率 为1 2 8 0 1 0 2 4 x 2 4 b i t s 的4 2 2 真彩色图像的j p e g 2 0 0 0 压缩编码。同济大学 也在对基于j p e g 2 0 0 0 图像压缩标准的芯片 5 1 进行研究。 j - p e g 2 0 0 0 采用离散小波变换d w t 作为其核心变换算法，采用优化截断的嵌 入式块编码算法e b c o t 为其核心编码算法。e b c o t 完成对小波子带系数的压缩 编码，不仅保证了很高的压缩性能，同时为生成的码流提供了丰富的特性，可以 支持解析度和失真度的可伸缩性和“随机读取”特性等 6 1 。但j p e g 2 0 0 0 这些优 越性能的取得，也不是全无代价的。它相对于j p e g 而言，无论是算法的复杂度， 还是运算的资源需求量都大大的增加。据统计，j p e g 2 0 0 0 的复杂度大概是j p e c 的3 0 倍左右1 7 j 。 总体来说，该领域的研究尚处于开始阶段，还是一个比较新的研究领域。虽 然有一些公司推出了商用j p e g 2 0 0 0 的芯片，但是基于j p e g 2 0 0 0 标准的商业应用j 是不多，现阶段数码相机等领域的静态图像压缩主要还是采用j p e g 标准。对于 j p e g 2 0 0 0 标准的进一步商用以及在各个产业的应用，还需要对j p e g 2 0 0 0 的硬件； 现做进一步的研究，减少其实现的复杂度和成本。本文研究的重点既是j p e g 2 0 ( 解码系统中关键模块小波逆变换的硬件实现方案的支持研究。 4 基于小波变换的高速星载图像解码系统的核心模块设计 1 3 1 主要工作 1 3 论文的结构和内容安排 本论文主要基于静止图像压缩理论? 结合星载高速图像数据实时压缩系统的应 用特点，对小波逆变换i d w t 提出了一种高速实时的硬件解决方案。主要成果如下： ( 1 ) 熟悉j p e g 2 0 0 0 标准算法流程，从整体上把握小波变换的硬件实现需求，并对 比研究小波变换在图像压缩中的影响与作用，确定硬件实现框架。 ( 2 ) 设计实现了一种基于流水线、原位操作双路并行i d w t 变换的硬件实现方案， 并使用m o d e l s i m 对系统进行仿真验证。 ( 3 ) 提出了一种多级可分解的小波逆变换硬件实现方案，在基本不增加系统资源消 耗的情况下，能对本系统的功能进行一定程度的扩展，使小波逆变换系统能够 嵌入到更多的应用场合。 1 3 2 论文章节安排 本论文以突破小波逆变换系统的实时处理可行性及资源最小化为首要任务，具 体章节安排如下： 第一章，绪论，介绍了遥感图像压缩的必要性和可行性，分析了当前图像压 缩技术发展现状，从而给出了选题的意义。 1 第二章，详细叙述了j p e g 2 0 0 0 标准的构成及优点，并从硬件实现的角度上对 整个流程进行划分，从而在理论层次上明确本系统的设计要求及在 整体上对本设计要求做个宏观把握。 第三章，详细介绍小波原理及优点，并以其在图像压缩中的应用角度出发， 探讨多种可行方案的性能特点，在理论层次上进行阐述。 第四章，以设计流程为导向，从整体框架、模块化设计及细节设计上详细的 论述本系统的实现方法及特点。 第五章，对本系统仿真结果进行分析验证并提出一种多级可分解的逆变换实 现方案，以便本系统能更广泛的嵌入到更多的应用领域。 结束语，对本文设计的系统特点进行定性的总结和该系统的一点改进意见。 第二章矿e g 2 0 0 0 标准概述 第二章j p e g 2 0 0 0 标准概述 2 1 口e g 2 0 0 0 概述 众所周知，数字图像压缩标准有以静止图像为对象的p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i c e x p e r t sg r o u p ) 和以运动图像为对象的m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 两大 类。