韓 濤，吳 衡，侯海嘯，張興國

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

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改進(jìn)的JPEG-LS編碼方法在飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用

韓 濤，吳 衡，侯海嘯，張興國

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

為了研究壓縮性能更好的壓縮算法，首先引出了JPEG壓縮算法，然后提出了一種JPEG-LS編碼改進(jìn)方法，編碼過程遵循JPEG-LS的無損模式;接著深入分析JPEG-LS編碼器，該編碼器產(chǎn)生比其他的JPEG-LS編碼器更高速率的編碼效率，利用低復(fù)雜度數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)產(chǎn)生很高的操作頻率，產(chǎn)生比其他算法更高的吞吐量;同時(shí)算法在硬件資源上很有優(yōu)勢，所占用的資源很低;方法有效地提高了視頻編碼的峰值信噪比，并且輸出碼率更接近預(yù)定帶寬要求;理論分析和實(shí)驗(yàn)表明提出的編碼方法在占用資源和吞吐量方面是非常的有效，對飛行試驗(yàn)中多路高清視頻壓縮率更高，適合應(yīng)用于飛行試驗(yàn)機(jī)載視頻壓縮編碼和傳輸中。

無損壓縮；JPEG-LS；LOCO-I；飛行試驗(yàn)

0 引言

JPEG-LS是一種無損或者接近無損的對于灰度或者顏色連續(xù)圖像的壓縮方式。它提供了比有損壓縮JPEG標(biāo)準(zhǔn)更高壓縮率的壓縮形式，同時(shí)具有相對小的復(fù)雜度。壓縮算法的核心在于LOCO-I。LOCO-I主要特征在于它結(jié)合了基于上下文的有效的壓縮模式和較低的復(fù)雜度水平。JPEG-LS在接近無損時(shí)的性能很有限，壓縮比并沒有其他的壓縮算法好。但是這并不影響算法在衛(wèi)星和醫(yī)學(xué)圖像上的應(yīng)用，因?yàn)樵诮獯a后并沒有改變信息質(zhì)量。近年來，慢慢地形成用硬件實(shí)現(xiàn)JPEG-LS的編碼，利用到高效率的LOCO-I無損壓縮模型。這種方式有兩種好處，首先降低了算法的復(fù)雜度，除此之外算法得以簡化，處理過程減少，編碼效率提高[1]。

本文將分為算法的改進(jìn)和硬件實(shí)現(xiàn)兩部分進(jìn)行闡述。第一部分介紹JPEG編碼方法，第二部分闡述JPEG-LS算法的原理，第三部分分析了JPEG-LS算法的具體實(shí)現(xiàn)，包括結(jié)構(gòu)，邏輯等。第四部分利用ASIC技術(shù)實(shí)現(xiàn)JPEG-LS，然后對性能對比。最后第五部分對飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用做了展望。

1 JPEG算法

首先把一幅圖像(單色圖像的灰度值或彩色圖像的亮度分量或色差分量信號)分成8×8的塊，按圖中的框圖進(jìn)行離散余弦正變換(FDCT)。在編碼器輸入端，原始圖像被分成一系列8×8的塊，作為離散余弦正變換(FDCT)的輸入。在解碼器的輸出端，離散余弦逆變換(IDCT)輸出許多8×8的數(shù)據(jù)塊，用以重構(gòu)圖像。

圖1 JPEG算法流程圖

8×8的FDCT和8×8的IDCT的數(shù)學(xué)定義表示式如下：

FDCT：

F(u,v)=

IDCT：

f(x,y)=

為進(jìn)一步達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的，需對量化后的DC系數(shù)和行程編碼后的AC系數(shù)進(jìn)行基于統(tǒng)計(jì)特性的熵編碼。64個(gè)變換系數(shù)經(jīng)過量化后，坐標(biāo)u=v=0的值是直流分量(即DC系數(shù))。DC系數(shù)是64個(gè)圖像的采樣平均值。因?yàn)橄噜彽?×8塊之間有強(qiáng)的相關(guān)性，所以相鄰塊的DC系數(shù)值很接近。對量化后的前后兩塊之間的DC系數(shù)差值進(jìn)行編碼，可以用較少的比特?cái)?shù)。

