專利名稱：一種用于圖像壓縮的算術(shù)編碼器順序重歸一化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于圖像壓縮的算術(shù)編碼器順序重歸一化方法，特別是應(yīng)用于聯(lián)合圖像專家組(JPEG) 2000編碼標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)編碼算法的順序算法結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前國(guó)際最新的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)(參考文獻(xiàn)[1])具備幀內(nèi)編碼、壓縮效果好、支持感興趣區(qū)域編碼和漸進(jìn)式傳輸?shù)绕焚|(zhì)，因而在高端數(shù)字圖像應(yīng)用中得到了推廣。在編碼過(guò)程中，首先采用離散小波(DWT)處理原始圖像，之后采用位平面編碼器(BPC)處理小波系數(shù)子帶生成上下文和碼值(CX/D)，再送入算術(shù)編碼器(AC)進(jìn)行壓縮編碼。隨著各類高清數(shù)字圖像的應(yīng)用普及，對(duì)圖像編碼器的實(shí)時(shí)處理能力提出了更高要求。因此也對(duì)AC的編碼速率提出了更高的要求。AC每讀入一個(gè)CX/D，都要更新符號(hào)概率區(qū)間，并在必要時(shí)采用循環(huán)迭代計(jì)算使其處于約定范圍內(nèi)，之后才可以讀入新的數(shù)據(jù)。循環(huán)迭代計(jì)算涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)控制和組合邏輯判斷，不宜于電路實(shí)現(xiàn)，且約束了數(shù)據(jù)讀入速率，進(jìn)而影響了系統(tǒng)的整體性能。簡(jiǎn)潔高效的編碼算法，成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。該領(lǐng)域有代表性的研究成果有多CX/D并行輸入編碼的方案(參考文獻(xiàn) [2]-[5])。多CX/D并行輸入編碼有利于發(fā)揮電路并行的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)吞吐量。但從已發(fā)表文獻(xiàn)來(lái)看，并行編碼方案的引入導(dǎo)致了編碼關(guān)鍵路徑較長(zhǎng)，時(shí)鐘頻率較低；且必須與位平面編碼器輸出接口緊耦合，對(duì)CX/D的讀入進(jìn)行有效控制。參考文獻(xiàn)[2]最早提出了主零點(diǎn)預(yù)測(cè)(LZP)的思想，即通過(guò)分析概率估值的主零點(diǎn)分布規(guī)律，以查表形式求得重歸一化規(guī)程(RP)期間所需的總移位次數(shù)。在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[6]和[7]著重對(duì)重歸一化規(guī)程進(jìn)行了研究，提出了可以避免循環(huán)迭代計(jì)算的順序算法結(jié)構(gòu)。但是，文獻(xiàn)[6]對(duì)算術(shù)編碼算法的整體結(jié)構(gòu)改動(dòng)較大，且判決條件分支過(guò)多，交叉進(jìn)行，不適于硬件實(shí)現(xiàn)。而文獻(xiàn)[7]僅僅考慮了無(wú)字節(jié)輸出和單字節(jié)輸出的情況，直接影響了編碼結(jié)果的正確性。文獻(xiàn)[8]_[10]重點(diǎn)研究了算術(shù)編碼器的流水線方法實(shí)現(xiàn)。流水線算法提高了 CX/D的讀入速率；但并沒(méi)克服循環(huán)迭代操作的缺陷，依然無(wú)法有效縮短關(guān)鍵路徑。[1]JPEG2000 Part 1 =Final Draft, document IS0/IEC JTCI/SC29/WGI N1855. doc, International Standard(IS0/IEC FDISF DIS15444-1)，Aug.2000.[2]M. Dyer, D.Taubman, and S. Nooshabadi, "Improved throughput arithmetic coder for JPEG2000,，，In Proceeding IEEE International Conference on Image Processing 2004(ICIP04)，IEEE Press, vol. 4，pp.2817-2820，Oct.2004.