这一系列数据压缩标准都是由国际标准化组织( i s o ) 、国际电工委员会( i e c ) 和国际电信联盟( i t u ) 下属的国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 等国际机构陆续完 成并提出的，这为制定通用规范化的图像数据压缩标准奠定了基础。实践证明， 在过去的十年里，p e g 标准在许多数字图像的应用场合都是非常有效的然而， 在新出现的一些多媒体应用方面，如医学图像、互联网以及移动通信，p e g 的压 缩率和渐进编码特性都不如人意。为了改变这种现状，j p e g 2 0 0 0 i s ，即 i s o i t u l 5 4 “，被作为新一代图像压缩国际标准由国际标准化组织i s o 和国际电 信标准化联盟i t u t 于2 0 0 1 年联合颁布。 j p e g 2 0 0 0 标准可以被应用于计算机网络环境、航空航天、遥感遥测、传真机、 医学成像及数码相机等附带图像设备的数字图像压缩系统。它旨在提高标准化的 静止图像的整体性能，以满足新的应用，也是对现有p e g 标准的补充，同时支 持有损压缩和无损压缩。它的目标是进一步提高目前图像压缩算法的性能，减少 储存容量的需求，并增强对低带宽、高噪声传输环境的适应性。 2 2j p e g 2 0 0 0 标准的组成和特性 p e g 2 0 0 0 是由联合图像专家组( j p e g ) 常t j 定的新一代的静止图像压缩国际标 准，标准号为i s o i e c1 5 4 4 4 ，该标准和以往的其它标准一样，也是由多个部分组 成。其中，第一部分在2 0 0 0 年1 2 月正式公布，而其它部分则在之后被陆续公布。 早在2 0 0 0 年8 月，国际标准化组织的w g i 小组已于制定了最终的国际标准 化草案( t h ef i n a l d 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 ) ，它被分为7 大部分。 后来，j p e g 2 0 0 0 标准草案又被补充扩展成l l 部分组成( 因为第7 部分后来 被取消了) 。其中p a r tl 为核心部分，其它每部分在核心的基础上增加一些额外 的特性和功能。每部分的内容和特征如下所示1 9 】： p a r tl ：p e g 2 0 0 0 核心编码系统，标准号i s o i e c1 5 4 4 4 1 ，它规定了 j p e g 2 0 0 0 的基本设置和码流语法： p a r t 2 ：扩展系统，在核心系统上添加了许多功能： 6 基于小波变换的高速星载图像解码系统的核心模块设计 p a r t 3 ：m o t i o nj p e g 2 0 0 0 ( m j p 2 ) ，针对运动图像提出的解决方案： p a r t4 ：一致性测试，现在已经公布为国际标准，标准号i s o a e c15 4 4 4 - 4 ， 它详细说明了使用p a r tl 进行编码解码的一致性的测试程序； p a r t 5 ：参考软件，在这部分里两个用j a v a 和c 语言编写的软件包用于 测试和验证由开发者实现的j p e g 2 0 0 0 系统； p a r t6 ：混合图像文件格式，主要针对印刷和传真应用； p a r t7 ：技术报告，后来被取消了； p a r t8 ：安全性( s e c u r ej p e g 2 0 0 0 ，j p s e c ) ，处理j p e g 2 0 0 0 在安全性方 面的应用，例如水印和加密等； p a r t 9 ：交互式工具、协议和a p i ( j p i p ) ； p a r t l o ：三维图像和浮点数据( j p 3 d ) ，用于三维医疗图像重建等： p a r t l l ：无线应用0 p w l ) ； p a r t1 2 ：以i s o 为基础的媒体文件格式( 和m p e g - 4 第1 2 部分相一致) 以上各部分中p a r t 8 p a r tl l 还在发展中，其余部分已经定型。 需要强调的是。