2 JPEG-LS算法

JPEG-LS算法包括上下文模版和編碼器兩個(gè)主要部分。上下文模版利用臨近像素和當(dāng)前像素的相關(guān)性，使之相關(guān)到特定的模版，同時(shí)預(yù)測當(dāng)前值。LOCO-I同時(shí)壓縮連續(xù)的區(qū)域用到游程模式，當(dāng)設(shè)置為游程模式時(shí)首先判斷當(dāng)前像素是否等于前像素，如果相等則游程模式開始，否則進(jìn)入中斷模式[2]。

2.1 上下文模版

上下文模版用臨近像素值估算當(dāng)前像素。設(shè)D1= Rd - Rb ， D2 = Rb - Rc ，D3= Rc -Ra，用這3個(gè)量化向量從上下文模版中求得當(dāng)前的像素。預(yù)測誤差幅度Α[Q]，偏差B[Q]，預(yù)測誤差相關(guān)參數(shù)C[Q]等同時(shí)輸出。上下文模版利用中值邊緣檢測機(jī)制來預(yù)測當(dāng)前的像素值。

圖3 修改后的數(shù)據(jù)路徑

圖2 上下文模版

預(yù)測誤差被影射到一個(gè)非負(fù)值，因?yàn)镚olomb編碼只能用正值。

2.2 LOCO-I模塊

LOCO-I模塊算法中存在數(shù)據(jù)的依賴性。每次在上下文模版中，以前更新的參數(shù)必須被再次使用，以便降低預(yù)測的誤差。前面的過程包括預(yù)測誤差的計(jì)算和參數(shù)的更新兩個(gè)部分。統(tǒng)計(jì)參數(shù)在Golomb變量k和預(yù)測誤差計(jì)算出來以前無法被更新，需要當(dāng)前的值A(chǔ)[Q]，B[Q]和N[Q]。

3 提出的JPEG-LS算法的實(shí)現(xiàn)

此算法主要降低了路徑的干擾，同時(shí)產(chǎn)生了較高的編碼輸出。LOCO-I算法包括從上下文的預(yù)測到對誤差的編碼幾個(gè)函數(shù)，會(huì)造成一定延時(shí)，這將限制了最大的操作頻率。然而，本文算法的分布式過程則分為幾個(gè)階段，最小化路徑降低總體延時(shí)。

JPEG-LS的數(shù)據(jù)路徑：將該算法分解為幾個(gè)步驟，取換了寄存器。在上下文模版對當(dāng)前的樣值預(yù)測后，同時(shí)也在對預(yù)測的差值進(jìn)行編碼，這些數(shù)據(jù)就相對的獨(dú)立，在這樣的條件下取代了寄存器。計(jì)算預(yù)測的誤差需要更新偏差參數(shù)C[Q]。設(shè)計(jì)該過程的最主要的部分在于數(shù)據(jù)循環(huán)電路，包括誤差的預(yù)測和統(tǒng)計(jì)參數(shù)的更新。

然而，像LOCO-I這樣的低復(fù)雜度的方案對于偏差參數(shù)的更新對于迭代是很有限的。因此，偏差參數(shù)更新的值就可以保持不變，C[Q]只有3個(gè)取值。預(yù)測的誤差可以通過這3個(gè)值估計(jì)，隨后存儲(chǔ)在寄存器里。C[Q]通過上下文參數(shù)的緩存得到。雙精度的緩存來存儲(chǔ)偏差C[Q]的值，因?yàn)閮蓚€(gè)不同的偏差需要從緩存里讀取：其一負(fù)責(zé)誤差的估計(jì)，另一個(gè)負(fù)責(zé)參數(shù)的更新。

除此之外，在上下文預(yù)測后，提前訪問上下文的緩存將會(huì)加速誤差估計(jì)。兩個(gè)過程實(shí)現(xiàn)編碼過程。第一個(gè)過程產(chǎn)生對于影射的誤差，而第二個(gè)過程形成最后的編碼流。連接技術(shù)同樣用來實(shí)現(xiàn)中斷編碼過程。盡管比在正常模式下簡單，不過會(huì)造成總體延時(shí)[3]。

