CN102438140B - 一种用于图像压缩的算术编码器顺序重归一化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了用于联合图像专家组(JPEG)2000图像压缩标准的一种用于图像压缩的算术编码器顺序重归一化方法。该方法添加独立的总移位步数预测规程来获得概率区间A的总移位步数，并分无字节输出、单字节输出和双字节输出三种情况逐次移位概率区间下边界C，从而在每读入一对上下文CX和码值D后可以一次性顺序完成参数计算，无需迭代循环计算。本发明的算术编码器重归一化过程方法可以无缝的替代原有部分，且无需改动算术编码算法的其他环节；逻辑分支间不存在交织判断；降低了运算量，有效提高了数据读入效率，利于硬件实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于图像压缩的算术编码器顺序重归一化方法，特别是应用于联合图像专家组(JPEG)2000编码标准的算术编码算法的顺序算法结构。
背景技术
目前国际最新的JPEG2000标准(参考文献[1])具备帧内编码、压缩效果好、支持感兴趣区域编码和渐进式传输等品质，因而在高端数字图像应用中得到了推广。在编码过程中，首先采用离散小波(DWT)处理原始图像，之后采用位平面编码器(BPC)处理小波系数子带生成上下文和码值(CX/D)，再送入算术编码器(AC)进行压缩编码。随着各类高清数字图像的应用普及，对图像编码器的实时处理能力提出了更高要求。因此也对AC的编码速率提出了更高的要求。
AC每读入一个CX/D，都要更新符号概率区间，并在必要时采用循环迭代计算使其处于约定范围内，之后才可以读入新的数据。循环迭代计算涉及复杂的数据控制和组合逻辑判断，不宜于电路实现，且约束了数据读入速率，进而影响了系统的整体性能。简洁高效的编码算法，成为该领域研究热点之一。
该领域有代表性的研究成果有：多CX/D并行输入编码的方案(参考文献[2]-[5])。多CX/D并行输入编码有利于发挥电路并行的优势，提高系统吞吐量。但从已发表文献来看，并行编码方案的引入导致了编码关键路径较长，时钟频率较低；且必须与位平面编码器输出接口紧耦合，对CX/D的读入进行有效控制。参考文献[2]最早提出了主零点预测(LZP)的思想，即通过分析概率估值的主零点分布规律，以查表形式求得重归一化规程(RP)期间所需的总移位次数。在此基础上文献[6]和[7]着重对重归一化规程进行了研究，提出了可以避免循环迭代计算的顺序算法结构。但是，文献[6]对算术编码算法的整体结构改动较大，且判决条件分支过多，交叉进行，不适于硬件实现。而文献[7]仅仅考虑了无字节输出和单字节输出的情况，直接影响了编码结果的正确性。文献[8]-[10]重点研究了算术编码器的流水线方法实现。流水线算法提高了CX/D的读入速率；但并没克服循环迭代操作的缺陷，依然无法有效缩短关键路径。
[1]JPEG2000 Part 1：Final Draft，document ISO/IEC JTCI/SC29/WGI N1855.doc，International Standard(ISO/IEC FDISF DIS15444-1)，Aug.2000.
[2]M.Dyer，D.Taubman，and S.Nooshabadi，“Improved throughput arithmetic coder forJPEG2000，”In Proceeding IEEE International Conference on Image Processing 2004(ICIP04)，IEEE Press，vol.4，pp.2817-2820，Oct.2004.
[3]Y.Z.Zhang，C.Xu and L.B.Chen，“A dual-symbol coding arithmetic coder architecturedesign for high speed EBCOT coding engine in JPEG2000，”In Proceeding IEEE 6thInternational Conference on ASIC(ICASIC 05)，IEEE Press，vol.1，pp.261-164，Oct.2005.
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[5]N.Noikaew and O.Chitsobhuk，“Dual Symbol Processing for MQ arithmetic coder inJPEG2000，”IEEE Congress on Image and Signal Processing(CISP 08)，IEEE Press，vol.1，pp.521-524，Oct.2008.
[6]C.Y.Xiong，J.H.Hou，Z.R.Gao and X.He，“Efficient Fast Algorithm for MQ ArithmeticCoder，”In Proceeding IEEE Conference on Multimedia and Expo(ICME 07)，IEEE Press，pp.759-762，July.2007.
