静止图像编码器的实现结构研究

摘要

基于小波变换的内嵌编码技术已成为当前静止图像编码领域的主流，其中主要的内嵌编码算法有基于分层树集合分割排序(SetPartitioninginHierarchicalTrees，SPIHT)算法和优化截取的内嵌码块编码(EmbeddedBlockCodingwithOptimizedTruncation，EBCOT)算法。这两种算法均具有码流可随机获取以及良好的恢复图像质量等特性，因此成为实际应用中首选算法。随着对图像编码技术需求的不断增长，尤其是在军事应用领域如卫星侦察等方面，这些优秀的编码算法亟待转换为可应用的硬件编码器。 在静止图像编码领域，高性能的图像编码器设计一直是相关研究人员不懈追求的目标。本文针对静止图像编码器的设计作了深入研究，并致力于高性能的图像编码算法实现结构的研究，提出了具有创新性的降低计算量、存储量，提高压缩性能的算法实现结构，并成功应用于图像编码硬件系统中。本文主要的工作成果可以概括如下：1.提出了一种基于行的实时提升小波变换实现结构。该结构同时处理行变换和列变换，并且在图像边界采用对称扩展输出边界数据，使得图像小波变换时间与传统的小波变换相比提高了将近2.6倍，提高了硬件系统的实时性。该结构还合理地利用和调度内部缓冲器，不需要外部缓冲器，大大降低了硬件系统对存储器的要求。 2.提出了一种比特平面与编码过程全并行处理的EBCOT编码实现结构。通过分析指出了不仅每一个编码比特平面，而且对应编码过程的编码信息可以同时获得，从而给出了比特平面与编码过程全并行处理的块编码方法和实现的VLSI结构。 3.提出了一种采用深度优先搜索流处理的比特平面并行SPIHT编码结构。在该编码结构中，空间定位生成树采用深度优先遍历方式，比特平面同时处理极大地提高了编码速度。 4.提出了一种低复杂度的光谱图像压缩编码算法，并设计实现了该算法的硬件系统。该系统可应用于我国探月计划和光谱图像压缩的硬件研制方案中。 5.设计实现了一套适合于卫星图像传输并符合JPEG2000标准的硬件编码器。该编码器采用了比特平面与编码过程全并行处理的EBCOT编码算法，大大提高了系统处理速度，并且该编码器提供通用接口，可以很方便地与其他系统连接。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2图像编码理论的研究进展

1.3图像编码器设计技术的研究情况

1.4本文的研究内容

第二章整数提升小波变换器的设计

2.1引言

2.2提升小波变换

2.2.1提升方案

2.2.2提升硬件结构分析

2.3基于行的实时提升小波变换实现结构

2.3.1整体结构

2.3.2行变换实现结构

2.3.3列变换和中间缓存实现结构

2.3.4小波系数输出缓冲及控制结构

2.3.5尺度因子加权网络

2.3.6滤波器系数整数化

2.4实时性分析

2.4.1边界处理

2.4.2最终时序

2.5存贮空间分析

2.5.1列变换缓存分析

2.5.2各级小波系数输出缓存分析

2.6实验结果

2.7本章小结

第三章高性能的EBCOT编码及其VLSI结构

3.1引言

3.2 EBCOT编码分析

3.2.1码块比特平面编码

3.2.2编码原语及上下文模型

3.2.3编码过程(Coding Passes)

3.3比特平面与编码过程全并行的上下文(BPPP)编码模型

3.3.1比特平面的并行处理

3.3.2编码过程的并行处理

3.3.3上下文生成

3.4 BPPP模型硬件实现

3.4.1 BPPP模型整体结构

3.4.2扫描处理方式及状态变量组织

3.4.3编码过程并行的比特平面编码器

3.4.4状态变量的更新

3.5时间分析和实验结果

3.6本章小结

第四章深度优先搜索的比特平面并行SPIHT编码结构

4.1引言

4.2内嵌编码技术原理

4.3原始SPIHT算法

4.4硬件无链表SPIHT编码算法

4.5 SPIHT硬件实现

4.5.1比特平面并行SPIHT编码算法

4.5.2比特平面并行SPIHT编码器的VLSI结构

4.5.3比特平面数的选择

4.5.4实验结果

4.6本章小结

第五章SPIHT中基于上下文的算术编码器设计与实现

5.1引言

5.2算术编码基本概念

5.3 SPIHT算术编码中上下文设计

5.4基于上下文的算术编码器VLSI结构

5.5实验结果

5.6本章小结

第六章光谱图像编码器设计

6.1引言

6.2干涉多光谱图像编码算法

6.2.1编码算法描述

6.2.2码流结构

6.2.3游程编码

6.3干涉多光谱图像编码器VLSI结构

6.4实验结果和性能分析

6.5本章小结

第七章JPEG2000编码系统设计

7.1引言

7.2 JPEG2000编码系统

7.2.1预处理

7.2.2离散小波变换

7.2.3均匀标量量化

7.2.4熵编码EBCOT

7.3硬件编码系统

7.3.1 MQ算术编码器结构

7.3.2优化截取模块的硬件结构

7.4编码器性能

7.5本章小结

第八章结束语

致谢

参考文献

研究成果

附录