CN101951524A - 彩色数字图像的jpeg压缩方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种彩色数字图像的JPEG压缩方法，包括以下步骤：向具有n行的存储器连续地按行串行输入图像的亮度数据和色度数据；在向所述存储器依次输入第n行数据的同时对应串行进行所述亮度数据和所述色度数据的第一次一维离散余弦变换DCT；将变换输出的所述亮度数据和所述色度数据分别置于第一通道和第二通道内，以并行执行对应的第二次一维DCT变换、量化和编码处理；以及按时序分别对应融合所述第一通道与所述第二通道中处理的数据流并缓存到所述存储器中顺序输出。本发明能够减少JPEG压缩时所需的存储器空间。
Description
技术领域
本发明涉及数字图像压缩技术，尤其涉及彩色数字图像的JPEG压缩方法。
背景技术
传统的联合图像专家组(Joint Photographic Experts Group，JPEG)压缩算法结构通常包括四个部分。
第一部分是二维离散余弦变换(DCT)：如图1所示，由静态存储器(SRAM)存储(方框14)产生的8*8的块数据，分两次一维余弦变换(对应方框12和方框16)串行实现，最终可以得到一个有用信息主要集中在左上角的二维数组。
第二部分是量化(对应图1的方框18)：量化是实现数据压缩的重要一步，选择量化表对经过二维DCT变换得到的频率系数进行量化，这样可以减小非0系数的幅度和个数，在一定的主观保真的前提下，丢掉那些对视觉效果影响不大的细节。
第三部分是编码：如图所示，编码主要包括之字形变换20(也称作Z变换)、游程编码22、差分编码24以及熵编码26。Z变换将二维数组线性化为一维数组，其中非0系数集中在数组前列。差分编码24是使用差分脉冲调制编码(DPCM)技术对相邻图像块的直流系数的差值进行编码。游程长度编码22用来对交流系数进行编码。熵编码26是通过熵编码对分别编码过后的直流系数和交流系数再进行再压缩，常用的是霍夫曼熵编码。
最后是位数据流输出28，将各种标记代码以及编码过后的数据，组成一帧一帧的数据流输出。
在传统的JPEG算法结构中，针对彩色图像的压缩采用串行的方式，即亮度块和色彩块，一块接一块的进行上述四个部分对应步骤的处理。由于前端数字图像数据的输入是一行、一行地串行连续不断输入的，所以在对已构成的一个个的数据块进行上述四个步骤的操作时，必须将此时输入的数据进行存储，以作为当前块处理完后接下来的处理对象。对于例如YUV422格式的JPEG压缩，其中YUV422中一个基本单元(MCU)中包含2个亮度数据块和1个Cb色彩数据块、1个Cr色彩数据块，由此需要两个8行SRAM来进行乒乓操作，在对第一个SRAM处理操作的同时，第二个SRAM进行存储。对第二个进行处理操作的同时，对第一个进行存储。此处两个8行的SRAM在片上系统(SOC)芯片设计中占据较大的面积，造成较大的成本负担。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决现有技术中的上述问题之一。
为此，本发明的实施例提出一种减小存储器空间的彩色数字图像的JPEG压缩方法和装置。
根据本发明的一个方面，本发明实施例提出了一种彩色数字图像的JPEG压缩方法，所述压缩方法包括以下步骤：a)向具有n行的存储器连续地按行串行输入图像的亮度数据和色度数据，其中n是形成8*8的亮度数据块和8*8的色度数据块所需的最小行数；b)在向所述存储器依次输入第n行数据的同时对应串行进行所述亮度数据和所述色度数据的第一次一维离散余弦变换DCT；c)将变换输出的所述亮度数据和所述色度数据分别置于第一通道和第二通道内，以并行执行对应的第二次一维DCT变换、量化和编码处理；以及d)按时序分别对应融合所述第一通道与所述第二通道中处理的数据流并缓存到所述存储器中顺序输出。
