1、 本科毕业设计 （ 20 届） 嵌入式图像编码中的码率控制算法研究 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘要 随着网络和多媒体技术的发展 ,对静态图像压缩不仅要求有较高的压缩性能 ,而且还要求有新的功能来适应一些特殊的要求。 JPEG2000是一种新的图像编码标准 ,它具有优良的压缩性能和很高的灵活性 ,而且系统功能比以前所有的图像压缩标准都先进 1。 码率控制就是通过一定的编码措施，在给定的压缩率情况下，获得最佳重构的图像质量。其算法就是找到最优截断点集合，截断后的码流进行组织，得到较好的图像质量。 本文针对原有的码率控制研究方法，
2、实现了一种嵌入式图像编码中的码率控制算法 PRCD码率控制算法 。该算法主要是 首先将小波变换得到的子带信号分割成较小的码块 ，并把原始图像通过直流（ DC）变换和离散余弦变换（ DWT）。再依据图像总目标码率和小波 子带重要性，预先分配子带目标码率。以小波子带为码率控制单元，对子带内码块码流进行优化截取和更新。 关键词： 图像压缩； JPEG2000； EBCOT； PCRD - 2 - Abstract With the Internet and multimedia technology， the static image compression requires not only hi
3、gh compressed performance, but also requires new functions to meet some special requirements.JPEG2000is a new image coding standard, it has excellent compression performance and high flexibility. Rate control is to get the best reconstructed image quality by a certain encoded measurein a given compr
4、ession ratio case. The algorithm is to find the optimal truncation point set, organize the stream after truncated and then get a better image quality. In this article, we achieve a new embedded image coding rate control algorithm - PRCD rate control algorithm in allusion to the existing rate control
5、 methods. The algorithm obtain the different smaller blocks of code and the original image through the image segmentation .The original image made by direct current (DC) transform and discrete cosine transform (DWT). It preassigns sub-band object code rate according to code-rate of the total target
6、image and wavelet sub-band importance. Wavelet sub-band for the rate control unit, Pair with a code block within the stream to optimize the interception and updated Key Words: image compression; JPEG2000; EBCOT; PCRD - 1 - 目 录 1 引言 . 2 2 JPEG2000 标准介绍 . 3 2.1 JPEG2000 标准 . 3 2.2 JPEG2000 的编解码 . 4 2.
