（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的jpeg2000解码器的研究.pdf

口口西华大学硕士研究生学位论文口口 以及支持指定图片上感兴趣区域r o i 提取的研究。 最后优化给出的解码程序共使用1 6 0 k 字节，资料记忆共使用4 3 5 k 字节。若以此定点芯片最快速度1 4 7 m h z 执行，则此解码器的解码速度 约为1 2 0 m i p s ，大约占此芯片9 1 的运算能力。 关键词：j p e g 2 o ；解码器；e b c o t 定点数运算：优化 第页 口口基于d s p 的j p e g 2 0 0 0 解码器的研究口口 s t u d yo fj p e g 2 0 0 0s t a t l cl m a g e d e c o d e ro nad s pc h i p p o w e re l e c t r o na n dp o w e rt r a n s m i s s i o n s t u d e n t ：w uq u a n y u a d v i s e r ：y a n gy a n x i a n g s c h o o lo f e l e c t r i c a la n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n gx i h u au n i v e r s i t y a b s t r a c t w _ l ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r ka n dm u l t i m e d i a t e c h n o l o g i e s ，p e o p l en e e dm o r ea n dm o r eh i g hi m a g e sw i t hf u n c t i o n a n dq u a n t i t y , s ot h ec o m p r e s s i v ei m a g et e c h n i q u e sr e q u i r eh i g h e r p e r f o r m a n c ea sw e l la sn e wc h a r a c t e r i s t i c st os a t i s f ys o m es p e c i a l u s e f o rt h i s i s or e l e a s e da g a i nan e ws t a t i ci m a g ec o m p r e s s t e c h n i q u e - j p e g 2 0 0 0 w h i c hm a yb e c o m et h en e wi m a g e c o m p r e s s i o ns t a n d a r di nt h ef u t u r e i t l lm a i n l yu s ei nt h eh d t v 、 d i g i t a lc a m e r aa n dm o d e mn e t w o r km u l t i m e d i aa r e a ，e t c i nt h i st h e s i s a ni n v e s t i g a t i o nj sd o n ef o rj p e g 2 0 0 0s t a t i ci m a g e c o d i n gs t a n d a r d ( p a r to n e ) ad e c o d e ro fi m p l e m e n t a t i o no na f i x e d o o i n td s pc h i pi sa l s op r o p c i s e d t h i st h e s i si st w op a r t s ：o n ei st oi n t r o d u c et h ej p e g 2 0 0 0s t a t i c i m a g ec o d i n gs t a n d a r d ，i n c l u d i n ge n c o d e ra n dd e c o d e r w eh a v e c o n d e n s e dt oi n t r o d u c ee v e r yp a r to ft h ee n c o d i n gi m a g ei nt h e e n c o d i n ga l g o r i t h m ，s u c ha sm u l t i c o l o rt r a n s f o r m a t i o n 、t w o d i m e n s i o nd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n 、c o e f f i c i e n t sq u a n t i z a t i o n o fw a v e l e ta n dt w ot i e re n c o d e r s ；i nt h es a m et i m ew ea l s ot a l k e d a b o u te n t r e p yd e c o d i n g 、c o e 怖c i e n t sd e q u a n t i z a t i o no fw a v e l e t 、 i n v e r s ed i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m a t i o na n dm u l t i c o l o r t r a n s f o r m a t i o ni nd e c o d i n ga l g o r i t h m o nt h eo t h e rh a n d 。