根据本发明的另一方面，本发明的实施例提出一种彩色数字图像的JPEG压缩装置，所述压缩装置包括：第一变换单元，在向具有n行的存储器串行输入第n行的亮度数据和色度数据时，对应串行执行所述亮度数据和所述色度数据的第一次一维DCT变换，其中n是形成8*8的亮度数据块和8*8的色度数据块所需的最小行数；第二变换单元，将变换输出的所述亮度数据和所述色度数据分别置于第一通道和第二通道内，并行执行对应的第二次一维DCT变换、量化和编码处理；以及融合单元，按时序分别对应融合所述第一通道与所述第二通道中处理的数据流并缓存到所述存储器中顺序输出。
本发明将亮度数据块和色度数据块由原来的一个接一个串行处理，改为并行处理，分为两个单独的通道进行二维DCT变换、量化、编码、合成位数据流，然后再存储输出。本发明可以实现对SRAM的充分分时复用，将这些已处理数据写入到数据读取完毕暂时没有用到的SRAM中，不再额外增加SRAM，然后利用下一轮构成满足二维DCT变换要求的空间数据块大小的时间里，将这些数据一一输出，从而完整实现数字图像JPEG压缩。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为传统JPEG算法结构示意图；
图2为本发明实施例的彩色数字图像JPEG压缩方法流程图；
图3为本发明JPEG压缩结构示意图；
图4为YUV422格式数字图像的一个基本单元构成示意图；
图5为本发明实施例的基本单元时序控制示意图；以及
图6为本发明实施例的彩色数字图像JPEG压缩装置结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图2为本发明实施例的彩色数字图像JPEG压缩方法流程图。如图所示，首先向具有n行的存储器连续地按行串行输入数字图像的亮度数据和色度数据(步骤102)。这里的n行是形成8*8的亮度数据块和8*8的色度数据块所需的最小行数。例如，对于YUV422格式的彩色数字图像JPEG压缩，n为8。具体来说，YUV422中一个基本单元(MCU)中含2个亮度数据块和1个U色度数据块、1个V色度数据块。因此在形成至少一个的8*8亮度数据块和至少一个的8*8色度数据块时所需的存储器行数为8行。
对于YUV411格式的彩色数字图像JPEG压缩，n为16，其中YUV411中一个基本单元(MCU)中含4个亮度数据块和1个U色度数据块、1个V色度数据块)，因此，在形成至少一个的8*8亮度数据块和至少一个的8*8色度数据块时所需的存储器行数为16行。
在向上述存储器依次输入第n行数据的同时，对应串行进行亮度数据和色度数据的第一次一维DCT变换(步骤104)，即列上的一维DCT变换。在第n行数据开始输入后，在列方向上，存储器可以形成1*n的列向量，满足数据执行一维DCT变换的条件，因此对于第n行数据输入的每一个时钟都可以进行对应数据的第一次一维DCT变换。
然后，将一次变换输出的亮度数据和色度数据分别置于第一通道和第二通道内，从而在该两个通道内并行执行亮度数据和色度数据对应的第二次一维DCT变换(行上的一维DCT变换)、量化和编码处理(步骤106)。其中，亮度数据或色度数据在形成8*8的空间数据块后即可以执行第二次的一维DCT变换。第一通道和第二通道由数字逻辑电路形成，主要是将亮度数据块和色度数据块由原来的一个接一个串行处理，分为两路改为并行处理，在两个单独的通道进行二维DCT变换、量化和编码。
对于两个通道对应输出的亮度数据流和色度数据流，按时序分别对应融合并缓存到存储器中顺序输出(步骤108)。
