JPEG2000編碼器IP核設(shè)計(jì)的具體算法與結(jié)構(gòu)分析

數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字掃描儀，網(wǎng)路傳輸、無線通訊、醫(yī)療影像。

在過去的十幾年來，高質(zhì)量圖像的應(yīng)用場(chǎng)合越來越多。但是數(shù)字圖像的存儲(chǔ)和傳輸?shù)母哳~費(fèi)用成為普及其發(fā)展的最大障礙。由此對(duì)圖像壓縮編碼的研究提出了很高等要求。早在1991年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國際電信聯(lián)盟（ITU）就制定了靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG（Joint Photographic Experts Group）。該標(biāo)準(zhǔn)使用離散余弦變換（DCT）作為其核心編碼，在中高碼率（大于0.25比特/像素）對(duì)于連續(xù)色調(diào)的靜止灰度或彩色圖像提供了較好的壓縮性能。目前JPEG標(biāo)準(zhǔn)廣泛用于數(shù)碼相機(jī)，數(shù)字掃描儀等場(chǎng)合，取得了巨大的成功，商用芯片也已經(jīng)很成熟。然而隨著數(shù)字視頻捕捉設(shè)備和數(shù)字相機(jī)的普及，以及高清晰度電視（HDTV）和可視電話的應(yīng)用，對(duì)圖像壓縮編碼的要求越來越高，再加上JPEG在低碼率下嚴(yán)重的“方塊效應(yīng)”等缺點(diǎn)，新的標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000應(yīng)運(yùn)而生。

JPEG2000是一種新的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)（代號(hào)ISO15444），于2001年3月正式發(fā)布。JPEG2000的目標(biāo)是創(chuàng)造一個(gè)新的圖像壓縮系統(tǒng)，能夠用于不同類型（雙色，灰度，彩色，多基色）、不同特性（自然風(fēng)景，科學(xué)圖像，醫(yī)學(xué)影像，遙感圖像，文本，繪制圖等等）的靜止圖像，并且在一個(gè)統(tǒng)一的體系下允許不同成像模型（客戶端/服務(wù)器，實(shí)時(shí)傳送，圖像圖書館檔案，緩沖與帶寬受限等等）。JPEG2000編碼系統(tǒng)能夠提供低碼率條件下（碼率小于0.25比特/秒）當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)JPEG更佳的率失真性能和主觀圖像質(zhì)量，同時(shí)不犧牲其它方性能。JPEG2000包含下列優(yōu)于JPEG的特性：

1、低碼率壓縮：當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)，如JPEG，在中高碼率提供較好的率失真性能，但在低碼率（如低于0.25比特/秒情況下的高分辨率灰度圖）失真嚴(yán)重，主觀上不可接受；

2、無損與有損壓縮：當(dāng)前所有標(biāo)準(zhǔn)都不能在單一碼流內(nèi)提供無損和有損壓縮；大圖像：當(dāng)前JPEG標(biāo)準(zhǔn)不能直接壓縮規(guī)模大于64K的圖像，必須進(jìn)行拼接；

3、單一解碼架構(gòu)：當(dāng)前JPEG標(biāo)準(zhǔn)包含44種模式，其中很多是面向特定的應(yīng)用而不被大多數(shù)JPEG解碼器使用。單一解碼架構(gòu)將使應(yīng)用程序之間易于交換數(shù)據(jù)；

4、噪聲環(huán)境下的傳輸：當(dāng)前JPEG標(biāo)準(zhǔn)提供在間斷處重新開始的特性，但發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)圖像質(zhì)量變得很差；

5、計(jì)算機(jī)圖形：當(dāng)前JPEG標(biāo)準(zhǔn)是為自然風(fēng)景優(yōu)化的，在計(jì)算機(jī)圖形上性能不佳；

6、復(fù)合文檔：當(dāng)前JPEG標(biāo)準(zhǔn)很少用于復(fù)合文檔，因?yàn)樵陔p色（文本）情況下性能低下。

除此以外，JPEG2000還包含了很多新的先進(jìn)特性，可以滿足高端應(yīng)用和新的應(yīng)用的需求，同時(shí)它的應(yīng)用還可以擴(kuò)展到某些當(dāng)前并不使用壓縮技術(shù)的領(lǐng)域，主要包括如下方面：

