CN110365990A - 一种窄带准无损视频编码系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种窄带准无损视频编码系统，相比传统的小波变换的滤波器卷积运算，本发明的小波变换模块采用提升5/3离散小波，并且根据小波变换中提升系数的特点，采用映射结构替代通常的乘法运算，减少了关键路径延时，提升了变换速度；根据提升步骤的分裂、预测和更新特点，利用三级流水线实现一维小波变换，优化了硬件资源和速度，在很大程度上减少了变换过程转给你的计算量和存储需求，便于在硬件上实现小波变换；Tier1模块包含位平面编码和算术编码，位平面编码器的设计采用通道并行方案；在算术编码器的实现方式上，采用自适应二进制算术编码和五级流水线方式，提升了编码器的效率。

Description

一种窄带准无损视频编码系统
技术领域
本发明涉及数据压缩领域，尤其涉及一种窄带准无损视频编码系统。
背景技术
随着科学与技术的发展，人类生活中的数据量与日俱增，数据中心的算法变得更加复杂，运算量也随之增大。近年来，JPEG2000无损压缩在图像压缩领域有着广泛的应用，但是在已有的实现方案中，依然存在着处理过程复杂、运算量大以及编码效率低的问题，为解决上述问题，本发明提供一种窄带准无损视频编码系统，可以提高编码效率，减少计算量，降低关键路径上的延时。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种窄带准无损视频编码系统，可以提高编码效率，减少计算量，降低关键路径上的延时。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种窄带准无损视频编码系统，其包括顺次连接的预处理模块、小波变换模块、量化模块、TIER-1编码模块和TIER-2编码模块，预处理模块对原始图像的数据进行DC电平移位；
小波变换模块采用提升5/3离散小波，采用映射结构替代传统的乘法运算，并且利用三级流水线实现一维小波变换，得到小波系数；
量化模块对经过小波变换模块变换后的小波系数进行量化；
TIER-1编码模块对小波变换后的小波系数进行分开编码，并生成码字B；
TIER-2编码模块对TIER-1编码模块输出的码字B进行重组和码率控制，将码字B整合成符合JPEG2000标准的码流。
在以上技术方案的基础上，优选的，预处理模块包括瓦片划分单元、直流电平转换单元和色彩分量单元；
瓦片划分单元将原始图像划分成若干个具有固定尺寸的码块；
直流电平转换单元确保原始图像的数据保持在以0为中心的动态范围内；
色彩分量单元将原始图像的格式转换成YUV格式。
进一步优选的，小波变换模块包括行变换模块、中间转置缓存模块和列变换模块；
行变换模块完成码块水平方向上的变换，列变换模块完成码块垂直方向上的变换，行变换模块和列变换模块的架构组成相同；
中间转置缓存模块将行变换模块变换后的数据按照行方向方式写入到按照列方向方式输出。
进一步优选的，行变换模块完成码块水平方向上的变换包括抽取、预测和更新三个可逆步骤；
抽取步骤为：将瓦片数据分成奇偶序列，列数从0开始计数；
预测步骤为：通过偶数列信号预测奇数列信号，得到高频信号，预测值与奇数列的差为细节信号；
更新步骤为：通过细节信号更新偶数列信号得到低频信号。
进一步优选的，实现抽取、预测和更新三个可逆步骤的运算逻辑资源包括一级流水线、二级流水线和三级流水线；
一级流水线包括相互连接的第一加法器和一级流水线寄存器；
二级流水线包括相互连接的第二加法器和二级流水线寄存器；
三级流水线包括相互连接的乘法器和三级流水线寄存器；
奇偶序列输入到第一加法器的输入端，经第一加法器运算后输出到一级寄存器，一级寄存器存放奇偶序列数据，并将奇偶序列输出到第二加法器中进行运算，二级寄存器存放预测后的高频分量，并将高频分量输出到乘法器的输入端进行运算，三级流水线寄存器存放更新后的低频分量。
进一步优选的，TIER-1编码模块包括相互连接的平面编码器和MQ编码器；
平面编码器对将码块的小波系数进行位平面展开和位平面编码，编码以后产生上下文CX和判决电平D，并将上下文CX和判决电平D送入MQ编码器；
MQ编码器将上下文CX和判决电平D进行自适应的二进制算术编码，生成码字B。
更进一步优选的，小波系数经位平面展开后转换成一个符号位平面、M个零位平面和N个非零位平面，其中，第一个非零位平面为最高有效位平面，最后一个非零位平面为最低有效位平面。