w eh a v e g i v e nt h ew h o l ed e c o d i n gf i g u r ea n di n t r o d u c t i o no fs y s t e m 第页 口口西华大学硕士研究生学位论文口口 p r o c e s s i n gi nt h i sc h a p t e r t h eo t h e ri st od e s c r i b es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta n di m p l e m e n tag o o dd e c o d e r w eh a v ed e s c r i b e di n d e t a i lt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fd s p 、s y s t e ms t r u c t u r ea n ds t o r a g e s l r u c t u r e so fd ma n dp m a sd i s c u s s e dt h ed s pp a r to fh a r d w a r e s e ti nt h eh a r d w a r ee n v i r o n m e n t ；i nt h es o f t w a r ew ea l s og a v et h e d s pw i n d o w so fi d d ea n dd e v e l o p i n gf i g u r eo fs o f t 。t h ek e y so f i m p l e m e n t a t i o na r et r a n s p l a n t i n gs t a n d a r dc c o d e so fd e c o d i n g p r o g r a ma n do 州r e a lc o d e s ，a n dt h e nn si m p o r t a n tt h a to u t p u t d e c o d i n gd a t ai su s i n gd o u b l eb u f f e r f i n a l l yw eh a v ev e d f i e d e b c o ta l g o r i t h ma n ds t u d i e dr ojd e c o d i n g a ti a s tt h eo p t i m a ld e c o d e ru s e s1 6 0k w o r d so fp r o g r a mm e m o r y a n d4 3 5k w o r d so fd a t am e m o r y r e s p e c t i v e l y t h i sd e c o d e ri s12 0 m i p sa n du s e sa b o u t9 1 c o m p u t a t i o np o w e ro ft h i sd s pc h i pi f i t r u n sa tj t sm a x i m u ms p e e d1 4 7 m h z 。 k e yw o r d s ：j p e g 2 0 0 0 ；d e c o d e r ；, e b c o t ：f i x e d p o i n t ；o p e r a t i o n ； o p t i m i z e 第v 页 口口西华大学硕士研究生学位论文口口 第一章概要 1 1j p e g 2 0 0 0 静态图像的解压缩 j p e g 2 0 0 0 在目前的压缩技术中，可算是最新的压缩技术，j p e g 全名为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 ( 联合摄影专家组) ，它是 一个在国际标准组织0 s o ) 下从事静态图像压缩标准制定的委员会。它 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 就是我们常说 的j p e g ，由于它具有优良的品质，使得在短短的几年内就获得极大 的成功，目前网站上百分之八十的图像都是采用j p e g 的压缩标准。然 而，随着多媒体应用领域的激增，传统的压缩技术已经无法满足人们 对多媒体图像资料的要求。