[3] Y. Z. Zhang, C. Xu and L.B.Chen, "A dual-symbol coding arithmetic coder architecture design for high speed EBCOT coding engine in JPEG2000,，，In Proceeding IEEE 6thInternational Conference on ASIC(ICASIC 05), IEEE Press, vol. 1，pp. 261-164，Oct. 2005.[4]M. Dyer,D. Taubman, S. Nooshabadi and A. K. Gupta,"Concurrency techniquesfor arithmetic coding in JPEG2000,，，IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol. 53，no. 6，pp. 1203—1213，June. 2006.[5]N. Noikaew and 0. Chitsobhuk,"Dual Symbol Processing for MQ arithmetic coder in JPEG2000,，，IEEE Congress on Image and Signal Processing(CISP 08), IEEE Press, vol. 1，pp. 521—524，Oct. 2008.[6] C. Y. Xiong, J. H. Hou, Z. R. Gao and X. He, "Efficient Fast Algorithm for MQ Arithmetic Coder,"In Proceeding IEEE Conference on Multimedia and Expo(ICME 07)，IEEE Press, pp. 759—762，July. 2007.[7]B. Min, S. Yoon,J. Ra and D. S. Park, "Enhanced Renormalization Algorithm in MQ-coderof JPEG2000,，，International Symposium on Information Technology Convergence(ISITC2007)，IEEE Press, Nov. 2007，pp.213-216.[8] C. J. Lian, K. F. Chen, H. H. Chen, and L. G. Chen, "Analysis and architecture design of block-coding engine for EBCOT in JPEG 2000," IEEE Transactions on Circuits Systems for Video Technology, vol. 13, no. 3,pp.219-230, Mar. 2003.[9]K. Zhu, F. Wang, X. Zhou, and Q. Zhang, "An efficient accelerating architecture for Tier-Icoding in JPEG2000,，，in Proceeding IEEE 7th International Conference Solid-State Integrated Circuits Technology, vol. 3. Oct. 18-21,2004, pp.1653-1656.[10]Y. Li and M. Bayoumi,"A three-level parallel high-speed low-power architecture for EBCOT of JPEG2000,，，IEEE Transactions on Circuits Systems for Video Technology, vol. 16, no.9,pp.1153-1163, Sep. 2006.

