CN102801981B - 一种基于jpeg-ls算法的多路压缩内核并行编码的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于JPEG-LS算法的多路压缩内核并行编码的控制方法，该方法采用基于JPEG-LS标准算法实现的压缩内核，形成一种N路压缩内核并行编码的控制方法来完成图像压缩：(1)将源图像分为N个R行和C列的子图像；(2)适时地完成初始化N路JPEG-LS压缩内核的相关参数，并准备编码；(3)通过写控制和读控制N个Ix_FIFO，随机启动N路JPEG-LS压缩内核，能够不间断对源图像进行编码；(4)由该控制方法实现的并行编码系统对源图像进行编码，其处理效果几乎相当于用一个基于JPEG-LS标准算法实现的压缩内核完成对源图像的编码，但是吞吐率和处理速度几乎提高了N倍。

Description

一种基于JPEG-LS算法的多路压缩内核并行编码的控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于JPEG-LS算法的的并行压缩控制方法，属于图像压缩技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，在图像处理领域中，需要处理的数据量越来越大，提高图像处理的速度成为一个巨大的挑战；如何用最少的时间开销和最小的空间开销来完成图像传输的处理，是该领域的关键点。

通过采用高压缩比的图像压缩算法，或者采用并行压缩方案均可以提高处理速度。当采用高压缩比的图像压缩算法时，现有算法的失真度往往不能满足遥感图像的特殊性要求；目前，遥感图像的压缩算法优选无损、近无损压缩，JPEG-LS算法就是其中之一。与此同时，随着高性能并行处理系统的发展，开发图像并行处理技术，可以为提高图像处理速度提供更广阔的发展空间。

JPEG-LS是联合图像专家组制定的一种图像无损、近无损压缩的国际标准，将其应用到遥感图像的无损、近无损压缩取得了良好的效果，十分适合于遥感图像压缩；其核心算法是采纳自HP(惠普)实验室提供的LOCO-I压缩方案，主要使用了预测误差Golomb熵编码和游长长度编码等技术。

其中，JPEG-LS标准算法中规定了Near、Range、qbpp、LIMIT、T1、T2、T3等相关参数，Near表示点像素误差，Range表示ErrVal编码时钳位值(ErrVal是编码过程产生的变量)，qbpp＝ceiling(log₂Range)，LIMIT表示限制输出码流大小，T1、T2、T3表示梯度量化的阈值。

其中，JPEG-LS压缩内核的编码过程分为两种模式进行，正常模式编码和游长模式编码。编码过程中，通过因果模板进行模式选择。当模式切换进入正常编码模式，仅仅对该像素样点做完映射误差编码后，即已做完正常编码模式后跳出该模式，进入循环，重新计算梯度，并且选择编码模式。当模式切换进入游长编码模式，对后续像素样点的扫描编码不再按照先计算梯度矢量，然后判断是否进入平坦区域，而是判断待编码像素I_x与其左边邻域像素的重建值Ra的差值与Near的关系；如果差值≤Near，则继续进行游长编码模式并对当前像素编码；如果差值＞Near，则做完游长长度编码后跳出游长模式。

总之，可以通过研究基于JPEG-LS图像压缩算法的并行处理方案，以提高图像压缩的处理速度，同时也可以满足遥感图像的特殊性要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对JPEG-LS图像压缩标准实现时，吞吐率和处理速度不能满足实时需求，本发明提出了一种基于JPEG-LS标准算法的多路压缩内核的并行编码的控制方法，在现有基础上快速方便地完成对图像压缩高吞吐率的需求，该控制方法能够实现高速高效遥感图像压缩，具有非常好的系统扩展性。其硬件实现简单，控制有效，FPGA资源有效利用率较高，系统吞吐率和压缩处理速度几乎提高了N倍，为后续使用JPEG-LS算法提供了优势，在未来的图像压缩领域具有广阔的应用前景。

本发明的技术方案如下：一种基于JPEG-LS算法的多路压缩内核并行编码的控制方法，实现步骤如下：

第一步：将图像源送来的源图像按照同样的大小进行子图像划分，并按源图像中各个像素的排列顺序，依次送出各个像素。即接收行长为H的源图像，将源图像分为N个R行和C列的子图像，并在子图像划分后，按源图像中各个像素的排列顺序，先送出每行的第一个像素，再送出每行的第二个像素，直到送出每行的最后一个像素，一直按照这样的顺序，一行接着一行送出像素至第二步；每个子图像对应一个存储深度不小于D的FIFO：Ix_FIFO和一个JPEG-LS压缩内核；其中H＝N＊C，D＝C；C为所选取的子图像的列，C在编码源图像的过程中为固定常数，C一般选取整数且