因此，更高压缩率以及更多新功能的新一 代静态图像压缩技术j p e g 2 0 0 0 就诞生了。目前j p e g 2 0 0 0 已由 i s o i e cj t c l l s c 2 9 标准化小组正式命名为：i s 0 1 5 4 4 4 。j p e g 2 0 0 0 的核心部分( p a r t l ) 已经作为i s o 标准公布于世。j p e g 2 0 0 0 的制定始 于1 9 9 7 年3 月征集提案，但因为无法很快确定演算法，因此耽误了不少 时间，壹到2 0 0 0 年3 月，规定基编码系统的最终协议草案才出炉。它的 目标是进一步改进目前压缩算法的性能，以适应低带宽、高噪声的环 境，以及医疗图像、电子图书馆、彩色传真、数字摄像、遥感、移动 通信、i n t e m e t 网上服务和电子商务等方面的应用。 j p e g2 0 0 0 与传统j p e g 最大的不同，在于它放弃了j p e g 所采用的以离散余弦变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 为主的区块编 码方式，而采用以离散小波变换( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o i m ) 为主的 多分辨率编码方式。d c t 是经典的频谱分析工具，它考虑的是整个时 域过程的频域特征或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，它却有诸多不足。小波变换算 法是现代谱分析工具，它既能考虑局部时域过程的频域特征，又能考 虑局部频域过程的时域特征，因此在包括压缩在内的图像处理与图像 分析以及其他领域正得到越来越广泛的应用。此外j p e g 2 0 0 0 还将彩 色静态图像采用的j p e g 编码方式，二值图像采用的j b i g 与低压缩率 采用的j p e g - l s 等多种格式统一起来，成为对应各种图像的通用编码 第l 页 口口基于d s p 的j p e g 2 0 0 0 解码器的研究口口 方式。 目前j p e g 2 0 0 0 的压缩技术提供了许多新的特征，这些特征对于 一些新产品( 如数码相机) 和应用( 如互联网) 是非常重要的。它把 j p e g 的四种模式( 顺序模式，渐进模式，无损模式和分层模式) 集中 在一个标准之中。在编码端以最大的压缩质量( 包括无失真压缩) 和 最大的图像分辨率压缩图像，在解码端可以从码流中以任意的图像质 量和分辨率解压图像，最大可能地达到编码时的图像质量和分辨率。 它的最主要的特征如下： 1 高压缩率和低比特率：由于在小波变换算法中，图像可以转换成一 系列更加有效存储像素模块的“子波”，因此，j p e g 2 0 0 0 格式的图 片压缩比可在现在的j p e g 基础上再提高3 0 左右；同时低比特 率压缩性能高，支持大于6 4 0 0 0 x 6 4 0 0 0 的图像，另外压缩后的图 像也显得更加细腻平滑，这一特征在互联网和遥感等图像传输领域 有着广泛的应用。 2 无损压缩和有损压缩：j p e g 2 0 0 0 支持无损( i o s s l e s s ) 和有损 ( i o s s y ) 两种解压缩编码方式，无损压缩在许多领域是必须的，例 如医学图像中有时有损压缩是不能忍受的，再比如图像档案中为了 保存重要的信息，较高的图像质量是必然的要求。同时j p e g 2 0 0 0 提供的是嵌入式编码流方式，允许图像解码从有损到无损的渐进解 压方式。 3 渐进式恢复( p r o g r e s s i v er e c o v e r y ) ：目前从网络上下载j p e g 图像时，它是由上到下从左到右一个块一个块地慢慢传输和显示 的，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 t r a n s m i s s i o n ) ，它先传输图像的轮廓，然后逐步传输图像高质量 的数据，接收端就可以根据不同的像素精度( b i td e p t h ) 和图像空 间分辨率( s p a t i a lr e s o l u t i o n ) 来重构图像，让图像由朦胧到清晰地 显示。互联网、打印机和图像文档是这一特性的主要应用场合。 第2 页 口口西华大学硕士研究生学位论文口口 4 支持感兴趣区域提取( r 0 1 ) ：可以指定图片上感兴趣区域( r e g i o n o fi n t e r e s t ) ，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。这是因为子波在空间和频率域上具有 局域性，要完全恢复图像中的某个局部，并不需要所有编码都被精 确保留，只要对应它的一部分编码没有误差就可以了。 5 码流的随机访晦和处理：在有些情况下，图像中只有小块区域对 用户是有用的。那么将它定义成一个感兴趣的区域( r 0 1 ) ，采用 低压缩比以获取较好的图像效果，而对其他部分采用高压缩比以节 省存储空闯。在传输中可以对r o i 部分进行随机处理，即在不解 压的前提下对压缩码流进行平移、旋转、缩放等常见操作，而其余 码流仍处于压缩状态。这种结合了主观需求的交互式压缩，使得接 收端可以指定对应的感兴趣区域。 