數(shù)據(jù)路徑如圖3所示。第一個(gè)階段包括對上下文的預(yù)測和計(jì)算中值邊緣檢測值。提前計(jì)算誤差的過程在第二階段。緩存的解碼單元對于預(yù)測誤差的估計(jì)在第三階段。在第四階段對于預(yù)測誤差做出正確估計(jì)。下一步包括計(jì)算Golomb變量和對誤差的影射，上下文更新了統(tǒng)計(jì)參數(shù)。影射的誤差在最后的兩個(gè)階段被編碼。

最重要的路徑設(shè)計(jì)發(fā)生在第四階段。在這階段對C[Q]以前的值和更新后的值進(jìn)行了比較。包括對誤差的正確估計(jì)和對參數(shù)的更新。更新通過對Golomb變量的計(jì)算和誤差的影射來實(shí)現(xiàn)，但是操作起來很慢。

圖4 圖像線形緩存

3.1 內(nèi)存占用

JPEG-LS算法編碼過程所需的內(nèi)存的大小取決于上下文模版的參數(shù)和前編碼的采樣值。C[Q]值是雙精度的。對于八位圖像的A[Q]，B[Q]，C[Q]，N[Q]長度分別是13，7，8和7。 因此上下文緩存總的大小是1.9 KB。

在上下文模版中對像素x的估計(jì)值取決于相鄰的a,b,c和d。在t時(shí)刻樣值x在下一個(gè)時(shí)刻將變成相鄰的像素a，因此可以存儲(chǔ)在單獨(dú)的寄存器里。在t-1時(shí)刻的像素c將不再是相鄰的值因此可以被取代，因此緩存的大小達(dá)到了最小。這樣最小化了ASIC設(shè)計(jì)的區(qū)域，因?yàn)樾酒膬?nèi)存占據(jù)了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的大部分資源。用到的芯片在同一個(gè)時(shí)鐘周期里可以執(zhí)行讀和寫的操作。

3.2 JPEG-LS的結(jié)構(gòu)

提出的JPEG-LS編碼結(jié)構(gòu)由LOCO-I，上下文模版，圖像緩存和兩個(gè)緩存控制接口組成。緩存接口訪問緩存，存儲(chǔ)新的相鄰樣值，使新的采樣值進(jìn)入數(shù)據(jù)路徑中。上下文緩存接口訪問上下文模版參數(shù)，將最后更新的參數(shù)C[Q]和誤差估計(jì)傳輸?shù)缴舷挛摹?/p>

圖5 本文提出的JPEG-LS算法結(jié)構(gòu)

4 飛行試驗(yàn)結(jié)果分析

飛行試驗(yàn)多路高清視頻采集傳輸編碼及記錄時(shí)，通常前端壓縮后再進(jìn)行處理，常用的壓縮方法有JPEG2000及H.264和本文算法。測試視頻采用1 600*1 200高清視頻，前端不壓縮視頻。測試序列共編碼150幀，不考慮跳幀，幀率為15幀每秒。分別對復(fù)雜度相差較大的飛行試驗(yàn)視頻1，飛行試驗(yàn)視頻2，飛行試驗(yàn)視頻3和飛行試驗(yàn)視頻4序列進(jìn)行編碼測試。

表1所示為在24 kbits/s，48 kbits/s和64 kbits/s3種帶寬下對以上序列進(jìn)行編碼的結(jié)果。從表1可見，除了在24 kbits/s帶寬下編碼視頻1序列外，采用本文算法編碼的序列的平均峰值信噪比均要高于JPEG2000算法，最大可提高0.45 dB，并在大多數(shù)情況下高于H.264中提出的算法。碼率控制的結(jié)果也更為精確，JPEG2000算法的實(shí)際碼率與預(yù)定碼率的平均誤差是0.36%，而本文算法的平均誤差為0.26%，可見本文算法更符合實(shí)際的帶寬要求。

表1 JPEG-LS算法和其他方法的比較

為了驗(yàn)證算法在場景變換時(shí)的編碼性能，在48 kbits/s帶寬下，用3種方法分別編碼測試，混合序列在第30幀和第75幀處發(fā)生場景變換。編碼結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，本文提出的方法在兩次場景變換時(shí)均取得了更高的編碼信噪比，提高了新場景的編碼質(zhì)量。圖7對3種碼率控制方法在編碼過程中的緩沖區(qū)狀態(tài)進(jìn)行了對比。從圖7可見，本文方法比更接近目標(biāo)碼率，并且在場景變換時(shí)有效降低了緩沖區(qū)占用量，在編碼器緩沖區(qū)尺寸有限的情況下，為新場景提供了更多可用編碼資源。

