專利名稱：一種用于集成電路設(shè)計(jì)的靜止圖像熵編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于集成電路設(shè)計(jì)的靜止圖像熵編碼方法，尤其涉及在集成電路設(shè)計(jì)中用于靜止圖像壓縮的基于優(yōu)化截?cái)嗲度胧椒謮K編碼(以下簡(jiǎn)稱EBCOT)的第一層編碼方法，屬于信息技術(shù)中數(shù)字圖像信號(hào)處理和超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近十幾年來(lái)，高質(zhì)量圖像的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是數(shù)字圖像本身數(shù)據(jù)量非常巨大，對(duì)它進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸前首先要進(jìn)行圖像壓縮編碼。圖像編碼解決的主要問題是如何采用一種新的表達(dá)方式來(lái)縮小表示圖像所需要的數(shù)據(jù)量。原始數(shù)字圖像本身存在三種數(shù)據(jù)冗余編碼冗余、像素間冗余和心理視覺冗余。圖像壓縮編碼就是以去除這三種冗余為基礎(chǔ)的。由于圖像數(shù)據(jù)在變換域的表現(xiàn)形式比在空域中更加緊湊，編碼質(zhì)量較高，因此在有損壓縮的過(guò)程中，圖像數(shù)據(jù)首先要被變換到頻域，然后變換系數(shù)經(jīng)過(guò)量化再使用常規(guī)的無(wú)損技術(shù)壓縮頻率點(diǎn)。
在1991年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國(guó)際電信聯(lián)盟聯(lián)合制定的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱JPEG)中使用的是離散余弦變換，在離散余弦變換變換中圖像首先被分成大小為8×8(或16×16)的像素塊，這些象素塊被各自獨(dú)立地變換、量化、編碼和傳輸。這樣，雖然充分考慮了塊內(nèi)部像素間的相關(guān)性，但是塊與塊之間的相關(guān)性卻被忽視了，這就在很大程度上限制了圖像壓縮比的提高。同時(shí)，在低比特率(小于0.25比特/象素)的條件下，這種分塊結(jié)構(gòu)還產(chǎn)生了塊邊緣的“方塊效應(yīng)”。
為了解決上述問題，近幾年，時(shí)頻域局部化分析性能良好的離散小波變換逐漸應(yīng)用到圖像處理領(lǐng)域中，并且已取代離散余弦變換成為新一代靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000的基礎(chǔ)。
在算法不斷推陳出新的同時(shí)，用以實(shí)現(xiàn)算法的數(shù)字集成電路也得到了長(zhǎng)足發(fā)展，集成電路制造工藝和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的發(fā)展，使得實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像信號(hào)處理的單芯片系統(tǒng)成為可能。隨著數(shù)字視頻捕捉設(shè)備和數(shù)字相機(jī)的普及，以及高清晰度電視和可視電話的應(yīng)用，對(duì)圖像壓縮處理的速度要求越來(lái)越高，在硬件上實(shí)現(xiàn)圖像壓縮越來(lái)越重要，因此必須對(duì)圖像編碼算法到實(shí)現(xiàn)該算法的專用集成電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。目前，JPEG芯片已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，而實(shí)現(xiàn)對(duì)小波系數(shù)壓縮編碼的專用集成電路仍未成熟。新一代標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000的推出，也會(huì)對(duì)基于小波的圖像壓縮芯片重新做出規(guī)范。
自JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來(lái)，在論文Kuan-Fu Chen，Chung-Jr Lian，Hong-Hui Chen.Analysis and architecture design of EBCOT for JPEG2000.Proceedings of IEEEInternational Symposium on Circuits and Systems，2001.765-768和Chung-Jr Lian，Kuan-Fu Chen，Hong-Hui Chen.Analysis and architecture design of lifting basedDWT and EBCOT for JPEG2000.Proceedings of International Symposium on VLSITechnology，Systems and Applications，2001.180-183中公開了EBCOT第一層編碼在集成電路中實(shí)現(xiàn)方法。這2篇文章雖然采用了“象素跳讀”和“列組跳讀”等方法來(lái)加快編碼速度，但是沒有給出其結(jié)構(gòu)的具體性能，如速度，規(guī)模等；也沒有提出一種有效的組織和讀取片上小波系數(shù)存儲(chǔ)的方法。JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)其算法特點(diǎn)推薦在EBCOT第一層編碼和離散小波變換之間采用“推拉式”銜接結(jié)構(gòu)，即編碼時(shí)，離散小波變換作為主動(dòng)端向EBCOT第一層編碼里“推出”已經(jīng)變換的小波系數(shù)；解碼時(shí)，離散小波反變換作為主動(dòng)端從EBOCT的一層解碼里“拉出”小波系數(shù)。為了達(dá)到在“推拉式”體制中減少小波系數(shù)中間緩存的目的，第一層編碼必須建立一種行之有效的訪問小波系數(shù)存儲(chǔ)的方法，從而在編碼速度上與離散小波變換匹配。另外，由于第一層編碼的運(yùn)算對(duì)象是子帶內(nèi)的編碼塊，還需要對(duì)編碼塊的多個(gè)比特平面進(jìn)行三種過(guò)程掃描和算術(shù)編碼。因此，按照常規(guī)的方法來(lái)處理，必然引起第一層編碼的編碼速度滯后于小波變換的變換速度，從而一方面加大了小波系數(shù)的緩存量，另一方面也無(wú)法滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于集成電路設(shè)計(jì)的靜止圖像熵編碼方法，該方法針對(duì)已有技術(shù)中的小波分解方法和已有技術(shù)中的EBCOT第二層編碼方法，設(shè)計(jì)了在集成電路中EBCOT的第一層編碼方法，并用以與現(xiàn)有的小波變換以及EBCOT第二層編碼一起組成JPEG2000靜止圖像集成電路壓縮系統(tǒng)的核心模塊，以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)壓縮的需要。本方法與具體小波濾波方法的選擇和實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)，除了可以作為JPEG2000靜止圖像集成電路壓縮系統(tǒng)的重要部分，還可以在數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼監(jiān)控、移動(dòng)電話、視頻電話等商業(yè)應(yīng)用方面得到迅速的推廣。
本發(fā)明提出的用于集成電路設(shè)計(jì)的靜止圖像熵編碼方法，包括以下各步驟(1)將由小波變換得到的子帶小波變換系數(shù)分塊存儲(chǔ)；(2)對(duì)上述分塊存儲(chǔ)的子帶小波系數(shù)進(jìn)行嵌入式量化；(3)對(duì)上述經(jīng)過(guò)嵌入式量化的子帶小波系數(shù)在塊編碼邏輯控制下進(jìn)行過(guò)程編碼；(4)對(duì)上述經(jīng)過(guò)程編碼后的子帶小波系數(shù)以及與子帶小波系數(shù)相對(duì)應(yīng)的上下文進(jìn)行基于上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼；(5)將上述二進(jìn)制算術(shù)編碼輸出到優(yōu)化截?cái)嗲度胧椒謮K編碼的第二層編碼中。
上述方法中的子帶小波變換系數(shù)分塊存儲(chǔ)的方法包括以下步驟(1)將子帶小波系數(shù)切割成大小為32×32的內(nèi)部地址連續(xù)的可重用內(nèi)存塊；(2)將上述可重用內(nèi)存塊設(shè)定為四種不同的狀態(tài)，即“空閑”、“緩沖”、“存滿等待”和“存滿處理”；(3)將子帶小波系數(shù)存儲(chǔ)到處于“空閑”狀態(tài)的可重用內(nèi)存塊中，該可重用內(nèi)存塊進(jìn)入“緩沖”狀態(tài)，直到子帶小波系數(shù)完全寫入可重用內(nèi)存塊中后，該可重用內(nèi)存塊進(jìn)入“存滿等待”狀態(tài)，相應(yīng)的過(guò)程編碼對(duì)可重用內(nèi)存塊中的子帶小波系數(shù)進(jìn)行編碼，編碼結(jié)束后，該可重用內(nèi)存塊被釋放，又進(jìn)入“空閑”狀態(tài)。
