[发明专利]基于JPEG2000标准的高速实时处理算术熵编码系统

说明书

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，涉及压缩编码，特别是一种涉及高速实时处理的算术熵编码系统，用于各种数字设备的图像压缩编码，特别是高速实时卫星图像压缩编码。

背景技术

随着多媒体和网络技术的发展及其在医学影像、遥感图像和数字图像/视频传输等方面的应用，已有的静止图像压缩标准JPEG已不能满足当前实际应用的要求，为此国际标准化组织于2000年11月制定了新的静止图像压缩标准JPEG2000。该标准的核心技术之一就是采用算术熵编码方法对小波变换后的数据进行编码，实现图像数据的压缩处理。

JPEG2000的基本编码流程可以简单描述为：首先对输入图像进行离散小波变换，小波变换后的数据称为小波系数；然后以码块为单位对小波系数进行量化、编码，码块的大小通常为32×32或者64×64；在编码过程中，按小波系数位平面顺序建立相应上下文模型，并将上下文符号对提供给算术熵编码器进行编码处理，从而得到对应码块的编码数据；最后根据预设的压缩比，有选择地输出各个码块对应的编码数据，完成对单幅图像的编码处理。

所述的算术熵编码器的编码原理叙述如下：

算术熵编码器的输入为上下文符号对CXD，包括上下文标号CX和上下文判决D，其输出则是对应的压缩码流，其中CX表示由当前编码像素生成的上下文标号，取值范围为0-18，D表示对应上下文的判决，取值范围为0-1。算术熵编码器根据输入的上下文标号CX自适应地选择相应判决D的概率，依据判决D的值得出准备进行编码的符号值，即大概率符号MPS和小概率符号LPS，以及小概率符号LPS对应的概率Qe，然后调整相应的概率区间值，并输出编码值到码值寄存器。该概率区间值采用16位无符号整数表示，该码值寄存器为32位，并且划分为5个不同的字段，即第31到28位表示4位零数据，第27位表示“进位”位，第26到19位表示编码输出位，第18到16位表示用于隔断进位传播的3位分割位，第15到0位表示码值的小数位。对于编码符号的概率Qe，算术熵编码器采用一个具有47个索引的数组实现，该数组称为概率估计表PET，表中每一项对应一个16位的LPS符号的Qe值。依据JPEG2000标准的规定，将当前编码符号对应的上下文标号CX作为地址来访问一个大小为19×6的数组，得到概率估计表PET的入口索引Index，然后以Index为地址读取PET表中对应LPS符号概率值Qe，并结合当前概率区间值和码值判定具体编码的过程。如果当前概率区间值小于等于0.75，该值对应于十六进制下为0x8000，为了防止溢出，需要对概率区间值和码值进行归一化处理，通过左移概率区间值和码值使概率区间大于0x8000。在归一化的同时，如果码值中码流组成整字节，则进行码流输出过程，即得到最终的编码输出码流。为了防止进位传递，通过设置特定的比特位填充以截断进位的传递。

虽然在JPEG2000标准中给出了算术熵编码的编码方法描述，但是针对硬件实现部分则没有任何相关说明，因此不少学者和公司致力于高速算术熵编码硬件结构的研究和设计工作，提出了各种算术熵编码器硬件实现体系结构，其中具有代表性的硬件结构包括以下七种：

第一种是美国学者Gupta在2004年Midwest Symp.Circuits Syst.(MWSCAS’04)国际会议上发表的文章“High speed VLSI architecture for bit plane encoder of JPEG2000”(2004，vol.2，pp.II233-II236)中提出的高速算术熵编码结构，该结构的吞吐率为平均单个时钟处理1.2个上下文符号对。

第二种和第三种是中国台湾学者K.-K.Ong和Jen-Shiun Chiang分别在2002年Int.Conf.Image Process.(ICIP’02)和2004年IEEE Int.Symp.Circuits and Systems国际会议上发表的文章“A high throughput low cost context-based adaptive arithmetic codec for multiplestandards”(2002，vol.1，pp.I872-I875)和“High-speeds EBCOT with dual context-modelingcoding architecture for JPEG2000”(2004，vol.3，pp.865-868.)中提出的高速算术熵编码结构，其吞吐率均为单个时钟处理1个上下文符号对。