實(shí)驗(yàn)通過VHDL實(shí)現(xiàn)，通過模型仿真器仿真和證實(shí)了方法的正確性。JPEG-LS特性和其他方法加以比較如表2和表3所示，從下面的表格中可以看到，提出的JPEG-LS算法比其他的現(xiàn)有的算法表現(xiàn)出更高的吞吐量，同時(shí)最小化了設(shè)計(jì)資源的要求。還必須強(qiáng)調(diào)的是LOCO-I算法的設(shè)計(jì)是比較小簡單的，在吞吐量方面也較高[4]。

從表2可以看出本文提出的算法大概比其他的算法吞吐量提高4.4 dB，比其他的算法占用的資源降低4.6 dB。

表2 JPEG-LS算法的比較

表3 JPEG-LS算法的比較

圖6 場景變換時(shí)的編碼信噪比

圖7 逐幀緩沖區(qū)狀態(tài)比較

5 結(jié)論

本文提出了一種新的無損壓縮JPEG-LS壓縮算法。利用低復(fù)雜度數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)產(chǎn)生很高的操作頻率，提出的算法比其他的JPEG-LS算法的吞吐量高[5]。同時(shí)算法在硬件資源上很有優(yōu)勢，所占用的資源很低。提出的編碼器在占用資源和吞吐量方面是非常的有效的[6]，輸出的碼率也更加穩(wěn)定，更接近預(yù)定帶寬要求，適合應(yīng)用于飛行試驗(yàn)機(jī)載高清視頻壓縮編碼及傳輸中[7-8]。

[1] JPEG2000圖象壓縮基礎(chǔ)﹑標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] JPEG2000圖象壓縮算法研究[D].重慶：重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2004.

[3] 分形圖象壓縮算法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2004.

[4] 自然圖象處理理論和方法研究[D].長沙：國防科技大學(xué)，2005.

[5] Dong J P. A Context-Adaptive Prediction Scheme for Parameter Estimation in H.264/AVC Macroblock Layer Rate Control[J]. IEEE Trans Circuits System Video Technology, 2009,19(1): 1108-1117.

[6] Liu Y. A novel rate control scheme for low delay video communication of H.264/AVC standard[J]. IEEE Trans. Circuits System Video Technology, 2007, 17(1): 68-78

[7] Min Y. A Rate Control Scheme for H.264 Video Under Low Bandwidth Channel[J]. Journal of Zhejiang University: Science, 2006: 990-995.

[8] Li Z G. Adaptive basic unit layer rate control for JVT[A]. Presented at the 7th JVT Meeting[C]. Pattaya II, Thailand, 2003, JVT-G012-rl.

Application of Improved JPEG-LS Encoding Method in Flight Test

Han Tao, Wu Heng, Hou Haixiao, Zhang Xingguo

(Chinese Flight Test Establishment ,Xi′an 710089,China)

In order to study compression performance better compression algorithm, first of all, the JPEG compression algorithm is introduced ,then it presents an improved method of JPEG-LS encoding, the encoding process followed by the JPEG-LS lossless mode. Then JPEG-LS encoder is proposed, the encoder can generate high speed encoding efficiency than the other JPEG-LS method ,and produces a higher throughput than other algorithms. At the same time, the algorithm has advantages in hardware resources, the resources occupied are very low. The proposed algorithm achieves a higher PSNR in video encoding and is more accurate in output bit-rate control. Theoretical analysis and experiments show that the proposed coding method in the occupied resource and throughput is very effective, in flight test multiple HD video compression rate is higher, and is suitable for application in the flight test of airborne video compression coding and transmission.

lossless compression; JPEG-LS;LOCO-I;flight test

2015-12-09；

2016-01-11。

航空基金(2010ZD30004;2015ZD30002)。

韓 濤(1985-)，男，陜西漢中人，碩士，工程師，主要從事光電跟蹤及視頻壓縮理論方向的研究。

1671-4598(2016)06-0311-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.085

TN2

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