JPEG2000核心算法的研究及DSP實現

1 引言
JPEG2000是新一代靜止圖像壓縮國際標準，具有優越的圖像壓縮性能和高的圖像質量，不僅克服了傳統JPEG靜止圖像壓縮標準在高壓縮時出現方塊效應的缺點，還提供了圖像漸進傳輸、圖像質量可伸縮及感興趣區域編碼等特性，可以應用于數碼相機、醫療圖像、網絡傳輸等方面。
2 JPEG2000標準基本原理
2.1 JPEG2000編解碼框架
JPEG2000編碼器編碼主要有預處理、小波變換、量化和熵編碼等步驟，相對于編碼過程，該系統的解碼過程比較簡單[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
通過離散小波變換多級小波分解，小波系數既能表示圖像片中局部區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節，另外，下一級分解得到的系數所表示圖像在水平和垂直方向的分辨率只有上一級小波系數所表示的圖像的一半，所以通過對圖像的不同級進行解碼，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，對碼塊系數量化，按照二進制位分層的方法，從高有效位平面開始，依次對每個位平面上的所有小波系數位進行三個通道掃描建模（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符號對，然后對這些上下文和符號對進行上下文算術編碼，形成碼塊碼流，完成第一階段編碼塊編碼；最后根據一定參數指標如碼率、失真度，按率失真最優原則在每個獨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程[2]。
2.3 EBCOT算法中塊編碼算法的改進研究及實現
在JPEG2000編解碼系統中，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算法的核心，它占用了大量的編碼時間，無論是無損壓縮還是有損壓縮，EBCOT算法中的位平面編碼時間都占到整個編碼耗時的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算量比較大、編碼速度較慢，針對這種情況的優化改進研究很有必要。
圖3為barbara圖像（256×256）在位平面編碼時三個通道系數編碼數量變化示意圖。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，所有系數都只在清除通道進行編碼。重要性傳播通道中編碼的系數數量先是增加，然后由于在重要性傳播通道中的系數已變為重要的，所以在重要性傳播通道中編碼的系數數量又逐漸減少。在低位平面（0、1、2）大部分系數在幅度精練通道中編碼，只有一少部分在重要通道中編碼，沒有系數在清除通道中編碼。在整個掃描編碼過程中，三次掃描要形成三次上下文并判斷其所屬編碼通道，這樣就會使編碼時間大幅度增加。
根據對圖3的數據分析研究，本文給出兩種針對于位平面編碼的改進方法[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）上清除通道實際編碼的像素是很少的，幾乎為零。所以花費時間對較低位平面上的清除通道進行掃描編碼是無意義的。本論文就此給出一種改進方案即省略較低位平面的清除通道編碼，達到改進標準算法的目的。該編碼模塊與標準算法此部分代碼相近，只是對編碼條件進行了改變。
（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。在標準算法的掃描機制下，對圖像質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較高位平面進行改進，即在一次掃描過程中對最高位平面和次高位平面所有系數進行編碼。在一次編碼一個系數時，通過上下文的形成，先確定此系數屬于哪個通道。然后，此系數按所屬通道馬上進行相應編碼。這樣就能減少兩次掃描，節約了編碼時間，從而能夠提高編碼效率。本文處理的對象主要是8比特的灰度圖像。有損壓縮采用9/7小波變換。