[发明专利]基于JPEG2000标准的算术编码码值归一化方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像编码技术领域，特别是一种基于JPEG2000标准的算术编码码值归一化方法，用于各种数字设备的高速图像压缩编码。

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。

所述的算术编码方法的编码原理叙述如下：

算术编码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。算术编码方法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的值得出待编码符号的类型，即大概率符号MPS或小概率符号LPS，以及在小概率符号LPS情况下对应的概率Qe，然后调整相应的概率区间值A，并输出码值C。该概率区间值A采用16位无符号整数表示。该码值C采用32位表示，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，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位的小概率符号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值大于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。

根据算术编码原理可知，对码值的归一化是整个算术编码方法的一个核心部分。然而，JPEG2000标准协议仅给出了在单一上下文符号对情况下对码值进行归一化的方法，在硬件实现算术编码器时，由于上下文符号对按串行方式处理，因而形成速度瓶颈。典型的算术编码器硬件实现方法，例如，中国台湾学者K.-K.Ong和Jen-ShiunChiang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 costcontext-based adaptive arithmetic codec for multiple standards”(2002，vol.1，pp.I872-I875)和“High-speeds EBCOT with dual context-modeling coding architecture forJPEG2000”(2004，vol.3，pp.865-868.)中提出的算术编码方法，该方法按照单一的上下文符号对进行码值的归一化处理，使得编码器吞吐率仅为单个时钟处理1个上下文符号对。国内学者梅魁志等人在2007年IEEE Trans.on Circuits and System for VideoTechnology期刊上发表的文章“VLSI Design of a High-Speed and Area-EfficientJPEG2000Encoder”(2007年第17卷，第8期，第1065-1078页)中提出的算术编码方法，虽然采用多输入同步流水技术实现算术编码，但该方法对码值的归一化处理也是基于单个上下文符号对进行的，其整体处理速度只有单个时钟处理0.625个上下文符号对。国内学者许超在2005年Int.Conf.Image Process.(ICIP’05)国际会议上发表的文章“A Dual-Symbol Coding Arithmetic Coder Architecture Design for High SpeedEBCOT Coding Engine in JPEG2000”中提出的算术编码方法，当两个上下文符号对的上下文标号不同时，该方法对码值归一化处理的速度达到单个时钟处理2个上下文符号对，但是当两个上下文符号对的上下文标号相同时，该方法的处理能力仅为每时钟处理1个上下文符号对。澳大利亚学者M.Dyer在2006年IEEE Transactions onCircuitsand Systems-I：Regular Papers期刊发表文章Concurrency Techniques for ArithmeticCoding in JPEG2000(VOL.53，NO.6，pp.1203-1213，June 2006)中提出了一种高速算术编码方法。国内学者刘奇卫在2006年的浙江大学硕士学位论文“基于JPEG2000二进制算术编码器的研究与设计”提出了一种4级流水处理的2个上下文符号对的算术编码方法。虽然M.Dyer和刘奇卫的方法都可以实现双上下文符号对并行处理，但是相应方法中的复杂度较高，对芯片设计造成一定困难。