6 良好的错误校正能力( g o o de r r o rr e s i l i e n c e ) ：在通信等低信噪 比的传输系统中，适当的码流设计对连续差错的更正很有帮助，可 以减少解码失败的几率，特别是对于减少灾难性的误码故障更为重 要。 7 可变通的档案格式( f l e x i b l ef i l ef o r m a t ) ：图像文档、图像索引和 搜索在图像处理中是个重要的领域，m p e g 7 就是支持用户对其 感兴趣的各种“资料”进行快速、有效的检索的一个国际标准。基于 内容的描述在j p e g 2 0 0 0 中是压缩系统的特性之一。 8 开放的框架结构：提供一个开放的框架结构是很有必要的，开放体 系结构可以为不同的图像类型和应用确定一个最佳系统。通过语法 描述语言集成或开发新的压缩工具，优化整个编解码系统。对于未 知压缩工具，解码器可以要求从源端发过来。 最后，j p e g 2 0 0 0 还可以为一个图像文件加上加密的版权信息，这 种经过加密的版权信息在图像编辑的过程( 放大、复制) 中没有损失， 比目前的”水印”技术更为先进； 第3 页 口口基于d s p 的j p e g 2 0 0 0 解码器的研究口口 1 2 数字信号处理器 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s 。d s p s ) 芯片，也称数字信号处 理器，是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片的内部采用程序和 数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作， 提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。 根据数字信号处理的要求，d s p s 芯片一般具有如下的一些主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时 访问。 ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i ，o 支持。 ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 ( 7 ) 可以并行执行多令操作。 ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 与通用微处理器相比，d s p s 芯片的其他通用功能相对较弱些，但自从 2 0 世纪7 0 年代末第一片数字信号处理器芯片d s p s 问世以来，d s p s 就以数字器件特有的稳定性、可重复性、可大规模集成、特别是可编 程性高和易于实现自适应处理等特点，给数字信号处理( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r , d s p ) 的发展带来了巨大的机遇，并使信号处理手段更灵 活，功能更复杂，其应用领域也拓展到国民经济生活的各个方面。近 年来，随着半导体制造工艺的发展和计算机体系结构等方面的改进， d s p s 芯片的功能越来越来强大。使信号处理系统的研究重点又重新回 到软件算法上来，而不再像过去那样过多的考虑硬件可实现性。而且 随着d s p s 运算能力的不断提高，能够实时处理的信号带宽也大大增 加，数字信号处理的研究重点也有最初的非实时应用转到高速实时应 用上来! 根据d s p s 芯片工作的数据格式来分类，数据以定点格式工作的 d s p s 芯片称之为定点d s p s 芯片功耗低和性能好是其显著特点；以 浮点格式工作的称为d s p s 芯片性能较好和功耗高是其特点。不同的 浮点d s p s 芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的d s p s 芯片采用 第4 页 口口西华大学硕士研究生学位论文口口 自定义的浮点格式，有的d s p 芯片则采用i e e e 的标准浮点格式。在 过去的短短的二十来年里，d s p s 处理器已经广泛的应用在通信领域 ( 移动通信的交换设备、基站和手机，网络的路由和交换设备，智能 天线，软件无线电，l p 电话等) ，雷达和声纳系统，巡航导弹、灵巧 炸弹及各种武器系统，自动测试系统，医疗诊断设备( c t 、核磁共振、 b 超等) ，计算机及其外设，消费类电子设备( v c d 、d v d 、h d t v 、 机顶盒、m p 3 、家庭影院系统、数字照相机和摄象机等) ，机器人及 各种自动控制系统，等等，应用范围不胜枚举。 1 3 目的 近年来，世界上的网络用户飞速增长，中国的网络用户也快速增加， 上网逐渐成为普通百姓日常生活中的一部分。但是，狭窄的带宽成为 网络进一步发展的瓶颈。上网传输的速度很慢，下载一个文件要等待 几分钟，而下载一幅图片更不能让人忍受，往往半天才只传输了一小 片图像。因此，随著多媒体应用领域的激增，传统j p e g 压缩技术己无 法满足人们对多媒体图像资料的要求。因此，更高压缩率以及更多新 功能的新一代静态图像压缩技术j p e g2 0 0 0 就诞生了，同样是由j p e g 组织负责制定。