专利名称：基于小波变换和算术编码的图像压缩的装置及方法
技术领域：
本发明涉及的是一种图像处理技术领域的装置和方法，具体是一种基于小波变换和算术编码的图像压缩的装置及方法。
背景技术：
目前，小波变换是一种可应用于图像变换的数学变换方法，基于小波变换的数字图像压缩编码以JPEG2000标准编码方法为代表，但是由于其运算复杂度较高，目前并未广泛应用。图像变换的目的是改变图像数据的分布或者可以分离各类重要信息，以便于进行熵编码。小波变换可以分离图像的高频和低频信息，使低频信息集中于低频子带(LL子带)，横向、纵向和对角线方向的高频信息分别分布在LH、HL和HH子带中，这些子带是系数的集合，后续运算是针对这些系数进行的。这有利于针对不同子带的性质进行编码。而且运用5/3小波可进行整数无损变换，没有浮点运算所带来的各种额外开销。低频预测是为了消除小波低频系数的冗余所做的运算。由于低频系数的值取值范围较大，不适于后续的熵编码，经过低频预测后，得到系数的残差，残差的分布更适于熵编码。矢量量化是先将数据分组然后组成矢量，最后针对矢量进行量化的方法。首先要求待编码的数据处于所要求的范围，然后对于该数据在码本中找到最接近该矢量的码矢量，用这个码矢量编码待编码矢量。由于码本大小远小于待编码矢量所可能出现的组合，因此，编码后的冗余会很小。算术编码可以将一串符号序列编码为一个0到1之间的小数，编码效率一般比哈
夫曼编码高。经过对现有技术的检索发现，在基于小波变换的VLSI图像压缩编码器(中国国家知识产权局2009. 04. 08)中所描述的编码器所用的熵编码是哥伦布编码。在较低的运算复杂度下取得了较好的压缩效果。但是该现有技术所采用的熵编码方法并不能取得并不如算术编码效率高，仅是一个为了避免JPEG2000熵编码运算复杂的替代熵编码方法，其编码效率远不及算术编码高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于小波变换和算术编码的图像压缩的装置及方法，使其具有较高的压缩效率和较低的运算复杂度。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种基于小波变换和算术编码的图像压缩的装置，包括读取单元、运算池单元、小波变换单元、系数写回单元、低频预测单元、矢量量化单元和算术编码单元，其中运算池单元从外部接收和缓存图像原始数据并输出图像原始数据至小波变换单元，小波变换单元进行小波变换运算得到并由系数写回单元写回运算池单元的各级小波系数或低频预测结果至读取单元，读取单元分别与小波变换单元、低频预测单元和矢量量化单元相连并输出图像原始数据和经过小波变换单元小波变换运算得到并由系数写回单元写回运算池单元的各级小波系数至小波变换单元，读取单元输出最高级的低频小波系数至低频预测单元并输出低频预测结果至算术编码单元，小波变换单元接收读取单元输出的图像原始数据或除最高级低频的各级低频小波系数，经小波变换后输出对应输入小波系数等级的高、低频小波系数至系数写回单元，系数写回单元分别与小波变换单元和低频预测单元相连并接收小波变换单元输出的小波系数和低频预测单元输出地低频预测结果，经地址映射输出小波系数和低频预测结果至运算池单元，低频预测单元接收读取单元输出的低频小波系数并进行低频预测运算后输出低频预测结果至系数写回单元，矢量量化单元接收读取单元输出的低频预测结果和其他小波系数并进行矢量量化运算后输出矢量量化符号至算数编码单元，算数编码单元对矢量量化符号进行算术编码运算并输出算术编码的码字。所述的读取单元由三个分别控制小波变换单元、低频预测单元和矢量量化单元对运算池单元的读取地址的地址发生器组成，其中第一地址发生器分别与图像小波运算装置和运算池单元相连，并且在一级小波变换时按照对图像内部从上到下，从左到右的读取顺序生成地址；在二级小波变换时按照从上到下，从左到右的读取顺序且读取的相邻像素之间行列间隔是1 ；以此类推，在第三级及后续小波变换时采用的行列间隔为2H-1，其中k为小波变换级数次；第二地址发生器分别与低频预测单元和运算池单元相连并计算低频子带最右下角地址，按照图像内部从下到上，从右到左的读取顺序根据变换级数产生各低频子带元素的地址；第三地址发生器分别与矢量量化单元和运算池单元相连并按照从高级到低级、图像内部从上到下，从左到右的读取顺序产生LL、LH、HL以及HH共四个子带的地址。