CN102938838A - 基于jpeg-ls标准的动态码率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于JPEG-LS标准的动态码率控制方法，(1)图像分块；(2)初始化参数；(3)对当前码块进行JPEG-LS压缩编码；(4)获得码块的码率偏差；(5)调整参数；(6)获得已编码区域的码率偏差；(7)调整参数；本发明相比于其他现有的JPEG-LS码率控制方法，提出的码率控制方法具有码率控制精度高，码率收敛速度快的优点，同时还继承了JPEG-LS复杂度低、运算消耗小的特点，便于硬件实现。

Description

基于JPEG-LS标准的动态码率控制方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，更进一步涉及一种基于JPEG_LS(JointPhotographic Experts Group Lossless and near_lossless compression ofconituous_tone still image)连续色调静态图像的无损或近无损的图像压缩标准的动态码率控制方法。本发明适用于遥感卫星中对图像进行压缩编码。

背景技术

JPEG-LS图像压缩标准是一种针对静止图像的无损和近无损压缩标准。JPEG-LS由于具有低复杂度、无损/近无损压缩下性能优异的特点而被广泛应用于遥感图像压缩领域。但是JPEG-LS有一个缺陷，编码器输出码率波动较大而且不可控，这种缺陷极大限制了JPEG-LS的应用，特别是在遥感卫星应用中，信道带宽受到严格的限制，编码器的输出码率必须与信道带宽相匹配，这就要求编码器的输出码率保持相对稳定，由此产生了JPEG-LS图像压缩码率的控制方法。

徐燕凌在“JPEG-LS图像压缩动态码率控制策略”(《计算机学报》第34卷，第7期，2008年4月)中提出了一阶码率控制方法。这种码率控制方法将图像分为若干个码控单元，每压缩完一个码控单元，就观察当前的压缩比，如果与目标压缩比的差值大于所设定的门限值，就调节失真量化参数使之变化一个固定的步长，来控制下一个码块的输出码率，使得图像的整体码率收敛于目标码率。该方法存在的不足是，该方法采用固定的门限值和调节步长，导致码率控制效果较差。

西安空间无线电技术研究所在其专利申请“一种JPEG-LS图像压缩的码率控制方法”(专利申请号：201010617932.2，公开号：CN102088602A)中公开了一种JPEG-LS图像压缩的码率控制方法。这种码率控制方法将待压缩图像分为若干个子图，每压缩完一个子图后，就计算出目标压缩比与当前压缩比的偏差量，同时根据实际压缩码流量和目标压缩比计算获得门限值，当偏差量大于门限值时，就对失真量化参数值做出相应的调整，从而使得实际码率收敛于目标码率。但是该方法存在的不足是，该方法在计算门限值时没有考虑到失真量化参数的影响，导致门限值的设定不够准确，并且该方法所设定的调节步长过于单一，不能很好的适用于各类图像的码率控制。

发明的内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于JPEG_LS图像压缩标准的动态码率控制方法。本发明根据失真量化参数和输出码率的关系来进行码率控制，达到更好的码率控制性能。

实现本发明目的的思路是：根据JPEG-LS编码的特性，找到失真量化参数与输出码率的对应关系，在图像压缩过程中，根据这种对应关系来调节失真量化参数，使得实际码率能够精确收敛于目标码率。

为了实现上述目的，本发明的方法包括如下步骤：

(1)图像分块

将待压缩图像分为N个长方形的码块，N为大于1的正整数，每个码块的宽度与待压缩图像的宽度相同，高度均取一个相同的值。

(2)初始化参数

根据目标压缩倍数，设定失真量化参数的初始值。

(3)对当前码块进行JPEG-LS压缩编码

对待压缩图像的当前码块进行JPEG-LS图像压缩编码，在编码的过程中用计数器记录下当前码块的编码比特个数和已编码图像区域的编码比特个数。

(4)获得码块的码率偏差

完成对待压缩图像的第i个码块的编码后，通过下式码率偏差计算公式，获得第i个码块的码率偏差Δr₁；

$\mathrm{\Δ}{r}_1=\frac{(B-W\·n\·D/T)}{(W\·n)}$

其中，Δr₁表示第i个码块的码率偏差，B表示第i个码块的码流比特个数，W表示待压缩图像的宽度，n表示待压缩图像分块后的码块高度，D表示待压缩图像的像素精度，T表示目标压缩倍数。