图3详细显示了本发明实施例的JPEG压缩结构，如图所示，数字图像数据连续串行输入到存储器(SRAM)中(步骤202)。然后，在SRAM中输入的数据可以满足一维DCT变换要求时，则依次进行对应数据的第1次一维DCT变换(步骤204)。然后将数据存储到对应的SRAM地址空间内(步骤206)。在进行第1次一维DCT变换之后，将对应的亮度数据和色度数据置于两个通道(图中对应以Y和C表示)内并行实现第2次的一维DCT变换(步骤208和210)。这样，通过步骤204、步骤206、208和210，则实现了亮度数据和色度数据的二维DCT变换。同样地，在上述两个通道内，并行实现Y量化(步骤212)和C量化(步骤214)、Y的Z变换(步骤216)和C的Z变换(步骤218)、Y的游程和差分编码(步骤220)和C的游程、差分编码(步骤222)以及Y熵编码(步骤224)和C熵编码(步骤226)。
由于JPEG格式的每个基本单元(MCU)的数据首尾相接，MCU之间也是首尾相接。因此在亮度数据Y和色度数据C通道完成熵编码后，将两个通道输出的数据流融合合并，同时再依照时序关系将数据流分成奇MCU(步骤228)和偶MCU两个通道(步骤230)。数字图像中包含有多个MCU数据块，沿从左到右、从上到下的时序顺序依次标号，即可以将这些MCU数据块划分为奇MCU和偶MCU。
在融合两个通道输出的数据流时，其中将Y通道中图像的奇MCU数据块亮度数据与C通道中图像的奇MCU数据块色度数据对应融合，以及将Y通道中图像的偶MCU数据块亮度数据与C通道中图像的偶MCU数据块色度数据对应合并。
为了实现奇偶MCU数据流的顺序输出，将融合后的奇、偶MCU中的数据按时序先缓存到SRAM中(步骤232)。具体来说，将对应融合后的奇MCU数据块中的数据覆盖到SRAM中已处理数据对应的奇地址中；将对应融合后的偶MCU数据块中的数据覆盖到SRAM中已处理数据对应的偶地址中。
最后，按照对应时序，将奇偶MCU中数据流从缓存的SRAM中顺序输出(步骤234)。
下面，将结合图4的实施例对本发明的实施例，对本发明的JPEG压缩方法给出详细描述。图4为YUV422格式数字图像的一个基本单元(MCU)构成示意图，其中每个时钟对应一个输入数据。
一个基本单元的大小为8*32，其中包含两个Y数据块(Y1数据块和Y2数据块)、一个U数据块以及一个V数据块。
在SRAM中存储好7行数据后，第8行数据开始输入，因此每一个时钟都可以在列方向形成一个1*8的列向量，这样每一个时钟都可以进行列上的一维DCT变换。
在第16个时钟后(第8行输入16个数据后)可以形成8*8的Y1数据块、8*4的U数据块以及8*4的V数据块。
这时Y1数据块已经可以进行行上的一维DCT变换，假定一个时钟进行一次一维DCT变换，于是在下一个16个时钟结束时，即一个基本单元输入完毕之时，Y1数据块可以完成8次一维DCT变换同时可以完成量化、Z变换以及编码处理。同时8*8的Y2数据块和8*8的U数据块、8*8的V数据块，都已经实现列上的一维DCT变换准备完毕。
因此，此时可以分成两个通道同时进行Y和C的第二次一维DCT变换以及相应的量化、Z变换和编码。
为了使最后的结果输出是YUV422格式的Y1Y2UV的顺序，Y2进行和Y1相同的操作。因为Y2的形成比Y1晚16个时钟，所以Y1、Y2的输出结果也相差16个时钟。至于U数据块和Y2数据块为同时形成，但是其结果应该在Y2之后输出，因此增加第二次一维DCT变换和量化、Z变换以及编码所用时间，使其结果输出刚好接在Y2结果输出之后。
至于V数据块则在U的操作基础上加上一个16个时钟的空闲时间，则其处理结果可以接在U结果输出后输出。以上即为一个基本单元的处理操作，其时序控制可参考图5。
如图5所示，在该实施例中，亮度数据Y对应Y1和Y2，色度数据C对应U和V。
在进行完一个个的基本单元(MCU操作后)Y通道和C通道形成的数据流见下：
Y：Y1，Y2，Y1，Y2，Y1，Y2，Y1，Y2，Y1，Y2，Y1，Y2，Y1，Y2，Y1，Y2......