[7]B.Min，S.Yoon，J.Ra and D.S.Park，“Enhanced Renormalization Algorithm in MQ-coderof JPEG2000，”International Symposium on Information Technology Convergence(ISITC2007)，IEEE Press，Nov.2007，pp.213-216.
[8]C.J.Lian，K.F.Chen，H.H.Chen，and L.G.Chen，“Analysis and architecture design ofblock-coding engine for EBCOT in JPEG 2000，”IEEE Transactions on Circuits Systems forVideo Technology，vol.13，no.3，pp.219-230，Mar.2003.
[9]K.Zhu，F.Wang，X.Zhou，and Q.Zhang，“An efficient accelerating architecture for Tier-1coding in JPEG2000，”in Proceeding IEEE 7th International Conference Solid-StateIntegrated Circuits Technology，vol.3.Oct.18-21，2004，pp.1653-1656.
[10]Y.Li and M.Bayoumi，“A three-level parallel high-speed low-power architecture for EBCOTof JPEG2000，”IEEE Transactions on Circuits Systems for Video Technology，vol.16，no.9，pp.1153-1163，Sep.2006.
发明内容
技术问题：本发明目的是设计一种用于图像压缩的算术编码器顺序重归一化方法，该方法基于主零点预测思想，设计了总移位步数预测过程来预测概率区间A的总移位步数；根据字节的输出次数，设计了一种顺序结构的重归一化过程RP，使得整个AC算法在读入一个CX/D后，可以一次性的成所有更新计算，无需任何循环。十分利于电路实现。
技术方案：JPEG2000图像压缩标准所采用的AC算法通过自适应调整符号出现概率的方式进行编码，并采用了一系列优化技术以便于硬件实现。算法定义符号概率区间A，并设定数值区间为0.75≤A＜1.5。区间边界定义为C。将接收符号划分为小概率符号(LPS)，概率估值为Qe；大概率符号(MPS)，对应概率估值为(A-Qe)。当接收到MPS时，根据公式(1)更新A和C；若接收到LPS，则根据公式(2)进行相应更新。
可以用概率估值表(PET)将符号概率估值及下一可能状态索引预存起来，以查找表的方式完成A与C的更新。JPEG2000图像压缩标准中的算术编码器中，概率估值表包含符号概率估值Qe、概率估值索引Index、下一大概率符号索引NMPS、下一小概率符号索引NLPS，大概率符号预设MPSS和大概率符号反转条件Switch。Index用来检索当前符号的概率估值Qe；NMPS表征在当前上下文出现MPS时下一状态的概率估值索引；NLPS与之类似。考虑连续收到MPS时，会通过公式(1)反复更新概率估值，从而导致MPS概率估值小于LPS概率估值；若连续收到LPS时情况与之类似。为了避免上述情况发生，用MPSS表征当前大概率符号，即当前码值若与MPSS相等，则视为MPS，反之为LPS。当LPS概率估值大于MPS概率估值时，MPSS必须反转。Switch用来指示MPSS是否需要反转。位平面编码器共输出19种上下文，每种上下文都有唯一对应的Index和MPSS。算数编码器的总体流程是这样的：每收到一个上下文CX和码值D时，从概率估值表中取出前述参数，分别计算A、C和移位计数器CT，并在结束时更新Index和MPSS。如此循环，直到处理完所有的CX/D。
编码过程中，由于反复对概率区间A递归细分，精度会随之增长。为此，使用16进制固定精度整数0x8000表征0.75。当A小于0.75时，通过循环移位使其保持在[0.75，1.5)范围内。为保证A与C缩放一致，当A左移时，C也左移相应次数。为防止C溢出，使用缓冲寄存器B来暂存C的高位数据，并采用了位填充技术来防止进位传播。移位计数器CT用来指示是否需要将B中的字节发送到码流中，同时从C中移出一个字节缓存到B中。以上计算都在重归一化过程RP中完成。