进一步优选的，平面编码器中有三个通道四种编码方法；
三个通道分别是重要性传递通道、幅度细化通道和清除编码通道；
四种编码方法分别是零编码、符号位编码、幅度细化编码和游程长度编码；
重要性传递通道采用零编码和符号位编码方式，幅度细化通道采用幅度细化编码方式，清除编码通道采用游程长度编码、零编码和符号位编码方式。
进一步优选的，平面编码器通过重要性传递通道、幅度细化通道和清除编码通道三个通道对非零位平面依次进行处理，最终输出上下文CX和判决电平D；
平面编码器通过零编码、符号位编码、幅度细化编码和游程长度编码生成上下文CX和判决电平D。
在以上技术方案的基础上，优选的，TIER-2编码模块使用PCRD压缩后率失真算法实现码率控制。
本发明的一种窄带准无损视频编码系统相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)相比传统的小波变换的滤波器卷积运算，本发明的小波变换模块采用提升5/3离散小波，并且根据小波变换中提升系数的特点，采用映射结构替代通常的乘法运算，减少了关键路径延时，提升了变换速度；根据提升步骤的分裂、预测和更新特点，利用三级流水线实现一维小波变换，优化了硬件资源和速度，在很大程度上减少了变换过程转给你的计算量和存储需求，便于在硬件上实现小波变换；
(2)Tier1模块包含位平面编码和算术编码，位平面编码器的设计采用通道并行方案；在算术编码器的实现方式上，采用自适应二进制算术编码和五级流水线方式，提升了编码器的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种窄带准无损视频编码系统的结构图；
图2为本发明一种窄带准无损视频编码系统中小波变换模块的硬件结构；
图3为本发明一种窄带准无损视频编码系统中TIER-2编码模块中码流组织结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种窄带准无损视频编码系统，其包括顺次连接的预处理模块、小波变换模块、量化模块、TIER-1编码模块和TIER-2编码模块。
其中，预处理模块对原始图像的数据进行DC电平移位；在本实施例中，预处理模块包括瓦片划分单元、直流电平转换单元和色彩分量单元；瓦片划分单元将原始图像划分成若干个具有固定尺寸的码块，每个码块大小相同，却不重复，在本实施例中，对每一个码块进行独立的压缩处理，所以原始图像数据划分可以极其有效地减少图像压缩过程中所需要的存储器数量，并且只需要对特定区块的码块进行解码就能够重建原始图像的对应区域，而不需要原始图像的全部压缩数据；直流电平转换单元确保原始图像的数据保持在以0为中心的动态范围内。因为原始图像数据狗屎用无符号整数来表示，但是在运算过程中，所有的数据都是以二进制补码的形式存在的，因此，需要确保原始图像的数据保持在以0为中心的动态范围内；色彩分量单元将原始图像的格式转换成YUV格式；由于YUV格式的图像在压缩过程中，可以对色差信号使用更高的压缩比，从而提高图像压缩性能。
小波变换模块采用提升5/3离散小波，采用映射结构替代传统的乘法运算，并且利用三级流水线实现一维小波变换，得到小波系数；在本实施例中，小波变换模块运算的复杂度较小，傅里叶变换是基于卷积的运算，而5/3离散小波变换是将原来用于卷积的滤波器分解，得到的提升系数用于小波系数求救，器运算的复杂度降低到一半；而且，本实施例中，小波变换模块采用流水线架构减少关键路径延时以及实现数据连续不断的输入，提高架构变换的工作频率和并行性。在本实施例中，小波变化模块包括行变换模块、中间转置缓存模块和列变换模块；其中，行变换模块完成码块水平方向上的变换，列变换模块完成码块垂直方向上的变换，行变换模块和列变换模块的架构组成相同；中间转置缓存模块将行变换模块变换后的数据按照行方向方式写入到按照列方向方式输出。如图所示，码块经过行变换模块、中间转置缓存模块和列变换模块完成码块的二维小波变换，经过一级小波的行列变换后得到四个子带图像LL1、HH1、HL1和LH1，其中LL1代表图像水平和垂直方向上的低频分量，HH1代表了图像水平和垂直方向上的高频分量，LH1代表了图像水平方向上的低频分量和垂直方向的高分量；HL1代表了图像水平方向上的高频和垂直方向上的低频分量。每一级小波变换的处理对象是上一级的LL子带，N级小波变换会生成3×N+1个子带和N+1个分辨率。