C：U，V，U，V，U，V，U，V，U，V，U，V，U，V，U，V.....
其中正常表示的数据属于奇MCU，斜体表示的数据属于偶MCU。
在亮度Y和色度C通道完成熵编码后，将两个通道的数据流融合合并，同时再将数据流分成奇MCU和偶MCU两个通道，见下：
奇MCU：YYUV，YYUV，YYUV，YYUV，.....
偶MCU：YYUV，YYUV，YYUV，YYUV，.....
最后为了实现奇偶MCU数据流的顺序输出，需要将这些数据先缓存入SRAM中对应奇偶地址中，然后再顺序输出得到以下形式的数据流：
YYUV，YYUV，YYUV，YYUV，YYUV，YYUV，YYUV，YYUV.....
另外，图6给出了本发明实施例的彩色数字图像的JPEG压缩装置。如图所示，压缩装置包括第一变换单元32、第二变换单元34和融合单元36。
第一变换单元32在向具有n行的存储器按行串行输入第n行的亮度数据和色度数据时，对应串行执行亮度数据和色度数据的第一次一维DCT变换。这里的n行是形成8*8数据块所需的最小行数，例如对于YUV422格式的彩色数字图像JPEG压缩，n为8；对于YUV411格式的彩色数字图像JPEG压缩，n为16。
在向上述存储器依次输入第n行数据的同时，第一变换单元32对应串行进行亮度数据和色度数据的第一次一维DCT变换，即列上的一维DCT变换。因为在第n行数据开始输入后，在列方向上存储器可以形成1*n的列向量，满足数据执行一维DCT变换的条件，因此对于第n行数据输入的每一个时钟都可以进行对应数据的第一次一维DCT变换。
第二变换单元34将变换输出的亮度数据和色度数据分别置于第一通道和第二通道内，并行执行对应的第二次一维DCT变换(行上的一维DCT变换)、量化和编码处理。第一通道和第二通道由逻辑电路形成，主要是将亮度数据块和色度数据块由原来的一个接一个串行处理，分为两路改为并行处理，在两个单独的通道进行二维DCT变换、量化和编码。亮度数据和色度数据在执行第二次一维DCT变换时需形成8×8的空间数据块。
融合单元36按时序分别对应融合所述第一通道与所述第二通道中处理的数据流并缓存到所述存储器中顺序输出。
在一个实施例中融合单元36可以包括融合模块38和缓存模块40，融合模块38将第一通道中图像的奇MCU中亮度数据与第二通道中图像的奇M，CU色度数据对应融合、第一通道中的偶MCU中亮度数据与第二通道中的偶MCU色度数据对应融合。同时，再依照时序关系将数据流分成奇MCU(步骤228)和偶MCU两个通道。缓存模块40用于将融合后的奇、偶MCU中的数据按时序先缓存到SRAM中，具体是将对应融合后的奇MCU的数据覆盖到存储器中已处理数据对应的奇地址中，以及将对应融合后的偶MCU的数据覆盖到存储器中已处理数据对应的偶地址中。
本发明充分复用SRAM，将已处理数据写入到数据读取完毕暂时没有用到的SRAM中，不再额外增加SRAM，然后利用下一轮构成满足二维DCT变换要求的空间数据块大小的时间里，例如8*8数据块(需要再存储8行数据)的时间里，将这些数据一一输出。从而完整实现数字图像JPEG压缩。并且顺序输出满足JPEG格式要求的数据流，即每个基本单元(MCU)的数据首尾相接，MCU之间也是首尾相接。
本发明将亮度数据块和色度数据块由原来的一个接一个串行处理，改为并行处理，分为两个单独的通道进行二维DCT变换、量化、编码、合成位数据流，然后再存储，最后在输出时实现亮度和色彩的首尾相接输出。
通过对SRAM的充分分时复用，利用本发明的压缩算法结构，对于YUV422格式的彩色数字图像JPEG压缩，只需要1个8行的SRAM即可；同样地，对于YUV411格式的彩色数字图像JPEG压缩，只需要1个16行的SRAM。因此比传统的结构减少一半的存储面积，从而相应地降低芯片的制造成本。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (12)
