CN104717508A - 一种适合硬件实现的jpeg-ls标准像素重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合硬件实现的JPEG-LS无损/近无损图像压缩标准中像素重建方法。像素重建的主要步骤为，对残差值Errval进行量化处理得到Errval_q，再与预测修正值Px_c、近无损度Near以及上下文索引值Q的符号标志SIGN进行计算，得到当前像素重建值，给下个像素的上下文建模使用。预测残差量化过程中除数和被除数都是变化参数的除法运算：直接硬件实现效率低,本发明对其进行了等价简化：先通过倍率放大将除法转换成乘法，再截位还原和误差补偿，有效避免了除法运算，适合硬件实现。本发明实现结果与标准算法完全等价，并且克服了现有技术中编码器处理速度慢的缺点，具体步骤如下：(1)残差取绝值(2)倍率放大(3)截位还原(4)误差补偿(5)计算像素重建值。

Description

一种适合硬件实现的JPEG-LS标准像素重建方法

技术领域

本发明属于图像压缩技术领域，更具体地，涉及到一种适合硬件实现的JPEG-LS标准像素重建方法，本发明适用于JPEG-LS无损/近无损图像压缩编码标准算法的实时应用领域。

背景技术

JPEG-LS算法是联合图像专家组(Joint Photographic Experts Group)制定的一种图像压缩标准，相比于其它的压缩算法，JPEG-LS在无损和近无损压缩领域具有更高的压缩性能，且计算复杂度适中，在天文遥感、深空探测、医学影像等领域应用广泛。JPEG-LS标准算法支持无损和近无损压缩模式，采用游程模式或常规模式对图像进行编码，其主要步骤包括：预测和编码。

在常规编码的近无损压缩模式下，每个像素点在进行上下文建模时就必须用到上一个像素的重建值，而上一个像素的重建需要经过像素预测、残差计算、以及残差量化等计算，其中包含了复杂的除法运算，其除数和被除数都是变化的参数，硬件实现计算延时大，制约了图像压缩速度(像素率，即每秒压缩的像素数)。目前，JPEG-LS标准压缩算法的硬件实现有如下几种方式：

(1)只实现无损模式，避开像素重建环节。西安电子科技大学在其申请专利“JPEG-LS常规编码硬件实现方法”(专利申请号：201210198818.X，公开号：CN102724506)中公开了一种JPEG-LS图像压缩标准的硬件实现方法。这种方法只实现了JPEG-LS图像压缩标准中的无损压缩模式，回避了近无损压缩模式中的像素重建环节，但丧失了近无损压缩功能。

(2)近似计算或修改算法。北京空间机电研究所在其专利申请“基于改进的JPEG-LS算法的遥感图像近无损压缩硬件实现方法”(专利申请号：200910082680.5，公开号：CN101534373)中公开了一种JPEG-LS图像压缩标准的近无损硬件实现方法。这种方法修改了JPEG-LS标准中的像素重建值的计算方式，使得像素的重建值能在很短时间内由当前像素和近无损度参数Near值计算得到，取消了原标准中的计算像素重建值的反馈环路，使得整个编码过程能够流水进行。但是，该发明的方法存在不足：这种改进方式是JPEG-LS标准算法的近似计算，压缩比性能下降，同时，这种编码方式给解码带来了不小的难度。

发明内容

本发明针对JPEG-LS标准中近无损图像压缩编码中计算复杂的环节，进行了计算优化，以减小像素重建环节的时延，降低运算实现难度，在保留JPEG-LS中像素重建反馈环路的同时，确保了压缩性能，并有效提高了编码器的处理速度。

实现本发明的思路是：利用一种等价简化的方法替代了中复杂的除法运算，首先将除法运算转换成乘法进行倍率放大，然后再截取位；并根据倍率放大结果进行误差补偿，有效避免了除法运算，适合硬件实现。

为了实现上述目的，本发明提供了一种适合硬件实现的JPEG-LS标准像素重建方法，包括如下步骤：

(1)对预测残差取绝对值：将获得的残差值Errval进行取绝对值运算，得到残差绝对值Errval_abs；

(2)倍率放大运算：将得到的残差绝对值Errval_abs与近无损度参数Near值相加，并将得到的结果与近无损度参数Near值相关的常数λ相乘，得到倍率放大结果Amplifier；

