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(kāi)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。[!--empirenews.page--]

圖3  位平面編碼三個(gè)通道系數(shù)編碼數(shù)量變化示意圖
    通過(guò)對(duì)壓縮性能研究發(fā)現(xiàn)，在壓縮比較小時(shí)本文改進(jìn)算法比標(biāo)準(zhǔn)算法的壓縮性能約低0.4db左右，在壓縮比較大時(shí)兩者的壓縮性能相一致，保留了JPEG2000優(yōu)異的壓縮性能；從編解碼時(shí)間來(lái)看，在有損壓縮編碼執(zhí)行時(shí)間上，本文所給出的改進(jìn)算法比標(biāo)準(zhǔn)算法時(shí)間縮短8%到12%，解碼時(shí)間縮短2%到5%，提高了編碼效率，達(dá)到了改進(jìn)的目的。
3  JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中改進(jìn)算法的DSP實(shí)現(xiàn)
3.1 DSP硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)
    本文使用評(píng)估板是北京聞亭公司的TDS642，板上的DSP芯片是TMX DM642，BGA548封裝，內(nèi)部工作時(shí)鐘為600M，外部總線時(shí)鐘為100M，計(jì)算能力高達(dá)4.8億指令每秒。
    該平臺(tái)提供了豐富的外圍接口。板上有兩個(gè)復(fù)合視頻（PAL/NTSC/SECAMS）輸入和1個(gè)復(fù)合視頻輸出端口；立體聲輸入/出或單一麥克風(fēng)輸入端口；提供兩個(gè)UART、以太網(wǎng)接口、子板接口、PC104接口和JTAG接口[6][7]。板上還提供了4M Bytes的Flash存儲(chǔ)器，位于DM642的CE1地址空間，寬度為8bits，F(xiàn)PGA擴(kuò)展了3根地址線，把Flash分成8頁(yè)，F(xiàn)lash 的第0頁(yè)的前半頁(yè)存放用戶的自啟動(dòng)程序，后半頁(yè)存放FPGA程序，第1頁(yè)尾用戶存放數(shù)據(jù)空間，第2頁(yè)至第8頁(yè)用于存放用戶程序。
3.2 核心算法的DSP實(shí)現(xiàn)
    （1）算法總體框架。本文算法基于DM642EVM實(shí)現(xiàn)時(shí)主要分為兩個(gè)大的模塊（如圖4），第一部分為DWT變換模塊，它將輸入圖像數(shù)據(jù)變換為一系列的小波系數(shù)；第二部分為EBCOT算法模塊，將量化后的的小波系數(shù)編碼生成壓縮碼流。硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖4 算法框架圖