第二步：初始化N路JPEG-LS压缩内核的相关参数，所述相关参数为Near、Range、qbpp、LIMIT、T1、T2、T3等，这些参数主要用来初始化压缩内核，在N路压缩内核启动之前需要完成。如果首次编码源图像，需要在源图像帧起始之前已初始化N路JPEG-LS压缩内核的相关参数；如果首次之后编码源图像，需要根据第九步“一帧源图像编码结束”的反馈信号来初始化N路JPEG-LS压缩内核；保证每一个子图像编码前完成初始化对应的JPEG-LS压缩内核的相关参数；

第三步：接收子图像划分后的源图像，判断接收的当前像素属于的哪一个子图像，同时将接收的当前像素写入与该子图像对应的Ix_FIFO中；

第四步：判断接收的当前像素是否属于该子图像的第一个像素，如果不满足则进入第五步，如果满足则跳到第六步；

第五步：根据“像素编码结束”的反馈信号，判断该子图像对应的JPEG-LS压缩内核的上一次的像素编码是否结束，如果满足则进入第六步，如果不满足则等待；

第六步：读取该子图像对应的Ix_FIFO，将读出像素送给对应的JPEG-LS压缩内核，该读出像素刚好是对应的JPEG-LS压缩内核上一次编码结束后需要编码的下一个像素；

第七步：启动该子图像对应的JPEG-LS压缩内核，对第六步的读出像素进行编码，即每一个JPEG-LS压缩内核在完成读出像素的编码后，对应子图像的下一个像素刚好被从Ix_FIFO中读出，对应的JPEG-LS压缩内核不间断地对该子图像编码；通过写控制和读控制N个Ix_FIFO，能够满足不间断地读取图像划分后的源图像，同时能够随机启动对应的JPEG-LS压缩内核，完成不间断地对源图像编码；

第八步：判断该子图像被编码的像素是否完成对应的JPEG-LS压缩内核的编码，满足则表明该像素的编码结束，并送出“像素编码结束”的反馈信号，进入第九步，不满足则等待；

第九步：判断一帧源图像编码结束是否结束，满足则送出“一帧源图像编码结束”的反馈信号到第二步，不满足等待；一帧源图像即N个子图像，也就是N＊R＊C个像素，通过统计被编码的像素个数，判断一帧源图像编码是否结束。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明针对JPEG-LS图像压缩标准吞吐率和处理速度不能满足实时需求，提出了一种基于JPEG-LS标准算法的多路压缩内核的并行编码的控制方法，通过基于JPEG-LS标准算法的编码内核，形成一种多路内核并行编码的控制，能够实现高速高效遥感图像压缩；同时，在现有基础上快速方便地完成对图像压缩高吞吐率的需求；该方案具有非常好的系统扩展性，为后续使用JPEG-LS算法提供了优势。

(2)本发明中提出了通过N路JPEG-LS压缩内核不间断并行编码源图像的问题，其对已有的基于JPEG-LS的单路压缩内核不做修改或修改很少，保证N个子图像编码开始前已初始化完成N路JPEG-LS压缩内核的相关参数，N路JPEG-LS压缩内核不间断完成对源图像的编码，编码的效果几乎相当于用一个JPEG-LS标准内核完成源图像的编码，但是吞吐率和处理速度几乎提高了N倍。解决了源图像的输入吞吐率高与JPEG-LS标准算法实现图像压缩处理速度有限之间的矛盾，快速实时地完成图像压缩。

(3)本发明中对图像源送来的源图像进行子图像划分的问题，通过简单有效的子图像划分方法，将源图像按照同样的大小进行子图像划分，使得每个子图像对应一个存储深度不小于D的FIFO：Ix_FIFO，和一个JPEG-LS压缩内核；子图像R＊C的大小满足将极大的保留JPEG-LS的压缩性能，因为JPEG-LS的编码性能对幅宽C更敏感。

