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实时截断码率控制新算法及其结构设计.doc

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实时截断码率控制新算法及其结构设计.doc

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第8期
20O5年8月
电了:



JPEG实时截断码率控制新算法
及其VLSI构造设计
吴宗泽,郑南宁,黄宇,朱悦心,梅魁志,张静
(西安交通大学人工智能与机器人研究所,陕西西安710049)
摘要:
分解的小波子带内码块有效位平面数,并根据编码通道数和小波/
JPEG编码实时截断,

道被预先截断,存储器损耗小,,图像质量跟JPEG原则一致.
核心词:码率控制;截断;编码通道;有效位平面;VLS1
中图分类号:TP391文献标记码:A文章编号:(2o05)08,
NewRateControlAlgorithmTruncatingRealTimeforJPEGand
ItsVLSIArchitectureDesign
WUZong-ze,~-IENGNan—ning,HUANGYu,ZHUYue—xin,MEIKui—zhi,ZHANGJing
(Instituteoftzl,aeUige,~eandRobotics,Xi'∞JiaotongUnitersity,Xi'an,Shaan~710049,Ch/na)
Abstract:AnewalgorithmforJPEGratecontrolispropo~.ⅡIsll'llnP~ltioncallbefulfilledadaptivelyincode-
-planesforthecodeblocksintheun—analyzedsubbandscanbepredictedusiIlgthosein

andtheweightsofwavelet/~.

tl1matalowbit-.~e8aletrtmcatedbeforesearchingtheoptimummmonpoints,thus
leadtolessworki~—rales,theimagequahtyusingourarc~tectureisthesa/neasthatusthe
methodJPEGprovided.
y,IIIonds:ratecontrol;trtmeafion;codingpass;significantbit—plane;VLSI
1引言
JPEG…用PcRD(Post-CompressionRateDistortion)优化
算法控制码率,它保证在给定的码率下使压缩图像质量最佳.
但它要在整个tile块flerl编码后才进行最优分层截断,而在
低码率时,绝大多数被截断的码流也被编码,且Tierl编码的
时间在软件上占JPEG编码时间的45—60%l2J,增长系统
不必要存储损耗,
法有两类:一类是通过码率失真度斜率(Rate-DistortionSlope,
简称RD斜率)衡量与否作为截断的原则,如PCRD[,Te-Hao
Chang等提出的措施_3;第二类措施是不计算RD斜率而控
制码率,],它相对于前一类方
法计算复杂度小,资源损耗小,但是码率控制精度不够.
本文提出一种将JPEG计算失真度减小量的小波权
值和量化系数…作为码块问码率分派的权值,并按照码
,又提
出一种用已分解的小波子带内码块的有效位平面数预测未分
,
算法计算复杂度和资源损耗都比JPEG原则的PCRD优化
算法小,
较差,提出一种两级码率控制的JPEG编码体系构造.
2JPEG码率控制算法
第i码块的第编码通道后的所有截断产生的失真,
整个图像总体失真D:
∑;码块i截断后涉及码字数碍,截断后总的码字数R:
∑:
f:面n(∑啡(1)
LSt:∑郦≤
其中,(1)相称于在不超过
收稿日期:2OO4-O5—13;修回日期:-05—20
基金项目:国家863筹划资助项目(,);国家自然科学基金("205001);国家自然基金优秀创新群体项目
()
1458电子正

法,引进乘子,将模型式(1)转化为:
f即'(2)【st:∑砟=一一
调节与每个码块编码通道的RD斜率比较产生截断点
n可使在∑砟尽量接近一下∑(+)
点处RD斜率计算为:
毋=△t/△=∑△(m,n)/△(3)
式(3)中△.(m,n)表达编码通道n上(m,n)位被截断
前后失真度减小量.∑△(m,n)表达编码通道n截断前后
总的失真度减小量.
在通道扫描的过程中,根据扫描编码通道位及量化小波系
数计算出从目前位被截断后给重建图像带来失真度减小量,并
将目前通道的所有位被截断失真减小量求和得到At/).目前编