所述的运算池单元由两个存储区组成以存储两幅图像的数据，由外部写入的数据是图像的YCbCr分量，每个按照逐行扫描的顺序且两个存储区独立工作。所述的小波变换单元计算连续5行图像的小波一级变换，其中每连续5行图像中前2行是计算完成结果，后3行是计算中间结果。所述的系数写回单元由分别控制小波变换单元和低频预测单元将小波系数写回运算池单元的地址的小波写回地址发生器和低频写回地址发生器组成，该系数写回单元将小波变换单元和低频预测单元的运算结果输出至运算池单元，其中小波写回地址发生器连接图像小波运算装置和运算池单元，写回顺序同小波变换地址发生器；低频写回地址发生器连接低频预测单元和运算池单元，写回顺序同低频预测地址发生器。所述的低频预测单元将每个低频系数在同址运算的条件下与左方相邻和上方相邻的2个低频子带LL和LH的系数平均值的差作为当前系数的预测值对应于低频预测地址发生器的读取顺序计算所有低频子带系数的预测值。所述的矢量量化单元将系数分为系数组，对系数组进行矢量量化，将结果直接送入算术编码单元。所述的算术编码单元对矢量量化单元输出的系数组进行算术编码，产生编码结果。本发明涉及上述装置的图像压缩方法，包括下述步骤第一步、读取单元从运算池单元中读取图像数据到小波变换单元，运算池单元是存储两幅图像的一块内存；第二步、小波变换单元对读入的图像数据进行小波变换得到小波系数；为节约硬件开销，小波变换单元内部的RAM仅能缓存5行图像数据，通过不断地写入读出更新图像数据，直至整幅图像变换完成；第三步、系数写回单元将小波系数写回运算池单元；第四步、读取单元从运算池单元中按照从下到上，从右到左的顺序读取低频系数到低频预测单元，对低频子带进行低频预测运算，同时，系数写回单元将运算结果写回运算池单元中；第五步、读取单元按照从高级到低级，和LL、LH、HL、HH的顺序，读取各子带到矢量量化单元，矢量量化单元将系数分组、量化，送出编码结果；第六步、编码结果进入算术编码单元，算术编码对矢量量化结果进行编码，输出码流。本发明的无损压缩性能优于同级小波变换的JPEG2000本发明装置运算复杂度较低，相对于同样基于小波和算术编码的JPEG2000，大大降低了运算复杂度；同时本发明采用流水线结构，提高了处理效率。
图1是本发明的系统框图。图2是系统流水线示意图。图3是小波运算的读取和写回顺序。图4是低频预测时低频子带读取和写回的顺序。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例如图1所示，本装置包括读取单元、运算池单元、小波变换单元、系数写回单元、 低频预测单元、矢量量化单元和算术编码单元。运算池单元从外部接收和缓存图像原始数据并按照小波变换地址发生器给出的读取地址输出图像原始数据至读取单元，读取单元分别与小波变换单元、低频预测单元和矢量量化单元相连，首先会输出图像原始数据至小波变换单元，小波变换单元接收读取单元输出的图像原始数据，经小波变换后输出一级高、低频的小波系数至系数写回单元，系数写回单元分别与小波变换单元和低频预测单元相连，这时系数写回单元接收小波变换单元输出的小波系数，，按照小波写回地址发生器按照同址运算规则产生的地址输出小波系数至运算池单元，至此一级小波变换完成了。