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明目的是設(shè)計(jì)一種用于圖像壓縮的算術(shù)編碼器順序重歸一化方法，該方法基于主零點(diǎn)預(yù)測(cè)思想，設(shè)計(jì)了總移位步數(shù)預(yù)測(cè)過(guò)程來(lái)預(yù)測(cè)概率區(qū)間A的總移位步數(shù)；根據(jù)字節(jié)的輸出次數(shù)，設(shè)計(jì)了一種順序結(jié)構(gòu)的重歸一化過(guò)程RP，使得整個(gè)AC算法在讀入一個(gè)CX/D后，可以一次性的成所有更新計(jì)算，無(wú)需任何循環(huán)。十分利于電路實(shí)現(xiàn)。技術(shù)方案JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)所采用的AC算法通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整符號(hào)出現(xiàn)概率的方式進(jìn)行編碼，并采用了一系列優(yōu)化技術(shù)以便于硬件實(shí)現(xiàn)。算法定義符號(hào)概率區(qū)間A， 并設(shè)定數(shù)值區(qū)間為0. 75 < A < 1. 5。區(qū)間邊界定義為C。將接收符號(hào)劃分為小概率符號(hào) (LPS)，概率估值為A ；大概率符號(hào)(MPS)，對(duì)應(yīng)概率估值為(A-Qe)。當(dāng)接收到MPS時(shí)，根據(jù)公式(1)更新A和C;若接收到LPS，則根據(jù)公式(2)進(jìn)行相應(yīng)更新。
可以用概率估值表(PET)將符號(hào)概率估值及下一可能狀態(tài)索引預(yù)存起來(lái)，以查找表的方式完成A與C的更新。JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)中的算術(shù)編碼器中，概率估值表包含符號(hào)概率估值A(chǔ)、概率估值索引^dex、下一大概率符號(hào)索引NMPS、下一小概率符號(hào)索引NLPS，大概率符號(hào)預(yù)設(shè)MPSS和大概率符號(hào)反轉(zhuǎn)條件Switch。Index用來(lái)檢索當(dāng)前符號(hào)的概率估值A(chǔ) ；NMPS表征在當(dāng)前上下文出現(xiàn)MPS時(shí)下一狀態(tài)的概率估值索引；NLPS與之類似。 考慮連續(xù)收到MPS時(shí)，會(huì)通過(guò)公式(1)反復(fù)更新概率估值，從而導(dǎo)致MPS概率估值小于LPS 概率估值；若連續(xù)收到LPS時(shí)情況與之類似。為了避免上述情況發(fā)生，用MPSS表征當(dāng)前大概率符號(hào)，即當(dāng)前碼值若與MPSS相等，則視為MPS，反之為L(zhǎng)PS。當(dāng)LPS概率估值大于MPS概率估值時(shí)，MPSS必須反轉(zhuǎn)。Switch用來(lái)指示MPSS是否需要反轉(zhuǎn)。位平面編碼器共輸出19 種上下文，每種上下文都有唯一對(duì)應(yīng)的hdex和MPSS。算數(shù)編碼器的總體流程是這樣的 每收到一個(gè)上下文CX和碼值D時(shí)，從概率估值表中取出前述參數(shù)，分別計(jì)算A、C和移位計(jì)數(shù)器CT，并在結(jié)束時(shí)更新Index和MPSS。如此循環(huán)，直到處理完所有的CX/D。編碼過(guò)程中，由于反復(fù)對(duì)概率區(qū)間A遞歸細(xì)分，精度會(huì)隨之增長(zhǎng)。為此，使用16進(jìn)制固定精度整數(shù)0x8000表征0. 75。當(dāng)A小于0. 75時(shí)，通過(guò)循環(huán)移位使其保持在[0. 75， 1.5)范圍內(nèi)。為保證A與C縮放一致，當(dāng)A左移時(shí)，C也左移相應(yīng)次數(shù)。為防止C溢出，使用緩沖寄存器B來(lái)暫存C的高位數(shù)據(jù)，并采用了位填充技術(shù)來(lái)防止進(jìn)位傳播。移位計(jì)數(shù)器 CT用來(lái)指示是否需要將B中的字節(jié)發(fā)送到碼流中，同時(shí)從C中移出一個(gè)字節(jié)緩存到B中。 以上計(jì)算都在重歸一化過(guò)程RP中完成。本發(fā)明的算術(shù)編碼器的順序歸一化過(guò)程方法，通過(guò)總移位步數(shù)預(yù)測(cè)過(guò)程獲取總移位步數(shù)TS，若不滿足0. 75 < A < 1. 5，則調(diào)用順序的重歸一化過(guò)程RP，將概率區(qū)間A —次性左移TS次，并分無(wú)字節(jié)輸出、單字節(jié)輸出和雙字節(jié)輸出三種情況對(duì)概率區(qū)間下邊界C逐次左移。所述總移位步數(shù)預(yù)測(cè)過(guò)程為概率區(qū)間A通過(guò)公式A = A更新時(shí)，執(zhí)行歸一化過(guò)程RP，概率區(qū)間A的總移位次數(shù)TS等于符號(hào)概率估值A(chǔ)的主零點(diǎn)個(gè)數(shù)；符號(hào)概率估值A(chǔ) 的主零點(diǎn)個(gè)數(shù)通過(guò)下表查得，