本发明的算术编码器的顺序归一化过程方法，通过总移位步数预测过程获取总移位步数TS，若不满足0.75≤A＜1.5，则调用顺序的重归一化过程RP，将概率区间A一次性左移TS次，并分无字节输出、单字节输出和双字节输出三种情况对概率区间下边界C逐次左移。
所述总移位步数预测过程为：概率区间A通过公式A＝Qe更新时，执行归一化过程RP，概率区间A的总移位次数TS等于符号概率估值Qe的主零点个数；符号概率估值Qe的主零点个数通过下表查得，
当概率区间A选择A＝(A-Qe)更新时，又分为两种情况：
1)若更新结果满足0.75≤A＜1.5，TS＝0，不执行RP；
2)若更新结果满足A＜0.75，执行RP；规定A最小值为0x8000，Qe的最大值为0x5601，则A更新后的最小值为0x29ff；将A与0x4000比较，若A≥0x4000，TS等于1；若A＜0x4000，TS等于2。
所述的重归一化过程将概率区间A一次性左移TS次，分无字节输出、单字节输出和双字节输出三种情况对C逐次左移，通过两次比较TS与CT来逐步判别属于无字节输出、单字节输出还是双字节输出，具体为：
1)无字节输出情况：第一次比较TS与CT，若TS小于CT就属于无字节输出情况；对C一次性左移TS次，CT用CT＝(CT-TS)更新后，顺序重归一化过程结束；
2)单字节输出情况：第一次比较TS与CT，若TS大于等于CT，则TS用TS＝(TS-CT)更新，C左移CT次；调用字节输出子程序输出第一个字节，期间复位CT；第二次比较TS与CT，若TS小于CT，属于单字节输出情况，将C左移TS次后，CT用CT＝(CT-TS)更新后，顺序重归一化过程结束；
3)双字节输出情况：第二次比较TS与CT，若TS大于等于CT，属于双字节输出情况，则TS用TS＝(TS-CT)更新，C左移CT次；调用字节输出子程序输出第二个字节，期间复位CT；再将C左移TS次，CT用CT＝(CT-TS)更新后，顺序重归一化过程结束
有益效果：本发明的关键在于新的用于图像压缩的算术编码器的顺序重归一化方法顺序结构使得算术编码器可以在读入CX/D后可以一次性完成所有参数的更新，无需迭代循环计算。添加了独立的总移位次数预测规程，可以无缝的替代原有部分，而无需改动算术编码算法的其他部分；逻辑分支间不存在交织判断；同时囊括了无字节输出、单字节输出和双字节输出三种情况，保证了编码结果的正确。该算法结构适于硬件实现。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1JPEG2000图像压缩标准所采用的算术编码器总体算法流程，
图2带有循环移位判断的重归一化过程流程，
图3总移位步数预测过程，
图4顺序结构的重归一化过程。
具体实施方式
本发明设计了一种用于图像压缩的算术编码器的顺序重归一化方法，该方法在算术编码器读取一对CX/D计算概率区间A和概率区间下边界C的同时，通过总移位步数预测过程获取总移位步数TS；若不满足0.75≤A＜1.5，则调用重归一化过程RP，将概率区间A一次性左移TS次，并分无字节输出、单字节输出和双字节输出三种情况对概率区间下边界C逐次左移。无需任何循环。十分利于电路实现。
具体实例如下：
1)收到一对新的CX/D后，根据CX求取Index，MPSS，然后用Index从表1中求取查表移位步数LUT，概率估值Qe，下一大概率符号索引NMPS、下一小概率符号索引NLPS，大概率符号预设MPSS和大概率符号反转条件Switch。之后通过A＝(A-Qe)来更新A。
2)如果满足D＝MPSS且A≥0x8000，则A＝A，C＝C+Qe，Index＝Index，MPSS＝MPSS，TS＝0。本次更新结束，可以读入下一对CX/D。
3)如果满足D＝MPSS且A＜0x8000且A＜Qe，则A＝Qe，C＝C，Index＝NMPS，MPSS＝MPSS，TS＝LUT。之后执行重归一化过程RP；
4)如果满足D＝MPSS且0x4000≤A＜0x8000且A≥Qe且，则A＝A，C＝C+Qe，Index＝NMPS，MPSS＝MPSS，TS＝1。之后重执行归一化过程RP；
5)如果满足D＝MPSS且A＜0x4000且A≥Qe且，则A＝A，C＝C+Qe，Index＝NMPS，MPSS＝MPSS，TS＝2。之后执行归一化过程RP；