该标准作为j p e g 标准的一个更新换代标准，高压缩( 低 比特率) 是其目标，在压缩率相同的情况下，j p e g 2 0 0 0 的p s n r ( 峰值 信噪比) 将比j p e g 的提高3 0 左右。因此，针对d s p s 处理器计算乘法 和加法快速的特点，依据j p e g 2 0 0 0 解码的特征，在本论文中我们实现 了在d s p s 处理器上解码j p e g 2 0 0 0 格式压缩的静态图片，采用的c 语 言和汇编语言混合的编程模式。并对程序编写的某些问题进行了讨论， 同时对用该解码器进行的一系列实验结果进行了详细的分析。根据这些 分析，肯定地得出了j p e g 2 0 0 0 标准优于现有j p e g 标准的结论，特别 是在低码率下的压缩效果及对合成图像的压缩效果是j p e g 完全不能 比拟的 1 4 本文的内容安排 本论文共计五章，第一章是绪言部分，简单介绍静态图像压缩标准 j p e g 2 0 0 0 和d s p s 处理器；第二章是j p e g2 0 0 0 静态图像的编码，详 第5 页 口口基于d s p 的j p e g 2 0 0 0 解码器的研究口口 细叙述该标准的各个部分和功能；第三章是软件和硬件环境的介绍； 实现和提高优化部分将在第四章论述；最后第五章是结论部分。 第6 页 口口西华大学颈士研究生学位论文口口 第二章j p e g 2 0 0 0 静态图像的编码 本章的重点是介绍j p e g 2 0 0 0 基本系统( 第一部分) 的基本组成和 工作原理，以及相应的码流语法内容。包括两大部分，第一大部分是 j p e g 2 0 0 0 静态图像的压缩编码算法：第二大部分是j p e g 2 0 0 0 静态图 像的解压缩编码算法。 2 1j p e g 2 0 0 0 静态图像压缩编码算法 j p e g 2 0 0 0 的处理对象不是整幅图像，而是把图像分成若干图像 片c i m a g et i l e s ) ，对每一个图像片进行独立的编解码操作。术语“图像 片”( t i l i n g ) 是指原始图像被分成互不重叠的矩形块，对每一个图像片 进行独立的编解码处理。在对每个图像片进行小波变换之前，通过减 去一个相同的数量值对所有的图像片进行水平移位，如图2 1 所示。 氆髓并勰圈鞋芹噩竹_ 髓叭t 藏聋袅 牛 4十 斗 乩乩 4毕 圈骶分 止址 牛 毕 木单蟹衄 牛牛 堆 图2 1 图像片、水平移位和d w t 这样，片分量( t i l e - c o m p o n e n t ) 就成为原始图像的基本单元。这样小 波变换的对象就是完整的一个片分量，这样能够保证至少在一个片的 范围内不会出现如j p e g 中的分块d c t 带来的块效应。经小波变换后， 片被分解成若干分辨级别，每个分辨级别由若干个子带组成，每个子 带中的变换系数描述的是该片分量豹频率特征。接着对子带的变换系 数进行量化，并划分成较小的编码块的矩形阵列，编码块以后是位平 面编码的基本单元，编码块中的位平面按重要性顺序从高到低进行系 数比特的熵编码，得到压缩码流。为了进行感兴趣提取和错误修复， 第7 页 口口基于d s p 的j p e g 2 0 0 0 解码器的研究口口 在码流中加入标记符号。最后形成的码流前面有一段头信息，用于描 述原始图像的分解级别、编码方式以及用于定位、抽取、解码并重建 图像的相关内容。图2 2 描绘了j p e g2 0 0 0 规定的压缩编码算法的基 本模块图。原始图像数据首先经过多成分变换处理后进行离散小波变 换，得到的小波系数经量化后进行熵编码，最后形成压缩码流。下面 将依次对各个模块进行介绍。 图2 2j p e g 2 0 0 0 压缩编码模块图 2 1 1 多成分变换 影像色彩信息由r g b 转换至y c r c b ，若为失真性编码，则使用不可 逆彩色变换i c t ( i r r e v e r s i b l ec o l o rt r a n s f o r m a t i o n ) 若为无失真性编 码或失真性编码，则使用可逆彩色变换r c t ( r e v e r s i b l ec o l o r t r a n s f o r m a t i o n ) 。然后分别对每个变换后的分量进行压缩。 如果图像象素是无符号值( 通常都是这种情况) ，那么在分量变换 ( r c t 或i c t ) 之前会进行d c 电平平移，即将所有的象素值减2 “，使 其从原来的无符号间隔f 0 ，2 “l ( s 是象素的深度) 移到有符号的间隔 - 2 ”，2 , - 1 1 】。举例来说，如果s = 4 ，每个象素值减去2 4 4 = 8 ，则有 2 4 = 1 6 个可能的象素值从区间f o ，1 5 变换到卜8 ，+ 7 】。 不可逆彩色变换i c t 是一种去相关变换，只能与浮点数小波变换一 起使用。i c t 的定义如下： 严1 o 2 9 9 0 5 8 7 n 1 1 4 f r c 6i = l o ，1 6 8 7 5 一o 3 3 1 2 6o 5 0 0 ig l q jl o 5 0 00 4 1 8 6 9 0 0 8 1 3 1 jl b 另一种可逆彩色变换r c t 也是一种去相关变换，只能与整数小波变换 一起使用，r c t 的变换公式定义如下： 第8 页 口口西华大学硕士研究生学位论文口口 v - l 丝4 爿 ii u = r g v = b g 式中，1wi 表示取小于等于w 的最大整数。 