1、JPEG2000有一個(gè)很好的優(yōu)點(diǎn)就是誤碼穩(wěn)定性好（Robustness to Bit Error）。因此使用JPEG2000的系統(tǒng)穩(wěn)定性好，運(yùn)行平穩(wěn)，抗干擾性好，易于操作；

2、JPEG2000能實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)傳輸（Progressive Transmission），這是JPEG2000的一個(gè)極其重要的特征。它先傳輸圖像的輪廓，然后逐步傳輸數(shù)據(jù)，不斷提高圖像質(zhì)量，以滿足用戶的需要。這在網(wǎng)絡(luò)傳輸中有著重大的意義；

3、JPEG2000另一個(gè)極其重要的優(yōu)點(diǎn)就是感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI）。用戶可以隨意指定感興趣區(qū)域。在這些區(qū)域，用戶可以在壓縮時(shí)指定特定的壓縮質(zhì)量，或在恢復(fù)時(shí)指定特定的解壓縮要求。這給用戶帶來了極大的方便。在有些情況下，圖像中只有一小塊區(qū)域?qū)τ脩羰怯杏玫?，?duì)這些區(qū)域，采用低壓縮比，而感興趣區(qū)域之外采用高壓縮比，在保證不丟失重要信息的同時(shí)，又能有效地壓縮數(shù)據(jù)量，這就是基于ROI的編碼方案所采取的壓縮策略?；赗OI的壓縮方法的優(yōu)點(diǎn)，在于它結(jié)合了接收方對(duì)壓縮的主觀需求，實(shí)現(xiàn)了交互式壓縮。而接收方隨著觀察，常常會(huì)有新的要求，可能對(duì)新的區(qū)域感興趣，也可能希望某一區(qū)域更清晰些。這些功能的實(shí)現(xiàn)主要在于JPEG2000碼流的分層組織。數(shù)據(jù)可以分層傳輸因此可以提供分辨率分級(jí)漸進(jìn)；每增加一級(jí)數(shù)據(jù)，分辨率可以提高一級(jí)。

當(dāng)然，JPEG2000的改進(jìn)還不僅僅這些，如它考慮了人的視覺特性，增加了視覺權(quán)重和掩膜，在不損害視覺效果的情況下大大提高了壓縮效率；你可以為一個(gè)圖像文件加上加密的版權(quán)信息，這種經(jīng)過加密的版權(quán)信息在圖像編輯的過程（放大、復(fù)制）中將沒有損失，比目前的“水印”技朮更為先進(jìn)；此外，JPEG2000對(duì)CMYK、ICC、RGB等多種色彩模式都有很好的兼容性，這為用戶按照自己需求在不同顯示器、打印機(jī)等外設(shè)進(jìn)行色彩管理帶來了便利。

當(dāng)前，JPEG2000的應(yīng)用還沒有到普及的程度，這是因?yàn)樗啾菾PEG性能的提升和更多的特性也帶來了硬件實(shí)現(xiàn)上的復(fù)雜，現(xiàn)有JPEG2000的商用芯片種類很少，IP核的價(jià)格也很高，對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的普及帶來了障礙。然而它優(yōu)秀的性能決定了它光明的前途，申請(qǐng)此項(xiàng)目更是為了借OpenHW開放源碼設(shè)計(jì)大賽這個(gè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單，易用，高效，可靠，方便擴(kuò)展并且公開源碼的JPEG2000編碼器IP核，為JPEG2000走向普及做出貢獻(xiàn)。隨著時(shí)代的發(fā)展，又出現(xiàn)了很多JPEG2000結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的新方案，如更高效的DWT引擎，更好的EBCOT硬件結(jié)構(gòu)，在此次項(xiàng)目中也想將這些最新的成果應(yīng)用進(jìn)來，力圖做出一個(gè)性能更好的編碼器。