基于pcnn的分割图像编码

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1、 辛勤等：基于 TS201S 的 JPEG2000 编码算法的研究与实现 _ 第一作者简介第一作者简介:辛勤(1973-)，男，国防科学技术大学电子科学与工程学院副教授，硕士生导师. 主要研究方向为嵌入式 系统设计和数字信号处理等 基于基于 TS201S 的的 JPEG2000 编码算法的研究与实现编码算法的研究与实现 辛勤 宋婵 王展 朱鹏 （国防科学技术大学，长沙，410073，） 摘摘 要要: : 介绍了 JPEG2000 静态图像压缩标准的基本框架及算法原理，设计了基于 TS201S DSP 芯片的硬件系统, 并利用汇编语言实现了 JPEG2000 压缩，在实现的过程中对小波变换和算术

2、编码部分进行了优化，提高了压缩效 率。 关键词关键词: JPEG2000；小波变换；算术编码；DSP A JPEG2000 Compression systerm Based on TS201S DSP XIN Qin，SONG Chan，WANG Zhan，ZHU Peng (National University of Defense Technology, chang sha，410073) Abstract: The basic principles of JPEG2000 image compression standard is introduced first, then a h

3、ardware system based on TS201S DSP is described on which the JPEG2000 compression algorithm is designed in assembly language. In the process of realization, the wavelet transform and the arithmetic coding has been optimized, so the compressed efficiency is increased. Keywords: JPEG2000；wavelet trans

4、form；Arithmetic Coding； DSP 1 引言引言 JPEG2000 是基于小波变换、算术编码以及嵌 入式码流组织等新技术的新一代静态图像国际压 缩标准，它具有优良的压缩性能和图像质量，有 着广阔的应用前景。但是到目前为止适用于 JPEG2000 标准的专用硬件压缩芯片还比较少,只有 像 ADI 公司的 ADV202 等。这极大地制约了 JPEG2000 技术的商业应用,本文针对这种情况,选 择 ADI 公司通用 DSP 芯片 TS201S 为核心处理单 元，实现了 JPEG2000 的编码算法。 2 JPEG2000 压缩标准的基本原理压缩标准的基本原理 典型的 JPEG2

5、000 编解码系统如图 1 所示。编 码器结构包括预处理、离散小波变换、量化、算 术编码(Tier-1 编码)及比特流组织(Tier-2 编码)。在 编码时，首先对原始图像划分为各个 tile，然后进 行预处理，预处理中两个很重要的步骤就是直流 电平平移和分量转换，接着再以 tilecomponent 为单位对数据进行小波提升，为了提高压缩率， 可进一步将小波系数进行量化，然后将量化后的 小波系数划分成更小的数据单元码块，对每个 码块进行独立的嵌入式编码。将得到的所有码块 的嵌入式位流按照率失真最优原则分层组织，形 成不同质量的层。对每一层按照一定的码流格式 打包，输出压缩码流。 直流电 平平

6、移 原始图像 分量 转换 小波 变换 量化 Tier-1 编码 Tier-2 编码 编码后图像 码率控制 图 1 JPEG2000 压缩算法原理框图 Fig.1 The principles of JPEG2000 compression algorithm diagram 2 第十四届全国图象图形学学术会议 3 系统硬件结构系统硬件结构 本文设计的 JPEG2000 编码系统的硬件框图如 图 2 所示，它首先利用 PCI 总线将上位机的原始 RGB 图像数据和命令参数传至系统的 SDRAM 中， 然后按瓦片对原始数据进行直流电平平移、分量 转换、小波变换、和 EBCOT 编码。最后将压缩后

7、的数据打包传回上位机。 电源控制JTAG端口时钟系统 TS201S 处理器 复位控制 SDRAM FPGA FLASH PCI9054 上位机PCI总线 图 2 JPEG2000 编码系统的硬件结构框图 Fig.2 the hardware structure diagram of JPEG2000 coding system TS201S 是美国 ADI 公司推出的 TigerSHARC 系列处理器1，其内核工作频率高达 720MHz。具 有强大的定点和浮点数处理能力，16 位定点处理 能力达 4800MMAC/s，浮点数处理能力为 3600MFLOPS，因此它同时适用于 JPEG2000

8、中的 无损压缩和有损压缩。它内部拥有容量可达 6*4Mbit 的存储器，为图像压缩提供大容量的高速 缓存。它还具有双处理单元，支持合并的存储器 读/写寻址方式，也就是在一条指令中可以同时取 两个操作数分别送入 X 与 Y 处理单元2，这一特 性非常有利于并行处理。 4 JPEG2000 编码实现的关键技术编码实现的关键技术 JPEG2000 静态图像压缩原理样机的性能不仅 取决于硬件平台的处理能力，还取决于任务的数 据结构设计、算法设计与编程效率。为提高系统 的执行速度，我们完全用 TS201S 处理器的汇编语 言来实现图像压缩算法，并对关键的小波变换 (DWT)算法和基于最优截断嵌入式码块编

