JPEG2000标准中核心算法EBCOT的研究与实现.pdf-资料库

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同济大学硕士学位论文JPEG2000标准中核心算法EBCOT的研究与实现姓名：余敏申请学位级别：硕士专业：电子科学与技术指导教师：林争辉;焦孟草20050201

摘要摘要随着多媒体技术被广泛应用于生产和生活的各个领域，对图像压缩和处理的要求越来越高。为了适应新世纪图像压缩的要求，联合图像专家组在2001年1月推出了新一代数字图像压缩标准—JPEG2000。相对于JPEG标准，JPEG2000具有压缩效率高、传输方式灵活、能够进行感兴趣区域编码和压缩码流抗干扰能力强等丰富的特征。JPEG2000标准的丰富特征主要源自于它所采用的一些优秀的算法，其中，EBCOT算法就是最关键的～个。EBCOT算法分为两级，第一级是一个嵌入式块编码器，第二级是码流优化截断。本文详细分析了嵌入式块编码器的编码流程并设计专用硬件实现。嵌入式块编码器包含两个部分：位平面编码器和MQ算术编码器。在设计的位平面编码器中，采用了基于列的处理方法和通道并行检测技术来加速编码器的处理速度。在设计MQ编码器时采用三级流水线实现，有效改善了MO编码器编码速度慢的缺点。关键词：JPEG2000，EBCOT，位平面编码器，MO编码器

AbstractAbstractAsthemultimediatechnologyhasbeenwidelyusedinallkindsoffields，therequirementsofimagecompressionisrising．Inordertosatisfytheserequirements，JointPictureExpertGroupproposedanewinternationalstandardofimagecompression--JPEG2000in2001．ComparingwithJPEG，JPEG2000providesmanyexcellentfeaturessuchashighcompressionefficiency，lossyandlosslesscompression，multipleresolutionrepresentation，embeddedbit—stream(progressivedecodingandSNRscalability)，region-of-interest(R00codinganderrorresilience．TheseexcellentfeaturesattributetosomeadvancedalgorithmsadoptedbyJPEG2000，ofwhichEBCOTisthemostimportantone．EBCOTisatwo—tieredcoder，whereTier1isanembeddedblockcoderandTier2isforrate—distortionoptimizationandbitstreamlayerformation．Inthisdissertation，anefficientASICstructureofembeddedblockcoderisproposed．Embeddedblockcodercomprisesoft-,vGpags：b：lplanecoderandMQcoderIntheASICstructureofbit-planecoder，themethodsofcolumn·basedprocessingandparallelscanofsamplesareusedtoacceleratetheprocessing．IntheASICstructureofMQcoder,Athree—stagepipelinearchitectureisadoptedwhichCallefficientlyspeeduptheprocessingofMQcoder．KeyWords：JPEG2000，EBCOT,bit—planecoder,MQcoderII

余敏硕士研究生在2002年秋入学时是以本人的名义招收的，2003年初，林涛博士回国，为了让研究生学到国外最新科学技术，该研究生的指导工作本人请林涛博士担任。林涛为日本东北大学博士，美国柏克莱加州大学博士后，在美有15年研究工作经验。回国后被聘为教育部长江学者、同济大学特聘教授、博士生导师。余敏研究生的实际指导教师为林涛教授。林争辉2005．2．5

声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士／硕士学位论文!I臼鲤竺拉丕生垫!当：勉五建笪哇之蚺l；酉炒除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：鲰砧吖年3月，口曰

学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：余锻夕‘吖年；月10日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。指导教师签名：学位论文作者签名：年月日年月日

第一章图像压缩编码概论第一章图像压缩编码概论1．1引言在计算机、互联网、通信及信息技术高速发展的今天，信息和多媒体在人们生活中扮演着越来越重要的角色。多媒体计算机涉及多种数据类型，包括：文字、语音、音乐、静止图像、电视图像、电影、动画等等。如何处理和组织这些数据，并节约带宽资源，提高处理、传输的效率，是多媒体计算机技术所要解决的问题之一。在这些数据中，图像数据量尤其巨大，同时由于通信带宽和存储容量的限制，使得图像压缩在数字电视、网络多媒体通信、会议电视、可视电话、图像数据库和自动指纹识别系统的指纹存储等应用中都起着至关重要的作用，其压缩技术一直是多媒体信息处理领域最活跃的技术研究话题。为此有众多的国际标准陆续提出：如：用于电视电话会议的H．261和H．263标准，用于视频存储和传输的MPEG．1，MPEG．4标准等等，还有静止图像压缩标准JPEG，JBIG，GIF等。JPEG200011】标准就是为了适应新世纪图像压缩的需要而提出的．与传统的JPEG标准相比，不仅克服了JPEG标准在低比特率下严重的方块效应，提高了压缩比，还具有渐进编解码、随机访问和处理、感兴趣区域压缩等灵活的特性。在医疗图像、电子图书馆、印刷传真、互联网网上服务等领域有广阔的市场前景。JPEG2000标准作为一个完整的图像压缩解决方案，已经成为了新世纪图像压缩研究的热点。1．2图像压缩技术原理1．2．1图像压缩的信息论基础经典的图像压缩编码算法是通过减少或者是删除信源中所存在冗余信息量而实现压缩目的的，其理论研究开始于Shannon的信息论。1984年Shannon的经典论文《通信的数学原理》中首次提到了信息率．失真函数的概念，1959年又进～步确立了率失真理论，从而奠定了信源编码的理论基础。从该理论出发不难得到数据压缩的两种基本途径：其一，设法改变信源的概率分布，使其尽可能地非均匀，再用最佳编码方法使平均码长逼近信源熵；其二，联合信源的冗余

第一章图像压缩编码概论度也赋予信源间的相关性之中。去除它们之间的相关性，使之成为或差不多成为不相关信源。下面用几个小节来介绍一下图像压缩的信息论基础12】|”。1．2．1．1信息量与嫡信息由一系列的随机变量所代表，并往往用随机出现的符号所表示，我们称输出这些符号集的源为信源。由信号源输出的随机符号，如果取值于某一连续区间，就称为连续信源：如果取值于某一离散集合，就叫做离散信源；如果随机符号的一部分取值于连续区间，一部分取值于离散集合，则称为混合信源。一般地，信源所发出的消息是一个随机过程，它是时间与空间的函数。如：●语言信号一时间函数石(f)·静止平面图像一空间函数X(x，Y)·电视信号一时间空间函数X(x，Y，t)●电报信号一时问离散信号●文本信号一空间上离散的符号序列一文字如果用大写字母工表示随机变量，小写字母t表示随机变量的一个实现，则一个离散无记忆信源的输出可以用序列集合忸，：f一0,-*1，-*2，……}来表示。集台中每个字符取自予字母表(有限符号集合)A。；忙。，n：，……，n。}中的一个，字碍表的元素叫做字母或字符。若一张表含有m个不同的字母，就说该表的大小为m。若取t为有限数n，则信源可以用n维随机矢量来表示，即：X-伍i，X2，…，X。)X∈筏(1·1)这里的群是以中各元素的n重笛卡儿乘积(积集)，总共有肌”种可能的组合。其中每一个都叫做长为n的源字。用只。r)表示n维随机变量盖，=(zn，xf2，…，X。)，X，∈群(1．2)的概率。并记f+t一(f，+七，t：+七，…，f。+女)，若对任意整数≈与n，所有的x∈群都满足异+。(x)t只(盖)(1．3)则称此信源为平稳信源，此时上式的下标t可以省去，若对任意x∈群，又有关系式P伍)一1-[P(x，)X。EA=(1。4)2

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