7、3 JPEG2000 的核心处理 . 4 2.3.1 离散小波变换 . 4 2.3.2 量化 . 5 2.3.3 熵编码 . 5 3 EBCOT 算法 3.1 EBCOT 编码原理 . 6 3.2 EBCOT 算法 . 6 3.2.1 EBCOT 算法的框架 . 7 3.2.2 位平面编码 . 7 3.2.3 MQ熵编码 . 9 4 PCRD 码率控制算法 . 10 4.1率失真算法过程 . 10 4.2.率失真码流优化截取 . 11 4.3 实验结果 . 14 致 谢 . 16 参考文献 . 17 附录 1 主要程序 . 18 附录 2 科研论文 . 20 - 2 - 1 引 言 近年来，随
8、着通信网络技术的不断发展，图像信息交流应用越来越广泛，很大程度的改变了人们的生活方式，受到越来越多人的关注。图像是信息含量最为丰富的信息载体，是信息环境不可缺少的组成部分。是现代通信技术中最重要的信息载体，由于通过视觉获得的信息是占人类所获信息的最大比重，所以图像信息的重要性已 远超过其他的感官信息 图像编码技术中最重要的组成部分是码率控制，它对编码的图像质量有很大的影响。码率控制的主要目的是保持编码器输出的比特率不超过目标比特率的前提下，使得图像失真最小 1。近几年来，码率控制算法研究的主要热点是在比特率和图像质量之间进行优化地选择。根据实际需求与算法的优化研究者们提出了不同的码率控制算法。
9、这些算法中基于 H.264 的码率控制算法的运用是最为广泛的，在这基础上也提出了许多基于传统 H.264 的码率控制算法的改进算法。无论是哪种码率控制的算法，目的都是能高质量、有效的的处理和传输视频 信息和多媒体信息，减小图像失真。 传统 的 JPEG 静止图像压缩标准在高压缩时 会 出现方块效应 ，而 JPEG2000是新一代静止图像压缩国际标准， 它 具有 良好 的图像压缩性能和 较 高的图像质量， 能有效的克服传统标准的缺点 ，还提供了图像渐进传输、图像质量可伸缩及感兴趣区域编码 2等特性， 应用也很广泛，在各领域都有重大的作用 。 JPEG2000编码技术的核心变换算法是离散小波变换
10、(DWT)，而 JPEG2000 标准的核心算法为是一种基于码块的优化截取嵌入式编码方法 EBCOT。 目前来说， EBCOT 算法的研究很广泛，为 提高压缩效率，目前主要是对基于码块的 Tier1 编码阶段进行改进。这类方法 没有考虑人的视觉感知特性，对整张图像采用相同的编码策略，各个对象的压缩精度基本上相同，在有些场合难以发挥最高的编码效率。 一般来说，图像的不同对象对人眼的主观感觉是不相同的，而且在不同的应用中，同一张图片的不同对象的重要程度也不同，观察者常常只对图像的某一对象感兴趣1。 - 3 - 2 JPEG2000 标准的介绍 近几年来，计算机硬件和软件高速发展，多媒体应用领域的快
11、速增加 ,原有的静态图像压缩标准存在很多质量要求上的遗憾 。 JPEG 存在的主要缺陷 : (1)图片存在严重的马赛克现象 。 JPEG 需要 将要压缩的图像分解成 8*8 的较小的图像小块 ,然后用离散余弦变换 (DCT)将各子块转换成 8*8 的 变换域系数矩阵 , 高频区的系数值较小，而大系数值较集中预图像的低频区域 ,然后 通过一个 8*8 的量化表对这些系数量化 ,一般可以忽略掉一些高频系数 ,从而压缩图像数据 。 但是分块会带来了明显的方块效应 ,破坏了图像的连续性 ,也就是图片马赛克现象较严重了 。 (2) 存在无损压缩和有损压缩两种相异的编码方式 ,而这两种编码方式 不共存于同
12、一个文件中 如果 进行的是有损压缩， 那么就不能将图象无损还原 。(3) 4种工作模式分别独立 。 JPEG 有 累进模式、顺序模式、分层模式和无损模式四种模式，而这四种模式分别独立。 (4) 不能同时在同一个文件提供多级分辨率 。由于 不同尺寸的图像和不同的编码文件对应 ,如果 要查看一个大图像小尺寸的预览图 ,就 必须另外保存一个小尺寸编码文件 。 正是因为这些不足 ,我们需要研究一种具有优良压缩效果的 ,支持更多图像格式 ,能够集成 JPEG 的 4 种工作模式 2,并能够提供更多新特性的静态图像压缩格式 。 因此 ,就形成了 新一代静态图像压缩标准 JPEG2000 标准。 2.1 J