上述方法中的嵌入式量化方法包括如下步驟(1)將第1層子帶小波系數(shù)的第1位至第7位置0，保留第8位至第16位；(2)將第2層子帶小波系數(shù)的第1位至第6位置0，保留第7位至第16位；(3)將第3層子帶小波系數(shù)的第1位至第5位置0，保留第6位至第16位；(4)將第4層子帶小波系數(shù)的第1位至第4位置0，保留第5位至第16位；(5)將第5層子帶小波系數(shù)的第1位至第3位置0，保留第4位至第16位。
上述方法中的塊編碼邏輯控制下的過(guò)程編碼包括如下步驟(1)用標(biāo)志清除過(guò)程對(duì)可重用內(nèi)存塊中已被嵌入式量化后的子帶小波系數(shù)的最高位比特平面進(jìn)行編碼；(2)對(duì)其余低比特平面進(jìn)行重要性傳播過(guò)程、幅度細(xì)化過(guò)程以及標(biāo)志清除過(guò)程的掃描，以判斷是否需要對(duì)該平面進(jìn)行相應(yīng)編碼，掃描順序依次為重要性擴(kuò)展過(guò)程、幅度細(xì)化過(guò)程、標(biāo)志清除過(guò)程。
上述方法中的二進(jìn)制算術(shù)編碼包括如下步驟(1)讀入已被過(guò)程編碼后的子帶小波系數(shù)D以及與該子帶小波系數(shù)相對(duì)應(yīng)的上下文CX；(2)根據(jù)JPEG2000協(xié)議規(guī)定的基于上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼方法和概率估值表，由子帶小波系數(shù)的上下文CX，得到大概率符號(hào)MPS和概率Qe；(3)若D與MPS相等，則將初始化概率間隔A更新為A-Qe，將初始化輸出碼流C更新為C+Qe，同時(shí)將概率估值更新為下一個(gè)大概率符號(hào)，若D與MPS不相等，則將初始化概率間隔A更新為A-Qe，輸出初始化碼流C，同時(shí)將概率估值更新為下一個(gè)小概率符號(hào)，并將MPS更新為交換標(biāo)志所代表的符號(hào)；(4)若編碼結(jié)束，則輸出已編過(guò)碼但尚未輸出的碼流C，并等待下一次編碼，若編碼沒有結(jié)束，重復(fù)步驟(1)～(3)。
利用本發(fā)明提出的用于集成電路設(shè)計(jì)的靜止圖像熵編碼方法，可以對(duì)任意分辨率的圖像進(jìn)行任意壓縮倍數(shù)的壓縮，壓縮圖像的質(zhì)量在高壓縮比的情況下(對(duì)于黑白圖像，高壓縮比指壓縮比大于32倍的情況；對(duì)于彩色圖像，高壓縮比指壓縮比大于80倍的情況)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)行的JPEG標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和測(cè)試，用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的集成電路可以在比較低的工作頻率下(100兆赫茲)，對(duì)1280×1024×24比特彩色大圖像完成每秒15幀的第一層編碼。這種編碼速度已經(jīng)基本達(dá)到實(shí)時(shí)編碼的速度。人眼在觀看相應(yīng)的解碼圖像時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生閃爍感，解碼的畫面非常連續(xù)。因此，該集成電路設(shè)計(jì)種的靜止圖像熵編碼方法可以應(yīng)用在許多需要實(shí)時(shí)處理靜止圖像的領(lǐng)域。


圖1是已有技術(shù)中JPEG2000靜止圖像壓縮的流程圖。
圖2是本發(fā)明提出的用于集成電路設(shè)計(jì)的靜止圖像熵編碼方法即優(yōu)化截?cái)嗲度胧椒謮K編碼中第一層編碼的流程圖。
圖3是本發(fā)明編碼方法中可重用內(nèi)存塊的狀態(tài)劃分示意圖。
圖4是可重用內(nèi)存塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖。
圖5是嵌入式量化后的子帶小波系數(shù)構(gòu)成示意圖。
圖6是比特平面的掃描順序。
圖7是子帶小波系數(shù)的上下文中用到的八個(gè)相鄰象素示意圖。
圖8是JPEG2000靜止圖像壓縮協(xié)議規(guī)定的子帶小波系數(shù)上下文寄存格式示意圖。