j p e g 2 0 0 0 不仅提供了比j p e g 基本系统更高的压缩效率，而 且提供了一种对图像的新的描述方法，提供的单一码流可以适应多种应用的性能。 特别是第一部分，它与j p e g 的基本系统相比具有以下的优点【1 0 l ： 更高的压缩比： 同时支持有损和无损压缩； 支持多分辨率表示； 嵌入式码流( 逐渐传输显示解码和s n r 可分级) ； 感兴趣区域( r e g i o n - o f - i n t e r e s t ) 编码： 码流的随机存取和处理： 抗误码和容错性； 对多重压缩解压缩循环的性能改进； 开放的框架结构： 基于内容的描述； 更灵活的文件格式。 为了达到以上性能，j p e g 2 0 0 0 采用了许多新的压缩编码技术。j p e g 2 0 0 0 最 大改进是它采用全数据帧离散小波变换( d w t ) 取代基于子块的余弦变化( d c d 。 d c t 是经典谱分析的工具，它实用的对象是整个时域过程的频域特征，或者整个 频域过程的时域特征，因此对于平稳过程，它有很好的效果，但对于非平稳过程， 它的不足时显而易见的。d w t 是现代谱分析工具，它既能考察局部时域过程的 频谱特征，也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，它也 第二章j p e g 2 0 0 0 标准概述 是强有力的工具。 近年来离散小波变换在包括压缩在内的图像处理和图像分析的各个领域中得 到了广泛应用。这主要是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刻域上的取样间隔，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，是构造图像对分辨率表示的强有力工具。它的快速变换算法又使 它如虎添翼。它的多分辨率分析提供了我们进行渐进式压缩的基础。 小波在空间和频率上的局部性，是统计意义上的局域性。这里说的局域性， 指的是一个变换系数实际牵涉到得图像空间范围是局部的。因而，要完全恢复图 像中的某个局部，并不需要所有的编码都被精确的保留，只需要对应于它的一部 分编码没有误差就可以了。所以，我们能够在一个编码框架下实现无损压缩和感 兴趣区域( r o i ) 压缩。 j p e g 2 0 0 0 使用一种带中央“死区 的均匀量化器对待编码数据进行量化。对 于量化系数各比特面进行基于上下文的自适应算术编码，这些由比特面提供的嵌 入式码流又同时提供了s n r 的可分级性。进一步，每个子带的比特面被限制在独 立的矩形块中通过三次扫描完成某些编码，由此得到最佳的嵌入式码流、改进的 抗误码能力、部分空间随机存取能力，简化了某些几何操作，得到了非常灵活的 码流语法。 j p e g 2 0 0 0 还考虑了人的视觉特性，增加了视觉权重和掩膜。这样在不损害视 觉效果的前提下，能大大的提高压缩效率。 2 3j p e g 2 0 0 0 基本系统的组成及工作原理 图2 , 1j p e g 2 0 0 0 编解码流程 图2 1 是j p e g 2 0 0 0 编解码的基本模块，它由正反处理的编、解码两大模块组威 其中，编码过程包括预处理、小波变换、量化和e b c o t 编码等模块构成；解码i 程包括码流分解、熵解码、反量化、小波逆变换和后处理等模块构成。解码过翟 是压缩过程的逆处理，因此下面将仅对压缩过程进行简要的介绍，解码过程参爱 8 基于小波变换的高速星载图像解码系统的核心模块设计 压缩过程介绍。 可见，j p e g 2 0 0 0 改变了传统j p e g 标准以d c t 变换为核心的变换方法，采用了 具有“数字显微镜 美誉的小波变换方法。j p e g 2 0 0 0 基本系统分预处理、小波变 换和e b c o t 三部分。 2 4 预处理 预处理的基本流程结构如图2 2 所示，它的主要目的是为不同类型的图像提供 了一个统一的接口，以便后续使用相同的编码框架对图像进行压缩处理，这一过 程是将多种不同类型的图像加入到统一编码框架的关键。