(3)对倍率放大结果进行截位操作：取倍率放大结果Amplifier的第K-1位以上所有位作为截位结果Errval_q_temp；

(4)对截位后结果进行误差补偿：判断倍率放大结果Amplifier的第K-1位到第K-3位的值，若为111，则对截位结果Errval_q_temp值加1，以进行补偿操作；若不为111，则截位结果Errval_q_temp的值保持不变，从而得到残差量化值的绝对值Errval_q_abs；

(5)计算像素重建值：根据得到的残差量化值的绝对值Errval_q_abs、上下文索引值的符号标志SIGN、预测修正值Px_c以及近无损度参数Near，计算得到像素重建值Rx。

在本发明的一个实施例中，所述步骤(2)中，倍率放大结果为：

Amplifier＝(Errval+Near)*λ

其中，与Near值相关的参数int为取整操作，K取值范围为≥15，Near为近无损度参数。

优选地，所述K取值为15。

在本发明的一个实施例中，所述步骤(3)中取倍率放大结果Amplifier中第K-1位开始以上的各位，将K-1位及其以下的各位丢弃，得到截位结果Errval_q_temp。

在本发明的一个实施例中，所述的步骤(5)中，像素重建计算过程为：

$\mathrm{Rx}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Px}\_c+\mathrm{Errval}\_q\_\mathrm{abs}*(2*\mathrm{Near}+1)& \mathrm{SIGN}*\mathrm{Errval}>0\\ \mathrm{Px}\_c-\mathrm{Errval}\_q\_\mathrm{abs}*(2*\mathrm{Near}+1)& \mathrm{SIGN}*\mathrm{Errval}\≤0\end{array}\right.$

其中Px_c为预测修正值，SIGN为上下文索引值的符号标志，Near为JPEG-LS标准中近无损度参数，Errval_q_abs为残差量化值的绝对值，Errval为残差值。

在本发明的一个实施例中，在所述步骤(2)中，事先将不同近无损度参数Near值对应的λ值预先计算出来，然后对这些λ值进行并行的乘法运算，计算出对应的倍率放大结果并保存；在倍率放大运算时，根据当前的近无损度参数Near值对所需的倍率放大结果选择，得到与该近无损度参数Near值对应的倍率放大结果Amplifier。

在本发明的一个实施例中，在所述步骤(5)中，事先求得不同近无损度参数Near值对应的Errval_q_abs*(2*Near+1)的值，然后根据当前的近无损度参数Near值选取相应的Errval_q_abs*(2*Near+1)值，将输出结果与预测修正值Px_c进行加法和减法并行计算，再根据残差值Errval与索引值的符号标志SIGN的符号来判断选取对应输出的像素重建值Rx：若两者同号，则输出加法运算的结果；若异号，则输出减法运算的结果。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明方法将JPEG-LS标准中的像素重建环节的计算进行了等价简化：把原公式进行了变换，变为： $\mathrm{Errval}\_q\_\mathrm{temp}[\left(\right|\mathrm{Errval}|+\mathrm{Near})*\mathrm{int}\left(\frac{2^K}{2*\mathrm{Near}+1}\right)]>>K,$ 这样就把除法变成了乘法和移位操作，达到了简化计算的目的，并且缩短了计算延时。

(2)本发明方法在所述步骤(3)中将倍率放大结果Amplifier进行右移K位移位操作，因此直接取倍率放大结果Amplifier中第K-1位开始以上的各位，将K-1位及其以下的各位丢弃，得到截位结果Errval_q_temp，大大简化了计算复杂度。