圖9是本發(fā)明方法中基于子帶小波系數(shù)上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼流程圖。
圖10是上述二進(jìn)制算術(shù)編碼中輸入緩沖機(jī)制和概率估值模塊連接示意圖。
圖11是在上述輸入緩沖機(jī)制中對(duì)概率估值異步ROM的讀時(shí)序示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的用于集成電路設(shè)計(jì)的靜止圖像熵編碼方法，即EBCOT第一層編碼算法是JPEG2000靜止圖像壓縮算法中熵編碼算法的重要組成部分。已有的JPEG2000協(xié)議規(guī)定的靜止圖像壓縮算法的流程如圖1所示。首先，原始圖像經(jīng)圖像采集和色度變換，被串行送入離散小波變換；接著，變換后的小波系數(shù)分成若干子帶后，被送入EBCOT第一層編碼；最后，第一層編碼輸出的比特流經(jīng)過(guò)EBCOT第二層編碼的截?cái)嗪头庋b，最終生成符合JPEG2000靜止圖像標(biāo)準(zhǔn)的壓縮碼流。其中EBCOT第一層編碼和第二層編碼合稱為EBCOT編碼。
本發(fā)明提出的EBCOT第一層編碼的流程如圖2所示。首先，將由小波變換得到的子帶小波變換系數(shù)分塊存儲(chǔ)；對(duì)上述分塊存儲(chǔ)的子帶小波系數(shù)進(jìn)行嵌入式量化；然后，在塊編碼邏輯控制下，對(duì)上述經(jīng)過(guò)嵌入式量化的子帶小波系數(shù)進(jìn)行過(guò)程編碼；最后，對(duì)上述經(jīng)過(guò)程編碼后的子帶小波系數(shù)以及與子帶小波系數(shù)相對(duì)應(yīng)的上下文進(jìn)行基于上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼，并且把二進(jìn)制算術(shù)編碼的碼流輸出到EBCOT的第二層編碼中。
上述方法中，子帶小波系數(shù)分塊存儲(chǔ)的步驟如下(1)將子帶小波系數(shù)切割成大小為32×32的內(nèi)部地址連續(xù)的可重用內(nèi)存塊；(2)將上述可重用內(nèi)存塊設(shè)定為四種不同的狀態(tài)，即“空閑”、“緩沖”、“存滿等待”和“存滿處理”；(3)將子帶小波系數(shù)存儲(chǔ)到處于“空閑”狀態(tài)的可重用內(nèi)存塊中，該可重用內(nèi)存塊進(jìn)入“緩沖”狀態(tài)，直到子帶小波系數(shù)完全寫入可重用內(nèi)存塊中后，該可重用內(nèi)存塊進(jìn)入“存滿等待”狀態(tài)，相應(yīng)的過(guò)程編碼對(duì)可重用內(nèi)存塊中的子帶小波系數(shù)進(jìn)行編碼，編碼結(jié)束后，該可重用內(nèi)存塊被釋放，又進(jìn)入“空閑”狀態(tài)。
上述子帶小波系數(shù)的分塊必須遵循以下幾個(gè)原則(1)系數(shù)塊不能跨越子帶邊界；(2)系數(shù)塊的大小在子帶內(nèi)部必須相同；(3)系數(shù)塊的規(guī)模不能超過(guò)4096。
本方法設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)內(nèi)存控制結(jié)構(gòu)，在保證編碼速度的前提下可以使子帶小波系數(shù)的緩存量最小，并且最大限度的減小對(duì)子帶小波系數(shù)緩存的訪問頻率。動(dòng)態(tài)內(nèi)存控制的基本思想就是把子帶小波小波系數(shù)緩存不再按連續(xù)地址使用，而是切割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的、內(nèi)部地址連續(xù)的可重用內(nèi)存塊結(jié)構(gòu)?？芍赜脙?nèi)存結(jié)構(gòu)的大小統(tǒng)一，以確保它們可以被自由地重利用，通常選擇最大的編碼塊大小(本方法選擇的大小為32×32)作為可重用內(nèi)存結(jié)構(gòu)大小。當(dāng)編碼塊較小而數(shù)據(jù)不能填滿當(dāng)前可重用內(nèi)存結(jié)構(gòu)時(shí)，任何其他可重用內(nèi)存結(jié)構(gòu)不得占用當(dāng)前可重用內(nèi)存結(jié)構(gòu)中剩余空間，以確保所有內(nèi)存塊都可以被再次利用。