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哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 符合d cl 规范的高清图像解码系统技术研究 摘要 随着人们需求的提升和多媒体技术的进步，电影产业逐步向数字化方向 迈进。而传统的j p e g 等压缩技术无法满足数字电影的要求。在这种背景 下，新一代静止图象压缩标准j p e g 2 0 0 0 便应运而生了。目前，基于 j p e g 2 0 0 0 技术的数字电影正蓬勃发展，对其研究有着深远的意义。 论文首先对j p e g 2 0 0 0 编解码算法原理进行深入研究，其基于小波变 换、采用当前最新的嵌入式编码技术、获得更高压缩效果、生成的码流有较 强的功能等特性，完全满足数字电影各项要求。j p e g 2 0 0 0 基于小波编码的 压缩方法更符合人类视觉对图像的再认知，能够对数字电影要求的大尺寸和 高像素比特精度的图像进行有效的压缩。这些都特别适合电影对图像质量的 要求。在与其它图像压缩原理比较的基础上，得出j p e g 2 0 0 0 编解码算法更 加适合在数字电影中得到应用，其性能在数字影院编解码领域表现优越的结 论。 在对j p e g 2 0 0 0 原理分析基础上，针对目前数字电影技术国内外现状， 设计与实现了一套符合d c i 规范的j p e g 2 0 0 0 高清图像解码系统。具体介绍 了高清图像解码系统的硬件设计过程、软件设计过程。所设计的高清图像系 统对j p e g 2 0 0 0 编解码原理进行了实现，并且系统性能优越。 实验结果表明，论文设计的高清图像系统符合d c i 规范要求。系统不 仅结构灵活，而且通过主机软件可以对j p e g 2 0 0 0 解码参数进行灵活的配 置，可以支持高达6 级的9 7 和5 3 小波变换，支持有损和无损解码，支持 多种码流速率控制算法以及多种渐进顺序，可以满足数字电影应用的需要。 关键词d c i 规范；j p e g 2 0 0 0 ；高清图像；解码系统 哈尔滨理工人学t 学硕十学位论文 r e s e a r c ho nt h ed e c o d i n gs y s t e mo fh i g h r e s o l u t i o nd i g i t a li m a g eb a s e do nd c i - c r i t e r i o n a b s t r a c t w i t hp e o p l ed e m a n da n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g i c a la d v a n c e s ，t h ef i l m i n d u s t r yw i l lg r a d u a l l ym o v et o w a r dd i g i t a ld i r e c t i o n a n dt h et r a d i t i o n a l ，s u c h a sj p e gc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fd i g i t a lm o v i e s i nt h i sc o n t e x t ，an e wg e n e r a t i o no fg e o s t a t i o n a r yj p e g 2 0 0 0i m a g ec o m p r e s s i o n s t a n d a r d sw i l lc o m ei n t ob e i n gb y a tp r e s e n t ，b a s e do nj p e g 2 0 0 0d i g i t a lf i l m t e c h n o l o g yi sb o o m i n g ，t h e i rr e s e a r c hh a sf a r r e a c h i n gs i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rf i r s tj p e g 2 0 0 0c o d e ca l g o r i t h mo nt h ep r i n c i p l eo fi n - d e p t h s t u d y ，b a s e do nt h ew a v e l e tt r a n s f o r n l ，a st h ec u r r e n tu s eo fe m b e d d e dc o d i n g t e c h n o l o g y ，ah i g h e rc o m p r e s s i o ne f f e c t ，t h e c o d eg e n e r a t e das t r o n gf l o w c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u n c t i o n ，f u l