预处理过程主要包括三 个步骤：图像分片、直流平移和分量变换。 图 像 成 分 ，t a k 工 l ，r 直 ，7 ，r 分 g k流g l量c b - l p r 平 p r 变 ，r b k移b l 化 c rl ，7 ，r，r 2 4 1 图像分片 图2 2 预处理基本流程 图像分片处理主要是为了把某些待压缩的大图像分割成互不重叠的图像片 ( t i l e ) ，图像片的尺寸不受限制，其上界直至整幅图像。各个图像片的大小是一 致的，如果原始图像的大小不是图像片的整数倍，则边界处的图像片大小应当被 填充至图像片的大小。每个图像片被视作完全独立，它的大小是进行编解码的基 本尺寸。采用分块处理能够减少存储器容量并且易于并行处理，而且在解码端可 以只对关心的部分图像进行解码。同时，也因为各个图像片被单独编码，在高压 缩倍率且分片大小较细的时候可能会在图像片之间存在明显的边际效应。为了在 边际效应和存储消耗之间得到平衡，j p e g 2 0 0 0 通常将图像片的大小确定为2 5 6 x 2 5 6 或者5 1 2 5 1 2 。 第二章j p e g 2 0 0 0 标准概述 9 2 4 2 直流平移 和j p e g 标准类似，在对各个图像片进行小波变换之前需要进行直流平移处理。 直流平移的目的是将输入数据的无符号数值转化为带符号数值，它本身并不影响 编码效率，但却有利于小波变换实现。经过直流平移的图像样本值的动态范围将 在零的两边近乎对称的分布，这样就能防止小波处理过程中的低频系数溢出，式 ( 2 1 ) 为无符号图像样本值得直流电平平移公式。 ，( x y ) = 气y ) - 2 耻1 式( 2 一1 ) 其中气，y ) 为输入的图像样本值，蜀为样本值的比特位数。 2 4 3 分量变换 主=一。0299二主0三5；8三7三耋一0114cb 1 6 8 7 5 0 5 i g 量 式c2-205 0 0 8 1 3 1 ) ， ii = | _ o 一o 3 3 1 2 6 il 式() l c l o 4 1 8 6 9 一 l b 阱i | 撩孑心 北 风 引 f 竿等j 尺一g 曰一g 叶半j u + g y + g 式( 2 - 4 ) 式( 2 - 5 ) l o 基于小波变换的高速星载图像解码系统的核心模块设计 2 5j p e g 2 0 0 0 压缩过程 经过了预处理的图像数据还需要经过离散小波变换、量化、e b c o t 编码等模 块才能得到期望的压缩数据码流。 2 5 1 离散小波变换 离散小波变换( d w t ) 既可以是不可逆的，也可以是可逆的。不可逆d w t 采 用浮点( 9 ，7 ) 小波变换，具有较好的压缩性能，适于有损压缩或近无损压缩；可逆 d w t 采用整数( 5 ，3 ) 小波变换，适于图像的无损压缩。小波变换可以采用传统的 卷积运算或者通过构造小波的提升算法实现。提升小波变换相当于小波的快速算 法，它不仅降低了算法实现的复杂度，而且能进行快速的原位运算，即不需要额 外的存储空间，这些非常有利于硬件实现，因而硬件实现中通常采用提升方式。 2 5 2 标量量化 j p e g 2 0 0 0 标准采用一种带中央“死区 的均匀量化器对小波变换后的数据进 行量化。小波子带b 的每一个变换系数s 6 i ，力】通过式( 2 - 6 ) 进行标量量化，得到 量化值q 6 【册，刀】。 “m ，p i = s 酬肌州) i 警l一， 式中s i g n ( a ) 表示a 的符号，色为子带b 的量化步长。不同的子带可以采用不 同的量化步长。量化步长可以根据人眼视觉系统对不同子带的感知重要性来确定， 也可以根据率控制等其它条件来确定。通常选择子带合成滤波器范数的倒数作为 基本步长，再通过视觉权系数加以调整。若采用整数5 3 小波变换进行无损压缩， 量化步长。应为1 。 2 5 3e b c o t 编码 j p e g 2 0 0 0 中的熵编码采用e b c o t 算法，该算法分为两部分：t l 编码器和 t 2 编码器。