(5)调整参数

5a)判断下式是否成立，若成立则执行步骤(6)，否则执行步骤5b)；

|Δr₁|＜r/2

其中，Δr₁表示第i个码块的码率偏差量，r表示码率门限值，其值是根据当前的失真量化参数查询失真量化参数与码率门限值关系表得到。

5b)判断第i个码块的码率偏差量Δr1是否大于0，若大于0则将失真量化参数增加1，将Δr₁减少r，否则将失真量化参数减少1，将Δr₁增加r。

5c)判断下式是否成立，若成立则执行步骤5a)，否则执行步骤(6)；

0＜Near＜20

其中，Near是当前的失真量化参数。

(6)由下式码率偏差的计算公式获得已编码图像区域的码率偏差Δr₂；

$\mathrm{\Δ}{r}_2=\frac{(C-W\·m\·D/T)}{(W\·n)}$

其中，Δr₂表示已编码图像区域的码率偏差，C表示已编码图像区域的码流比特个数，W表示待压缩图像宽度，m表示已编码图像区域的高度，D表示待压缩图像的像素精度，T表示目标压缩倍数，n表示图像分块后的码块高度。

(7)调整参数

7a)判断下式是否成立，若成立则执行步骤(2)，否则执行步骤7b)；

|Δr₂|＜r/2

其中，Δr₂表示已编码图像区域的码率偏差量，r表示码率门限值，其值是根据当前的失真量化参数查询失真量化参数与码率门限值关系表得到。

7b)判断已编码图像区域的码率偏差Δr₂是否大于0，若大于0则将失真量化参数增加1，将Δr₂减少r，否则将失真量化参数减少1，将Δr₂增加r。

7c)判断下式是否成立，若成立则执行步骤7a)，否则执行步骤(2)；

0＜Near＜20

其中，Near是当前的失真量化参数。

本发明与现有技术相比较，具有如下优点：

第一，由于本发明建立了失真量化参数和码率门限值关系表，在图像压缩过程中根据当前失真量化参数进行查表来得到相应的码率门限值，克服了现有技术中码率门限值的设定不准确的缺点，使得本发明的码率控制精确度有效提升。

第二，由于本发明在码率控制过程中对失真量化参数的调整是建立在对待压缩码块进行码率预测的基础上，使得新旧码块的码率偏差可以相互抵消，从而使图像整体码率收敛于目标码率，克服了现有技术在没有获得待压缩码块的码率的相关信息的情况下进行盲目的参数调节，使得本发明对失真量化参数的调节更加有效，进而提高图像压缩过程中的码率收敛速度。

第三，由于本发明根据失真量化参数值和码率偏差量共同决定调节步长大小，克服了现有技术中对失真量化参数的调节步长的设定过于单一的缺点，使得本发明对失真量化参数的调整更加灵活，对各类图像都能进行有效的码率控制。

第四，由于本发明采用查表的方式来确定码率门限值，而该表是由经验数据所得到的，不需要在图像压缩的过程中进行建表，也不需要在图像压缩的过程中对该表中的数据进行更新，所以本发明在提高码率控制性能的同时没有明显增加实现复杂度。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中测试图像的输出码率随失真量化参数变化的曲线图；

图3为本发明的码率控制精度和一阶码率控制方法的码率精确度对比图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的实现步骤做详细的描述。

步骤1，将待压缩图像分为N个长方形的码块，N为大于1的正整数，每个码块的宽度与待压缩图像的宽度相同，高度均取一个相同的值，当待压缩图像高度值较大时，码块的高度值也相应较大，当待压缩图像高度值较小时，码块的高度值也相应较小，本发明的实施例中，当待压缩图像的分辨率为1024(行)*1024(列)时，以32(行)*1024(列)作为一个码块对待压缩图像进行码块划分。

步骤2，初始化参数

根据目标压缩倍数，设定失真量化参数的初始值，失真量化参数是指JPEG-LS标准中图像质量恢复所允许的最大误差值。目标压缩倍数是用户根据实际应用的需求设定的一个固定值，一般为一个小于或等于4的正整数，当传输信道的带宽较大时，目标压缩倍数可以设得较小，当传输信道的带宽较小时，目标压缩倍数应设得较大。

失真量化参数的初始值是由经验数据得到，对于大多数图像能够获得较好的码率控制效果。当目标压缩倍数为4时，取初始值为4，当目标压缩倍数为3时，取初始值为2，当目标压缩倍数小于3时，取初始值为0。