l ym e e tt h ed i g i t a lc i n e m ar e q u i r e m e n t s j p e g 2 0 0 0c o d i n gb a s e do nw a v e l e tc o m p r e s s i o nm e t h o di sm o r ei nl i n ew i t ht h e i m a g eo f t h eh u m a nv i s u a lc o g n i t i o na g a i nt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ed i g i t a lf i l m l a r g e - s i z ea n dh i g h - b i tp i x e la c c u r a c yo ft h ee f f e c t i v ei m a g ec o m p r e s s i o n i nt h e o t h e ri m a g ec o m p r e s s i o na n dc o m p a r e do nt h eb a s i so fp r i n c i p l e ，t h a tj p e g 2 0 0 0 c o d e ca l g o r i t h mm o r ea p p r o p r i a t et ob ei nt h ed i g i t a lf i l ma p p l i c a t i o n s ，t h e p e r f o r m a n c e i nt h ef i e l do fd i g i t a lc i n e m a c o d e cp e r f o r m a n c e s u p e r i o r c o n c l u s i o n s o nt h ep r i n c i p l eo fj p e g 2 0 0 0b a s e do nt h ep r e s e n ts t a t u sa th o m ea n d a b r o a dd i g i t a lf i l mt e c h n o l o g y ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fad c i j p e g 2 0 0 0 s t a n d a r dh di m a g ec o d e cs y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e dah i g h d e f i n i t i o n s p e c i f i ci m a g ec o d e cs y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g np r o c e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h ed c is t a n d a r dh di m a g e s y s t e mf e a s i b l e s y s t e mn o to n l ys t r u c t u r a lf l e x i b i l i t y ，b u t a l s ot h r o u g ht h e m a i n f r a m es o f t w a r ec a nj p e g 2 0 0 0c o d i n gp a r a m e t e r sf l e x i b l ec o n f i g u r a t i o n ，c a n i i - 哈尔滨理工人学t 学硕= 二学位论文 s u p p o r tu pt os i xo ft h e9 7a n d5 3w a v e l e tt r a n s f o r m ，a n du n d e r m i n es u p p o r t f o rl o s s l e s sc o m p r e s s i o n ，a n ds u p p o r t saw i d er a n g eo ff l o wr a t ec o n t r o lc o d e a l g o r i t h m ，a n dav a r i e t yo fp r o g r e s s i v eo r d e rt om e e tt h en e e d so fd i g i t a lf i l m a p p l i c a t i o n s k e y w o r d s d c i c r i t e r i o n ，j p e g 2 0 0 0 ，h di m a g e ，d e c o d i n gs y s t e m i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文符合d c i 规范的高清图像解 码系统技术研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：夕雹武缓日期：纱孑年弓月夕日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 符合d c i 规范的高清图像解码系统技术研究系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密留。