摘要：JPEG2000靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的壓縮后率失真優(yōu)化算法雖然能保持較好的圖像質(zhì)量，但其計(jì)算量大、內(nèi)存占用多。文中提出了一種圖像質(zhì)量基本相同于率失真優(yōu)化的、基于先驗(yàn)信息掃描的、新的率控制方法。該方法可以有效地減少熵編碼時的計(jì)算復(fù)雜度并降低內(nèi)存占用率。

　　0 引言

　　隨著多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，在傳輸圖像或視頻信息時，如何有效地運(yùn)用信道帶寬已經(jīng)成為現(xiàn)今討論的主要話題之一。率控制是圖像或視頻編碼中控制比特率必須采用的方法，其終目標(biāo)就是將目標(biāo)比特率合理的分配到圖像或視頻中去，以求得到的失真。

　　JPEG2000是一種新的靜止圖像壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)。由于其采用了與其他圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)不同的全新結(jié)構(gòu)，因此，JPEG2000擁有壓縮比高，同時支持有損和無損壓縮，碼流可隨機(jī)存取和處理等優(yōu)點(diǎn)。JPEG2000的編碼算法包括離散小波變換(DWT)和位平面熵編碼。在JPEG2000中可通過嘗試不同的量化步長來進(jìn)行率控制：而通過位平面MQ編碼器，JPEG2000則可以簡單的控制比特率，以達(dá)到需要的比特率。JPEG2000的編碼方式是嵌入式碼塊編碼(EBCOT)。其截?cái)嗍鞘箞D像失真化的一種率控制方法。這一過程是在小波系數(shù)經(jīng)過熵編碼(壓縮)后，所以也稱為壓縮后的率失真優(yōu)化(PCRD)。

　　根據(jù)所有壓縮后數(shù)據(jù)的實(shí)際率失真信息，PCRD技術(shù)就能計(jì)算出目標(biāo)碼流的圖像化失真。但是這還需要圖像所有的碼流數(shù)據(jù)，事實(shí)上，很多數(shù)據(jù)是不會被輸出的，這一過程還會占用很多內(nèi)存和計(jì)算量。為此，本文提出了一種新的率控制方法，可以有效減少計(jì)算量和內(nèi)存使用量，同時可以獲得相似的效果。

　　1 JPEG2000簡介

　　作為一種新的國際壓縮標(biāo)準(zhǔn)，通?？梢园袹PEG2000看作小波變換(DWT)、標(biāo)量量化、比特系數(shù)建模、算術(shù)編碼、壓縮后率失真優(yōu)化和碼流組織等六個部分。

　　小波變換可將圖像分解為LL、HL、LH和HH四種子帶，并可以進(jìn)行多級分解。LL是圖像低頻信息所在，其他的三種子帶包含的是圖像高頻信息。這些小波系數(shù)經(jīng)過量化后，即可進(jìn)入EBCOT編碼過程。

　　1．1 熵編碼

　　熵編碼過程一般包括系數(shù)建模和算術(shù)編碼。它本質(zhì)上是一個位平面編碼的過程。在這個過程中，每個編碼塊都被獨(dú)立編碼，并且都經(jīng)過三個編碼通道，這三個編碼通道分別是重要性通道、幅值精煉通道和清零通道。這些編碼通道將會根據(jù)比特系數(shù)模型尋找每個比特系數(shù)的上下文，然后對這個比特系數(shù)進(jìn)行基于上下文的算術(shù)編碼(MQ)。

　　1．2 碼率控制

　　碼率控制涉及量化、熵編碼和碼流組織三個部分。量化就是量化步長根據(jù)要求的壓縮率反復(fù)調(diào)整以達(dá)到目標(biāo)碼率，這是一種交互式控制方式。另外一種采用壓縮后處理的方法是在碼流數(shù)據(jù)中對每個編碼塊設(shè)置一個截?cái)帱c(diǎn)，這個截?cái)帱c(diǎn)可決定每個碼塊的編碼通道編碼的數(shù)據(jù)量。這就是JPEG2000的壓縮后率失真優(yōu)化。其具體算法如下：

　　首先設(shè)編碼塊Bi的碼率為、失真為，終壓縮數(shù)據(jù)的目標(biāo)碼率為Rmax，則每個編碼塊的截?cái)帱c(diǎn)可以自由選擇，它只需要的碼率滿足下式即可：

　　如果用每個編碼塊的失真之和來表示重建圖像的失真，則重建圖像的失真為：

　　這樣，在截點(diǎn)ni，其率失真斜率為：

　　然后，利用拉格朗日乘子法，就可以求出截?cái)帱c(diǎn)λ，從而實(shí)現(xiàn)截?cái)嗑幋a。

　　2 新的率控制方法

　　截?cái)帱c(diǎn)λ只能通過所有截?cái)帱c(diǎn)實(shí)際的率失真斜率來求得，這就需要熵編碼過程編碼所有的位平面數(shù)據(jù)和所有編碼過的碼流都存儲在存儲器中，而且，即使是那些在碼流控制后不需要傳輸?shù)拇a流，也要編碼和存儲。然而，通過研究發(fā)現(xiàn)：如果將每個截?cái)帱c(diǎn)的率失真斜率按遞減的方式進(jìn)行整理，這個排列順序便與位平面層數(shù)有關(guān)。一般情況下，位平面高的率失真斜率大于位平面低的；其次，先編碼的通道的率失真斜率大于后編碼的通道。

　　基于以上兩點(diǎn)，可先掃描圖像的位平面信息，在編碼那些率失真斜率大的。而后面不重要的比特就可以不進(jìn)行編碼。這個方法的過程首先是根據(jù)下式計(jì)算出每個碼塊Bi的位平面數(shù)Pi；

　　其中是碼塊Bi中的系數(shù)。之后，在求出的平面數(shù)：

　　掃描每一個碼塊的順序圖如圖l所示。對于每一個掃描的碼塊，一般有如下三個條件：

　　(1)首先要判斷Pi=Pmax是否成立，如果成立，編碼這個編碼塊未編碼的位平面通道，然后Pi減1，之后檢查條件(2)。否則檢查條件(3)；

　　(2)如果累計(jì)的碼率大于目標(biāo)碼率，則立即退出編碼。否則，檢查條件(3)；

　　(3)如果這是一個編碼塊，那么Pmax減1，然后進(jìn)入下一個層的編碼。否則繼續(xù)掃描下個編碼塊。

　　由于上述條件(2)滿足的條件，故不會使碼率超過壓縮率的限制。而條件(1)、(3)則充分考慮了位平面和編碼通道的重要性，因而可確保得到的圖像質(zhì)量。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　這里，我們用512x512的lena圖像進(jìn)行測試，表1記錄了PCRD與新方法在計(jì)算量和內(nèi)存使用量上的對比。表2所列是兩種方法在PSNR上的對比。兩種方法的解壓圖像效果如圖2所示。

　　4 結(jié)束語

　　通過對JPEG2000的分析，本文提出了一種通過估計(jì)率失真信息來控制碼率的方法。該方法由于不需要對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，因此，可在保持圖像質(zhì)量的同時，還可以有效減少冗余計(jì)算量和內(nèi)存占用量。