2 1 2 离散小波变换d v 盯 虽然选择最优小波基用于图像编码是一个非常棘手的问题，但是还 存在一些设计标准，如平滑性、逼近精度、子撑大小和滤波频率选择 等，这些都是很重要的特征。如何最佳的组合这些特征仍然有待于人 们的深入研究。在j p e g 2 0 0 0 第一部分中仅使用两种滤波器阻，第一种 d a u b e c j e s ( 9 。7 ) 浮点滤波器组，如表2 1 所示，v i t l a s e n s o r 等人已验 证滤波器长度小于3 8 的双正交小波基对图像压缩编码的影响。由于小 波变换过程实际上是信号与滤波器卷积的过程，因此，滤波器的长度 增加将导致卷积运算量增加；并且从边界延拓来看，滤波器的长度越 长，延拓的点数越多，造成图像恢复的失真也越大，所以应适中的选 择滤波器的长度。目前，人们普遍选择b 样条小波基所构成的9 7 双正 交滤波器( 7 为低通滤波器长度，9 为高通滤波器长度) 用于图像压缩 编码。此外，双正交小波基所构成的滤波器的相位是线性的，它在有 失真的压缩中性能优越，并且支持压缩图像的渐进传输； n 如)g 。0 ) 0+ 0 d 删9 0 18 2 3 6 3 6 0+ 1 + 5 0 8 7 0 5 2 4 5 7 0 0 0 1 4 - 0 2 6 6 8 6 4 11 8 4 4 2 8 7 5+ 0 5 9 1 2 7 17 6 3 11 4 2 5 0 20 0 7 8 2 2 3 2 s 2 8 9 9 0o 0 5 7 麟2 6 2 2 8 5 0 0 30 0 1 6 8 6 4 1 1 8 4 1 2 8 7 50 0 9 1 2 7 1 7 6 3 1 1 4 2 5 0 4+ 0 0 2 6 7 4 8 7 5 7 4 10 8 10 n 瞎o ) n g ，“) 一1+ 1 ，1 1 5 0 8 7 0 5 2 4 5 7 0 0 0 1+ o 。6 0 2 9 4 9 0 1 8 2 3 6 3 6 0 - 2 ，0+ o 5 9 1 2 7 1 7 6 3 1 1 4 2 5 00 ，2 + 0 2 6 6 8 6 4 1 18 4 4 2 8 7 5 3 - 0 0 5 7 5 4 3 5 2 6 2 2 8 5 0 0 - 1 ，3 0 0 7 8 2 2 3 2 斟沿2 8 9 9 0 - 4 ，2 0 0 9 1 2 7 17 6 3 11 4 2 5 0 2 ，4 0 0 1 6 8 6 4 1 1 8 4 4 2 8 7 5 一3 ，5 + 0 0 2 6 7 4 5 7 5 7 4 1 0 8 1 0 第9 页 口口基于d s pi 撙j p e g 2 0 0 0 舞码器的研究口口 第二种是整数提升( 5 ，3 ) 滤波器组，亦称为整数可逆滤波组，它具有低 的实现复杂性和满足无失真压缩的要求，也允许压缩图像的渐进传输。 如表2 2 所示： n 嘎o ) n g 。g ) 10 51o 1 2 5 01 0 0 0 2 5 1o 51+ 0 7 5 20 2 5 3 0 1 2 5 表2 - - 2 ；( 5 ，3 ) 滤波器组 用于图像编码的最简单小波是通过一维小波基的平移与伸缩所构建 的独立小波基形式。对图像进行二维d w t 变换是简化成一维d w t 来 处理的，如图2 3 所示， 图2 - 3 ：d w t 图像片和分布图 对于n x n 的l e n a 图像小波变换，首先，将n 行的图像分解成两部分； 低通子图像n x 警和高通子图像n x 鲁；然后分别对每个子图像的列再 进行小波变换，分解成高通部分和低通部分的子图像。结果，一副图 像分解成四个部分；水平方向低通和垂直方向低通( l l ) ：水平方向高 通和垂直方向低通( h l ) ；水平方向低通和垂直方向高通( l h ) ；水平 方向高通和垂赢方向高通( h h ) 。由于滤波是线性的，由此采角先行后 列与先列后行的次序所得到得结果是相同的。在二维二元小波分解中， 对每次分解得到的最低频子带( l l ) 可以继续分解，直到分解不再能 得到显著的编码增益。图2 5 是一副尺寸为5 1 2 x 5 1 2 的l e n a 图像小 第1 0 页 口口西华大学硕士研究生学位论文口口 波分解结果，分解为3 个层次。d v v t 分解的图像提供了j p e g 2 0 0 0 的多分辨率解决方案，可以重建的最低分辨率被称为零分辨率。对于 。次d w t 分解，它可以提供，+ 1 个分辨率等级。零分辨率仅包括 ：l l 子带，分辨率r 图像由分辨率r _ 1 图像和三个第，一r + 1 次高子 带组成。例如图2 5 中，2 分辨率图像可以由1 分辨率图像和2 h l 、 2 l h 、2 h h 三个子带组成。 另外，在进行小波变换时，图像的边界处理也影响到图像编码效 果。由于图像数据具有有限长度，经过小波变换的线性滤波，必然造 成子带信号的数据点增加，引起边界外延。而为了使小波变换后的数 据点数保证不变，就要舍去多余的数据点，这样因为信息的丢失必然 造成重构图像的失真。