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：瑾菱色日期2 脾多月尸日 导师签名：何音j 武日期：训寥年 ；月 ，日 哈尔滨理t 大学工学硕1 ：学位论文 1 1 电影的数字化 第1 章绪论 起源于上世纪7 0 年代的电影数字化，与整个社会的数字化紧密相连， 可以认为是电影技术的第三次变革。经过3 0 多年的发展，电影数字化已进 入成熟阶段，并形成了相关标准，一类专门进行相关研究的技术也应运而 生，即数字影院技术。 数字影院是采用数字信号而非胶片形式进行电影发行、放映，而重现的 图像和声音质量与3 5 m m 胶片放映相近的系统心1 。数字影院系统包括节目源 获取的数字化、节目制作发行的数字化、节目传输的数字化、影院节目接收 与放映的数字化四个环节1 。 总之，电影的发展一直伴随着技术的不断变革，在当今电影数字化的进 程中，对技术提出了更高的要求，为适应这一形势，本篇论文旨在完成项目 中数字影院高清晰度图像硬件解码系统的设计与实现，论文的成果是数字影 院技术的重要组成部分。 1 2 d c i ( d i g i t a lc i n e m ai n i t i a t i v e s ) 规范简介 d c i 数字影院技术规范是由美国好莱坞数字影院倡导组织( d c i ) 起草、制定的数字影院技术规范。d c i 是美国迪斯尼、福克斯、米高梅、派 拉蒙、索尼图像、环球和华纳兄弟7 家制片公司于2 0 0 2 年3 月共同出资建 立的一个专门起草、制定数字影院技术规范并进行相关测试、评价的机构。 虽然d c i 既不是行业标准( s m p t e ) 起草组织，也不是美国国家标准 ( a n s i ) 和国际标准( i s o ) 的制定机构，但由于好莱坞在世界电影市场的 重要地位，使得全球的院线经营者和数字影院设备制造者们都在密切关注 d c i 技术规范制定的进展情况，这是一个对全球数字影院发展具有导向性的 文件，将对数字影院的发展产生重大影响。 d c i 规范包括1 0 个部分，分别是：简介、系统概述、数字电影发行母 版、压缩、打包、传输、影院系统、放映、安全、术语表 1 。 简介部分说明了d c i 规范制定的原因和目标；数字电影发行母版部分 哈尔滨理工人学t 学顾卜学位论文 定义了数字电影发行母版的图像、声音和字幕的规范；压缩部分详细说明了 符合d c i 规范的j p e g 2 0 0 0 码流和j p e g 2 0 0 0 解码器；打包部分定义了用素 材交换格式( m x f ) 规范以及可扩展标记语言( x m l ) 来打包数字电影发 行母版文件的要求，该过程的输出结果是数字电影数据包( d c p ) ，这部分 也定义了如何加密数字电影数据包；传输部分定义了数字电影节目通过物理 媒介、网络或者卫星从发行中心传输到本地影院的转移过程；影院系统部分 则规定了一个典型的影院环境中实现电影放映所必需的全部设备的具体要 求；放映部分定义了放映机及其需要特殊控制的工作环境；安全部分介绍了 一个开放的安全体系中维持长久稳定的内容保护和受控访问所需的要求和基 本规范；术语表对规范中出现的术语进行了解释。 1 3j p e g 2 0 0 0 概述 j p e g 是联合图像专家组( 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 ) 的简称， 它是一个由国际标准组织( i o s ，i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ) 和国际电话电报咨询委员会( c c i t t ，c o n s u l t a t i o nc o m m i t t e eo ft h e i n t e r n a t i o n a lt e l e p h o n ea n dt e l e g r a p h ) 所建立的，从事静态图像压缩标准制 定的委员会。它于2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初制定出了第一套国标静态图 像压缩标准i s o1 0 9 1 8 1 ，也就是我们所说的j p e g 。由于j p e g 算法复杂度 地，压缩性能好，使得它在短短的几年内就获得极大的成功，目前网站上 8 0 的图像都是采用j p e g 的压缩标准。 j p e g 静止图像压缩标准虽然在中高速率上压缩效果较好，但在低比特 速率的情况下，重构图像存在严重的方块效应，不能很好的适应网络传输图 像的需要。尽管j p e g 标准有4 4 种操作模式，但是大部分模式是针对不同 的应用提出的，不具有通用性，这给交换传输压缩图像带来很大的麻烦。