步骤3，对当前码块进行JPEG-LS压缩编码

对待压缩图像的当前码块的每个像素依次进行JPEG-LS图像压缩编码：首先根据当前像素的相邻像素的重建值获得一个像素预测值，将该预测值和当前像素做差获得一个像素残差值，然后用当前的失真量化参数对该残差值进行量化，对量化后的像素残差值进行映射和编码，同时更新上下文参数。在编码的过程中用计数器记录下当前码块的编码比特个数和已编码图像区域的编码比特个数。

步骤4，压缩完第i个码块后，通过下式码率偏差计算公式，获得第i个码块的码率偏差Δr₁。

$\mathrm{\Δ}{r}_1=\frac{(B-W\·n\·D/T)}{(W\·n)}$

其中，Δr₁表示第i个码块的码率偏差，B表示第i个码块的码流比特个数，W表示待压缩图像的宽度，n表示待压缩图像分块后的码块高度，D表示待压缩图像的像素精度，T表示目标压缩倍数，是用户根据实际应用的需求设定的一个固定值，一般为一个小于或等于4的正整数，当传输信道的带宽较大时，目标压缩倍数可以设得较小，当传输信道的带宽较小时，目标压缩倍数应设得较大。

步骤5，调整参数

根据第i个码块的码率偏差Δr₁对失真量化参数进行调整，调整分多步进行，逐步减小码率偏差量Δr₁，直到码率偏差足够小或者失真量化参数达到上下界时退出调整，获得的失真量化参数能使第i个码块的码率达到目标码率，这里的目标码率是指在目标压缩倍数下每个像素点的平均编码比特个数。由于第i个码块和与其相邻的第i+1个码块的图像内容的复杂度是近似相等的，根据这一点，所获得的失真量化参数能使第i+1个码块的码率近似达到目标码率。

第一步，判断下式是否成立，若成立则执行步骤6，否则执行第二步。

|Δr₁|＜r/2

其中，Δr₁表示第i个码块的码率偏差值，r表示码率门限值，其值是根据当前的失真量化参数查询失真量化参数与码率门限值关系表得到。如果|Δr₁|＜r/2，则认为码率偏差量已经足够小，不用再进行调整。如果|Δr₁|＞r/2，说明需要对失真量化参数进行调整来减小码率偏差量。

第二步，判断第i个码块的码率偏差Δr₁是否大于0，若大于0，说明实际码率过大，则将失真量化参数增加1来减小实际码率，实际码率的减小量约等于门限值r，所以将Δr₁减少r，表示剩余的码率偏差量，若小于0，说明实际码率过小，将失真量化参数减少1来增加实际码率，实际码率的增加量约等于r，所以将Δr₁增加r，表示剩余的码率偏差量。

第三步，判断下式是否成立，如果成立，说明调整后的失真量化参数没有超出范围，执行第一步，即判断是否需要继续进行参数调整，否则，说明调整后的失真量化参数已经达到所设定范围的上下界，执行步骤6，即退出参数调整。

0＜Near＜20

其中，Near表示失真量化参数。

步骤6，由下式码率偏差的计算公式获得前i个码块的码率偏差Δr₂

$\mathrm{\Δ}{r}_2=\frac{(C-W\·m\·D/T)}{(W\·n)}$

其中，Δr₂表示前i个码块的码率偏差，C表示前i个码块的码流比特个数，W表示待压缩图像宽度，m表示已编码图像区域的高度，D表示待压缩图像的像素精度，T表示目标压缩倍数，n表示图像分块后的码块高度。

步骤7，调整参数

经过了步骤5的调节，获得的当前失真量化参数能使第i+1个码块的码率达到目标码率，这里的目标码率是指在目标压缩倍数下每个像素点的平均编码比特数，在此基础之上，根据前i个码块的码率偏差值Δr₂而进行参数调整，调整分多步进行，逐步减小减小码率偏差量Δr₂，直到码率偏差量足够小或者失真量化参数达到上下界时退出调整，调整后获得的失真量化参数能使第i+1个码块的码率达到R-Δr₂，其中R为目标码率，则第i+1个码块将产生的码率偏差为-Δr₂，由步骤6中的码率偏差的计算公式知，第i+1个码块产生的码率偏差量-Δr₂和前i个码块产生的码率偏差量Δr₂单位相同，可以相互抵消，从而使得前i+1个码块的整体码率收敛于目标码率。