为了减少恢复图像信息的丢失或者失真，在进 行小波变换时，必须对原始图像信号进行边界延拓，形成一无限信号。 延拓的方法有：补零、边界重复、周期延拓和对称周期等。对称周期 延拓时，如果滤波器具有对称结构，能实现信号的完全重构。 2 1 3 小波系数的量化 目前，大多数小波编码器采用标量量化方法量化小波系数。在实际 标量量化小波系数时，存在两神基本测略：( 1 ) 如果预先知道每个子 带的小波系数的分布，则可以采用信息熵约束条件为每个子带建立最 优的量化器；( 2 ) 一般来说，人们并不了解小波系数的分布，但通过 一些辅助信息可以提供小波系数的参数分布描述。如在小波变换的高 通带上的小波系数，其先验分布可以看作仃2 = 0 ( 以零为中心) 的高斯 分布。 经过小波变换后，尽管变换系数的个数与样值的个数相同，但大量 的图像信息会趋子集中在少量低频子带的系数上。j p e g 2 0 0 0 第一部 分采用中央有“死区”的均匀量化器，其区间宽度是量化步长的两倍，来 减少小幅度系数包含的信息内容。对于每个子带b 首先有用户选择一 个基本量化步长6 ，它可以根据子带的视觉特性或者码率控制的要求 决定。将子带b 的小波系数t b ( u ，v ) 量化为量化系数q 。( 甜，v ) ： 吼( 甜，v ) ：j t 印( ( ( 虬v ) ) 1 l y 6 ( 忑u , v ) ld 第1 1 页 口口基于d s p 的j p e g 2 0 0 0 解码器的研究口口 量化步长6 被表示为2 b y c e ( 其中1 b y t e = 8 b i t ) ，其中1 1 b l t 用来表示 尾数肌，5 b i t 用于表示指数毛：助= 2 耻。( 1 + 鲁) 二 其中，见是子带b 的标称动态范围的比特数。由此保证最大可能的量 化步长被限制在输入样值动态范囝的两倍左右。一般来说，这个过程 是有损的，除非要量化的系数是整数同时量化阶为1 。因此若要进行无 损压缩，必须选择可逆的小波变换，即采用( 5 ，3 ) 滤波器组，同时 量化阶为1 ，这实际上相当于省去量化这个步骤。 由小波变换分解出的不同予带必然具有不同的动态范围，同时各 个子带的重要性级别也有差别，因而应具有不同的量化阶。j p e g 2 0 0 0 中的每个子带有且只有一个量化阶。 2 1 4 第一层编码器( t i e r - 1e n c o d e r ) 为了达到抗干扰和任意水平的逐渐显示，j p e g 2 0 0 0 对小波变换系 数的量化值按不同的予带分别进行编码。它把子带分成小的矩形块 编码块( c o d e b l o c k ) 。然后对每个编码块单独进行编码。编码块 的大小由编码器设定，它必须是2 的整数幂，高不小于4 ，总数不大于 4 0 9 6 。对于每个编码块的各比特面分别进行3 次扫描，对于每次扫描输 出，使用m q 算法进行基于上下文的自适应算术编码。最后将压缩的各 自比特面组织成数据包的形式输出。 一编码块 在e b c o t 算法中，将每个频带分割为许多不重叠的矩形区块，同 时，每个区块都将独立的进行熵编码的流程，故每个区块又称为编码 块( c o d eb l o c k ) ，如图2 4 所示。通常编码块为6 4 x 6 4 ( 或3 2 x 3 2 ) 的区块。在每个编码块中，都有许多的位元平面( b i tp l a n ec o d e ) ， 熵编码先从高位元平面( 即重要位平面) 开始编码，然后在进行下一 个不重要的位元平面，同时，每个位元平面都会进行三个p a s s e s 来编 码，此三个p a s s e s 是三个不同的编码规则，即重要性传播过程 ( 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 e r 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 ) ，且配合着算术编码 一起来编码，所以每个p a s s e s 都会送出一串编码后的位元流，c i 。然 第1 2 页 口口西华大学硕士研究生学位论文口口 后每个p a s s 所产生的位元流，再依照每个p a s s 编码的前后顺序来排 序，也就是说，最先编码的位元流排在最前面。之后，j p e g 2 0 0 0 再 将熵编码编码完的位元流，送给嵌入式块编码算法( e m b e d d e db l o c k c o d i n ga l g o r i t h m ) 。 圈2 4 子带中的编码块 嵌入式块编码算法在处理位元流时，每一个编码块中的切断点 ( t r u n c a t i o np o i n t s ) 可以自由选择，并且对应的失真率为d i ( z ) ，另外， 在每个编码中允许切断点的个数是z i + ，长度是译) ，必满足下式： 0 = l l 掣 - e l z i ) 如果最终压缩数据位元流的长度限制在l 。，那么所有自由选择切断 点的长度之和应满足下式： 三蔓三一 l 同时，如果用每一个编码块的失真率之和来表示重建图像的失真率， 则重建图像的失真率为 d = z d i z f 由于截断点的选择可以在每一个编码块压缩完成后进行，因而这种 优化截断方案被称为后压缩率失真优化p c r d 算法。 