因 此，更高压缩率以及更多新功能的新一代静态图像也缩技术j p e g 2 0 0 0 就诞 生了。与j p e g 不同，j p e g 2 0 0 0 基于小波变换，采用当前最新的嵌入式编 码技术，在获得由于目前j p e g 标准压缩效果的同时，生成的压缩码流具有 强大的功能，可应用于i n t e r n e t 、移动通信、传真、医疗、数字图书馆、数 字摄像，遥感以及电子商务等方面的图像压缩。国际标准化组织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 ef i n a ld r a f t i 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 ) 。 哈尔滨理t 人学工学硕，l ：学位论文 1 4 现有数字影院系统综述 目前，国外的i m a g ep o w e r 公司己开发出了j p e g 2 0 0 0 的多媒体数字信 号解码器：c y p r e s sj p e g 2 0 0 0e n c o d e r d e c o d e r r e l e a s e1 0 ，是针对 t m s 3 2 0 c 6 2 i lp l a t f o r m 开发的，并适用于整个t i 公司的c 6 x x 系列d s p 。 但是该产品是收费的商品，且费用昂贵。此外，公司也开发了实现 j p e g 2 0 0 0 解码功能的硬件，使用通用a r m 处理器，可以满足实时解压缩 数字图像的要求。国内目前对j p e g 2 0 0 0 的研究也比较少，发表的相关论文 也大多集中在的介绍上，涉及到具体算法的不多，讨论其实现的就更少了。 做得比较深入的有清华大学的微电子学研究所，他们以j p e g 2 0 0 0 图像压缩 算法的硬件实现为研究对象，完成了基于s c l a 的d w t 和e b c o t 的v l s i 结构设计。 高性能信号处理解决方案供应商美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s i n c ，简称a d i ) ，近期在北京发柿，其j p e g 2 0 0 0 视频压缩技术为新兴的数字 电影市场带来重大技术突破。a d i 公司的集成j p e g 2 0 0 0 实时压缩技术己 经对数字电影创导有线公司( d c i ) ( 由七家主要好莱坞片厂组成的合资企 业) 起到了促进作用，以便正式采用j p e g 2 0 0 0 作为将所有电影内容数字传 输到电影院的标准格式。j p e g 2 0 0 0 视频压缩芯片a d v 2 0 2 能获得高清晰度 的实时图像质量，同时也能提供无与伦比的图像传输灵活性和可扩缩性。随 着d c i 公司采用j p e g 2 0 0 0 作为标准的数字压缩格式，电影业将得益于将已 经证明的j p e g 2 0 0 0 高性能视频压缩能力同样用于消费类、监视系统、专业 广播和工业市场。 a d i 公司的a d v 2 0 2 解决方案的特点是其具有专利权的空间高效递归 滤波( s u r f ) 小波技术，它能实时压缩和解压缩高质量运动图像和静止数 字图像。由于a d v 2 0 2 带有一个灵活的接口，所以它能够使用于多种视频 和静止图像格式，它采用小型1 2 m mx1 2 m m 或1 3 m mx 1 3 m m 的b g a ( 球 栅阵列) 封装。除了数字电影，a d v 2 0 2 还能将j p e g 2 0 0 0 高性能视频压缩 能力用于监视，广播和专业系统。 目前，数字电影放映设备市场上，占主导地位的是基于m e p g 2 标准 的电影服务器，但研究表明，其在高码率条件下的图像质量较基于 j p e g 2 0 0 0 标准的解码系统差( 图1 1 ) ，且d c i 规范中将j p e g 2 0 0 0 确定为 唯一的解码标准。 哈尔滨理1 = 人学工学硕卜学位论文 放映设备研究，但具体实现方法与放映效果尚未发布。 可见，目前在数字影院放映设备的研制方面，国外较国内有较大的领先 优势。但国内数字电影放映需求却有很大的市场中，对此有专门研究，以影 片天下无贼为例，数字与胶片放映的比较结果如表1 1 ，表1 2 所示。 表1 - 1 影片天下无贼票房统计( 2 0 0 4 2 0 0 5 ) t a b l e1 1t i c k e to f f i c es t a t i s t i co f n ot h i e fu n d e rt h es u n ”( 2 0 0 4 - 2 0 0 5 ) 项目数字放映全国上映数字占全国比例 放映单位( 块幕) 9 02 9 4 63 0 5 放映票房( 元) l2 5 3 3 7 8 8 1 l0 0 0 0 0 0 0 1 1 3 9 总场次( 场) 6 5 4 5 8 7 0 0 07 5 2 总人数( 万人) 3 7 24 1 4 08 9 8 表1 2 影片大f 无贼数字与胶片两种发行方式的对比 t a b l e l lc o m p a r i s o nb e t w e e nd i g i t a la n df i l mp u b l i s hf a s h i o no f n ot h i e fu n d e rt h es u n ” 项目数字胶片数字与胶片指标之比 场均人数( 人) 6 54 41 5 1 1 6 人均票数( 元) 3 0 2 82 5 81 1 7 3 6 场均收入( 元) 1 9 7 2 4 41 1 0 51 7 8 5 0 发行成本( 万元) 1 0 43 1 23 3 3 因此，在数字影院播放系统领域，有必要打破国外厂商的设备垄断，自 主研制符合d c i 规范的数字影院系统。