13、PEG2000标准 JPEG2000 是由 JPEG 联合摄影专家组制定的最新的图像压缩编码的国际标准 。 JEPG 工作组与 1996 年开始研究新的静止图像的压缩编码标准 ,并将之命名为 JPEG2000， 他有效的解决 JPEG 中的很多不足 ，可获得更高的压缩比，支持多分辨率表示，对多重压缩、解压缩循环的性能有很大的改进等等优点。 2000 年12 月，推出了该标准的基准部分 ,而其余部分也在 2001 到 2002 年的时间里被陆续推出 。 JPEG2000 采用了许多新的压缩编码技术，主要是以小波变换为主要编码方式 ,并结合 EBCOT算法，采用 MQ 编码器 2，避免了 JPEG
14、 的分块边界效应 6,而且还突出其感兴趣区域。 - 4 - 2.2 JPEG2000的编解码 JPEG2000 图像编码过程为 :原始图像 预处理 离散小波变换 均匀量化 算术熵编码 码流组织 压缩图像数据的存储或传输 。 解码过程就是该过程的逆过程 。 其编解码框图如下图 2-16所示。 原 图 像D C 电位 平 移分 量 变换离 散 小波 变 换量 化 熵 编 码反 向D C 电位 平 移反 向 分量 变 换反 向 小波 变 换反 向量 化熵 编 码重 建 图 像 数据存 储 或输 出预 处 理J E P G 2 0 0 0 编 码 框 图J P E G 2 0 0 0 解 码 框 图图
15、 2-1 JPEG2000 的编解码框图 在编码器中，首先 要 对源图像进行 分割、采样值的位移 ，分量变换等 前期预处理， 然后再对预 处理 后 的结果进行 二维 离散小波变换， 在变换过程中可以 得到一个 小波系数。然后对小波系数进行量化 ，接着就是 熵编码， 最后，将压缩的个子比特面组织成数据包的形式输出（比特流） 。解码器是编码器的 逆 过程 ，就是对码流进行解包和熵解码 后 ， 进行 反向量化和离散小波反变换，对反变换的结果进行后期处理合成，就 可以 得到重构的图像数据。 2.3 JPEG2000的核心处理 JPEG2000 中的图像核心处理部分包括：离散小波变换，量化和熵编码。 2
16、.3.1 离散小波变换 传统的 DCT 变换 是应用于 JPEG 基 本系统中的 ， 而在 JPEG2000 中 DCT 都- 5 - 被全帧 DWT 所替代。 小波变换具有对信号进行多分辨率分析和反映信号局部特征的特点 7。图像片进行离散小波变换 可以 得到小波系数图像 ， 小波系数图像 是由几种子带系数图像组成。 而 这些子带系数图像描述的是图像片水平和垂直方向的空间频率特性。 在 JPEG2000 第一部分中仅 选用两种小波滤波器 组 ： 整数提升LeGall 5/3 滤波器和 Daubechies 9/7 浮点 滤波器。不同子带的小波系数反映图像片不同空间分辨率的特性 3-4。通过多级
17、小波分解，小波系数既能表示图像片中局部区域的 高频信息，也能表示图像片中的低频信息。这样，即使在低比特律的情况下，我们也能保持较多的图像细节。 正因为 小波变换具有的这种优点 ，所以被 JPEG2000 标准所采用。 2.3.2 量化 适当的量化减小变换系数的精度，可在不影响图像主观质量的前提下， 解决人类视觉系统对图像的分辨率要求有一定的局限 的困扰，从而 达到图像压缩的目的 。离散 小波变换不具备压缩数据的能力 ,变换前原始图像的数据量与变换后各系数图像的数据量相等 ,而量化的过程就是将大量幅度较小系数抑制为零 ,通过这一方法 压缩数据量 。 它是以降低小波系数的精度为代价来降低 码流和提