t 1 部分由比特位位平面编码、m q 算术编码和码流率失真计算模块组 成，其中m q 算术编码器与q m 编码器基本类似，都是q 编码器的改进算法。t 2 第二章j p e g 2 0 0 0 标准概述 部分完成率控制和码流组织，而且j p e g 2 0 0 0 中率控制是开放的，可以由各研究 人员自行发挥。由于不同的编码块所产生的比特流长度不一致，它们对恢复图像 质量的贡献也各不相同，因此对于有损压缩，在给定码率的前提下，需要率控制 来寻求各编码块的最优截断点，使得由量化和截断引入的失真最小。t 2 常用的一 种率失真优化技术被称为压缩后率失真算法( p c r d ：p o s tc o m p r e s s i o nr a t e d i s t o r t i o n ) ，它是在完成m q 编码之后，根据各码块码流对恢复图像的质量贡献分 层，从而完成码流的率控制和组织。 单 - 数 据 ，量捋号位j ，一名誓霄。j ，符号位平面层麓：汐 最高有效位 编 码 | | 卜雠鲆醍队 块 _ 一 子带一 薷 辅 ，冶墙、，橹搀挎 缟 码1 _ _ ! ， 方 州娅：豁公公 向 淞协i 矧 w 矧一 子带二 州州冶户疆榭捧挣 1 噜噜崎、i 噜 图2 3e b c o t 位平面扫描顺序 如图2 3 所示，由编码块中各个经过量化之后的小波系数值按照比特位进行 分层得到e b c o t 位平面扫描层，然后对每个有效位平面层上的比特值进行分组 ( 无效位平面不参与编码) ，在列方向上每4 个相邻的点构成为一个编码列( c o d i n g c o l u m n ) ，处于同一水平方向上的编码列构成一个子带( s t r i p ) 。e b c o t 位平面扫描 顺序：同一列内对各点从上往下依次扫描，同一子带内对各列从左到右逐列扫描， 同一编码块内对各子带从上往下进行z 字型遍历扫描。编码块内每个点都对应一 个记录其重要性的标志，这个标志初始值为妒，表示其不重要：直到该点在某个 位平面层的比特值首次为“l ”时，经过重要性传播过程，该点对应的标志位将被置 “l ”，表示该点开始变为重要。最高有效位平面上所有点的重要性标志均为“l ”， 因此，除了该位平面只进行一次清除通道扫描之外，其余各个有效位平面均要进 行三次扫描通道，依次是重要性传播过程( 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 ) 、幅值精 1 2 基于小波变换的高速星载图像解码系统的核心模块设计 炼过程( m a g n i t u d ep r o p a g a t i o np a s s ) 和清理过程( c l e a ru pp a s s ) 。根据各点邻域内系 数重要性产生相应的上下文( c o n t e x t ) ，并结合该点自身比特位值构成的判决位 一起提供给m q 编码器进行编码处理。在整个编码块完成m q 编码之后，t l 编 码器还将计算各个扫描过程结束时产生的压缩码流在图像恢复中的贡献值，以便 1 2 编码器进行码率控制。最终被t 2 编码器选取的输出码流将按照要求参与文件 组织，形成标准的j p e g 2 0 0 0 压缩码流。 2 6 本章小结 本章详细介绍j p e g 2 0 0 0 国际标准产生的背景、组成和优点，并从硬件实 现的角度上对整个编、解码流程进行模块化划分，从而在理论层次上明确本系 统的设计要求及在整体上对本设计要求做个宏观把握。通过对j p e g 2 0 0 0 基本 框架的组成和原理进行阐述，不仅使笔者对j p e g 2 0 0 0 具备系统级的掌握能力， 而且也明确了小波变换在j p e g 2 0 0 0 中的应用需要。本章为后续章节中对于核 心模块小波变化的f p g a 实现及改进奠定理论基础。 第三章小波分析基础 第三章小波分析基础 3 1 小波理论的发展背景 小波理论是在调和分析的数学理论上发展起来的一个新的应用数学分支，它 和傅里叶f l o u t e r ) 分析具有密切联系。