其中一个重要的环节就是影院服务 器中高清图像解码系统的设计与实现。 1 5 现有高清图像解码系统设计方法综述 d c i 规范的压缩部分，要求使用j p e g 2 0 0 0 标准，同时对解码器做出以 下规定：2 k 解码器( 解码器输出2 0 4 8 x 1 0 8 0 分辨率的图像) 要能解码2 k 发行母版，还要能解码4 k 发行母版中每帧的2 k 数据；解码器要以相同的 颜色分量带宽解码样本的每个颜色分量，每个颜色分量用1 2 b i t 表示；所有 解码器必须能够执行至少1 6 比特定点精度的9 7 小波反变换。 在图像压缩领域，近年来出现了大量的高清图像解码电路设计，其中与 本文相关的有如下两例： 现代电影【8 1 中，提出了一种软硬件相结合的m j p e g 2 0 0 视频解码方案， m j p e g 2 0 0 0 是j p e g 2 0 0 0 标准的第三部分，它主要针对运动图像解码。在 现代电影【8 】2 m 3 0 中，作者利用硬件实现j p e g 2 0 0 0 ，软件部分对硬件输出码流 打包。 哈尔滨理t 大学t 学硕，l ：学位论文 在硬件设计中，现代电影【8 】1 0 枷使用了a d i 公司的a d v 2 0 2 芯片，它能 够单芯片支持j p e g 2 0 0 0 解码，并且可以进行多芯片合作，提高解码效率。 其中的设计针对高清电影( y c r c b4 ：2 ：2 ) ，根据a d v 2 0 2 的性能特征，至少 要选用2 个a d v 2 0 2 芯片，一片处理亮度信号，另一片同时处理色度信 号。其系统结构图如图1 2 所示。 一 剖 广西拜 烈 m j p g 2 0 0 0 解码系统 1 2d e c d i n gs y s e mo f j p g 2 0 0 0 部分由驱动程序和用户应用程序两部分构成。驱动程序完成应 用程硬件设备的通信功能，而应用程序则主要完成码流拆包、封装打 包、参数设置及输入输出文件和数据的处理等功能。 所述的测试结果，该设计可支持分辨率为1 9 2 0 x 1 0 8 0 ，采样格 式为2 ：2 的高清图像解码。 中，提出了一种适用于数字影院系统的j p e g 2 0 0 0 硬件解码系 统b 该系统由v h d l 语言设计，并在f p g a ( x i l i n xx c 2 6 0 0 0 6 ) 上综 合、。这一系统由3个部分组成：离散小波反变换(idwt)模块，上 下文单元( c m u ) ，算术解码单元( a d u ) 。 图如图1 3 所示，每一个熵解码模块( e d u ) 包含3 个算术解 码单a d u ) ，当d i s p a t c hi n 从务器的p c i 总线中受到一个新的 jp2000码流，系统选择一个空闲的edu与数据流连通。dispatch o u t 模块从edu模块中解压后的数据，并送到对应的子带中，进行离散小 波反，最后送入显示设备中。 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 - q f , f o p f 一，r i d w t pa d u 产l u - 4 - - t f f o k lo h 1 1 4 i d w t 4 i s i 臌中荟一_ 一的卜 l h 4 u f i f o b 舢一 h l 4 了一a 9 u 。 o u a o 叫h h 3 卜 丑溉 c ou f i f o - f ， 一l h 30 t a d u 一h l 3b 1 雕o “ 卫 - - tf i f o p i o f i f o b l 一j ，a d u 彳差一 - 4 - 1h h 2 卜 丑，嬲0 - 4 f i f o t o一l h 2 i - o 了一7 a b u 。t ， e d u z 一f i f 。i z 叫 l 2r o叫“i j f 2 飘： p c i c叫l h li - z 。- ih l li - 4 f l f o l, a d u l 中 1h h o 卜 弘慧，一 一阱。卜v n量c1 f l 勇o 一l h 0 ； “一a d u 审 一 1l 却砰 i 一一h l 00 ra d u e 7 e n 。4 。 ( d cs h l f l ) 图1 3j p e g 2 0 0 0 解码系统结构 f i g 1 - 3d e c o d i n gs y s t e ms t r u c t u r eo fj p e g 2 0 0 0 根据所述的测试结果，该系统可以支持1 0 8 0 2 4 p 高清数字电视 ( h d t v ) 8 b i t4 ：4 ：4 的图像解码。 