JPEG2000核心算法的研究及DSP實(shí)現(xiàn)

1 引言
JPEG2000是新一代靜止圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，具有優(yōu)越的圖像壓縮性能和高的圖像質(zhì)量，不僅克服了傳統(tǒng)JPEG靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)在高壓縮時(shí)出現(xiàn)方塊效應(yīng)的缺點(diǎn)，還提供了圖像漸進(jìn)傳輸、圖像質(zhì)量可伸縮及感興趣區(qū)域編碼等特性，可以應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、醫(yī)療圖像、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确矫妗?br />2 JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)基本原理
2.1 JPEG2000編解碼框架
JPEG2000編碼器編碼主要有預(yù)處理、小波變換、量化和熵編碼等步驟，相對(duì)于編碼過(guò)程，該系統(tǒng)的解碼過(guò)程比較簡(jiǎn)單[1]。JPEG2000編解碼器框圖如圖1和圖2所示。

圖1 JPEG2000編碼器框圖

圖2 JPEG2000解碼器框圖
2.2 JPEG2000編碼的核心算法
1） DWT變換
通過(guò)離散小波變換多級(jí)小波分解，小波系數(shù)既能表示圖像片中局部區(qū)域的高頻信息也能表示圖像片中的低頻信息。這樣，即使在低比特率的情況下，也能保持較多的圖像細(xì)節(jié)，另外，下一級(jí)分解得到的系數(shù)所表示圖像在水平和垂直方向的分辨率只有上一級(jí)小波系數(shù)所表示的圖像的一半，所以通過(guò)對(duì)圖像的不同級(jí)進(jìn)行解碼，就可以得到具有不同空間分辨率的圖像。
2） EBCOT算法
EBCOT算法的基本思想是將小波變換以后的子帶劃分為大小固定的碼塊，對(duì)碼塊系數(shù)量化，按照二進(jìn)制位分層的方法，從高有效位平面開始，依次對(duì)每個(gè)位平面上的所有小波系數(shù)位進(jìn)行三個(gè)通道掃描建模（重要性傳播編碼通道、幅度精煉編碼通道、清除編碼通道），即位平面編碼，生成上下文和0、1符號(hào)對(duì)，然后對(duì)這些上下文和符號(hào)對(duì)進(jìn)行上下文算術(shù)編碼，形成碼塊碼流，完成第一階段編碼塊編碼；最后根據(jù)一定參數(shù)指標(biāo)如碼率、失真度，按率失真最優(yōu)原則在每個(gè)獨(dú)立碼塊碼流中截取合適的位流組裝成最終的圖像壓縮碼流，完成第二階段碼流組裝過(guò)程[2]。
2.3 EBCOT算法中塊編碼算法的改進(jìn)研究及實(shí)現(xiàn)
在JPEG2000編解碼系統(tǒng)中，EBCOT算法是其重要的組成部分。而EBCOT算法中的第一階段塊編碼又是整個(gè)算法的核心，它占用了大量的編碼時(shí)間，無(wú)論是無(wú)損壓縮還是有損壓縮，EBCOT算法中的位平面編碼時(shí)間都占到整個(gè)編碼耗時(shí)的50%以上[3][4]。所以，自從EBCOT算法提出后，由于第一階段塊編碼的運(yùn)算量比較大、編碼速度較慢，針對(duì)這種情況的優(yōu)化改進(jìn)研究很有必要。
圖3為barbara圖像（256×256）在位平面編碼時(shí)三個(gè)通道系數(shù)編碼數(shù)量變化示意圖。圖中通道1表示重要性通道，通道2表示幅度精練通道，通道3表示清除通道。由圖可以看出，在最高位平面MSB，所有系數(shù)都只在清除通道進(jìn)行編碼。重要性傳播通道中編碼的系數(shù)數(shù)量先是增加，然后由于在重要性傳播通道中的系數(shù)已變?yōu)橹匾?，所以在重要性傳播通道中編碼的系數(shù)數(shù)量又逐漸減少。在低位平面（0、1、2）大部分系數(shù)在幅度精練通道中編碼，只有一少部分在重要通道中編碼，沒(méi)有系數(shù)在清除通道中編碼。在整個(gè)掃描編碼過(guò)程中，三次掃描要形成三次上下文并判斷其所屬編碼通道，這樣就會(huì)使編碼時(shí)間大幅度增加。
根據(jù)對(duì)圖3的數(shù)據(jù)分析研究，本文給出兩種針對(duì)于位平面編碼的改進(jìn)方法[5]。
（1）位平面0、1、2清除通道編碼省略法。由圖3可以看出在較低位平面（即位平面0、1、2）上清除通道實(shí)際編碼的像素是很少的，幾乎為零。所以花費(fèi)時(shí)間對(duì)較低位平面上的清除通道進(jìn)行掃描編碼是無(wú)意義的。本論文就此給出一種改進(jìn)方案即省略較低位平面的清除通道編碼，達(dá)到改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)算法的目的。該編碼模塊與標(biāo)準(zhǔn)算法此部分代碼相近，只是對(duì)編碼條件進(jìn)行了改變。
（2）位平面6、7一次掃描法。由圖3可以看出在高位平面（位平面6和位平面7）重要性傳播通道和幅度精練通道的編碼量都很低，趨近于零，而清除編碼通道編碼的像素量相反卻很高。在標(biāo)準(zhǔn)算法的掃描機(jī)制下，對(duì)圖像質(zhì)量影響很小的高頻子帶像素編碼，掃描算法必須從最高平面由高向低分三次完整的掃描。本文給出一次掃描法對(duì)較高位平面進(jìn)行改進(jìn)，即在一次掃描過(guò)程中對(duì)最高位平面和次高位平面所有系數(shù)進(jìn)行編碼。在一次編碼一個(gè)系數(shù)時(shí)，通過(guò)上下文的形成，先確定此系數(shù)屬于哪個(gè)通道。然后，此系數(shù)按所屬通道馬上進(jìn)行相應(yīng)編碼。這樣就能減少兩次掃描，節(jié)約了編碼時(shí)間，從而能夠提高編碼效率。本文處理的對(duì)象主要是8比特的灰度圖像。有損壓縮采用9/7小波變換。