第一步，判断下式是否成立，若成立则执行步骤2，否则执行第二步；

|Δr₂|＜r/2

其中，Δr₂表示前i个码块的码率偏差，r表示码率门限值，其值是根据当前的失真量化参数查询失真量化参数与码率门限值关系表得到。如果|Δr₂|＜r/2，则认为码率偏差量已经足够小，不用再进行调整。如果|Δr₂|＞r/2，说明需要对失真量化参数进行调整来减小码率偏差量。

第二步，判断前i个码块的码率偏差值Δr₂是否大于0，若大于0，说明实际码率过大，则将失真量化参数增加1来减小实际码率，实际码率的减小量约等于r，所以将Δr₂减少r，表示剩余的码率偏差量，若小于0，说明实际码率过小，将失真量化参数减少1来增大实际码率，实际码率的增加量约为r，所以将Δr₂增加r，表示剩余的码率偏差量。

第三步，判断下式是否成立，如果成立，说明调整后的失真量化参数没有超出范围，执行第一步，即判断是否需要继续进行参数调整，否则，说明调整后的失真量化参数已经达到所设定范围的上下界，执行步骤2，即结束参数调整，开始对下一个码块进行编码。

0＜Near＜20

其中，Near表示失真量化参数。

下面结合附图2对本发明中失真量化参数和码率门限值关系表的获取方式做详细的描述。

附图2是输出码率与失真量化参数关系图，该关系图是通过选择图像压缩领域的标准测试图像lena图像作为测试图像，记录下每个失真量化参数的取值下的测试图像的输出码率，绘制成连续曲线。图2中横轴代表失真量化参数，纵轴代表相应的输出码率。

根据图2中曲线，可以得到以下规律：随着失真量化参数的增大，曲线变得越来越平缓，这说明失真量化参数对输出码率的影响越来越小。在码率偏差值不变的条件下，当失真量化参数较小时，由于此时失真量化参数对输出码率影响较大，所以调整失真量化参数值会使码率发生较大变化，有可能导致码率过调，即码率偏差变得更大，此时应将码率门限值设大来限制参数调整。而当失真量化参数较大时，由于输出码率受失真量化参数的影响较小，所以不容易出现上述情况，应将码率门限值设小，这说明码率门限值的设定应该取决于具体的失真量化参数值，所以本发明设置了失真量化参数与码率门限值的关系表。记录下0到20范围内每个失真量化参数值增加1后测试图像的码率变化量，将获得的码率变化量作为该失真量化参数所对应的码率门限值保存在表1中。

表1失真量化参数与码率门限值关系表

失真量化参数	码率门限值	失真量化参数	码率门限值
				0	1.568	10	0.075
1	0.695	11	0.064
				2	0.420	12	0.058
3	0.297	13	0.052
				4	0.220	14	0.046
5	0.173	15	0.042
				6	0.140	16	0.039
7	0.118	17	0.036
				8	0.101	18	0.034
9	0.087	19	0.032

实验结果表明，选取不同的图像进行测试所得到的失真量化参数与码率门限值关系表中的数据是近似相等的，于是本发明选取图像压缩领域的标准图像1ena图像作为测试图像，来获得失真量化参数与码率门限值关系表的数据，将表1中的数据作为常量保存下来，作为对各类图像进行码率控制的依据。

下面结合附图3对本发明的码率控制精确度和一阶码率控制方法的码率控制精确度做以对比。

图3是本发明的码率控制精确度和一阶码率控制方法的码率控制精确度的比较图。选取10幅测试图像，设定目标压缩倍数为4，分别采用本发明提出的码率控制方法和一阶码率控制方法对测试图像进行JPEG-LS压缩编码，记录下每种码率控制方法下的测试图像的码率偏差，绘制成两条曲线。图3中带有三角形符号的曲线表示一阶码率控制方法，带有圆形符号的曲线表示本发明提出的码率控制方法。图3中横轴代表不同的测试图像，纵轴代表实际码率和目标码率的码率偏差。

从图3中可以看到：本发明提出的码率控制方法基本上将测试图像的码率偏差限定在0.01bpp以内，而一阶码率控制方法的码率偏差明显较大，个别测试图像的码率偏差达到0.02bpp，可见本发明提出的码率控制方法的码率控制精确度明显优于一阶码率控制方法。