上述两个系统，在图像解码领域都取得了较好的结果，但与d c i 规范 要求能够解码2 0 4 8 1 0 8 0 分辨率，1 2 b i t ，4 ：4 ：4 格式的高清图像，还有一定 差距。所以，目前还没有符合d c i 规范要求的高清图像解码系统的公开设 计方案，进行相关研究十分必要。 1 6 本文研究的意义和主要内容 基于j p e g 2 0 0 0 技术的数字电影高清图像解码系统，具备良好的图像解 码性能。j p e g 2 0 0 0 编解码算法原理性能优越，其基于小波变换、采用当前 最新的嵌入式编码技术、获得更高压缩效果、生成的码流有较强的功能等特 性，完全满足数字电影各项要求。目前，国内的数字电影编解码系统采用的 均是m p e g 2 技术，d c i 标准确定了以j p e g 2 0 0 0 作为图像压缩算法，基于 j p e g 2 0 0 0 技术的数字电影正蓬勃发展，对其研究有着深远的意义。 t|鼍mira协_书a口一街_ 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 本文首先对j p e g 2 0 0 0 编解码算法原理进行深入研究，其基于小波变 换、采用当前最新的嵌入式编码技术、获得更高压缩效果、生成的码流有较 强的功能等特性，完全满足数字电影各项要求。 在对j p e g 2 0 0 0 原理分析基础上，针对目前数字电影技术国内外现状， 设计与实现了一套符合d c i 规范的j p e g 2 0 0 0 高清图像解码系统。具体介绍 了高清图像解码系统的硬件设计过程、软件设计过程。高清图像系统对 j p e g 2 0 0 0 编解码原理进行了实现，并且系统性能优越。 1 7 论文结构 第l 章介绍了数字电影的概念、d c i 规范、j e p g 2 0 0 0 概述；然后对现 有数字影院系统国内外的发展状况进行综合介绍，最后对国内外现有高清图 像解码系统设计方案进行分析、综述。 第2 章对j e p g 2 0 0 0 图像编解码原理的各个环节进行分析：d c 电平位 移、分量变换、样本数据划分、小波变换、量化、e b c o t 算法、算数编码 器等环节进行理论分析。在对j p e g 2 0 0 0 性能分析的基础上，及j p e g 2 0 0 0 编解码原理与其它数字影院编解码原理比较的基础上，得出j p e g 2 0 0 0 最适 合做为数字影院编解码原理。因此，选择j p e g 2 0 0 0 做为本数字电影高清图 像解码系统的解码原理。 第3 章总体介绍了符合d c i 规范的高清图像解码系统的设计思路，及 d c i 规范中对数字影院系统的具体要求，并详细分析了图像解码系统的各项 指标。最后介绍了高清图像解码系统的硬件模块芯片的选择、总体设计，及 具体数据流程设计细节。 第4 章对高清图像解码系统软件设计进行详细说明，首先对解码系统驱 动程序结构，与应用程序通信方式进行详细分析，再进一步向上分析，阐述 s d k 接口原理，处理流程等。 第5 章首先给出系统设计成果硬件板卡实物图、系统软件平台实物 图。再对解码系统进行测试，对实验结果进行分析、说明。 哈尔滨理1 = 大学工学硕十学位论文 第2 章j p e g 2 0 0 0 图像数据编解码原理与算法研究 图2 - 1 给出了j p e g 2 0 0 0 编码器和解码器的简易结构，在编码器方面， 对于原始图像，适合采用分量变换和小波变换等正变换，以及此后的量化编 码和嫡编码等。在解码器方面，作为编码器的反向处理，在嫡编码和逆量化 之后适合采用小波逆变换和分量逆变换。在以下各节将对j p e g 2 0 0 0 图像解 码系统的各个功能模块分别描述。 一图像数据 压缩码流 一 a 编码器 f 解包h h 分嚣卜 i 后处理h 分譬皇换h 小萋皇换卜卜 反量化 b 解码器 图2 1j p e g 2 0 0 0 编码和解码模块结构 f i g 2 - le n c o d i n ga n dd e c o d i n gm o d u l e ss t r u c t u r eo fj p e g 2 0 0 0 2 1d c 电平位移 在j p e g 2 0 0 0 编码器中，首先进行的是直流电平位移，如果原始图像数 据为b 位无符号( 非负) 量，加上一个偏移量一2 8 。1 ，则可使样本数据取值范围 在- 2 旷1 x h i 。 ( 2 - 3 1 ) 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 其中，公式中的( p p x ，p p y ) 和( x c b ，y c b ) 是在码流标记c o d ( c o d i n gs t y l ed e f a u l t ，缺省编码风格) 和c o c ( c o d i n gs t y l ec o m p o n e t ，分 量编码风格) 中指定的n 引。编码块的具体划分方式如图2 5 所示。 