由于行变换模块和列变换模块的架构组成相同，因此，在此只介绍行变换模块的架构。在本实施中，行变换模块完成码块水平方向上的变换包括抽取、预测和更新三个可逆步骤；其中，抽取步骤为：将瓦片数据分成奇偶序列，列数从0开始计数；预测步骤为：通过偶数列信号预测奇数列信号，得到高频信号，预测值与奇数列的差为细节信号；更新步骤为：通过细节信号更新偶数列信号得到低频信号。实现抽取、预测和更新三个可逆步骤的运算逻辑资源包括一级流水线、二级流水线和三级流水线；传统的一维结构运算单元一般采用两个乘法器和四个加法器，为了实现并行性，一般需要5-6级的流水线，流水线的使用就是为了提高结构的并行性，通过在逻辑运算之间插入寄存器组的方式实现，但是这样使用会消耗过多的逻辑资源，特别是乘法器的使用还会增加关键路径的延时；因此，为解决上述问题，本实施例中，如图2所示，一级流水线包括相互连接的第一加法器和一级流水线寄存器；二级流水线包括相互连接的第二加法器和二级流水线寄存器；三级流水线包括相互连接的乘法器和三级流水线寄存器；将瓦片数据按照奇偶序列输入到第一加法器的输入端，经第一加法器运算后输出到一级寄存器，一级寄存器存放奇偶序列数据，并将奇偶序列输出到第二加法器中进行运算，二级寄存器存放预测后的高频分量，并将高频分量输出到乘法器的输入端进行运算，三级流水线寄存器存放更新后的低频分量。在本实施例中，在第一加法器和第二加法器采用二级流水线，乘法器采用一级流水线，总共使用了三级流水线，在节省逻辑资源的同时，也能够保证并行性。
量化模块对经过小波变换模块变换后的小波系数进行量化。
TIER-1编码模块对小波变换后的小波系数进行分开编码，并生成码字B；在本实施例中，TIER-1编码模块包括相互连接的平面编码器和MQ编码器；平面编码器对将码块的小波系数进行位平面展开和位平面编码，编码以后产生上下文CX和判决电平D，并将上下文CX和判决电平D送入MQ编码器；其中，码块作为平面编码器的基本处理单元，码块是由小波系数组成的二位数组，每一个码块都有三个与之对应的二位数组，这三个数组的大小和码块相同，主要负责记录码块在编码过程中的最新编码状态。位编码器首先将码块的小波系数做位平面展开，即用带符号的二进制数来表示小波系数，处于同一比特位的二进制数为同一位平面，这样一个码块的小波系数是就可以转换成一个符号平面、M个零位平面和N个非零位平面，其中，第一个非零位平面为最高有效位平面，最后一个非零位平面为最低有效位平面。平面编码器中有三个通道四种编码方法；三个通道分别是重要性传递通道、幅度细化通道和清除编码通道；四种编码方法分别是零编码、符号位编码、幅度细化编码和游程长度编码；重要性传递通道采用零编码和符号位编码方式，幅度细化通道采用幅度细化编码方式，清除编码通道采用游程长度编码、零编码和符号位编码方式。将位平面的每四行数据定义为一个条带，条带中的每一列为一个条带列。位平面展开以后，使用重要性传递通道、幅度细化通道和清除编码通道3个扫描通道对非零位平面依次进行处理，从最高有效位平面开始，以条带列为单位，从上到下，从左到右，最终输出上下文CX和判决电平D，其中，平面编码器通过零编码、符号位编码、幅度细化编码和游程长度编码生成上下文CX和判决电平D，共有19中上下文CX输出可能。另外，MQ编码器将上下文CX和判决电平D进行自适应的二进制算术编码，生成码字B。
TIER-2编码模块对TIER-1编码模块输出的码字B进行码率控制和码流组织，将码字B整合成符合JPEG2000标准的码流。由于在JPEG2000压缩系统的TIER-1编码模块中，不同的码块进行编码处理后产生的压缩码流的长度是大不相同的，所以在重新恢复原始图像时，他们所做的贡献度也是大不相同的。在对由MQ编码器处理所有码块而产生的压缩码流进行码流组织时，TIER-2编码模块使用PCRD压缩后率失真算法实现码率控制。码流组织的最终目的是把压缩后的数据组织成JP2或者jpc格式的图像文件。在码流组织中，又包含了界、包和层的概念，其中，包是码流的基本单位，编码通道的集合构成一个包，许多包的集合按照给定的规则组成码流；层也是编码通道的集合组成，在分层之后，较低层中存放的是重要的图像信息，后一层都会对前一层的图像质量进行提高，在进行无损压缩时，需要解码所有的层；在传输过程中，码流的数据包不能够无限长，需要把数据包的大小限制在一定的范围，界是子带中相应码块的集合，一个界的数据只能被一个包所包含，不同包存放不同界的数据。码流组织的结构如图3所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种窄带准无损视频编码系统，其包括顺次连接的预处理模块、小波变换模块、量化模块、TIER-1编码模块和TIER-2编码模块，其特征在于：所述预处理模块对原始图像的数据进行DC电平移位；