Claims (4)

1.基于JPEG-LS标准的动态码率控制方法，包括如下步骤：

(1)图像分块

将待压缩图像分为N个长方形的码块，N为大于1的正整数，每个码块的宽度与待压缩图像的宽度相同，高度均取一个相同的值；

(2)初始化参数

根据目标压缩倍数，设定失真量化参数的初始值；

(3)对当前码块进行JPEG-LS压缩编码

对待压缩图像的当前码块进行JPEG-LS图像压缩编码，在编码的过程中用计数器记录下当前码块的编码比特个数和已编码图像区域的编码比特个数；

(4)获得码块的码率偏差

完成对待压缩图像的第i个码块的编码后，通过下式码率偏差计算公式，获得第i个码块的码率偏差Δr₁；

$\mathrm{\Δ}{r}_1=\frac{(B-W\·n\·D/T)}{(W\·n)}$

其中，Δr₁表示第i个码块的码率偏差，B表示第i个码块的码流比特个数，W表示待压缩图像的宽度，n表示待压缩图像分块后的码块高度，D表示待压缩图像的像素精度，T表示目标压缩倍数；

(5)调整参数

5a)判断下式是否成立，若成立则执行步骤(6)，否则执行步骤5b)；

|Δr₁|＜r/2

其中，Δr₁表示第i个码块的码率偏差量，r表示码率门限值，其值是根据当前的失真量化参数查询失真量化参数与码率门限值关系表得到；

5b)判断第i个码块的码率偏差量Δr₁是否大于0，若大于0则将失真量化参数增加1，将Δr₁减少r，否则将失真量化参数减少1，将Δr₁增加r；

5c)判断下式是否成立，若成立则执行步骤5a)，否则执行步骤(6)；

0＜Near＜20

其中，Near是当前的失真量化参数；

(6)由下式码率偏差的计算公式获得已编码图像区域的码率偏差Δr₂；

$\mathrm{\Δ}{r}_2=\frac{(C-W\·m\·D/T)}{(W\·n)}$

其中，Δr₂表示已编码图像区域的码率偏差，C表示已编码图像区域的码流比特个数，W表示待压缩图像宽度，m表示已编码图像区域的高度，D表示待压缩图像的像素精度，T表示目标压缩倍数，n表示图像分块后的码块高度；

(7)调整参数

7a)判断下式是否成立，若成立则执行步骤(2)，否则执行步骤7b)；

|Δr₂|＜r/2

其中，Δr₂表示已编码图像区域的码率偏差量，r表示码率门限值，其值是根据当前的失真量化参数查询失真量化参数与码率门限值关系表得到；

7b)判断已编码图像区域的码率偏差Δr₂是否大于0，若大于0则将失真量化参数增加1，将Δr₂减少r，否则将失真量化参数减少1，将Δr₂增加r；

7c)判断下式是否成立，若成立则执行步骤7a)，否则执行步骤(2)；

0＜Near＜20

其中，Near是当前的失真量化参数。

2.根据权利要求1所述的基于JPEG-LS标准的动态码率控制方法，其特征在于，步骤(2)、5a)、5b)、5c)、7a)、7b)、7c)中所述的失真量化参数是指JPEG-LS图像压缩标准中图像质量恢复所允许的最大误差。

3.根据权利要求1所述的基于JPEG-LS标准的动态码率控制方法，其特征在于，步骤(2)中的失真量化参数的初始值是：当目标压缩倍数为4时，取初始值为4，当目标压缩倍数为3时，取初始值为2，当目标压缩倍数小于3时，取初始值为0。

4.根据权利要求1所述的基于JPEG-LS标准的动态码率控制方法，其特征在于，步骤5a)和步骤7a)中所述的失真量化参数与码率门限值的关系表是通过如下步骤得到的：

第一步，选取图像压缩领域的标准图像lena图像作为测试图像；

第二步，将失真量化参数初始化为20；

第三步，对测试图像进行JPEG-LS图像压缩编码，记录相应的输出码率；

第四步，将失真量化参数减少1；

第五步，对测试图像进行JPEG-LS图像压缩编码，记录相应的输出码率；

第六步，将第五步中记录的输出码率减去第三步中记录的输出码率，得到关系表中对应于当前失真量化参数的码率门限值；

第七步，判断失真量化参数是否等于0，若等于0，则完成关系表的建立，否则执行第三步。

Images