2 4 小波变换 图2 5 子带的编码块分割 f i g 2 - 5c o d i n gb l o c kp a r t i t i o no fs u b b a n d 在通常的图像信号中，大部分信号集中于频率最低成分( 直流成分) ，频 率越高信号强度衰减越多。小波变换利用了频率成分的不平衡度，通过在空 问反复进行变换分辨率处理，能易于生成多种空间分辨率图像( 分辨率可伸 缩性) 。在压缩特性方面，尤其是在低比特率方面，小波变换要比j p e g 标 准中的d c t 离散余弦变换) 优越的多。图2 - 6 示出了分解层次为2 时对二维 空间的子带分裂例子引。 哈尔滨理工人学工学硕 ：学位论文 垂商方向水平方向 、， 分解层次i 垂直方向水平方向 、一一 分解层次2 2 l l 2 i l 2 l h 2 h h 图2 - 6 分解层次为2 时的二维空间的子带分裂 f i g 2 - 6l e v e l 2d e c o m p o s i t i o nf o rt h et o w d i m e n s i o n a ls p a c eo ft h es u b b a n ds p l i t l e v 是表示子带分解层次的索引，l l 、h l 、l h 、h h 表示各子带的空 间频率，把l e v 和l l 、h l 、l h 、h h 组合起来表示被分裂的各个子带信 号。由于可以对垂直方向和水平方向分别选择低通滤波器h o ( z ) 和高通滤波 器h 1 ( z ) ，所以，能生成下列四个子带： 子带l e v l l ：垂直方向和水平方向都进行低通滤波，为2 ：1 抽取的信 号。子带l e v h l ：垂直方向进行低通滤波，水平方向进行高通滤波，为 2 ：1 抽取的信号。子带l e v l h ：垂直方向进行高通滤波，水平方向进行低 通滤波，为2 ：l 抽取的信号。子带l e v h h ：垂直方向和水平方向都进行高 通滤波，为2 ：1 抽取的信号。i e v l l 、l e v h l 、l e v l h 、l e v h h 这些空间频率 由图2 7 所示配置( 1 e v = 2 的例子) 表示。 2 l l2 h l l h l l e v = 2 时的 2 l h2 h h 原始图像 小波变换 l l hl h h 图2 7 各子带的配置 f i g 2 - 7s u b b a n dc o n f i g u r a t i o n 在j p e g 2 0 0 0 第l 部分的小波变换中，考虑到图像质量和处理量，作为 整形( 用于可逆变换) ，分析端采用5 3 滤波器，而作为实型( 用于不可逆变 换) ，分析端则采用的9 7 滤波器。实现可逆变换的5 3 滤波器，其特征是变 换系数为正数，对变换后的系数通过舍入处理整数化。实现不可逆变换的 9 7 滤波器，其特征是变换系数为实数，不对变换后的系数作舍入处理表2 1 、2 2 归纳了5 3 可逆滤波器和9 7 不可逆滤波器的分析端与合成端滤波器 系数7 1 。 表2 15 3 可逆滤波器的分析端与合成端滤波器系数 t a b l e 2 15 3c o e f f i c i e n t so ft h er e v e r s i b l e f i l t e ra ta n a l y s i sp a r ta n ds y n t h e s i sp a r t 分析端合成端 1 低通滤波器高通滤波器低通滤波器高通滤波器 h o ( i )岛( i )g o ( i )g 。( i ) o 6 8 11 6 1 8 1 ，l2 8- 1 21 2 - 2 8 2 。21 81 8 表2 29 7 可逆滤波器的分析端与合成端滤波器系数 t a b l e 2 - 29 7 c o e f f i c i e n t so ft h er e v e r s i b l e - f i l t e ra ta n a l y s i sp a r ta n ds y n t h e s i sp a r t 分析端 合成端 低通滤波器高通滤波器低通滤波器高通滤波器 1 h o ( i )j l l ( i )g o ( i )g 。( i ) o0 6 0 2 9 4 9 0 1 81 11 5 0 8 7 0 5 21 1 1 5 0 8 7 0 5 20 6 0 2 9 4 9 0 1 8 一1 10 2 6 6 8 6 4 11 8一o 5 9 1 2 7 1 7 6 3 o 5 9 1 2 7 1 7 6 30 2 6 6 8 6 4 11 8 2 20 0 7 8 2 2 3 2 6 6 50 0 5 7 5 4 3 5 2 60 0 5 7 5 4 3 5 2 60 0 7 8 2 2 3 2 6 6 3 ，3 一o 0 1 6 8 6 4 11 80 0 9 1 2 7 1 7 6 3 10 0 9 1 2 7 1 7 6 30 0 1 6 8 6 4 11 8 4 4 0 0 2 6 7 4 8 7 5 7 0 0 2 6 7 4 8 7 5 7 5 3 可逆滤波器在分析端的传输函数具体为： h 0 ( z ) = ( 一z 。2 + 2 z 。