(3)本发明方法完全按照JPEG-LS标准算法进行等价简化，计算结果与标准算法完全等价，压缩比性能不变，解码过程也无需任何改动。

(4)本发明的像素重建方法，降低了硬件实现难度，减小了计算路径延时，提高了压缩速度。

(5)本发明方法采用流水线处理方式，适合硬件实现，可实现实时编码。

附图说明

图1为JPEG-LS算法中一种适合硬件实现的像素重建方法的计算步骤；

图2为倍率放大操作的结构示意图；

图3为截位还原及误差补偿操作的结构示意图；

图4为像素重建值计算操作结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

JPEG-LS标准中，像素重建环节中的残差量化过程为其中int为取整操作。这一环节需要用到复杂的除法运算，并且其除数和被除数都是变化的参数，硬件实现计算延时大，本发明针对这一运算过程进行了等价简化。

实现本发明的思路是：利用一种等价简化的方法替代了中复杂的除法运算，首先将除法运算转换成乘法进行倍率放大，然后再截取位；并根据倍率放大结果进行误差补偿，有效避免了除法运算，适合硬件实现。

如图1所示，为本发明关于一种适合硬件实现的JPEG-LS标准像素重建方法的计算步骤，包括如下步骤：

步骤1，对预测残差取绝对值。

将获得的残差值Errval进行取绝对值运算，得到残差绝对值Errval_abs。

步骤2，倍率放大运算。

将得到的残差绝对值Errval_abs与近无损度参数Near相加，并将得到的结果与近无损度参数Near值相关的常数λ相乘，得到与λ相对应的倍率放大结果Amplifier，即Amplifier＝(Errval+Near)*λ，其中，与近无损度参数Near值相关的参数int为取整操作，K取值范围为≥15，优选地取值为15，可以在满足本发明的补偿规律的同时最大限度地减小计算复杂度。为了减小计算复杂度，我们实现的方式如图2所示，将不同近无损度参数Near值对应的λ预先计算出来(本发明中近无损度参数Near取值最大为5)，即Near＝1时，λ₁＝10922；Near＝2时，λ₂＝6553；Near＝3时，λ₃＝4681；Near＝4时，λ₄＝3640；Near＝5时，λ₅＝2978。然后对这些λ值进行并行的乘法运算，计算出对应的倍率放大结果，然后根据当前的近无损度参数Near值对所需的倍率放大结果选择，得到与该近无损度参数Near值对应的倍率放大结果Amplifier。

步骤3，对倍率放大结果进行截位操作。

如图3所示，取倍率放大结果Amplifier的第K-1位以上所有位作为截位结果Errval_q_temp。

步骤4，对截位后结果进行误差补偿。

依据2中所述的等价公式的计算规律，残差量化值的绝对值为：

当倍率放大结果Amplifier中K-1至K-3位为111时，截位结果Errval_q_temp与JPEG-LS标准中的计算结果相差1，因此需要进行补偿操作。当倍率放大结果Amplifier中K-1至K-3位不为111时，截位结果Errval_q_temp与JPEG-LS标准中的计算结果一致。

如图3所示，判断倍率放大结果Amplifier的第K-1位到第K-3位的值，若为111，则对截位结果Errval_q_temp值加1，进行补偿操作；若不为111，则截位结果Errval_q_temp的值保持不变，从而得到残差量化值的绝对值Errval_q_abs。

步骤5，计算像素重建值。

根据得到的残差量化值的绝对值Errval_q_abs、上下文索引值Q的符号标志SIGN(取值为-1或1)、预测修正值Px_c以及近无损度参数Near，计算得到像素重建值Rx。JPEG-LS标准中像素重建计算过程为：

Rx＝Px_c+SIGN*Errval_q*(2*Near+1)

将此公式中的残差量化值Errval_q由残差量化值的绝对值Errval_q_abs代替，可将上式改为：

$\mathrm{Rx}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Px}\_c+\mathrm{Errval}\_q\_\mathrm{abs}*(2*\mathrm{Near}+1)& \mathrm{SIGN}*\mathrm{Errval}>0\\ \mathrm{Px}\_c-\mathrm{Errval}\_q\_\mathrm{abs}*(2*\mathrm{Near}+1)& \mathrm{SIGN}*\mathrm{Errval}\≤0\end{array}\right.$