第二级变换首先由运算池按照读取单元中小波变换地址发生器给出的地址输出上一次变换得到的低频小波系数至读取单元，读取单元将这些低频小波系数输出至小波变换单元，小波变换单元接收读取单元输出的小波系数，经小波变换后，输出至写回单元，写回单元接收小波变换单元输出的小波系数，按照小波写回地址发生器按照同址运算规则产生的地址写回运算池单元。类似第二级变换的过程，不断地进行变换，直至达到所要求的级数为止，这个级数由用户对读取单元通过输入指定。完成一幅图像的指定级数的小波变换后，运算池开始按照读取单元中低频预测地址发生器产生的地址输出这一幅图像的最高级低频系数至低频预测单元，低频预测单元接收读取单元输出的最高级低频小波系数并进行低频预测运算后按照低频写回地址发生器产生的地址输出低频运算结果至系数写回单元，至此这一幅图像的低频运算结束。完成一幅图像的低频预测运算后，运算池单元开始按照读取单元中的矢量量化地址发生器产生的地址输出低频运算结果，矢量量化单元接收读取单元输出的低频预测结果并进行矢量量化运算后输出矢量量化符号至算数编码单元，算数编码单元对矢量量化符号进行算术编码运算并输出算术编码的码字，至此一幅图像的压缩编码过程结束如图1所示的每一个运算单元在处理完一幅图像后，即可进行下一幅图像的处理，据此实现流水线。小波变换地址发生器分别与图像小波运算装置和运算池单元相连，并且在一级小波变换时按照对图像内部从上到下，从左到右的读取顺序生成地址；假设某一图像宽为 X，图像高为Y，该图像某一原始数据在图像中的位置为第ν (1. . . Y)行，第h (1. . . X)列，，图像第一个像素的在运算池单元中的存储地址为addr，则该原始图像数据在运算池单元中的存储地址为addr+w * (v_l)+h_l同时，这也是该图像原始数据经过任意级小波变换运算后所存储的地址。在二级小波变换时按照从上到下，从左到右的读取顺序且读取的相邻像素之间行列间隔是1 ；以此类推，在第三级及后续小波变换时采用的行列间隔为2H-1，其中k为小波变换级数，因此，根据一级变换时的假设，二级小波变换时，小波变换地址发生器产生的地址为addr+w * (v-l)+h_l，ν = 2 * n+1，h = 2 * m+1，m，η = 0，1，2...N级变换时，小波变换地址发生器产生的地址为addr+w * (v_l)+h_l，ν = 2η+2Ν-1_1，h = 2m+2N_1-l, m, η = 1,2...低频预测地址发生器分别与低频预测单元和运算池单元相连并计算低频子带最右下角地址，按照图像内部从下到上，从右到左的读取顺序根据变换级数产生各低频子带元素的地址，假设要完成的是N级小波变换，则低频预测地址发生器产生的地址为addr+w * (v_l)+h_l，ν = 2n+2N_l，h = 2m+2N_l，m, η = 1,2...矢量量化地址发生器分别与矢量量化单元和运算池单元相连并按照图像内部从高级到低级，从上到下，从左到右的读取顺序产生LL、LH、HL以及HH共四个子带的地址，地址产生规则同小波变换地址发生器。所述的运算池单元由两个存储区组成以存储两幅图像的数据且两个存储区按图像分区，独立工作，在系统启动时，首先要定义地址分区，定义第一幅图像存储区首地址为first_image_addr，定义第二幅图像存储首地址为second_image_addr，工作过程中，两幅图像分别写入以上两个地址开始的空间中，在空间中的某一幅图像处理完毕后，新图像才可写入这幅图像的空间内。所述的小波变换单元计算连续5行图像的小波一级变换，连续5行图像中2行是计算完成的结果，另外3行是计算的中间结果，需要新数据才能继续计算，当2行计算完成的结果输出后，读入新的2行数据后，3行中间结果中的2行会计算完成，而新读入的两行数据经计算后变为中间结果。所述的系数写回单元由分别控制小波变换单元和低频预测单元将小波系数写回运算池单元的地址的小波写回地址发生器和低频写回地址发生器组成，该系数写回单元将小波变换单元和低频预测单元的运算结果输出至运算池单元，其中小波写回地址发生器连接图像小波运算装置和运算池单元，写回顺序同小波变换地址发生器。低频写回地址发生器连接低频预测单元和运算池单元，写回顺序同低频预测地址发生器。