動(dòng)態(tài)內(nèi)存控制體制下，可重用內(nèi)存結(jié)構(gòu)存共有4種狀態(tài)，其中“空閑”為未占用狀態(tài)，表明此可重用內(nèi)存結(jié)構(gòu)為空，可以被寫入數(shù)據(jù)；第二種為“緩沖”狀態(tài)，表明小波變換正在向該可重用內(nèi)存結(jié)構(gòu)中寫入數(shù)據(jù)；第三種為“存滿等待”狀態(tài)，表明此可重用內(nèi)存結(jié)構(gòu)已寫滿，在排隊(duì)等待編碼處理；最后一種為“存滿處理”，表明此可重用內(nèi)存結(jié)構(gòu)正在被編碼處理。由于動(dòng)態(tài)內(nèi)存控制采用的是最優(yōu)復(fù)用可重用內(nèi)存結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，因此可將小波系數(shù)的存儲(chǔ)量降到最少?？芍赜脙?nèi)存結(jié)構(gòu)的狀態(tài)劃分和轉(zhuǎn)移如圖3和圖4所示。從編碼端向內(nèi)存看，可重用內(nèi)存結(jié)構(gòu)使整個(gè)片內(nèi)子帶小波系數(shù)的存儲(chǔ)看起來(lái)只有一塊可重用內(nèi)存結(jié)構(gòu)，其地址是可以順序訪問的。從“推拉”的原理可以看出，采用本發(fā)明的這種方法，通過(guò)復(fù)用片內(nèi)存儲(chǔ)空間，可以將離散小波變換和EBCOT第一層編碼之間的小波存儲(chǔ)量減到最少。除此之外，還可以極大降低片內(nèi)存儲(chǔ)的訪問次數(shù)，加快編碼速度，降低功耗。這種方法有效解決了現(xiàn)有技術(shù)在此環(huán)節(jié)上的缺陷。
上述方法中，對(duì)分塊存儲(chǔ)的子帶小波系數(shù)進(jìn)行嵌入式量化具體步驟包括如下步驟(1)將第1層子帶小波系數(shù)的第1位至第7位置0，保留第8位至第16位；(2)將第2層子帶小波系數(shù)的第1位至第6位置0，保留第7位至第16位；(3)將第3層子帶小波系數(shù)的第1位至第5位置0，保留第6位至第16位；(4)將第4層子帶小波系數(shù)的第1位至第4位置0，保留第5位至第16位；(5)將第5層子帶小波系數(shù)的第1位至第3位置0，保留第4位至第16位。
為了簡(jiǎn)化量化過(guò)程并減少量化參數(shù)的存儲(chǔ)，對(duì)JPEG2000編碼算法的實(shí)現(xiàn)采用了標(biāo)準(zhǔn)中的隱含模式，量化后子帶小波系數(shù)的構(gòu)成如圖5所示。圖5中，分解級(jí)表示已有技術(shù)中小波分解的層數(shù)，JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中推薦小波分解的層數(shù)為5；符號(hào)位為子帶小波系數(shù)在用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示時(shí)，用于表示數(shù)據(jù)正負(fù)的比特位，符號(hào)位通常為最高位，在本方法中為第16位；基本量值位為JPEG2000中推薦的必須參與編碼的比特位，在本方法中為第9位到第15位；附加量值位為采用本方法量化過(guò)程中，根據(jù)過(guò)程編碼的需要，每分解層中有選擇的參與編碼的比特位；置0位為采用本方法量化過(guò)程中，根據(jù)過(guò)程編碼的需要，每分解層中有選擇的不參加編碼的比特位。采用這種方法，對(duì)重建圖像的壓縮質(zhì)量影響很小，卻大大減少了對(duì)子帶小波系數(shù)浮點(diǎn)數(shù)的操作，使量化可以通過(guò)簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算來(lái)完成，便于算法向集成電路的結(jié)構(gòu)映射。
上述方法中，對(duì)經(jīng)過(guò)嵌入式量化的子帶小波系數(shù)在塊編碼邏輯控制下進(jìn)行過(guò)程編碼過(guò)程包括如下的步驟(1)用標(biāo)志清除過(guò)程對(duì)可重用內(nèi)存塊中已被嵌入式量化后的子帶小波系數(shù)的最高位比特平面進(jìn)行編碼；(2)對(duì)其余低比特平面進(jìn)行重要性傳播過(guò)程、幅度細(xì)化過(guò)程以及標(biāo)志清除過(guò)程的掃描，以判斷是否需要對(duì)該平面進(jìn)行相應(yīng)編碼，掃描順序依次為重要性擴(kuò)展過(guò)程、幅度細(xì)化過(guò)程、標(biāo)志清除過(guò)程。