具体的实现电路框图如图4所示，先求得不同近无损度参数Near值对应的Errval_q_abs*(2*Near+1)的值，然后根据当前的近无损度参数Near值选取相应的Errval_q_abs*(2*Near+1)值，将输出结果与预测修正值Px_c进行加法和减法并行计算，再根据残差值Errval与索引值的符号标志SIGN的符号来判断选取对应输出的像素重建值Rx：若两者同号，则输出加法运算的结果；若异号，则输出减法运算的结果。其中α＝2*Near+1，α_i表示Near值分别取1，2，3，4，5时所对应的值(本发明中Near值最大取5)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适合硬件实现的JPEG-LS标准像素重建方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对预测残差取绝对值：将获得的残差值Errval进行取绝对值运算，得到残差绝对值Errval_abs；

(2)倍率放大运算：将得到的残差绝对值Errval_abs与近无损度参数Near值相加，并将得到的结果与近无损度参数Near值相关的常数λ相乘，得到倍率放大结果Amplifier；

(3)对倍率放大结果进行截位操作：取倍率放大结果Amplifier的第K-1位以上所有位作为截位结果Errval_q_temp；

(4)对截位后结果进行误差补偿：判断倍率放大结果Amplifier的第K-1位到第K-3位的值，若为111，则对截位结果Errval_q_temp值加1，以进行补偿操作；若不为111，则截位结果Errval_q_temp的值保持不变，从而得到残差量化值的绝对值Errval_q_abs；

(5)计算像素重建值：根据得到的残差量化值的绝对值Errval_q_abs、上下文索引值Q的符号标志SIGN、预测修正值Px_c以及近无损度参数Near，计算得到像素重建值Rx。

2.根据权利要求1所述的适合硬件实现的JPEG-LS标准像素重建方法，其特征在于，所述步骤(2)中，倍率放大结果为：

Amplifier＝(Errval+Near)*λ

其中，与Near值相关的参数int为取整操作，K取值范围为≥15，Near为近无损度参数。

3.根据权利要求2所述的适合硬件实现的JPEG-LS标准像素重建方法，其特征在于，所述K取值为15。

4.根据权利要求1或2所述的适合硬件实现的JPEG-LS标准像素重建方法，其特征在于，所述步骤(3)中取倍率放大结果Amplifier中第K-1位开始以上的各位，将K-1位及其以下的各位丢弃，得到截位结果Errval_q_temp。

5.根据权利要求1或2所述的适合硬件实现的JPEG-LS标准像素重建方法，其特征在于，所述的步骤(5)中，像素重建计算过程为：

$\mathrm{Rx}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Px}\_c+\mathrm{Reeval}\_q\_\mathrm{abs}*(2*\mathrm{Near}+1)& \mathrm{SIGN}*\mathrm{Errval}>0\\ \mathrm{Px}\_c-\mathrm{Errval}\_q\_\mathrm{abs}*(2*\mathrm{Near}+1)& \mathrm{SIGN}*\mathrm{Errval}\≤0\end{array}\right.$

其中Px_c为预测修正值，SIGN为上下文索引值Q的符号标志，Near为JPEG-LS标准中近无损度参数，Errval_q_abs为残差量化值的绝对值，Errval为残差值。

6.根据权利要求1或2所述的适合硬件实现的JPEG-LS标准像素重建方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，事先将不同近无损度参数Near值对应的λ预先计算出来，然后对这些λ值进行并行的乘法运算，计算出对应的倍率放大结果并保存；在分辨率放大运算时，根据当前的近无损度参数Near值对所需的倍率放大结果选择，得到与该近无损度参数Near值对应的倍率放大结果Amplifier。

7.根据权利要求1或2所述的适合硬件实现的JPEG-LS标准像素重建方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，事先求得不同近无损度参数Near值对应的Errval_q_abs*(2*Near+1)的值，然后根据当前的近无损度参数Near值选取相应的Errval_q_abs*(2*Near+1)值，将输出结果与预测修正值Px_c进行加法和减法并行计算，再根据残差值Errval与索引值的符号标志SIGN的符号来判断选取对应输出的像素重建值Rx：若两者同号，则输出加法运算的结果；若异号，则输出减法运算的结果。