所述的低频预测单元将每个低频系数在同址运算的条件下与左方相邻和上方相邻的2个低频子带LL和LH的系数平均值的差作为当前系数的预测值对应于低频预测地址发生器的读取顺序计算所有低频子带系数的预测值。所述的矢量量化单元将每4个系数分为一个系数组，对系数组进行矢量量化，将结果直接送入算术编码单元。所述的算术编码单元对矢量量化单元输出的系数组进行算术编码，产生编码结^ ο本发明涉及上述装置的图像压缩方法，包括下述步骤第一步、读取单元从运算池单元中读取图像数据到小波变换单元，运算池单元是存储两幅图像的一块内存；第二步、小波变换单元对读入的图像数据进行小波变换得到小波系数；为节约硬件开销，小波变换单元内部的RAM仅能缓存5行图像数据，通过不断地写入读出更新图像数据，直至整幅图像变换完成；第三步、系数写回单元将小波系数写回运算池单元；第四步、读取单元从运算池单元中按照从下到上，从右到左的顺序读取低频系数到低频预测单元，对低频子带进行低频预测运算，同时，系数写回单元将运算结果写回运算池单元中；第五步、读取单元按照从高级到低级，和LL、LH、HL、HH的顺序，读取各子带到矢量量化单元，矢量量化单元将系数分组、量化，送出编码结果；第六步、编码结果进入算术编码单元，算术编码对矢量量化结果进行编码，输出码流。在图1中，图像首先载入运算池单元⑴，由读取单元(2)将图像或小波数据读出， 并写入无损小波变换单元G)、低频预测单元( 和矢量量化单元(6)；小波变换单元和低频预测单元的处理结果由系数写回单元(3)写回运算池单元；矢量量化单元的输出连接到算术编码单元(7)的输入端，经过算术编码单元的处理，最终输出图像输出码流。
在图2中，数据流过四个装置的过程想成了流水线。因为运算池单元分为两个区域，各加载一幅图像，两个区域轮流加载图像。在图2中，横向代表时间，1代表区域1的图像的处理过程，2代表区域2的图像的处理过程。每一个箭头经过的时间段代表这一幅图像的处理过程。纵向虚线处代表运算池单元内的图像更新。每个区域的图像在矢量量化完成后被全部读取完毕，这时可以载入下一幅图像。在小波变换单元中，RAM可容纳5行图像，两行的小波变换完成后，运算不需要的两行系数会被写回运算池单元，新的需要运算的两行会被读取单元读入。因为运算池具有同时读写的功能，因此，可以边读入和运算新的两行，边输出运算完成的两行。经实验验证，本装置在进行相同等级的小波变换后，无损压缩率比JPEG2000要高 3% ；本装置采用了矢量量化和小波变换结合的系统构架，使本系统即避免了 JPEG2000熵编码的高复杂度，同时又增强了压缩性能。
权利要求
1.一种基于小波变换和算术编码的图像压缩的装置，其特征在于，包括读取单元、运算池单元、小波变换单元、系数写回单元、低频预测单元、矢量量化单元和算术编码单元，其中运算池单元从外部接收和缓存图像原始数据并输出图像原始数据至小波变换单元，小波变换单元进行小波变换运算得到并由系数写回单元写回运算池单元的各级小波系数或低频预测结果至读取单元，读取单元分别与小波变换单元、低频预测单元和矢量量化单元相连并输出图像原始数据和经过小波变换单元小波变换运算得到并由系数写回单元写回运算池单元的各级小波系数至小波变换单元，读取单元输出最高级的低频小波系数至低频预测单元并输出低频预测结果至算术编码单元，小波变换单元接收读取单元输出的图像原始数据或除最高级低频的各级低频小波系数，经小波变换后输出对应输入小波系数等级的高、低频小波系数至系数写回单元，系数写回单元分别与小波变换单元和低频预测单元相连并接收小波变换单元输出的小波系数和低频预测单元输出地低频预测结果，经地址映射输出小波系数和低频预测结果至运算池单元，低频预测单元接收读取单元输出的低频小波系数并进行低频预测运算后输出低频预测结果至系数写回单元，矢量量化单元接收读取单元输出的低频预测结果和其他小波系数并进行矢量量化运算后输出矢量量化符号至算数编码单元，算数编码单元对矢量量化符号进行算术编码运算并输出算术编码的码字。