第1 3 页 口口基于d s p 的j p e g 2 0 解码器的研究口口 二质量层和封包流 对每个编码块的位元流而言，嵌入式块编码算法在每个p a s s 所产 生的位元流后面，假想成有一个切断点，故此编码块又很多切断点， 然后再由p c r d 算法来决定这些切断点中，哪些是有效的切断点，如 果这些切断点中，有某个切断点被p c r d 算法决定为有效切断点的话， 则此切断点将会有一个贡献程度( c o n t r i b u t i o ns l o p e ) 。每个编码块经 过p c r d 算法处理之后，嵌入式块编码算法将全部编码块的位元流 包装成好多个封包流( p a c k s t r e a m ) 输出层( l a y e r ) 送出。每个输 出层将分别从每个编码块中，取此编码块中的一小部分位元流，故此 输出层将会从全部编码区块中，各取其编码块中一小部份的位元流。 在此输出层中，每个一小部份的位元流称是贡献( c o n t r i b u t i o n ) ，则此 一小部份位元流的长度，称是贡献长度。比如说，假设全部有8 个编 码块，则此输出层将从8 个编码块中，各取其编码块中的一小部分位 元流，则此输出层共有8 个一小部分位元流，所以此输出层共有8 个 贡献。最简单的封包流形式如图2 5 所示： 陋 c 矗。 c i - - - 1 卜 j肾i - i j 图2 5 封包流 图2 4 所示的每一个编码块都在一个固定的分辨率上，所以这种 简单的封包形式具有分辨率可伸缩性( r e s o l u t i o ns c a l a b l e ) 。同时，因 为每一个编码块只影响图像的一个区域，所以此封包形式还具有一定 的空间可伸缩性( s p a t i a ls c a l a b l e ) ，这样，如果给定一个空间域上的 感兴趣，就可以把感兴趣所在的编码块识别出来，然后进行相应的处 理。 虽然图2 5 所示的封包格式中每一个编码块都是嵌入式表示的， 但是它并不支持失真率可伸缩性( d i s t o r t i o ns c a l a b l e ) ，为了解决这个 问题e b c o t 算法中引入了质量层提取( q u a l i 够l a y e ra b s t r a c t i o n ) 的 概念，如图2 6 所示： 第1 4 页 四 口口西华大学硕士研究生学位论文口口 岛 q ； 图2 - - 6j p e g 2 0 0 0 中的质量层提取结构 第一个质量层q o ，由不同编码块的一小部分位元流组成，长度 是三( z ，对应的最小失真率是：d o = d z ，总长度受限于： x l l z ：三上：随后有很多的封包层q l ，同样有不同编码块的一小 f 部分位元流组成，但这部分位元流的贡献程度已不同，其长度是： l l z ：, 一三：荔“，对应的最小失真率是：d l = d i z ：，长度受限于： 三甲蔓三：。 f 需要强调的是一些编码块在某一层中可以为空，例如在q 1 中，b 3 就没 有位流包含在其中，这样，由质量层结构构成的位元流形式具有失真 率可伸缩性，所以编码后的压缩数据就具有渐进传输的性质。 三位平面的编码过程 编码块中的每个位平砸以一种特殊的方式进行扫描，从左侧最上厦 的系数开始，每四个系数作为一列，直到扫遍编码块中的所有系数为 止。扫描模式如图2 7 所示： 第1 5 页 口口基于d s p 的j p e g 2 0 0 0 解码器的研究口口 4瞳2 秭 2 2 毒烈j 23 孵 4 f )4 44 杈 吃s 66 ， lsq1 a 7 2 l2 52 哮3 3 3 7i4 s 4 qs 35 76 l “41 辫2 22 秭瓤，3 43 抟毒24 妻 i蔓4s 冀如= j 。， ilsi ”2 。j2 ，3g3 鼻3 q4 34 掣算is 鼻s 时怕3 ( 4 f t s 图2 7 编码块中小波系数的扫描模式 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，重要性状态被初始化为0 ，表示当前系数是不重要的，在编码过 程中重要性状态可能变为1 ，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： n w s i g n s i g n e s i c 0 8 h 1 0 h 0 1 h w s i g x e s i g 8 0 h2 0 h s w s i gs s i gs e s i g 0 4 h4 0 h0 2 h 往：l o i s 崛：n o r t h w i tn i i d g m o u ri ss i g n l f l o a n t ； h i l 6 ：n o r t h n e i g h b o r b t d 帅a n t ； 删5 啪：n o r u a o a s tn e l g m u r 括s i g n i l l o a n t ； 图2 8 用来形成上下文矢量的8 领域系数 一般来说，当前系数最多可以有2 5 6 个上下文矢量，这些矢量根 据一些特殊的规则聚类成少数的几个矢量上，在j p e g 2 0 0 0 中定义了 四个算子把上下文矢量缩减到1 8