上述塊編碼控制下的過(guò)程編碼，從每個(gè)編碼塊中經(jīng)過(guò)嵌入式量化的子帶小波系數(shù)的最高非零比特平面開始，對(duì)每個(gè)比特都使用三個(gè)過(guò)程之一進(jìn)行編碼。對(duì)比特平面的掃描遵循特定的順序，如圖6所示。編碼塊內(nèi)的每個(gè)經(jīng)過(guò)嵌入式量化的子帶小波系數(shù)，都有一個(gè)二進(jìn)制的上下文與之對(duì)應(yīng)，以表示該系數(shù)重要與否。其中，1個(gè)系數(shù)周圍8個(gè)鄰居的情況確定了這個(gè)系數(shù)的上下文。這樣的8個(gè)鄰居可以組成256種不同的上下文?？紤]到待編碼比特與鄰居的相關(guān)性和設(shè)計(jì)的可行性，這8個(gè)鄰居又被分為三類水平的鄰居、垂直的鄰居、斜邊的鄰居，如圖7所示。按照一定的規(guī)則分類后，上下文的狀態(tài)被歸納為19種，這些上下文將會(huì)與經(jīng)過(guò)過(guò)程編碼的比特一起被送入基于上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼。
根據(jù)區(qū)分上下文的不同規(guī)則，過(guò)程編碼中一共定義了四種編碼操作零編碼、行程長(zhǎng)度編碼、符號(hào)編碼以及幅度細(xì)化編碼。這4種編碼方法均出自JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC IS 15444-1，“Information Technology-JPEG2000 image coding system-Part 1Core coding system，”ISO/IEC JTC1/SC29/WG1(Dec.2000)，AMENDMENT1Code-stream restrictions(Mar.2002)。其中，零編碼針對(duì)未被編碼過(guò)(非重要)的子帶小波系數(shù)樣值，編碼后將當(dāng)前比特送入算術(shù)編碼。而行程長(zhǎng)度編碼還必須滿足周圍8個(gè)鄰居必須全都不重要。在上述兩種編碼的同時(shí)，還必須紀(jì)錄當(dāng)前樣值的符號(hào)，使用符號(hào)編碼，并將該樣值的重要狀態(tài)置位。對(duì)于已編碼的樣值則使用幅度細(xì)化編碼來(lái)編碼后續(xù)比特。這四種操作分別在三個(gè)編碼過(guò)程中執(zhí)行，重要性傳播過(guò)程使用零編碼和符號(hào)編碼，幅度細(xì)化過(guò)程使用幅度細(xì)化編碼，標(biāo)志清除過(guò)程使用零編碼、行程長(zhǎng)度編碼和符號(hào)編碼。上述三個(gè)編碼過(guò)程的對(duì)象各不相同，其中，重要性傳播過(guò)程針對(duì)那些不重要并且有重要上下文的系數(shù)；幅度量化過(guò)程針對(duì)重要系數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程針對(duì)剩余的不重要且無(wú)重要鄰居的系數(shù)。這樣可以剛好可以使每個(gè)比特都被掃描。所有的方法中都使用固定的查找表來(lái)對(duì)相應(yīng)的子帶小波小波系數(shù)編碼，以加快處理速度，并減小集成電路的規(guī)模。
上述方法中，對(duì)經(jīng)過(guò)程編碼后的子帶小波系數(shù)以及與子帶小波系數(shù)相對(duì)應(yīng)的上下文進(jìn)行基于上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼的過(guò)程如圖9所示，包括以下步驟(1)讀入已被過(guò)程編碼后的子帶小波系數(shù)D以及與該子帶小波系數(shù)相對(duì)應(yīng)的上下文CX；(2)根據(jù)JPEG2000協(xié)議規(guī)定的基于上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼方法和概率估值表，由子帶小波系數(shù)的上下文CX，得到大概率符號(hào)MPS和概率Qe；(3)若D與MPS相等，則將初始化概率間隔A更新為A-Qe，將初始化輸出碼流C更新為C+Qe，同時(shí)將概率估值更新為下一個(gè)大概率符號(hào)，若D與MPS不相等，則將初始化概率間隔A更新為A-Qe，輸出初始化碼流C，同時(shí)將概率估值更新為下一個(gè)小概率符號(hào)，并將MPS更新為交換標(biāo)志所代表的符號(hào)；(4)若編碼結(jié)束，則輸出已編過(guò)碼但尚未輸出的碼流C，并等待下一次編碼，若編碼沒有結(jié)束，重復(fù)步驟(1)～(3)。