1 + 6 + 2 z - z 2 ) 8 ( 2 - 3 2 ) h l ( z ) = ( 一z 叫+ 2 + 6 - z ) 2 ( 2 3 3 ) 9 7 不可逆滤波器在分析端的传输函数用表2 1 所列的分析端滤波器 l l o ( i ) ，h l ( i ) 表示为： 风( z ) = ( i ) z ( 2 - 3 4 ) 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 3 q ( z ) = 啊( i ) z 7 i = - 3 2 5 量化 在小波变换后，为了获得更高的压缩率，可以采用量化操作。 2 5 1 不可逆过程 ( 2 - 3 5 ) 在不可逆过程中，量化操作通过下式定义： 引小酬圳掣j ( 2 - 3 6 ) l j 这里，y b 【甩】表示子带b 的变换系数，而锄为子带b 的量化步长。q “，z 】 表示输出的量化值。在编码阶段，块编码器就是对量化索引的进行编码操 作。每个子带的步长以一个指数瓦和一个尾数从表示： ，、 锄= 2 il + 鲁i ( 2 3 7 ) 二 这里和玩都是非负整数，其数值范围在： 0 2 5 , 0 , u b 2 ( 2 - 3 8 ) 在界定的时候，编码器和解码器都需要取相同的位数，该位数应当足够 用来表示在每个子带b 中的量化索引大小。由于子带样本值有时会超出标称 范围界限，因此，在j p e g 2 0 0 0 中引入了一个参数g ，称作保护位( g u a r d b i t s ) ，同时使所有子带样本遵从如下界限： 一2 6 。1 y om n 2 g - i , v b( 2 3 9 ) 2 5 2 可逆过程 在可逆方式中，提供给块编码器的量化索引与整数子带样本相等，即 9 6 m 可删，这些整数样本值的标称范围可从原始样本位深度曰和线性化的 小波分析核的标称增益来确定。在界定时，应当选择合适的g ，使得所有子 带样本满足式( 2 4 0 ) 。 一2 b - i + + g y h n 1 2 b - i + + g( 2 4 0 ) 其中为一额外的项，表示线性化小波分析核的标称增益不能为l 。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 2 6 e b c o t 算法 j p e g 2 0 0 0 压缩标准中采用的是e b c o t ( 基于优化截断的嵌入式码块编 码) 算法。e b c o t 算法也是用小波变换进行子带采样，然后对小波系数进行 量化和编码，不同之处则在于e b c o t 算法并没有使用零树结构而是使用编 码块( c o d e b l o c k ) ，同时使用了一种称为压缩后率失真优化( p o s t c o m p r e s s i o n r a t e - d i s t o r t i o no p t i m i z a t i o n ，p c r d o p t ) 的算法。 2 6 1 质量与结构 由于每个码块都有自己的嵌入式位流，因此一种简单的构建码流的方式 就是将优化截断码块位流连接在一起，中间插入长度标记以识别每个码块的 贡献。 这种组合是分辨率可伸缩的，因为每个分辨率由许多定义明确的码块组 成。它也具有一定的空间可伸缩性。但是由于组合流中没有提供帮助信息， 如何使码块的失真贡献最小，因此这种码流是不具备失真可伸缩性的。为了 解决这个问题，j p e g 2 0 0 0 标准引入了质量层的概念，对第一个质量层q 。 而言，具有贡献的各个码块的长度为l i z , ”j ，在长度约束罗，硝刁j 已。下， 使真d o = y ，趔巧j 最小。后续的质量层q l 包括每个码块的额外贡献，码块长 度为厶【弓) 一厶( 。1 ) ，它们在长度约束，厶( 刁) k 下，使失真d 7 = ，d 一) 最 小。 2 6 2 位平面的编码过程 嵌入式码块编码的具体实现在j p e g 2 0 0 0 中表现为位平面编码。同一子 带内的小波系数排列成具有矩形结构的“编码块”，然后在编码时，这些编码 块被编成位平面，从具有非零元素的最重要的位平面开始到最不重要的位平 面为止。平面中的每一个系数位被下列三种编码过程( p a s s e s ) 之一进行编 码：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 ) 、幅度精练过程 ( m a g n i t u d er e f i n e m e n tp a s s ) 和清理过程( c l e a n u pp a s s ) 。编码块中的每个位 平面以一种特殊的方式进行扫描，从左侧最上面的系数开始，每四个系数作 为列，直到扫描编码块中的所有系数为止。 编码块中的每一个系数有一个称为“重要性状态”的二进制状态变量，该 哈尔滨理- t 人学工学硕十学位论文 变量被初始化为0 ，表示当前系数是不重要的，在编码过程中其值可能会变 为l ，表示当前系数是重要的。对于一个给定的当前系数，上下文矢量是一 个含有8 邻域系数重要性状态信息的二进制矢量，如图2 8 所示。 d ov o d l h 0x h l d 2 v l d 3 图2 - 8 八领域矢量 f i g 2