众所周知，f o u r i e r 分析在工程领域具有极 其重要的地位，f o u r i e r 变换引入了频域的概念，它可以精确地分析信号能量在各 个频率分量上的分布情况，为众多的研究领域提供了科学的分析方法和工具。因 此在在介绍小波时，让我们首先回顾下f o u r i e r 变换。 3 1 1 傅里叶变换与短时傅里叶变换 时域和频域是佰号分析明两个重要钡域，它1 门由傅里叶燹抉联系起采。傅里 叶变换的本质在于：对- 7 ：- - 个确定信号o ) ，x ( o ，2 n ) ，在整个区间是连续或 者分段连续，只要满足平方可积条件，即r 。l o ) 1 2 t 就称( x ) 在空间 l 2 ( o ，2 万) 上可测，且厂o ) r ( o ，2 万) 可以表示为一组标准函数族 p 觚ic o r ) 的加 权求和： f ( x ) = 去亡咖炉如 式( 3 - 1 ) 其中权函数g ( x ) = 击亡( 缈) 矿觚出 式( 3 2 ) 便是原函数厂( z ) 的傅里叶正变换，记作g ( x ) = f 【( x ) 】；而式( 3 一1 ) 称为原函数f ( x ) 的傅里叶反变换，记作 ) = r 1 【g ) 】。显然傅里叶正反变换对具有完美的对称 性，故称信号f ( x ) 与其权函数( 又称频谱) 为一傅里叶变换对。特别地，可以验 证得到函数族 p 栅l 国r ) 是r ( o ，2 万) 上的标准正交基，于是我们可以得到傅里叶 变换两个独特的性质【1 3 】： 1 ) f ( x ) r ( o ，2 刀) 可以分解成的无限多个分量g ) 是两两正交的。 2 ) 正交函数族 p i 国r 事实上是单个函数e 觚作整数“膨胀”生成的。 1 4 基于小波变换的高速星载图像解码系统的核心模块设计 时、频两域可以截然分开是以信号的频率特性时不变或统计特性平稳为前提 条件的。然而，实际上大多数信号，特别是生物医学信号，由于生理状态或者当 时环境的影响，常呈非平稳状态。在这种情况下，时、频两域便不能截然分开， 而这种不完全可分性会使傅里叶分析无能为力。退而言之，即使信号f ( x ) 具有时 ( 空) 、频两域的可分性，但由于其傅里叶变换g ( c o ) 在时( 空) 域中完全没有分 辨，即g ( c o ) 在任何有限频段上的信息均不足以刻画任意小范围内的f ( x ) ，由此 可见经典的傅里叶分析法在理论与实践应用中存在诸多的困难与不便。 为了尽可能反映频域特性随时( 空) 间的变换，过程中常采用两种方法：时 窗法和频窗法。 时窗法主要要领：随着时间的进程，把信号按时域加以分段( 容许各段交叠) ， 每一时段上作一次傅里叶变换，并取其幅频特性的平方作为该段的功率谱。 频窗法的主要步骤：用一组中心频率不同的带通滤波器对信号的谱结构从频 域上加以分解，同样允许各频带交叠：将每一带通滤波器输出的包络取平方，用 来反映信号中属于该频率成分的功率随时间的变换情况。 工程上的这两种处理方法尽管带来了不少便利，但只要稍加分析就会发现仍 来存在许多局限性。对于时窗法，若要求时间上分辨得愈细致，则要求时窗愈窄； 而时窗愈窄，其频域便变得愈宽，则频域的分辨便愈不细致。同样的，对于频窗 法若要求频域上分辨得愈细致，则带通滤波器的频带愈要窄；而窄带滤波器的过 滤过程持续时间很长，在某一时刻下滤波器的输出不仅反映该时刻输入的作用， 而且还反映该时刻以前全部历史上的总效果，从而可以断言，此时时域上的分辨 将更加模糊。这就是通常所说的时间和频率测量上的“不确定性原理 ，或叫测不 准原理。 自然地，最佳方案是将时( 空) 、频两域结合起来对信号予以描述。为实现这 一设想，d e n n i sg a b o r 于1 9 4 6 年引入了短时傅里叶变换( s h o r t - t i m ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 。短时傅里叶变换的基本思想是：把信号划分成许多小的时间间隔， 用傅里叶变换分析每一个时间间隔，以便确定该时间间隔存在的频率，其变换公 式为： s ( 纰f ) = f f c