JPEG2000協(xié)議規(guī)定的基于上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼中用到19個(gè)7位的上下文寄存方法，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。其中，最低位比特給出了當(dāng)前大概率符號(hào)MPS代表的符號(hào)；其余6個(gè)比特給出了該上下文在表1中的概率估值索引。
表1概率估值表

上述表1中列出的概率轉(zhuǎn)移表是JPEG2000中算術(shù)編碼采用的概率估值狀態(tài)機(jī)。表中的一行就是一個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)中除含有小概率符號(hào)LPS的概率Qe外，還含有下一個(gè)狀態(tài)的索引，即下一個(gè)大概率符號(hào)NMPS和下一個(gè)小概率符號(hào)NLPS，以及是否需要交換MPS和LPS所代表符號(hào)的標(biāo)志SWITCH。根據(jù)輸入的CX在上下文寄存器組中得到當(dāng)前概率估值索引I和MPS，再根據(jù)I得到Qe對(duì)D進(jìn)行編碼。如果當(dāng)前的D為MPS，則算術(shù)編碼把NMPS更新到上下文寄存器中；反之，則把上下文寄存器中的概率估值索引更新為NLPS。同樣的，算術(shù)編碼根據(jù)SWITCH來(lái)更新MPS所代表的符號(hào)。
為了提高概率查找效率，設(shè)計(jì)中采用了完全異步的只讀存儲(chǔ)(以下簡(jiǎn)稱ROM)來(lái)實(shí)現(xiàn)概率估計(jì)查找表。這樣，可以把讀ROM所需的時(shí)間減少，由于ROM讀取在每次編碼中都要使用，因此這種方式可以大大提高效率。但是無(wú)時(shí)鐘和片選信號(hào)就要求ROM的地址線(即概率表索引)必須在數(shù)據(jù)采樣前有效，并保證有足夠的時(shí)間使數(shù)據(jù)線穩(wěn)定。然而，ROM的地址線也就是上下文寄存器組的輸出，它是由每次讀入的CX決定的。如果在讀CX的下一個(gè)時(shí)鐘沿取ROM數(shù)據(jù)，顯然不能保證ROM數(shù)據(jù)線穩(wěn)定的要求。而如果在讀CX后的第二個(gè)時(shí)鐘周期取ROM數(shù)據(jù)，又喪失了異步ROM的優(yōu)越性。為此，設(shè)計(jì)中采用了輸入緩存的機(jī)制，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。數(shù)據(jù)D和上下文CX讀入后并不立即使用，而是放在移位寄存器中。寄存器讀滿后通知算術(shù)編碼開始編碼。此時(shí)，讀入的新數(shù)據(jù)移入寄存器，而從寄存器移出的數(shù)據(jù)參與編碼。很顯然，如果不考慮寄存器延時(shí)，這種辦法使ROM地址提前一個(gè)時(shí)鐘有效，提高了算術(shù)編碼的吞吐速率。圖11給出了輸入緩沖機(jī)制的時(shí)序示意圖，其中CX(0)為移位寄存器的入端，CX(1)為移出端。
權(quán)利要求
1.一種用于集成電路設(shè)計(jì)的靜止圖像熵編碼方法，其特征在于該方法包括以下各步驟(1)將由小波變換得到的子帶小波變換系數(shù)分塊存儲(chǔ)；(2)對(duì)上述分塊存儲(chǔ)的子帶小波系數(shù)進(jìn)行嵌入式量化；(3)對(duì)上述經(jīng)過(guò)嵌入式量化的子帶小波系數(shù)在塊編碼邏輯控制下進(jìn)行過(guò)程編碼；(4)對(duì)上述經(jīng)過(guò)程編碼后的子帶小波系數(shù)以及與子帶小波系數(shù)相對(duì)應(yīng)的上下文進(jìn)行基于上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼；(5)將上述二進(jìn)制算術(shù)編碼輸出到優(yōu)化截?cái)嗲度胧椒謮K編碼的第二層編碼中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的子帶小波變換系數(shù)分塊存儲(chǔ)的方法包括以下步驟(1)將子帶小波系數(shù)切割成大小為32×32的內(nèi)部地址連續(xù)的可重用內(nèi)存塊；(2)將上述可重用內(nèi)存塊設(shè)定為四種不同的狀態(tài)，即“空閑”、“緩沖”、“存滿等待”和“存滿處理”；(3)將子帶小波系數(shù)存儲(chǔ)到處于“空閑”狀態(tài)的可重用內(nèi)存塊中，該可重用內(nèi)存塊進(jìn)入“緩沖”狀態(tài)，直到子帶小波系數(shù)完全寫入可重用內(nèi)存塊中后，該可重用內(nèi)存塊進(jìn)入“存滿等待”狀態(tài)，相應(yīng)的過(guò)程編碼對(duì)可重用內(nèi)存塊中的子帶小波系數(