fierl编码过程中产生的编码通道及其△D和AR,计算RD斜
率,并根据顾客设定的码率和RD斜率对每一种码块的编码通

码率控制输出的截断点,将压缩码流以包的形式组织成
.
图1码率控制与其他模块的关系
编码通道失真度减小量计算必须与上下文编码进行通道
扫描同步进行,
P(JID优化算法是在file块上的一种全局优化搜索过程,它要
等到整个Tde块的所有码块的所有通道编码完毕才进行分层
截断点的搜索,需要大量的存储器存储被截断的码流和每个
编码通道的RD斜率,
法存储器开销大和实时性差,无论从硬件还是软件实现角度
上讲都很有必要对JPEG码率控制算法进行改善.
3实时截断码率控制算法

小波系数能量向£方向集中,儿子带能量比HL,能
量高,HL,
器的范数…,必须
△对背面的
编码有十分重要的影响,量化步长越大,得到的整数部分越
小,
不同子带进行不同加权,按照JPEG合同RD斜率计算方
,得到不同子带的不同加权系数.

小波系数能量向£方向集中,在£方向上子带中码块的

,
£一删到高辨别率方向,子带内码块有效位平面数依次递
减;5/3小波子带内码块有效位平面数递减趋势不如9/7小波
明显.
10l97l415l
9f8
5
76
54
回圈6O=m"{6l,b2,b3,64}+2;
b0-~ax{bl,b2,b3}+l
图29/7小波分解子带间有效位平面预测措施
从图2中9/7小波子带内码块的有效位平面数变换趋势
可以得到一种粗略的小波子带内码块有效位平面数的预测方
,子带内部码块之
间存在1对2×2的四叉树关系,根据小波子带内有效位平面
数的变化趋势,可用已分解小波子带内码块的有效位平面数
预测未分解的小波子带内码块的有效位平面数.
非儿子带的预测用式(4)预测:
rb0=Il1a)【{b1,b2,b3,b4}+1,5/3小波
1b0=Il1a)【{bl,b2,b3,b4}+2,9/7,J,波,,
其中61,62,63,64分别表达已经分解或者已经预测过
的子带内2×2码块的有效位平面数;bO表达预测的更高一
级小波子带内码块相应的有效位平面数.
对儿子带的预测,用辨别率下一级辨别率的HL,1tt和
HH子带来预测:bO=Il1a)【{b1,b2,b3}+1(5)
b1,b2,b3分别是HL,H和HH相应位置的码块有效位
平面数,60是预测的相相应位置的码块有效位平面数.

小波子带中涉及编码通道数与图像质量(PSNR)成近似
正比例关系_6J,每个码块涉及通道数与算术编码码字长度成
近似正比例关系_6J,因此编码通道数可用图像质量和算术编

编码码字数和图像质量是一条比较好的码率控制途径.
经前面分析,码块的编码通道数以及所在子带是决定图
,对图像质量
,该码块对压缩图

:
(1)初始化根据小波分解级数和小波类型求解每一种
子带的码流分派权值和总的编码通道数.
,用公式(6)为小波子带
内的码块分派相似的权系数.

