[发明专利]面向硬件实现的快速高效无损图像压缩方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子学的集成电路设计领域和数字图像编码压缩领域，尤其涉及一种面向硬件实现的快速高效无损图像压缩方法。 

技术背景

数字图像传感器广泛应用在各种视频应用领域，由于图像的数据量很大，所以在图像传输前要对图像进行有损或无损压缩，有损压缩一般应用在对图像质量要求不高的应用领域，但是医学图像等一些高端应用领域要求图像必须采用无损压缩。快速高效无损图像压缩系统(fast and efficient lossless image compression system，FELICS)是一个快速高效的无损图像压缩算法，比工作在无损模式下的JPEG(Joint Photographic Experts Group)算法快5倍，且能够达到相同的压缩比，同时快速高效无损图像压缩系统算法复杂度低，因此非常适合应用于医疗内窥镜系统。但是算法中哥伦布·莱斯(Golomb-Rice)编码的k参数选取需要一块大容量的存储器，更新存储器的过程更是消耗大量功耗与时钟周期，对面积和功耗提出了很大的要求并且限制了系统的吞吐率。 

发明内容

为了克服现有技术的不足，提供一种面向硬件实现的快速高效无损图像压缩方法。与传统的FELICS算法相比，能够简化Golomn-Rice编码中k参数的选取过程，减小所需存储器的大小并缩短计算周期，提高图像压缩系统的效率。为此，本发明采取的技术方案是，面向硬件实现的快速高效无损图像压缩方法，包括如下步骤：编码一帧图像，采用标准的FELICS算法不进行任何编码直接输出前2个像素，然后按照光栅扫描顺序依次对像素进行编码，具体编码步骤如下： 

1)选取当前像素P和2个相邻像素N1、N2，N1与N2已知，且已编码，为P提供相关信息；其中按照当前像素P点的位置分为四种情况对相邻像素进行选取：若P点为第一行的前两个像素，则不对P进行编码，直接输出；若P为第一行的其余像素，则选取左边两个像素值作为参考值；若P为第一列而非第一行的像素，则选取P上方和右上方两个像素作为参考值；若P在上述三种情况以外的位置则选取P左侧和上方两个像素作为参考值； 

2)计算预测区间下界L＝min{N1，N2}，上界H＝max{N1，N2}，预测上下文Δ＝H－L；其中L为两个参考像素值中较小者，H为较大者，Δ为较大者与较小者的差值，即预测区间； 

3)如果L≤P≤H，像素P落在预测区间[L，H]，编码1bit的0并置于该像素输出编码的最高位，表示像素P落在预测区间内，然后对P－L在[0，Δ]内进行修正的二元编码；如果L＞P，则像素P低于预测区间，编码1bit的1，表示像素P落在预测区间外，再用1bit的0表示低于预测区间，并将‘10’置于输出编码的最高位，然后计算出P点与预测区间边界的差值D＝L－P－1，对该差值D进行Golomb-Rice编码；如果P＞H，则像素P处于高于预测区间，编码1bit的1，表示像素P落在预测区间外，再用1bit的 1表示高于预测区间，并将‘11’置于输出编码的最高位；然后计算出P点与预测区间边界的差值D，D＝P－H－1，对该差值D进行Golomb-Rice编码； 

当像素值落在预测区间外时将采用Golomb-Rice编码，在开始一帧图像处理前建立一个编码累加表C[Δ][k]，其中Δ取值范围同像素值的变化范围，k取值范围为0至像素位深度；每次Golomb-Rice codes编码时，根据Δ0＝H－L确定k，即选取最小的k0，使 

C[Δ₀][k₀]≤C[Δ₀][k]，k＝0，1，...，   (1) 

对于每一个预测上下文的Δ，编码累加表C[Δ][k]记录了使用每一个可能的k值(0，1，…)时Golomb-Rice编码的编码总长度，同时使用令编码总长度最小的k值进行下一次编码； 

参数k确定后，对D/2k进行一元编码；后对差值D剩余的低k位进行二元编码 

最后要更新编码累加表: 

C[Δ₀][k]＝C[Δ₀][k]+D/2^k+k+1,k＝0，1，...，7   (2) 

观察FELICS的编码过程，编、解码器要在Golomb-Rice编码下对Δ(0～255)，在k(0～像素位深度)下累计编码位，从而需要256×8W bits的存储空间，W表示编码累加值的位宽。更新编码累加表的过程也要消耗额外的操作周期。