圖5 算法硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖
    （2）內(nèi)存分配。對(duì)于圖像數(shù)據(jù)的處理，往往涉及到大量的復(fù)雜的數(shù)據(jù)尋址計(jì)算，對(duì)于復(fù)雜的尋址計(jì)算，其耗費(fèi)CPU的計(jì)算量可能比實(shí)際數(shù)據(jù)操作的計(jì)算量還大。所以要加快CPU對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)速度，不但要求存儲(chǔ)器本身的速度快，而且還需要一個(gè)合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)簡(jiǎn)化CPU對(duì)地址的計(jì)算。另外，DM642對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)技術(shù)，如Cache、EDMA和寬bit數(shù)據(jù)直接讀寫(xiě)等，都是基于存儲(chǔ)地址的連續(xù)性?；谝陨峡紤]，本文在內(nèi)存分配及定位時(shí)，依據(jù)以下大的原則：第一，在滿足精度要求的情況下，使用較短的數(shù)據(jù)類(lèi)型；第二、大的數(shù)據(jù)塊，如原始圖像、重構(gòu)圖像存儲(chǔ)在片外SDRAM；第三、關(guān)鍵數(shù)據(jù)、小的數(shù)據(jù)塊，比如運(yùn)算時(shí)的系數(shù)、系統(tǒng)堆棧、三個(gè)通道掃描都需要頻繁的訪問(wèn)數(shù)據(jù)區(qū)和上下文標(biāo)志區(qū)等，存放到片內(nèi)存儲(chǔ)器；第四、對(duì)L2級(jí)配置足夠的Cache以便CPU對(duì)數(shù)據(jù)的快速讀寫(xiě)；第五、對(duì)于具有運(yùn)算相關(guān)性的數(shù)據(jù)，應(yīng)在內(nèi)存中按序連續(xù)排放。當(dāng)涉及到片內(nèi)外數(shù)據(jù)塊的搬移操作時(shí)，可由DM642的EDMA單元去完成，它可與CPU并行工作，不占用CPU的計(jì)算周期[8]。
    （3）圖像數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。由于本文工作主要完成針對(duì)圖像的壓縮功能，不涉及圖像采集，所以在圖像數(shù)據(jù)的輸入輸出上做了適當(dāng)?shù)奶幚怼？紤]到CCS的Simulator完全支持C/C++語(yǔ)言，因此原始圖像數(shù)據(jù)的輸入采用C語(yǔ)言中的頭文件形式，小波變換模塊，EBCOT算法模塊采用存放在PC機(jī)的數(shù)據(jù)文件形式。本文主要采用頭文件和二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件的形式，將圖像的非文件頭部分的所有數(shù)據(jù)通過(guò)“fprintf（fp，“%3d，”，image_in [i][j]）”語(yǔ)句寫(xiě)到.h文件中。
    （4）DWT的實(shí)現(xiàn)。由于DM642為定點(diǎn)處理器，不適合于浮點(diǎn)運(yùn)算，所以本文選擇LeGall（5，3）整數(shù)濾波器完成JPEG2000中的小波變換。在進(jìn)行小波變換時(shí)，首先定義兩個(gè)與圖像塊大小相等的存儲(chǔ)緩沖器，一個(gè)是圖像片數(shù)據(jù)的輸入緩存Buf，一個(gè)是用來(lái)臨時(shí)存放圖像片數(shù)據(jù)經(jīng)小波變換后的結(jié)果緩存TempBuf。每經(jīng)過(guò)一級(jí)小波變換，圖像片數(shù)據(jù)都要先后兩次經(jīng)過(guò)integer（5，3）的低通和高通濾波。TempBuf中保存的高通濾波數(shù)據(jù)經(jīng)integer（5，3）濾波器處理后，得到HL子帶和HH子帶的小波變換系數(shù)。最后將變換結(jié)果存放到輸入緩存Buf中。若要進(jìn)行下一級(jí)分解，只需對(duì)Buf中LL子帶進(jìn)行同樣處理。[!--empirenews.page--]
    （5）EBCOT算法的實(shí)現(xiàn)。EBCOT算法是JPEG2000編碼系統(tǒng)中耗時(shí)最大的一個(gè)部分，因此對(duì)這一部分進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能提高很有意義。在PC機(jī)上，EBCOT編碼中的每個(gè)通道都是被獨(dú)立處理的。因此，在DM642上實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，本文采用并行性技術(shù)來(lái)優(yōu)化代碼，加快程序的執(zhí)行速度，比如在取位平面數(shù)據(jù)的時(shí)候可以和構(gòu)造上下文模型并行處理，但是并不是簡(jiǎn)單的并行處理，當(dāng)要形成通道二的上下文模型時(shí)，其鄰域的數(shù)據(jù)在處理通道一的時(shí)候己經(jīng)被改變。這樣做可以增加DM642功能單元的利用率，充分發(fā)揮出它的并行計(jì)算能力。
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    本文實(shí)驗(yàn)基于Windows XP操作系統(tǒng)、CPU Intel Pentium（R）4 2.4GHz、512M內(nèi)存、CCS編譯環(huán)境，程序通過(guò)USB仿真器下載到DM642EVM開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行，采用LeGall（5，3）小波，處理圖像為512×512的lena和barbara圖像。經(jīng)測(cè)試，壓縮比為16：1時(shí)編碼器編碼相應(yīng)耗時(shí)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)給出了lena圖像在8：1、16：1、32：1三種壓縮比下的重構(gòu)圖像，并分別給出了與原始圖像的峰值信噪比，如圖6所示。
    表1數(shù)據(jù)表明，編碼器基于DSP的編碼耗時(shí)相比基于PC的耗時(shí)有所增加，是因?yàn)榇a在DM642EVM硬件平臺(tái)上運(yùn)行時(shí)需要持續(xù)的通過(guò)USB仿真器和PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，從而增加了時(shí)間的開(kāi)銷(xiāo)。從圖6中的PSNR值可知，lena圖像在較高壓縮比下的重構(gòu)圖像仍具有較高的圖像質(zhì)量。就主觀評(píng)價(jià)來(lái)講，壓縮比為8：1和16：1的重構(gòu)圖像與原始圖像差別細(xì)微，視覺(jué)效果好；壓縮比為32：1的重構(gòu)圖像略有失真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，移植到DSP上的JPEG2000編碼算法代碼仍具有良好的壓縮性能。

圖6  barbara圖像編碼圖
4  結(jié)束語(yǔ)
    為了實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的高效壓縮，在這里使用了DWT變換和EBCOT算法，并給出兩點(diǎn)改進(jìn)方法。通過(guò)將改進(jìn)的算法移植到DSP開(kāi)發(fā)板上，可以看出圖像在高壓縮比的重構(gòu)圖像仍具有較高的圖像質(zhì)量，結(jié)果表明移植到DSP上的JPEG2000編碼算法代碼仍具有良好的壓縮性能，在圖像壓縮處理中有較好的嘗試應(yīng)用。