所述小波变换模块采用提升5/3离散小波，采用映射结构替代传统的乘法运算，并且利用三级流水线实现一维小波变换，得到小波系数；
所述量化模块对经过小波变换模块变换后的小波系数进行量化；
所述TIER-1编码模块对小波变换后的小波系数进行分开编码，并生成码字B；
所述TIER-2编码模块对TIER-1编码模块输出的码字B进行重组和码率控制，将码字B整合成符合JPEG2000标准的码流。
2.如权利要求1所述的一种窄带准无损视频编码系统，其特征在于：所述预处理模块包括瓦片划分单元、直流电平转换单元和色彩分量单元；
所述瓦片划分单元将原始图像划分成若干个具有固定尺寸的码块；
所述直流电平转换单元确保原始图像的数据保持在以0为中心的动态范围内；
所述色彩分量单元将原始图像的格式转换成YUV格式。
3.如权利要求2所述的一种窄带准无损视频编码系统，其特征在于：所述小波变换模块包括行变换模块、中间转置缓存模块和列变换模块；
所述行变换模块完成码块水平方向上的变换，列变换模块完成码块垂直方向上的变换，行变换模块和列变换模块的架构组成相同；
所述中间转置缓存模块将行变换模块变换后的数据按照行方向方式写入到按照列方向方式输出。
4.如权利要求3所述的一种窄带准无损视频编码系统，其特征在于：所述行变换模块完成码块水平方向上的变换包括抽取、预测和更新三个可逆步骤；
所述抽取步骤为：将瓦片数据分成奇偶序列，列数从0开始计数；
所述预测步骤为：通过偶数列信号预测奇数列信号，得到高频信号，预测值与奇数列的差为细节信号；
所述更新步骤为：通过细节信号更新偶数列信号得到低频信号。
5.如权利要求4所述的一种窄带准无损视频编码系统，其特征在于：所述实现抽取、预测和更新三个可逆步骤的运算逻辑资源包括一级流水线、二级流水线和三级流水线；
所述一级流水线包括相互连接的第一加法器和一级流水线寄存器；
所述二级流水线包括相互连接的第二加法器和二级流水线寄存器；
所述三级流水线包括相互连接的乘法器和三级流水线寄存器；
所述奇偶序列输入到第一加法器的输入端，经第一加法器运算后输出到一级寄存器，一级寄存器存放奇偶序列数据，并将奇偶序列输出到第二加法器中进行运算，二级寄存器存放预测后的高频分量，并将高频分量输出到乘法器的输入端进行运算，三级流水线寄存器存放更新后的低频分量。
6.如权利要求2所述的一种窄带准无损视频编码系统，其特征在于：所述TIER-1编码模块包括相互连接的平面编码器和MQ编码器；
所述平面编码器对将码块的小波系数进行位平面展开和位平面编码，编码以后产生上下文CX和判决电平D，并将上下文CX和判决电平D送入MQ编码器；
所述MQ编码器将上下文CX和判决电平D进行自适应的二进制算术编码，生成码字B。
7.如权利要求6所述的一种窄带准无损视频编码系统，其特征在于：所述小波系数经位平面展开后转换成一个符号位平面、M个零位平面和N个非零位平面，其中，第一个非零位平面为最高有效位平面，最后一个非零位平面为最低有效位平面。
8.如权利要求7所述的一种窄带准无损视频编码系统，其特征在于：所述平面编码器中有三个通道四种编码方法；
所述三个通道分别是重要性传递通道、幅度细化通道和清除编码通道；
所述四种编码方法分别是零编码、符号位编码、幅度细化编码和游程长度编码；
所述重要性传递通道采用零编码和符号位编码方式，幅度细化通道采用幅度细化编码方式，清除编码通道采用游程长度编码、零编码和符号位编码方式。
9.如权利要求8所述的一种窄带准无损视频编码系统，其特征在于：所述平面编码器通过重要性传递通道、幅度细化通道和清除编码通道三个通道对非零位平面依次进行处理，最终输出上下文CX和判决电平D；
所述平面编码器通过零编码、符号位编码、幅度细化编码和游程长度编码生成上下文CX和判决电平D。
10.如权利要求1所述的一种窄带准无损视频编码系统，其特征在于：所述TIER-2编码模块使用PCRD压缩后率失真算法实现码率控制。
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