专利名称：实现jpeg2000图像压缩的定点小波变换方法
技术领域：
本发明涉及图像处理技术领域，更进ー步涉及JPEG2000图像压缩系统中ー种兼容5/3小波变换和9/7小波变换高效硬件定点实现方法。本发明使用9/7提升小波变换的BIBO (Bounded Input Bounded Output)增益来确定小波变换中间值的存储位深,使用5/3提升小波变换的BIBO増益来确定9/7提升小波变换中量化參数的选择方式和量化的实现方式，最终使用同一存储空间来存放定点5/3提升小波变换和定点9/7提升小波变换。本发明可用于各种数字设备的图像压缩编码。
背景技术：
随着多媒体和网络技术的发展和应用，传统的图像压缩算法已不能满足当前市 场和实际应用的要求，为此国际标准组织于2000年11月制定了静止图像压缩的新标准JPEG2000。该新标准采用基于小波变换技术的率失真优化截取内嵌码块编码算法(EBCOT)，取得了较好的图像压缩效果，它包括小波变换模块、基于上下文的位平面算术编码模块、率失真优化截取模块和码流组织模块。其中小波变换模块采用了两种实现方式分别是可逆整数5/3小波变换和不可逆浮点9/7小波变换。由于第二代提升小波变换需要较少的工作内存和更少的算法计算量，所以在JPEG2000中采用了提升结构来实现这两种小波变换，但是仍然需要定点和浮点两套系统来实现5/3和9/7小波变换。西安电子科技大学在其专利申请“基于行的小波变换的VLSI结构”(专利申请号200510042864. 0，公开号CN1717049)中公开了ー种基于行的小波变换的超大規模集成电路VLSI结构。这种结构利用了小波变换滤波器的特性，使得每ー级小波分解的行变换和列变换并行处理，通过有效管理中间数据的缓存空间，降低了对数据存储空间的要求。但该方法仍然存在的不足是，由于5/3小波变换和9/7小波变换特性的不同，需要分别采用不同的存储空间，并且9/7小波变换所有提升步骤的系数都采用了ー个非常大的固定存储位深。因此在同时要求5/3小波变换和9/7小波变换的系统中，这种结构大大浪费了存储空间。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供ー种JPEG2000图像压缩系统中基于BIBO增益控制的小波变换定点实现方法。本发明使用尽可能少的硬件资源，同一存储空间来存放两种类型的小波变换系数。本发明对9/7小波变换各级各步提升算法进行了精细的划分，根据各级小波变换中各个提升步骤的不同特性分析出各级各步提升算法的BIBO増益，来设计各步提升后小波系数存储位深的最小值。在5/3小波变换无损压缩的限制下，使用5/3小波变换的BIBO増益来设计9/7小波变换中量化參数的选择方式和量化的实现方式，最終所有小波系数都以19位来存储。本发明不仅大大节省了小波变换模块中的硬件存储资源和运行时间，而且也节省了 JPEG2000中后续基于上下文的位平面算木编码模块和率失真优化模块的存储资源和运行时间。本发明从研究数值定点实现需求出发，为了保证小波变换系统各步提升结果不产生溢出，为各级各提升步中数据动态范围的扩展预留足够的保护位。保护位的个数由BIBO増益来控制，BIBO增益是输出样本最大绝对值与输入样本的最大绝对值的比值。为实现上述目的，本发明的方法包括如下步骤(I)在JPEG2000图像压缩系统中输入需要压缩的图像数据。(2)对输入的图像数据进行DC电平位移，得到O对称分布的图像数据。(3)判断是否为9/7小波变换用户根据是否进行有损压縮，决定采用9/7提升还是采用5/3提升小波变换；如果
有损压缩，采用9/7提升小波变换，转到步骤(4);否则，转到步骤(6)。(4) BIBO增益控制的9/7提升小波变换4a)将DC电平位移后所有数据左移upshift位,upshift值取任意大于O的整数；4b)将左移后的每一行数据，采用浮点转定点方法，依次进行标准9/7提升小波变换第一步提升、第二步提升、第三步提升和第四步提升，根据ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表，分别控制各步提升后数据的存储位深；4c)将第四步提升后图像分为左右两部分，其中左半部分作为水平变换后的低频部分再进行垂直方向的标准四步提升，根据ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表，分别控制各步提升后数据的存储位深；将右半部分作为水平变换后的高频部分进行垂直方向的标准四步提升，根据ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表，分别控制各步提升后数据的存储位深；4d)对第一级小波变换后数据的低频子带进行第二级小波变换，提升后的数据按照ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表，分别控制各步提升后数据的存储位深，依次进行第三级、第四级小波变换，直至完成四级小波变换。(5) BIBO增益控制的9/7提升小波变换后的系数量化5a)通过查找各子带最小量化步长初始值表，得到每个子带的最小量化步长初始值，使用这个量化步长初始值对每个子带的9/7小波变换后的系数进行量化；5b)将步骤5a)中的9/7小波系数右移Y位，实现更大量化步长的量化，量化步长为量化步长初始值的2的Y次冪，Y的值取任意大于等于O的整数；5c)将步骤5b)中所有的9/7小波系数右移upshift位；5d)将步骤5c)量化后的9/7小波变换系数以19位存储。(6) BIBO增益控制的5/3提升小波变换6a)对每一行的数据进行标准5/3小波第一步提升和第二步提升，将提升后所有数据和9/7小波变换后的同类型数据存放于同一空间，根据ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表，分别控制各步提升后数据的存储位深；6b)对第二步提升后图像分为左右两部分，将左半部分作为水平变换后的低频数据，进行垂直方向的两步标准5/3小波提升，提升后所有数据和9/7小波变换后的同类型数据存放于同一空间；将右半部分作为水平变换后的高频数据，进行垂直方向的两步标准5/3小波提升，提升后所有数据和9/7小波变换后的同类型数据存放于同一空间，完成第一级小波变换；6c)对第一级小波变换后数据的低频子带进行第二级小波变换，提升后所有数据和9/7小波变换后的同类型数据存放于同一空间，依次进行第三级、第四级小波变换，直至完成四级小波变换。(7)根据用户要求输出5/3小波变换的系数或者9/7小波变换的系数。(8)利用JPEG2000图像压缩系统中标准的基于上下文的位平面算木编码模块对小波变换后的系数进行处理，得到算术编码的码流。(9)利用JPEG2000图像压缩系统中标准的率失真优化截取模块对算术编码的码 流进行率失真优化截取，记录截取点信息。(10) JPEG2000图像压缩系统中标准的码流组织模块使用截取点信息，对算术编码的码流进行码流组织，得到JPEG2000的压缩码流。本发明与现有技术相比较，具有如下优点第一，由于本发明将JPEG2000图像压缩系统中5/3提升小波变换后的数据和9/7提升小波变换后的同类型数据存放于同一空间，克服了现有技术中5/3小波变换和9/7小波变换分别有两套存储空间，使得本发明采用同一存储空间来存放两种类型的小波变换系数，节约了存储资源。第二，由于本发明对9/7提升小波变换各级各步提升算法进行了精细的划分，由各级小波变换中各个提升步骤的不同特性分析出各级各步提升算法的BIBO増益，并设计各步提升后小波系数存储位深的最小值，使用这个最小存储位深来存放中间的变量。克服了现有技术9/7提升小波变换中间变量的存储位深使用一个足够大的统ー值带来的缺点，使得本发明采用更少的存储资源存放9/7提升小波变换的中间系数。第三，由于本发明采用最小存储位深来存放9/7提升小波变换中间系数，使得本发明对这些中间数据的处理可以采用更短的乘法器，加快了小波变换的速度。第四，由于本发明在5/3小波变换无损压缩的限制下，设计了 9/7小波变换的量化步长选择方式和量化方式，克服了现有技术9/7小波变换量化后系数存储空间无限大的缺点，使得本发明采用固定存储资源存放9/7小波变换量化后系数。第五，由于本发明将量化后小波系数采用19位来存储，既实现了无损小波变换，有损小波变换又充分利用了存储资源，从而使后续基于上下文的位平面算术编码模块和率失真优化截取模块具有更少的存储资源和更快的速度。第六，本发明中的方法既可以应用于控制软件系统中的小波变换，又可以应用于控制硬件系统中的小波变换，在这两种系统中使用本发明都会带来存储资源的和运行时间的节省。