(4)本发明提出了Ix_FIFO存储深度大小的问题，需要设置为Ix_FIFO的存储深度D不小于子图像列宽C。这是考虑JPEG-LS压缩内核的工作过程中存在着两种极端工作模式：(1)子图像的整行数据均进行正常模式编码，需保证Ix_FIFO不溢出；(2)子图像的整行数据均进行游长模式编码，需保证Ix_FIFO不读空。这是由以下三步来保证的：第一步中C选取整数且且D＝C，第三步Ix_FIFO的写过程能够保证其不溢出，第六步Ix_FIFO的读过程能够保证Ix_FIFO不读空，保证不间断的地源图像进行编码。

(5)本发明中提出了写控制和读控制Ix_FIFO策略的问题，被编码的子图像的像素通过这种写控制和读控制Ix_FIFO，不但保证每个JPEG-LS压缩内核在完成读出像素的编码后，立刻对子图像的下一个像素不间断地进行编码，从而也就不间断地对源图像进行编码；而且保证当一个JPEG-LS压缩内核在完成当前像素编码过程中，源图像的下一个像素可以被接收，从而不丢失该像素。

附图说明

图1是子图像划分方式示意图；

图2是本发明处理流程图；

图3是应用本发明的一个子图像划分方式示意图；

图4是应用本发明的一个控制器硬件实现框图；

图5是应用本发明的一个八路JPEG-LS压缩内核并行编码硬件实现框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实现示例来说明本发明一种基于JPEG-LS算法的多路压缩内核并行编码的控制方法的具体实现：

图1是本发明子图像划分方式示意图，介绍如何将图像源送来的源图像按照同样的大小进行子图像划分。其中H为的源图像的行长，N表示将源图像分为N个子图像，R和C表示划分后子图像的行参数和列参数，且

图2是本发明处理流程图，介绍多路压缩内核并行编码的控制方法的实现过程，具体可以参考权利要求书1的步骤说明。

图3是应用本发明的一个子图像划分方式示意图；其中H＝4096，R＝64，C＝512，D＝512；即将行长4096，共64行数据作为一帧遥感原始图像数据，针对4096＊64大小的10bit图像进行相应操作，经过SRAM的缓存进行操作，数据重新排列输出，即按照分割成8路512＊64子图像被从SRAM中顺序读取出来。

图4是应用本发明的一个控制器硬件实现框图，下面结合该框图，以图2流程图及图3所示子图像划分方式进行源图像编码为例，详细介绍本发明控制方法的具体实现，其实现步骤如下：

第一步：图像缓存和分块模块：接收图像源送来的源图像、同步信号等，将送来数据作为SRAM的写数据(SRAM的写数据高位补0)；通过状态机控制，将数据乒乓写入到SRAM中，完成图像缓存；并兵乓读取SRAM，读出的像素即为满足分块要求的按顺序输出的源图像的像素；两个SRAM可以通过FPGA来读写。

第二步：初始化参数模块：接收数据压缩率控制信号，当“一帧源图像编码结束”的反馈信号有效时，完成初始化8路JPEG-LS压缩内核的相关参数：Near、Range、qbpp、LIMIT、T1、T2、T3等，为8路压缩内核启动做好准备。

第三步：通过Ix_FIFO读写控制模块，接收子图像划分后的源图像，判断接收的当前像素属于的哪一个子图像，同时将接收的当前像素写入与该子图像对应的Ix_FIFO中；

第四步：通过Ix_FIFO读写控制模块，判断接收的当前像素是否属于该子图像的第一个像素，如果不满足则进入第五步，如果满足则跳到第六步；

第五步：通过Ix_FIFO读写控制模块，接收“像素编码结束”信号，“像素编码结束”信号是该子图像对应的JPEG-LS压缩内核的上一次的像素编码是否结束的标志，是该压缩内核的反馈信号；如果“像素编码结束”满足则进入第六步，如果不满足则等待；

第六步：通过Ix_FIFO读写控制模块，读取该子图像对应的Ix_FIFO，将读出像素送给对应的JPEG-LS压缩内核，该读出像素刚好是对应的JPEG-LS压缩内核上一次编码结束后需要编码的下一个像素；

第七步：判断Ix_FIFO组模块中的8位Ix_FIFO_en信号，每个内核通过Ix_FIFO_en的对应的其中一位来使能，启动该子图像对应的JPEG-LS压缩内核，对第六步的读出像素进行编码，即每一个JPEG-LS压缩内核在完成读出像素的编码后，对应子图像的下一个像素刚好被从Ix_FIFO中读出，对应的JPEG-LS压缩内核不间断地对该子图像编码；通过写控制和读控制N个Ix_FIFO，能够满足不间断地读取图像划分后的源图像，同时能够随机启动对应的JPEG-LS压缩内核，完成不间断地对源图像编码；