shù)進(jìn)行編碼，編碼結(jié)束后，該可重用內(nèi)存塊被釋放，又進(jìn)入“空閑”狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于其中所述的嵌入式量化方法包括如下步驟(1)將第1層子帶小波系數(shù)的第1位至第7位置0，保留第8位至第16位；(2)將第2層子帶小波系數(shù)的第1位至第6位置0，保留第7位至第16位；(3)將第3層子帶小波系數(shù)的第1位至第5位置0，保留第6位至第16位；(4)將第4層子帶小波系數(shù)的第1位至第4位置0，保留第5位至第16位；(5)將第5層子帶小波系數(shù)的第1位至第3位置0，保留第4位至第16位。
4.如權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于其中所述的塊編碼邏輯控制下的過(guò)程編碼包括如下步驟(1)用標(biāo)志清除過(guò)程對(duì)可重用內(nèi)存塊中已被嵌入式量化后的子帶小波系數(shù)的最高位比特平面進(jìn)行編碼；(2)對(duì)其余低比特平面進(jìn)行重要性傳播過(guò)程、幅度細(xì)化過(guò)程以及標(biāo)志清除過(guò)程的掃描，以判斷是否需要對(duì)該平面進(jìn)行相應(yīng)編碼，掃描順序依次為重要性擴(kuò)展過(guò)程、幅度細(xì)化過(guò)程、標(biāo)志清除過(guò)程。
5.如權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于其中所述的二進(jìn)制算術(shù)編碼包括如下步驟(1)讀入已被過(guò)程編碼后的子帶小波系數(shù)D以及與該子帶小波系數(shù)相對(duì)應(yīng)的上下文CX；(2)根據(jù)JPEG2000協(xié)議規(guī)定的基于上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼方法和概率估值表，由子帶小波系數(shù)的上下文CX，得到大概率符號(hào)MPS和概率Qe；(3)若D與MPS相等，則將初始化概率間隔A更新為A-Qe，將初始化輸出碼流C更新為C+Qe，同時(shí)將概率估值更新為下一個(gè)大概率符號(hào)，若D與MPS不相等，則將初始化概率間隔A更新為A-Qe，輸出初始化碼流C，同時(shí)將概率估值更新為下一個(gè)小概率符號(hào)，并將MPS更新為交換標(biāo)志所代表的符號(hào)；(4)若編碼結(jié)束，則輸出已編過(guò)碼但尚未輸出的碼流C，并等待下一次編碼，若編碼沒有結(jié)束，重復(fù)步驟(1)～(3)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于集成電路設(shè)計(jì)的靜止圖像熵編碼方法，屬于信息技術(shù)中數(shù)字圖像信號(hào)處理和超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。本方法首先將由小波變換得到的子帶小波變換系數(shù)分塊存儲(chǔ)；對(duì)分塊存儲(chǔ)的子帶小波系數(shù)進(jìn)行嵌入式量化；對(duì)經(jīng)過(guò)嵌入式量化的子帶小波系數(shù)在塊編碼邏輯控制下進(jìn)行過(guò)程編碼；對(duì)經(jīng)過(guò)程編碼后的子帶小波系數(shù)以及與子帶小波系數(shù)相對(duì)應(yīng)的上下文進(jìn)行基于上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼；將二進(jìn)制算術(shù)編碼輸出到優(yōu)化截?cái)嗲度胧椒謮K編碼的第二層編碼中。利用本發(fā)明方法，可以對(duì)任意分辨率的圖像進(jìn)行任意壓縮倍數(shù)的壓縮，壓縮圖像的質(zhì)量在高壓縮比的黑白圖像和彩色圖像，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)行的JPEG標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK1560916SQ20041000634
公開日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2004年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者張利, 劉雷波, 陳寧, 謝時(shí)根, 趙偉, 李德建, 王志華, 陳弘毅, 張 利 申請(qǐng)人:清華大學(xué)