图I是本发明的流程图。
具体实施例方式下面结合附图I对本发明的实现步骤做详细的描述。步骤I.在JPEG2000图像压缩系统中输入需要压缩的图像数据，图像数据采用X比特存储，X取值范围为I 16位。步骤2.对输入的图像数据进行DC电平位移，得到O对称分布的图像数据。步骤3.用户根据是否进行有损压縮，决定采用9/7提升还是采用5/3提升小波变换；如果有损压缩，采用9/7提升小波变换，转到步骤4 ;否则，转到步骤6。步骤4. BIBO增益控制的9/7提升小波变换4a)将DC电平位移后所有数据左移upshift位,upshift值取任意大于O的整数。4b)将左移后的每一行数据，采用浮点转定点方法，依次进行标准9/7提升小波变换第一步提升、第二步提升、第三步提升和第四步提升，根据ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表，分别控制各步提升后数据的存储位深，其中二维9/7提升小波变换各步提升增益表，根据9/7提升小波变换中各个提升步骤的滤波器系数的特性，推出滤波导致的数据变化范围而得到的ー张反映每步提升后数据的最大位深扩展表。提升后数据的存储位深是，X、upshift、ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表中与变换级和提升步骤相对应的值二者之和。ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表按如下步骤得到首先不考虑规整化乘运算，详细的分析9/7提升小波变换各级各提升步骤中的
BIBO增益。设<^$[77]表示在一维离散小波变换分解级为d时，提升中的第step步的分析矢量，η表示分析矢量的维数。相应的BIBO増益和分析矢量的关系如下式所示
权利要求
1.实现JPEG2000图像压缩的定点小波变换方法，包括如下步骤 (1)在JPEG2000图像压缩系统中输入需要压缩的图像数据； (2)对输入的图像数据进行DC电平位移，得到O对称分布的图像数据； (3)判断是否为9/7小波变换 用户根据是否进行有损压縮，决定采用9/7提升还是采用5/3提升小波变换；如果有损压缩，采用9/7提升小波变换，转到步骤(4);否则，转到步骤(6)； (4)BIBO增益控制的9/7提升小波变换 4a)将DC电平位移后所有数据左移upshift位，upshift值取任意大于O的整数； 4b)将左移后的每一行数据，采用浮点转定点方法，依次进行标准9/7提升小波变换第ー步提升、第二步提升、第三步提升和第四步提升，根据ニ维9/7提升小波变换各步提升增益表，分别控制各步提升后数据的存储位深； 4c)将第四步提升后图像分为左右两部分，其中左半部分作为水平变换后的低频部分再进行垂直方向的标准四步提升，根据ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表，分别控制各步提升后数据的存储位深；将右半部分作为水平变换后的高频部分进行垂直方向的标准四步提升，根据ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表，分别控制各步提升后数据的存储位深； 4d)对第一级小波变换后数据的低频子带进行第二级小波变换，提升后的数据按照ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表，分别控制各步提升后数据的存储位深，依次进行第三级、第四级小波变换，直至完成四级小波变换； (5)BIBO增益控制的9/7提升小波变换后的系数量化 5a)通过查找各子带最小量化步长初始值表，得到每个子带的最小量化步长初始值，使用这个量化步长初始值对每个子带的9/7小波变换后的系数进行量化； 5b)将步骤5a)中的9/7小波系数右移Y位，实现更大量化步长的量化，量化步长为量化步长初始值的2的Y次幂，Y的值取任意大于等于O的整数； 5c)将步骤5b)中所有的9/7小波系数右移upshift位； 5d)将步骤5c)量化后的9/7小波变换系数以19位存储； (6)BIBO增益控制的5/3提升小波变换 