權(quán)利要求
1.一種用于圖像壓縮的算術(shù)編碼器的順序重歸一化方法，其特征在于算術(shù)編碼器讀取一對(duì)上下文CX和碼值D來(lái)計(jì)算概率區(qū)間A和概率區(qū)間下邊界C的同時(shí)，通過(guò)總移位步數(shù)預(yù)測(cè)過(guò)程獲取總移位步數(shù)TS ；若不滿足0. 75 < A < 1. 5，則調(diào)用順序的歸一化過(guò)程RP，將概率區(qū)間A —次性左移TS次，并分無(wú)字節(jié)輸出、單字節(jié)輸出和雙字節(jié)輸出三種情況對(duì)概率區(qū)間下邊界C逐次左移。
2.如權(quán)利要求1所述的用于圖像壓縮的算術(shù)編碼器順序重歸一化方法，其特征在于所述總移位步數(shù)預(yù)測(cè)過(guò)程為概率區(qū)間A通過(guò)公式A = A更新時(shí)，執(zhí)行重歸一化過(guò)程RP，概率區(qū)間A的總移位次數(shù)TS等于符號(hào)概率估值A(chǔ)的主零點(diǎn)個(gè)數(shù)；符號(hào)概率估值A(chǔ)的主零點(diǎn)個(gè)數(shù)通過(guò)下表查得，
3.如權(quán)利要求1所述的用于圖像壓縮的算術(shù)編碼器順序重歸一化方法，其特征在于所述的重歸一化過(guò)程是將概率區(qū)間A —次性左移TS次，并分無(wú)字節(jié)輸出、單字節(jié)輸出和雙字節(jié)輸出三種情況對(duì)C逐次左移，通過(guò)兩次比較TS與移位計(jì)數(shù)器CT來(lái)逐步判別屬于無(wú)字節(jié)輸出、單字節(jié)輸出還是雙字節(jié)輸出，具體為1)無(wú)字節(jié)輸出情況第一次比較TS與CT，若TS小于CT就屬于無(wú)字節(jié)輸出情況；對(duì)C 一次性左移TS次，CT用CT = (CT-TS)更新后，順序重歸一化過(guò)程結(jié)束；2)單字節(jié)輸出情況第一次比較TS與CT，若TS大于等于CT，則TS用TS=(TS-CT)更新，C左移CT次；調(diào)用字節(jié)輸出子程序輸出第一個(gè)字節(jié)，期間復(fù)位CT ；第二次比較TS與CT， 若TS小于CT，屬于單字節(jié)輸出情況，將C左移TS次后，CT用CT= (CT-TS)更新后，順序重歸一化過(guò)程結(jié)束；3)雙字節(jié)輸出情況第二次比較TS與CT，若TS大于等于CT，屬于雙字節(jié)輸出情況，則 TS用TS = (TS-CT)更新，C左移CT次；調(diào)用字節(jié)輸出子程序輸出第二個(gè)字節(jié)，期間復(fù)位CT ； 再將C左移TS次，CT用CT = (CT-TS)更新后，順序重歸一化過(guò)程結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明提出了用于聯(lián)合圖像專家組(JPEG)2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的一種用于圖像壓縮的算術(shù)編碼器順序重歸一化方法。該方法添加獨(dú)立的總移位步數(shù)預(yù)測(cè)規(guī)程來(lái)獲得概率區(qū)間A的總移位步數(shù)，并分無(wú)字節(jié)輸出、單字節(jié)輸出和雙字節(jié)輸出三種情況逐次移位概率區(qū)間下邊界C，從而在每讀入一對(duì)上下文CX和碼值D后可以一次性順序完成參數(shù)計(jì)算，無(wú)需迭代循環(huán)計(jì)算。本發(fā)明的算術(shù)編碼器重歸一化過(guò)程方法可以無(wú)縫的替代原有部分，且無(wú)需改動(dòng)算術(shù)編碼算法的其他環(huán)節(jié)；邏輯分支間不存在交織判斷；降低了運(yùn)算量，有效提高了數(shù)據(jù)讀入效率，利于硬件實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H04N7/32GK102438140SQ201110316079
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者劉文松, 徐龍濤, 朱恩, 王健 申請(qǐng)人:東南大學(xué)