JPEG2000标准中算术编码的FPGA设计与码率控制算法的研究.pdf

爵瓦碍团教授硕士学位论文作者卞俊锋学科专业电路与系统导师完成日期杜干博士单位代号:.、中圈分类号圾:号:此的密学
/,∽橹贫ǖ南乱淮静止图像压缩标准,其优良的压缩特性使得它将具有广泛的应用领域。算法非常复杂,图像编码过程占用了大量的处理器时间开销和内存开销,因而通过对算法进行优化并采用硬件电路来实现标准的部分或全部内容,对加快编码速度从而扩展其应用领域有重要的意义。本文的研究主要包括两方面的内容,其一是算术编码器算法的研究与硬件设计,其二是码率控制算法的研究与优化算法的设计。在研究算术编码器过程中,首先研究了中基于上下文的算术编码器的编码原理和编码流程,之后采用有限状态机和二级流水线技术,并在不影响关键路径的情况下通过对算术编码步骤优化采用硬件描述语言对算术编码器进行了设计,并通过了功能仿真与综合。实验证明该设计不但编码速度快,而且流水线短,硬件设计的复杂度低且易于控制。在研究码率控制算法过程中,首先结合率失真理论建立了算法的数学模型,并验证了该算法的有效性,之后深入分析了该数学模型的实现流程,找出影响算法效率的关键路径。在对算法优化时采用黄金分割点算法代替原来的二分查找法,并使用了码块甭首钪导且浜吐肼饰蟛羁刂扑惴āJ笛橹っ鳎捎糜化算法在增加少量系统资源的情况下使得计算效率提高了%以上。之后,,即按照“失真/码长”值从大ǖ辣嗦胨承蚪斜嗦耄通过对该算法的仿真验证,得出在固定码率条件下新算法将产生更少的失真。关键词:,离散小波变换,闶醣嗦耄肼士刂啤布枋鲇镅卜海大学硕士学位论文标准中算术编码的设计‘肼士刂扑惴ǖ难芯第
:,琣.//.—.,瓵.%,4笱妒垦宦畚标准中算术编码的设计与码率控制算法的研究瑆疘—.瑆琲甎畂,—.—,甀瑆.,”/眒,—.,現第页
第一章绪论§图像压缩概述足一定重构图像质量的前提下用尽可能少的比特数来表示数字图像中所包含的视觉是人类从大自然中获取信息的主要手段。据统计,人类感觉器官接受的各类信息中,约有%是通过视觉系统获取的【。视觉信息量之大,传播速度之快,作用距离之远,并且有心理和生理的作用,加上大脑的思维和联想,具有很强的判断力。俗话说“百闻不如一见”,“一目了然”都反映了视觉图像在传递信息中的独到之处。然而被数字化了的图像的数据量之大是非常惊人,例如,一幅具有中等分辨率恼娌噬枷笏,它的数据量约一个挠才讨荒艽娣帧这样的图像。另外,若要求每秒帧的全动态视频显示,数据传输率必需达到S纱丝杉绻枷蟛痪砭直接进行存储或者在网络上进行传输,将占用非常大的存储空间和网络带宽,这必将限制数字图象在众多领域中的应用。因此,研究数字图像的压缩编码技术,对于缓解通信带宽资源的缺乏和节省大量的存储空间具有相当重要的意义。图像压缩编码技术是数据压缩的一种,属于“信源编码”范畴。目的是在满信息以便于存贮和传输。由于原始图像中存在着很大的冗余缡奔淙哂唷⒖占冗余,心理视觉冗余和统计冗余等庥治M枷裱顾跆峁┝丝赡苄浴M枷裱顾技术在数字电视、网络多媒体通信、会议电视、可视电话、遥感图象传输、图象数据库、自动指纹识别系统的指纹存储等应用中都起着重要的作用,一直是多媒体信息处理技术研究中最活跃的领域之一,§.ο裱顾醴椒ǖ姆⒄垢趴鰗根据不同的分类标准,可以将图像编码方法分为不同的种类,如根据图像的光学特征,可分为灰度怠⒍嘀、彩色和多光谱图像的压缩;根据图像信源的运动方式,可分为静止图像和运动图像压缩两大类;从信息保持的角度看,又可分为无损编码和有损编码两大类。图像编码技术是沿蓑对图像信源特性的不断认识和对人类视觉系统特性的不断认识两条主线索在不断发展,它大致经历了以下三个阶段:缙诮锥蔚难芯一年代图像编码的发展起始于基本畔⒙鄣撵乇嗦肜砺郏美砺郾砻餍旁无失真编码的下限是信源熵旁吹钠骄畔⒘。这类编码技术的压缩效率有4笱妒垦宦畚第绪论
年,瑞士学者甂岢觥暗诙枷癖嗦爰际酢钡母拍睿匀コ性,雨将多种编码技术有机的组合起来形成一种最佳组合能够得到对图像数据的更大程度的压缩。混合编码研究的~个直接成果就是图像压缩国际标准一身,达到了很高的性能指标。标准的出现成为数字图像编码技术发展的限,压缩比徘徊在之间,其代表方法包括嗦搿⒂纬け嗦牒退闶编码等等。随后,人们发现图像中相邻像素之间存在着很强的相关性,去除这种冗余无疑会大大简化图像的数据表示,在此基础上提出了以差分脉冲编码调制为代表的各种预测编码方法和各种内插编码方法。早期阶段发展起来的大多数编码方法都是针对去除图像内部的统计相关性来达到压缩图像的目的。随着对图像本身特性研究的开展,人们发现图像数据在数值上发生细微变化时,人眼并不会察觉。基于这一点,人们摆脱了无失真编码的限制,开始寻求各种限失真编码的方案,编码方案的设计目标从