6)如果满足D不等于MPSS且A＜Qe且Switch＝1且A≥0x4000，则A＝A，C＝C+Qe，Index＝NLPS，MPSS＝1-MPSS，TS＝1。之后执行重归一化过程RP；
7)如果满足D不等于MPSS且A＜Qe且Switch＝1且A＜0x4000，则A＝A，C＝C+Qe，Index＝NLPS，MPSS＝1-MPSS，TS＝2。之后执行重归一化过程RP；
8)如果满足D不等于MPSS且A＜Qe且Switch不等于1且A≥0x4000，则A＝A，C＝C+Qe，Index＝NLPS，MPSS＝MPSS，TS＝1。之后执行重归一化过程RP；
9)如果满足D不等于MPSS且A＜Qe且Switch不等于1且A＜0x4000，则A＝A，C＝C+Qe，Index＝NLPS，MPSS＝1-MPSS，TS＝2。之后执行重归一化过程RP；
10)如果满足D不等于MPSS且A≥Qe且Switch＝1，则A＝Qe，C＝C，Index＝NLPS，MPSS＝1-MPSS，TS＝LUT。之后执行顺序重归一化过程；
11)如果满足D不等于MPSS且A≥Qe且Switch不等于1，则A＝Qe，C＝C，Index＝NLPS，MPSS＝MPSS，TS＝LUT。之后执行重归一化过程RP；
12)重归一化过程将概率区间A一次性左移TS次，然后分为以下三个阶段分别判断处理：
●无字节输出情况：第一次比较TS与CT，若TS小于CT就属于无字节输出情况；对C一次性左移TS次，CT用CT＝(CT-TS)更新后，归一化过程结束；
●单字节输出情况：第一次比较TS与CT，若TS大于等于CT，则TS用TS＝(TS-CT)更新，C左移CT次；调用字节输出子程序输出第一个字节，期间复位CT；第二次比较TS与CT，若TS小于CT，属于单字节输出情况，将C左移TS次后，CT用CT＝(CT-TS)更新后，归一化过程结束；
●双字节输出情况：第二次比较TS与CT，若TS大于等于CT，属于双字节输出情况，则TS用TS＝(TS-CT)更新，C左移CT次；调用字节输出子程序输出第二个字节，期间复位CT；再将C左移TS次，CT用CT＝(CT-TS)更新后，归一化过程结束。
Claims (2)
1.一种用于图像压缩的算术编码器顺序重归一化方法，其特征在于算术编码器读取一对上下文CX和码值D来计算概率区间A和概率区间下边界C的同时，通过总移位步数预测过程获取总移位步数TS；若不满足0.75≤A＜1.5，则调用顺序的归一化过程RP，将概率区间A一次性左移TS次，并分无字节输出、单字节输出和双字节输出三种情况对概率区间下边界C逐次左移；
所述的重归一化过程是将概率区间A一次性左移TS次，并分无字节输出、单字节输出和双字节输出三种情况对C逐次左移，通过两次比较TS与移位计数器CT来逐步判别属于无字节输出、单字节输出还是双字节输出，具体为：
1）无字节输出情况：第一次比较TS与CT，若TS小于CT就属于无字节输出情况；对C一次性左移TS次，CT用CT＝(CT-TS)更新后，顺序重归一化过程结束；
2）单字节输出情况：第一次比较TS与CT，若TS大于等于CT，则TS用TS＝(TS-CT)更新，C左移CT次；调用字节输出子程序输出第一个字节，期间复位CT；第二次比较TS与CT，若TS小于CT，属于单字节输出情况，将C左移TS次后，CT用CT＝(CT-TS)更新后，顺序重归一化过程结束；
3）双字节输出情况：第二次比较TS与CT，若TS大于等于CT，属于双字节输出情况，则TS用TS＝(TS-CT)更新，C左移CT次；调用字节输出子程序输出第二个字节，期间复位CT；再将C左移TS次，CT用CT＝(CT-TS)更新后，顺序重归一化过程结束。
2.如权利要求1所述的用于图像压缩的算术编码器顺序重归一化方法，其特征在于所述总移位步数预测过程为：概率区间A通过公式A＝Qe更新时，执行重归一化过程RP，概率区间A的总移位次数TS等于符号概率估值Qe的主零点个数；符号概率估值Qe的主零点个数通过下表查得，
当概率区间A选择A＝(A-Qe)更新时，又分为两种情况：
1）若更新结果满足0.75≤A＜1.5，TS＝0，不执行RP；
2）若更新结果满足A＜0.75，执行RP；规定A最小值为0x8000，Qe的最大值为0x5601，则A更新后的最小值为0x29ff；将A与0x4000比较，若A≥0x4000，TS等于1；若A＜0x4000，TS等于2。
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