18、高压缩比的 5。 即量化是有损的 ,会产生量化误差。 JPEG2000第一部分采用均匀量化器，起区间宽度是量化步长的两倍，量化步长可以根据子带的视觉特性或码率控制的要求决定。 2.3.3 熵编码 图像在经过离散小波变换、量化过程后 ,减少了空域和频域上的一定冗余度，需要采用熵编码来消除数据在统计意义上存在的一定的相关性。为了达到抗干扰和任意水平逐渐显示， JPEG2000 对小波变换系数的量化值按不同子带进行编码。把量化后的子带分割成小码块 ,码块大小由编码器决定，分别对每个码块编码。这就是嵌入式块编码。然后对 于每个码块进行扫描，每次扫描输出进行自适应算术编码，最后将压缩的个子比特面组织成数
19、据包的形式输出。 - 6 - 3 EBCOT 算法 3.1 EBCOT 编码原理 嵌入式编码 (embedded coding)是一种新型的编码技术。其基本过程是编码器根据待编码的比特流重要性的不同来进行排序，通过监视编码的一些参数，根据失真度大小的要求或目标码率，随时可以截断比特流，结束编码 8；对于给定码流解码器也同样能够随时结束解码，并可以得到相应比特流截断处的目标码率的重建图像。嵌入式编码的拥有独特优势，被广泛应用于图像浏览，网 络、无线传输，在容易发生误差的换将有很好的作用。 数字图像经过小波分解后，被分解成两个子带，低频子带的小波系数很大，有很强的相关性，聚集了图像的大部分能量，包
20、含了图像的主要信息，可以对她再进行双子带分解，降低其相关性。而高频子带，系数值较小，包含的图像信息也比较少。即使在数值相同的情况下，相对于高频子带，低频子带是反映图像的低频信息，对视觉比较重要；因此，对相同数值的系数，选择先传较低频系数的重要比特，后传输较高频系数的重要比特。由于图像小波系数具有的这些特点，所以适合于嵌入式的图像编码算法。 3.2 EBCOT 算法 EBCOT 编码编码的对象是码块，它将码块中的量化系数组成若干个位平面，对每一个位平面进行编码。以“位平面”为编码元，可以更好地利用图像局部的统计特性，为随机获取图像压缩位流提供支持 9，也有利于提高压缩码流的抗误码性能。 1998
21、 年 12 月，嵌入式最优切断块编码 EBCOT 算法在 JPEG Los Angeles 会议上提出的。其主要思想是利用离散小波变换对图像像素值采样变换，然后对变换后的小波系数进行量化和编码。与早期的嵌入式图像压缩算法相比， EBCOT 算法的主要特点是采用基于码块的位平面编码和基于 上下文的二进制算术编码 9。近几年来，由于图像技术的要求， EBCOT 算法也在不断改进，不但提高了 EBCOT算法的效率，而且图像压缩质量也得到提高。 - 7 - 3.2.1 EBCOT 算法的框架 EBCOT 算法属于熵编码方案的一种，算法编码框图如图 3-1 所示。 图 像 预 处 理 量 化离 散 小
22、波变 换T i e r 2 编码输 出T i e r 1 编码码 率 控 制图 3-1 EBCOT 编码框图 7 嵌入式图像编码的码率算法是将图像先进国预处理，预处理的主要过程是对图像进行 DC 变换 (采样值的位移，主要是在水平方向上的 )和分量间的变换， DC变换的主要目的是使变 换后的图像便于编码。分量间变换在彩色图像处理中需要采用的 ,而对灰度图像则可以省略此步。 EBCOT 算法的核心部分是 Tier1 独立块编码和 Tier2 码流组装 ,其基本思想是：将经过小波变换后的图像在各子带内划分为大小固定的较小的码块，将码块作为基本处理单元，然后对码块系数量化并按照二进制位进行分层，从最
23、高有效位平面开始到较低的有效位平面，依次对每个位平面上的小波系数位进行位平面编码，从而生成 0， 1符号对和上下文，接着就是根据上下文和符号对其进行 MQ算术编码，这样便形成了码块码流，完成 Tier1 编码； Tier2 编 码器的做药用途是对图像的码流进行率失真优化，从 Tier1 编码到 Tier2 是根据一定参数指标如按率失真最优原则，码率或者失真度对码块码流进行重新组装。最终形成压缩码流，这样就完成乐 Tier2 码流组装过程。 3.2.2 位平面编码 位平面编码是基于二进制、上下文、位平面算术编码来实现的的编码方式，它的每个编码块独立使用熵编码。将量化后的编码块作为有符号整数矩阵 ,这样每个系数的一位组成了一系列二进制矩阵。而第一个这样的矩阵包含的是所有数的 MSB（ 最高位）。下一个所有数的 MSB则是 第二个矩阵包含的 ,依次类推最后的