wj=(町/面^)×(+1)or(~j/)×(3r一)(6)
=
3r一』=
其中是第k个小波子带相应的小波/量化权系数;r
是小波分解级数;
编码用(6)左式计算各个子带的权值;,
先编码先分解的高辨别率HH,HL和,用(6)右式.
第8期吴宗泽:JPEG实时截断码率控制新算法及其VLSI构造设计1459
初始化总的编码通道数
=∑nv~mP$,
TnumPs是目前file块的所有未
编码码块中所有编码通道数,
初始状况是所有编码通道数;
nllmPs是码块i的编码通道
数,llllmP$numBPs×3—2,
numBPs是第i个码块的有效
,
可直接进行fierl编码,但子
带有待进一步分解,
算法预测未分解小波子带内码块有效位平面数,求解出总的
编码通道数.
(2)给目前子带分派码宇先获取目前子带所有码块的
有效位平面数并预测未分解子带码块的有效位平面数,获得
子带内的和总的编码通道数mm~ubPs;按照编码通道数和小
波子带权系数为目前子带分派码字凡曲.
Rm啦×n2c,~uSPs/TnumPs(7)
(3)为子带内部待编码码块分派码宇在子带内部码块
的编码通道数和编码码字数成近似的线性关系,且变化趋势
基本一致_6J,故在子带内部码块按照编码通道数平均分派码
字.
Rc=Rl'6×,H肌CbP/nz£mslf6P,(8)
J
瞄是第_『子带中第i个码块分派的编码字节数,一
C~es/第子带第i个码块的编码通道总数.
(4)码块编码终结对目前码块编码,直到编码码字数

完毕,到5更新目的码字;否则,返回3编码下一种码块.
(5)更新目的码宇数R~将目的码字数R一减去子带_『
中所有码块已经编码码字数作为新的目的码字数.
R~=R~一(9)
(6)编码终结R~<=0或者所有子带的所有码块完全
被遍历时,整个tile编码结束;否则到7更新总的编码通道数.
(7)更新总的编码通道数Tmm~s将总的编码通道数减
去子带中所有的编码通道数,TnumPs=TnumPs—mm~ubP-
如新完毕一级小波分解,更新新产生的小波子带中码块的
有效位平面数,得到新的TnumPs;返回2编码下一种子带.

根据前面的算法提出一种在编码过程中实时截断码流的
JPEG20(I),DWT,Tierl
编码,码块码率预控制,PCRD和Tier2编码,如图3.
DWT模块用高效并行的流水线解决构造_9J,它实现行列

块的有效位平面数送给码块码率预控制模块,得到每一种码
,将子带的小波
系数输入进行下一级分解.
Tierl编码中上下文编码用VirticalCausal模式下的迅速
算法;算术编码采用编码通道结束和初始化概率表的流水算
×5
的窗口逻辑使重要性传播通道,幅度细化通道和清除通道并
行扫描,能一种时钟产生一种上下文,故用三个FIFO分别存

生一种算术编码,采用一种算术编码器对三个FIFO的上下文



编码结束后得到目前通道的编码字节数AR,然后计算出当
前编码通道的RD斜率,同步进行候选截断点选用.
码块码率预控制用实时截断的码率控制算法为目前编码
码块分派合适的压缩码字,
字数超过度派的码字数或码块编码结束时终结目前码块编
码,并复位fierl编码和让码块分割模块准备送下一种码块.
PCRD模块为保证在低码率的状况下图像质量最优对码块

下,码块码率预控制可以保持较好的图像质量,只采用码率预控
制,而不进行最优分层截断点搜索和RD斜率的计算.
r2编码将码流以包的形式组织成JPEG压缩文献.
本构造的优势在于:采用三个通道并行提高tierl编码的
速度;码块码流预控制可以对码流进行预先截断,减少系统的
存储资源和编码时间;在低码率下,对码流进行最优分层截
断,,资源损耗小,
适合VLSI实现.
5实验成果及其分析
在Jasper~mJ程序中嵌入本文的码率控制算法,预先为当
前码块压缩分派压缩码字数,在编码过程中实时截断码流.
对goldhill图像通过
两级5/3小波分解,tile
块512××
64,分别采用本文码率
控制算法和PCRD优化
算法()
压缩,三个分量PSNR比

出的码率控制算法压缩
图像质帚在码率不是很
mtodt~p
图4Goldhill=分量PSNR比较
蛇柏∞{5}跎∞鹅M
∞D记z∞
电子20O5正
低的状况下(>
)相对于
JPEG的PCRD优
化算法略低(),
通过肉眼难以辨别出
图像质量的差别(图5
所示).在低码率下,比
PCRD优化算法压缩图
像质量差别较大(2db
左右),肉眼可以看出
图像间有明显的差别.