1.一种彩色数字图像的JPEG压缩方法，其特征在于，所述压缩方法包括以下步骤：
a)向具有n行的存储器连续地按行串行输入图像的亮度数据和色度数据，其中n是形成8*8的亮度数据块和8*8的色度数据块所需的最小行数；
b)在向所述存储器依次输入第n行数据的同时对应串行进行所述亮度数据和所述色度数据的第一次一维离散余弦变换DCT；
c)将变换输出的所述亮度数据和所述色度数据分别置于第一通道和第二通道内，以并行执行对应的第二次一维DCT变换、量化和编码处理；以及
d)按时序分别对应融合所述第一通道与所述第二通道中处理的数据流并缓存到所述存储器中顺序输出。
2.如权利要求1所述的压缩方法，其特征在于，所述步骤d包括：
将所述第一通道中图像的奇单元数据块亮度数据与所述第二通道中图像的奇单元数据块色度数据对应融合，以及将所述第一通道中图像的偶单元数据块亮度数据与所述第二通道中图像的偶单元数据块色度数据对应融合；以及
将对应融合后的奇单元数据块中的数据覆盖到所述存储器中已处理数据对应的奇地址中，以及将对应融合后的偶单元数据块中的数据覆盖到所述存储器中已处理数据对应的偶地址中。
3.如权利要求1所述的压缩方法，其特征在于，所述亮度数据和所述色度数据在执行第二次一维DCT变换时形成8×8的空间数据块。
4.如权利要求1所述的压缩方法，其特征在于，所述存储器的行数n为8，用于YUV422格式的彩色数字图像JPEG压缩。
5.如权利要求1所述的压缩方法，其特征在于，所述存储器的行数n为16，用于YUV411格式的彩色数字图像JPEG压缩。
6.如权利要求1所述的压缩方法，其特征在于，所述第一通道和所述第二通道由数字逻辑电路形成。
7.一种彩色数字图像的JPEG压缩装置，其特征在于，所述压缩装置包括：
第一变换单元，在向具有n行的存储器串行输入第n行的亮度数据和色度数据时，对应串行执行所述亮度数据和所述色度数据的第一次一维DCT变换，其中n是形成8*8的亮度数据块和8*8的色度数据块所需的最小行数；
第二变换单元，将变换输出的所述亮度数据和所述色度数据分别置于第一通道和第二通道内，并行执行对应的第二次一维DCT变换、量化和编码处理；以及
融合单元，按时序分别对应融合所述第一通道与所述第二通道中处理的数据流并缓存到所述存储器中顺序输出。
8.如权利要求7所述的压缩装置，其特征在于，所述融合单元包括：
奇偶单元数据块融合模块，将所述第一通道中图像的奇单元数据块亮度数据与所述第二通道中图像的奇单元数据块色度数据对应融合、所述第一通道中图像的偶单元数据块亮度数据与所述第二通道中图像的偶单元数据块色度数据对应融合；以及
缓存模块，将对应融合后的奇单元数据块中的数据覆盖到所述存储器中已处理数据对应的奇地址中，以及将对应融合后的偶单元数据块中的数据覆盖到所述存储器中已处理数据对应的偶地址中。
9.如权利要求7所述的压缩装置，其特征在于，所述亮度数据和所述色度数据在执行第二次一维DCT变换时形成8×8的空间数据块。
10.如权利要求7所述的压缩装置，其特征在于，所述存储器的行数n为8，用于YUV422格式的彩色数字图像JPEG压缩。
11.如权利要求7所述的压缩装置，其特征在于，所述存储器的行数n为16，用于YUV411格式的彩色数字图像JPEG压缩。
12.如权利要求7所述的压缩装置，其特征在于，所述第一通道和所述第二通道由数字逻辑电路形成。
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