一種基于JPEG2000的新型率控制方法

0 引言

隨著(zhù)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(shí)，如何有效地運用信道帶寬已經(jīng)成為現今討論的主要話(huà)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，其最終目標就是將目標比特率合理的分配到圖像或視頻中去，以求得到最小的失真。

JPEG2000是一種新的靜止圖像壓縮編碼國際標準。由于其采用了與其他圖像壓縮標準不同的全新結構，因此，JPEG2000擁有壓縮比高，同時(shí)支持有損和無(wú)損壓縮，碼流可隨機存取和處理等優(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(guò)嘗試不同的量化步長(cháng)來(lái)進(jìn)行率控制：而通過(guò)位平面MQ編碼器，JPEG2000則可以精確簡(jiǎn)單的控制比特率，以達到需要的比特率。JPEG2000的核心編碼方式是嵌入式碼塊編碼(EBCOT)。其最優(yōu)截斷是使圖像失真最小化的一種率控制方法。這一過(guò)程是在小波系數經(jīng)過(guò)熵編碼(壓縮)后，所以也稱(chēng)為壓縮后的率失真優(yōu)化(PCRD)。

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

1 JPEG2000簡(jiǎn)介

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

小波變換可將圖像分解為L(cháng)L、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。這些小波系數經(jīng)過(guò)量化后，即可進(jìn)入EBCOT編碼過(guò)程。

1．1 熵編碼

熵編碼過(guò)程一般包括系數建模和算術(shù)編碼。它本質(zhì)上是一個(gè)位平面編碼的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，每個(gè)編碼塊都被獨立編碼，并且都經(jīng)過(guò)三個(gè)編碼通道，這三個(gè)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(huì )根據比特系數模型尋找每個(gè)比特系數的上下文，然后對這個(gè)比特系數進(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(gè)部分。量化就是量化步長(cháng)根據要求的壓縮率反復調整以達到目標碼率，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據中對每個(gè)編碼塊設置一個(gè)截斷點(diǎn)，這個(gè)截斷點(diǎn)可決定每個(gè)碼塊的編碼通道編碼的數據量。這就是JPEG2000的壓縮后率失真優(yōu)化。其具體算法如下：
首先設編碼塊Bi的碼率為、失真為，最終壓縮數據的目標碼率為Rmax，則每個(gè)編碼塊的截斷點(diǎn)可以自由選擇，它只需要最后的碼率滿(mǎn)足下式即可：

如果用每個(gè)編碼塊的失真之和來(lái)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，就可以求出最優(yōu)截斷點(diǎn)λ，從而實(shí)現最優(yōu)截斷編碼。

2 新的率控制方法

最優(yōu)截斷點(diǎn)λ只能通過(guò)所有截斷點(diǎn)實(shí)際的率失真斜率來(lái)求得，這就需要熵編碼過(guò)程編碼所有的位平面數據和所有編碼過(guò)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的碼流，也要編碼和存儲。然而，通過(guò)研究發(fā)現：如果將每個(gè)截斷點(diǎn)的率失真斜率按遞減的方式進(jìn)行整理，這個(gè)排列順序便與位平面層數有關(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(gè)方法的過(guò)程首先是根據下式計算出每個(gè)碼塊Bi的最高位平面數Pi；

其中是碼塊Bi中的最大系數。之后，在求出最大的平面數：

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

(1)首先要判斷Pi=Pmax是否成立，如果成立，編碼這個(gè)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)如果累計的碼率大于目標碼率，則立即退出編碼。否則，檢查條件(3)；

(3)如果這是最后一個(gè)編碼塊，那么Pmax減1，然后進(jìn)入下一個(gè)層的編碼。否則繼續掃描下個(gè)編碼塊。
由于上述條件(2)滿(mǎn)足的條件，故不會(huì )使碼率超過(guò)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，因而可確保得到最佳的圖像質(zhì)量。

3 實(shí)驗結果

這里，我們用512x512的lena圖像進(jìn)行測試，表1記錄了PCRD與新方法在計算量和內存使用量上的對比。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 結束語(yǔ)

通過(guò)對JPEG2000的分析，本文提出了一種通過(guò)估計率失真信息來(lái)控制碼率的方法。該方法由于不需要對所有的數據進(jìn)行編碼，因此，可在保持圖像質(zhì)量的同時(shí)，還可以有效減少冗余計算量和內存占用量。