JPEG2000码率控制截断预测算法及VLSI设计

茅文深　俞　剑　刘文松　姜　军

(1.中国电子科技集团公司第二十八研究所　南京　210000)(2.东南大学信息科学与工程学院　南京　211189)



JPEG2000码率控制截断预测算法及VLSI设计

茅文深1俞剑1刘文松1姜军2

(1.中国电子科技集团公司第二十八研究所南京210000)(2.东南大学信息科学与工程学院南京211189)

摘要针对JPEG2000低码率下的码率控制算法在运算量和存储量上冗余较大的问题,论文提出一种基于预测的码率控制截断算法。论文算法根据目标码率对图像数据样本采样,进行率失真斜率的预测,提前截断块编码过程,并提出一种JPEG2000系统两级码率控制的VLSI结构,第一级采用论文提出的预测算法截断码流,第二级确定精确的分层截断点。测试结果表明论文算法在码率低于0.5比特/像素时,可节省运算量和存储量70%以上,而峰值信噪比基本没有降低。

关键词JPEG2000; 码率控制; 截断; VLSI

Rate Control Truncation Algorithm Based on Prediction and VLSI Architecture for JPEG2000

MAO Wenshen1YU Jian1LIU Wensong1JIANG Jun2

(1. 28thInstitute, China Electronics Technology Cooperation, Nanjing210000)

(1. School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing211189)

AbstractA rate control truncation algorithm based on prediction is proposed to resolve the problem of computation complexity and large memory usage in the traditional JPEG2000 rate control algorithm when the bit-rate is low. By taking samples of image data for target bit-rate and predicting the rate-distortion slope, the algorithm truncates the block coding in advance, and the VLSI architecture containing two stages rate control for JPEG2000 system is proposed. The code-stream is truncated by the prediction algorithm in the first stage, and the hierarchical truncation points are determined in the second stage. Experiment indicates that the proposed algorithm has efficiently reduced above 70% computations and memory usage with no reduction in the peak signal to noise ratio.

Key WordsJPEG2000, rate control, truncation, VLSI

Class NumberTP391

1引言

JPEG2000[1]作为新一代静态图像压缩标准,和传统的JPEG标准相比具有更优异的性能和更广泛的应用领域。其中重要技术是最佳截断嵌入式块编码[2](embedded block coding with optimized truncation,EBCOT),它将JPEG2000系统分为Tier-1层和Tier-2层,其中Tier-2层采用压缩后率失真最优化算法(Post-compression Rate-distortion optimization,PCRD-opt)控制码率,并要求在Tier-1层完成所有码字编码后,在Tier-2层中再进行码率控制,因而必须先保存Tier-1层产生的所有码字,这会导致占用大量的存储空间,另外,Tier-2层中根据目标码率进行码流截断,抛弃对图像质量影响不大的码字来实现压缩,会产生大量的冗余计算和存储空间的浪费。针对这个问题目前所提出的优化码率控制算法主要有两类:第一类是对率失真斜率进行预测,提前结束位平面编码扫描[3~5],第二类是改用其他参数作为码流截断标准[6~7]。还有部分研究从电路结构优化设计码率控制算法[8~10]。

本文所提出的方法属于第一类,相比于其它基于预测的码率控制算法,本文所提算法针对某一目标码率,通过开创性地采样图像数据,获得更精准的率失真斜率预测,提前截断了块编码过程,从而有效地降低了运算量和存储量,并且保持了图像的质量。

2压缩后率失真最优化算法

在JPEG2000图像编码标准中,采用的码率控制算法是压缩后率失真最优化算法,其主要原理是:在目标码率下,寻求最优截断点,从而达到图像失真最小的效果。PCRD-opt算法在完成所有块编码以后计算出每个截断点处的失真和码流长度,小波变换可类似于正交变换,故近似设定压缩后的图像失真对于各个码块具有可加性,图像失真为

(1)

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3码率控制预测截断新算法

3.1算法背景

JPEG2000标准中采用离散小波变换,其本质是多分辨率和多尺度的信号分析。图像数据经小波变换后会按频谱进行分割,生成小波系数LL、HL、LH和HH。其中HL、LH和HH系数表示图像高频信息,而LL系数代表图像低频信息,并且也是图像能量集中的频带,因而在JPEG2000编码体系中,压缩图像数据时会尽量舍弃高频信息。而率失真斜率值相对于编码扫描过程是大致单调下降的,在此基础上,可以针对当前码率,根据图像数据的采样结果,对率失真斜率值进行预测来提前终止编码扫描过程。