9、码 (EBCOT)算法进行了优化设计。 4.1 小波变换小波变换(DWT) 小波变换是一种典型的滤波算法，它是对大 批量的数据进行固定的一系列乘加运算移位操作。 这些特征使之能够在采用单指令多数据（SIMD） 模式和具有超长指令结构的 TS201S 处理器上高效 率的实现。本文以 9/7 小波变换为例，在编程实现 时充分利用 TS201S 的各种有利特性对算法的流程 进行优化调整。首先，利用 TS201S 的单指令多数 据模式，以利用它内部两个模块在一个指令周期 中对原始数据的两行并行进行小波变换，这样可 以将运算效率提高一倍3。其次，因为 DSP 内部 RAM 资源有限，我们不能将存放在片外

10、存储器中 的原始图像数据一起取进片内，等到将整个图像 压缩完再存回片外。只能将每幅图像的部分行和 列数据分开单独进行，而数据在片内外的导入导 出势必占用大量的系统资源，降低程序的效率。 所以，我们需要利用 DSP 内部的 DMA 通道，这 样数据的传输将在后台自动执行，将内核释放出 来，小波提升和数据传输可以同时进行，提高运 算效率。 4.2 概率转移表的设计概率转移表的设计 EBCOT 算法是 JPEG2000 中的核心算法之一， 它对量化后的小波系数的采用位平面扫描和 MQ 编码。通过位平面扫描得到每个 bit 的上下文(CX) 和当前 bit 位(D)。自适应算术编码器 MQ 对 CX

11、和 D 进行处理得到压缩后的数据。因此，如何高 效获取上下文的概率值及如何实现其自适应功能 是 JPEG2000 压缩系统中的重要技术。这里我们介 绍如何实现上下文概率的获得。CX 是位平面编码 中根据邻域相关性归纳而来的概率统计模型,共有 19 种。JPEG2000 中这些概率存放在一个专用的概 率估计表(C-24)中, 该表包括 94 种情况。我们将 这 94 种情况定义成数组，如下所示：. var Qe_Table94*4 = /概率值，当前大概率编码，NMPS ，NLPS 0x5601, 0, Qe_Table+8, Qe_Table+12, /当前大概率符号为 0 0x5601, 1

12、, Qe_Table+12, Qe_Table+8, /当前大概率符号为 1 0x3401, 0, Qe_Table+16, Qe_Table+48,/当前大概率符号为 0 0x3401, 1, Qe_Table+20, Qe_Table+52,/当前大概率符号为 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ; 该数组的特点是：它将大概率符号(MPS)为 0 的概率转移表和大概率符号为 1 的概率转移表包 含在一个数组里而不是分别定义为一个数组，即 奇数行描述的是

13、当前大概率符号为 0 时的概率转 3 辛勤等：基于 TS201S 的 JPEG2000 编码算法的研究与实现 移，偶数行描述的是当前大概率符号为 0 时的概 率转移。数组设计的巧妙之处在于：如果 SWITCH=1，在概率状态改变的过程中可以同时实 现当前大概率符号的转变。例如，在概率转移表 C-21中第 1 行，注意到 SWITCH=1 的，这就意 味着如果下一个接收到的符号不是当前的 MPS， 不仅概率要发生变化，MPS 的含义也要发生改变。 与此对应，我们看数组 Qe_Table 的第一行，它的 当前 MPS 是 0，如果下一个接收符号是 0(是当前 的 MPS)，那么 MPS 含义不变，

14、只要修改概率索 引指向 Qe_Table +8。如果下一个接收符号是 1(不 是当前的 MPS)，则不但概率索引要发生变化， MPS 也要由 0 变成 1。此时其状态要指向 Qe_Table +12，即数组中的第 4 行，而非第 3 行， 这不但完成了概率的改变，MPS 的含义也有 0 变 成了 1，即同时也完成了 MPS 的改变。 5 压缩结果性能分析压缩结果性能分析 我们采用 TS201S 汇编语言来实现 JPEG2000 编码算法。实验结果表明，使用优化后的汇编程 序使压缩过程能在大大缩短时间的条件下保持着 良好的信噪比，以 lake.bmp（512512，24 位真 彩）图像作为测试图

15、像，原图和 10 倍压缩后的图 像如图 3 所示。 (a)原始图像 (b)压缩后图像 图 3 压缩前后的图像对比 Fig.3 Image comparison before and after compressed 最后我们给出对不同的 512512 大小的测试 图像得到的实际性能，结果如表 1 所示，位平面 扫描时间与数据位平面数相关，因此图像数据不 同压缩时间也略有差别，其中图像 Lena（24bit 真 彩）经量化后的数据最高位平面数是 9；图像 Lake（24bit 真彩）经量化后的数据最高位平面数 是 10。 表 1 不同图像不同压缩率下系统实际运行性能 压缩时间(s)PSNR 测试

16、 图像 压 缩 比 DWTEBCOTRGB 10.72.239.95241.01637.976 Lena(24bit 真彩) 0.10.71.132.56235.25629.368 10.72.335.66336.31634.851 Lake(24bit 真彩) 0.10.71.029.62330.12928.795 6 结束语结束语 本文介绍了 JPEG2000 压缩标准的基本框架和 算法原理以及它在 ADI TS201S 上的实现，并讨论 了 JPEG2000 压缩标准中的关键技术小波变换 和基于截断的嵌入式码块编码算法在实现过程中 的优化，从而在不影响图像压缩质量的情况下压 缩的时间大大缩短。 参参 考考 文文 献献 1ADSP-