2.根据权利要求1所述的基于小波变换和算术编码的图像压缩的装置，其特征是，所述的读取单元由三个分别控制小波变换单元、低频预测单元和矢量量化单元对运算池单元的读取地址的地址发生器组成，其中第一地址发生器分别与图像小波运算装置和运算池单元相连，并且在一级小波变换时按照对图像内部从上到下，从左到右的读取顺序生成地址；在二级小波变换时按照从上到下，从左到右的读取顺序且读取的相邻像素之间行列间隔是1 ；以此类推，在第三级及后续小波变换时采用的行列间隔为2Η-1，其中k为小波变换级数次；第二地址发生器分别与低频预测单元和运算池单元相连并计算低频子带最右下角地址，按照图像内部从下到上，从右到左的读取顺序根据变换级数产生各低频子带元素的地址；第三地址发生器分别与矢量量化单元和运算池单元相连并按照从高级到低级、图像内部从上到下，从左到右的读取顺序产生LL、LH、HL以及HH共四个子带的地址。
3.根据权利要求1所述的基于小波变换和算术编码的图像压缩的装置，其特征是，所述的运算池单元由两个存储区组成以存储两幅图像的数据，由外部写入的数据是图像的 YCbCr分量，每个按照逐行扫描的顺序且两个存储区独立工作。
4.根据权利要求1或2所述的基于小波变换和算术编码的图像压缩的装置，其特征是， 所述的小波变换单元计算连续5行图像的小波一级变换，其中每连续5行图像中前2行是计算完成结果，后3行是计算中间结果。
5.根据权利要求1所述的基于小波变换和算术编码的图像压缩的装置，其特征是，所述的系数写回单元由分别控制小波变换单元和低频预测单元将小波系数写回运算池单元的地址的小波写回地址发生器和低频写回地址发生器组成，该系数写回单元将小波变换单元和低频预测单元的运算结果输出至运算池单元，其中小波写回地址发生器连接图像小波运算装置和运算池单元，写回顺序同第一地址发生器；低频写回地址发生器连接低频预测单元和运算池单元，写回顺序同第二地址发生器。
6.根据权利要求1或5所述的基于小波变换和算术编码的图像压缩的装置，其特征是， 所述的低频预测单元将每个低频系数在同址运算的条件下与左方相邻和上方相邻的2个低频子带LL和LH的系数平均值的差作为当前系数的预测值对应于第二地址发生器的读取顺序计算所有低频子带系数的预测值。
7.根据权利要求1或2所述的基于小波变换和算术编码的图像压缩的装置，其特征是， 所述的矢量量化单元将系数分为系数组，对系数组进行矢量量化，将结果直接送入算术编码单元。
8.一种根据上述任一权利要求所述装置的图像压缩方法，其特征在于，包括下述步骤第一步、读取单元从运算池单元中读取图像数据到小波变换单元，运算池单元是存储两幅图像的一块内存；第二步、小波变换单元对读入的图像数据进行小波变换得到小波系数；小波变换单元内部的RAM仅缓存5行图像数据，通过不断地写入读出更新图像数据，直至整幅图像变换完成；第三步、系数写回单元将小波系数写回运算池单元；第四步、读取单元从运算池单元中按照从下到上，从右到左的顺序读取低频系数到低频预测单元，对低频子带进行低频预测运算，同时，系数写回单元将运算结果写回运算池单元中；第五步、读取单元按照从高级到低级，和LL、LH、HL、HH的顺序，读取各子带到矢量量化单元，矢量量化单元将系数分组、量化，送出编码结果；第六步、编码结果进入算术编码单元，算术编码对矢量量化结果进行编码，输出码流。
全文摘要
一种图像处理技术领域的基于小波变换和算术编码的图像压缩的装置及方法，该装置包括读取单元、运算池单元、小波变换单元、系数写回单元、低频预测单元、矢量量化单元和算术编码单元。本发明在进行相同等级的小波变换后，无损压缩率比JPEG2000要高3％；本装置采用了矢量量化和小波变换结合的系统构架，使本系统既避免了JPEG2000熵编码的高复杂度，同时又增强了压缩性能。
文档编号G06T9/00GK102222350SQ20111014369
公开日2011年10月19日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者刘佩林, 刘瑞, 要强, 赵红旭 申请人:上海交通大学