3.2算法流程

设定编码后图像样本对最终压缩图像数据码流的截断后总长度值为T,则预测截断算法对率失真斜率的预测基于公式:

T=βStLsRt

(4)

式中β为修正系数,St为样本采样数据,Ls为最终码流贡献百分比的平均值,Rt为目标码率。算法流程如下:

1) 初始化各模块,根据目标码率Rt通过查找表确定修正系数β。

2) 建立采样后数组L[4096]用以记录各个段所对应的码流长度,按照LL、HL、LH和HH的顺序进行扫描,根据式(4)计算出T,并根据失真斜率值按照从高到低的顺序将L[4096]所存储的码流长度值累加,直至超过T,此时得到预测的率失真斜率值δ。

3) 不断更新数组L[4096]确定各个码块的率失真斜率值δ,并采用逐步逼近法得出在目标码率下的最佳率失真斜率值,确定截断点,输出压缩后的图像数据。

4基于本文算法的JPEG2000系统VLSI结构

根据本文算法提出一种码率控制预测截断的JPEG2000编码体系VLSI结构,如图1所示,它主要由六大模块组成:DWT模块、Tier-1层算术编码模块、码率预测截断模块、PCRD模块、Tier-2模块和码流重组模块。

DWT模块输出小波系数,同时把每一个码块的有效位平面数送给码块码率控制逻辑单元,并得到每一个码块的编码通道数。Tier-1层编码产生相应数据和其对应的上下文,并输出到算术编码单元,同时率失真斜率计算和截断点选取单元在一个通道算术编码结束后得到当前通道的编码字节数,计算当前通道的率失真斜率,同时进行预测截断点的选取。PCRD模块可以保证在码率较低的情况下对通过预测截断后的码流进行精准截断点的搜索,而Tier-2层将以数据包的形式组织压缩后的图像数据,最后将缓存在片内RAM内的数据通过码流重组单元输出成JPEG2000图像文件。

5测试结果与分析

为了保证准确性,测试选取了多张不同内容的图像,并设定了不同的目标码率。在目标码率较低的情况下,本文算法与PCRD-opt算法相比,在运算时间和存储量方面也有着极大的提升,在码率低于0.5比特/像素时,可节省运算量和存储量70%以上,图2和图3分别为本算法与PCRD-opt算法在不同码率下运算时间和存储量的比率。

图1　JPEG2000预测截断新算法VLSI结构

图2　本算法与PCRD-opt运算时间的比率

图3　本算法与PCRD-opt存储量的比率

图像码率/bppPSNR/dBΔP/dBPSNR/dBΔP/dBPSNR/dBΔP/dB0.10.20.5birdPCRD-opt32.514-0.03435.762-0.06143.012-0.080本文算法32.48035.70142.932CameramanPCRD-opt24.522026.890034.8750本文算法24.52226.89034.875fingerPCRD-opt19.535020.988028.9680本文算法19.53520.98828.968peppersPCRD-opt25.018-0.01128.138-0.02636.127-0.032本文算法25.00728.11236.095

此外,表1列举出了所选取的4幅不同内容的图像分别采用本算法与PCRD-opt算法后压缩图像数据PSNR值的对比,可见图像质量基本没有降低。测试中相关编码参数为:两级5/3小波变换,tile块512×512,码块256×256。

6结语

本文提出一种基于预测的JPEG2000码率控制预测截断新算法,针对不同目标码率,根据采样的图像数据预测率失真码率,进而有效避免不必要的编码扫描过程,并据此提出一种预测截断的JPEG2000编码系统VLSI结构。本文算法与原有的PCRD-opt算法相比,有效降低了运算量,节省了存储空间,提高了编码效率。同时,重建图像的质量与原来相比基本没有降低。

参 考 文 献

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中图分类号TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.01.043

作者简介:茅文深,男,高级工程师,研究方向:雷达总体和计算机技术。

收稿日期:2015年7月14日,修回日期:2015年8月20日