第八步：判断该子图像被编码的像素是否完成对应的JPEG-LS压缩内核的编码，满足则表明该像素的编码结束，并送出“像素编码结束”的反馈信号，进入第九步，不满足则等待；

第九步：通过Ix_FIFO读写控制模块，判断一帧源图像编码结束是否结束，满足则送出“一帧源图像编码结束”的反馈信号到第二步，不满足等待；一帧源图像即8个子图像，也就是8＊64＊512个像素，通过统计被编码的像素个数，判断一帧源图像编码是否结束。

图5是应用本发明的一个八路JPEG-LS压缩内核并行编码硬件实现框图。其中“相机检测模块”完成相机的源图像数据校验检测和全局复位；其中“八路JPEG-LS压缩内核并行编码的控制器”即为图4中的“一个控制器硬件实现框图”，结合图3所示子图像划分方式进行源图像编码的处理过程与图4所示的硬件实现步骤基本一致；“码流处理模块”完成八路压缩码流的处理，是后续解码的输入文件。

本发明的具体实施方式以遥感图像JPEG-LS的并行压缩为例，但本发明的使用范围并不局限于遥感图像领域。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种基于JPEG-LS算法的多路压缩内核并行编码的控制方法，其特征在于步骤如下：

第一步：接收行长为H的源图像，将源图像分为N个R行和C列的子图像，并在子图像划分后，按源图像中各个像素的排列顺序，先送出每行的第一个像素，再送出每行的第二个像素，直到送出每行的最后一个像素，一直按照这样的顺序，一行接着一行送出像素至第二步；每个子图像对应一个存储深度不小于D的FIFO：Ix_FIFO和一个JPEG-LS压缩内核；其中H＝N*C，D＝C；C为所选取的子图像的列，C在编码源图像的过程中为固定常数，C选取整数且 $\frac{C}{R}\≥4;$

第二步：初始化N路JPEG-LS压缩内核的相关参数，所述相关参数为Near、Range、qbpp、LIMIT、T1、T2、T3，这些参数用来初始化压缩内核，在N路压缩内核启动之前需要完成；如果首次编码源图像，需要在源图像帧起始之前已初始化N路JPEG-LS压缩内核的相关参数；如果首次之后编码源图像，需要根据第九步“一帧源图像编码结束”的反馈信号来初始化N路JPEG-LS压缩内核；保证每一个子图像编码前完成初始化对应的JPEG-LS压缩内核的相关参数；Near表示点像素误差，Range表示ErrVaI编码时钳位值，qbpp＝ceiling(log₂Range)，LIMIT表示限制输出码流大小，T1、T2、T3表示梯度量化的阈值；

第三步：接收子图像划分后的源图像，判断接收的当前像素属于的哪一个子图像，同时将接收的当前像素写入与该子图像对应的Ix_FIFO中；

第四步：判断接收的当前像素是否属于该子图像的第一个像素，如果不属于则进入第五步，如果属于则跳到第六步；

第五步：根据“像素编码结束”的反馈信号，判断该子图像对应的JPEG-LS压缩内核的上一次的像素编码是否结束，如果结束则进入第六步，如果未结束则等待；

第六步：读取该子图像对应的Ix_FIFO，将读出像素送给对应的JPEG-LS压缩内核，该读出像素刚好是对应的JPEG-LS压缩内核上一次编码结束后需要编码的下一个像素；

第七步：启动该子图像对应的JPEG-LS压缩内核，对第六步的读出像素进行编码，即每一个JPEG-LS压缩内核在完成读出像素的编码后，对应子图像的下一个像素刚好被从Ix_FIFO中读出，对应的JPEG-LS压缩内核不间断地对该子图像编码；通过写控制和读控制N个Ix_FIFO，能够满足不间断地读取图像划分后的源图像，同时能够随机启动对应的JPEG-LS压缩内核，完成不间断地对源图像编码；

第八步：判断该子图像被编码的像素是否完成对应的JPEG-LS压缩内核的编码，如果完成则表明该像素的编码结束，并送出“像素编码结束”的反馈信号，进入第九步，如果未完成则等待；

第九步：判断一帧源图像编码结束是否结束，如果结束则送出“一帧源图像编码结束”的反馈信号到第二步，如果未结束等待；一帧源图像即N个子图像，也就是N*R*C个像素，通过统计被编码的像素个数，判断一帧源图像编码是否结束。