6a)对每一行的数据进行标准5/3小波第一步提升和第二步提升，将提升后所有数据和9/7小波变换后的同类型数据存放于同一空间，根据ニ维9/7提升小波变换各步提升增益表，分别控制各步提升后数据的存储位深； 6b)对第二步提升后图像分为左右两部分，将左半部分作为水平变换后的低频数据，进行垂直方向的两步标准5/3小波提升，提升后所有数据和9/7小波变换后的同类型数据存放于同一空间；将右半部分作为水平变换后的高频数据，进行垂直方向的两步标准5/3小波提升，提升后所有数据和9/7小波变换后的同类型数据存放于同一空间，完成第一级小波变换； 6c)对第一级小波变换后数据的低频子带进行第二级小波变换，提升后所有数据和9/7小波变换后的同类型数据存放于同一空间，依次进行第三级、第四级小波变换，直至完成四级小波变换； (7)根据用户要求输出5/3小波变换的系数或者9/7小波变换的系数；(8)利用JPEG2000图像压缩系统中标准的基于上下文的位平面算木编码模块对小波变换后的系数进行处理，得到算术编码的码流； (9)利用JPEG2000图像压缩系统中标准的率失真优化截取模块对算木编码的码流进行率失真优化截取，记录截取点信息； (10)JPEG2000图像压缩系统中标准的码流组织模块使用截取点信息，对算术编码的码流进行码流组织，得到JPEG2000的压缩码流。
2.根据权利要求I所述的实现JPEG2000图像压缩的定点小波变换方法，其特征在于步骤⑴中所述的图像数据采用X比特存储，X取值范围为I 16位。
3.根据权利要求I所述的实现JPEG2000图像压缩的定点小波变换方法，其特征在于步骤4b)、步骤4c)、步骤4d)和步骤6a)中所述的ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表，根据9/7提升小波变换中各个提升步骤的滤波器系数的特性，推出滤波导致的数据变化范围而得到的ー张反映每步提升后数据的最大位深扩展表。
4.根据权利要求I所述的实现JPEG2000图像压缩的定点小波变换方法，其特征在于步骤4b)、步骤4c)、步骤4d)和步骤6a)中所述提升后数据的存储位深是,X、upshift、ニ维9/7提升小波变换各步提升増益表中与变换级和提升步骤相对应的值三者之和。
5.根据权利要求I所述的实现JPEG2000图像压缩的定点小波变换方法，其特征在于步骤5a)中所述的各子带最小量化步长初始值表，通过以下步骤获得 第一歩，利用5/3提升小波变换BIBO増益，得到5/3小波变换后每个子带小波系数绝对值的最大值； 第二歩，利用9/7提升小波变换BIBO増益，得到9/7小波变换后每个子带小波系数绝对值的最大值； 第三步，利用9/7提升小波变换标准提升步骤中规整化乘运算，得到9/7提升小波后每个子带小波系数规整化乘运算増益； 第四步，将9/7小波变换综合基矢量平方范数，开方后得到9/7小波变换后每个子带帧内小波基函数的L2范数； 第五歩，将9/7提升小波每个子带小波系数的绝对值的最大值、规整化乘运算増益、子带帧内小波基函数的L2范数三者相乘，再将相乘之积除以5/3提升小波每个子带小波系数的绝对值的最大值，得到每个子带的量化步长最小值； 第六步，选取所有子带量化步长最小值中的最大值，将该最大值与每个子带帧内小波基函数的L2范数相乘，得到每个子带最小量化步长初始值，由初始值组成了ー张各子带最小量化步长初始值表。
全文摘要
一种实现JPEG2000图像压缩的定点小波变换方法，其步骤为(1)输入图像；(2)DC电平位移；(3)判断是否为9/7小波；(4)BIBO增益控制的9/7提升小波；(5)BIBO增益控制的9/7提升小波后的系数量化；(6)BIBO增益控制的5/3提升小波；(7)输出小波系数；(8)算术编码；(9)率失真优化截取；(10)码流组织，得到JPEG2000压缩码流。本发明引入BIBO增益控制方法，使用9/7小波BIBO增益来确定小波变换中间值的存储位深，使用5/3小波BIBO增益来确定9/7提升小波变换量化参数的选择方式及量化方式，大大节省了JPEG2000系统存储资源和运行时间。
文档编号H04N7/26GK102685501SQ20121014821
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者刘凯, 吴成柯, 张静, 李云松, 王柯俨, 郭杰 申请人:西安电子科技大学