一種易于硬件實(shí)現(xiàn)的JPEG—LS無(wú)損圖像壓縮算法

【摘 要】本文針對(duì)JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮算法展開(kāi)研究，算法采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)一步優(yōu)化，使其適合于硬件實(shí)現(xiàn)。分析其中的關(guān)鍵技術(shù)，常規(guī)模式編碼、預(yù)測(cè)誤差編碼和游長(zhǎng)模式編碼，并將這些算法以公式和表格的形式詳盡表示，降低了算法的復(fù)雜度，便于硬件描述語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。最后針對(duì)不同的圖像進(jìn)行了測(cè)試，得出了不同的壓縮比，仿真結(jié)果表明圖像的平滑度對(duì)圖像的壓縮比有較大的影響。

【關(guān)鍵詞】JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮；常規(guī)模式編碼；游長(zhǎng)模式編碼

【Abstract】This paper studies the JPEG-LS lossless image compression algorithm， this algorithm using C language to achieve， And further optimization， easy to implement with hardware.The key technologies about the algorithm were analyzed， such as conventional mode coding， prediction error coding and run-length encoding mode. These algorithms are detailed expressed In the form of formulas and tables.， reduces the complexity of the algorithm， easy to implement with hardware language. Finally， tested for different images come to different compression rates， the image simulation results show the smoothness of compressed image has a greater impact to the rates.

【Key words】JPEG-LS Lossless image compression； Regular mode coding； Run mode coding

0 引言

隨著衛(wèi)星遙感圖像技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)遙感圖像的質(zhì)量要求越來(lái)越高，由于航天圖像分辨率的要求，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量和傳輸量也在急劇增加，而衛(wèi)星通道帶寬有限，要有效地傳輸圖像信息，必須對(duì)圖像進(jìn)行高效壓縮。

JPEG-LS是針對(duì)連續(xù)圖像無(wú)損或近無(wú)損壓縮的ISO/ITU標(biāo)準(zhǔn)，它是近年來(lái)JPEG對(duì)于圖像無(wú)損壓縮擬訂的標(biāo)準(zhǔn)。目前，在天文觀測(cè)、航空航天、以及醫(yī)學(xué)攝像等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，它能將無(wú)損圖像無(wú)失真地還原出來(lái)。該算法在無(wú)損壓縮領(lǐng)域具有高保真度和低復(fù)雜度等特點(diǎn)[1]，便于硬件實(shí)現(xiàn)的，同目前流行的JPEG、JPEG2000、CCSDS等無(wú)損圖像壓縮算法相比較，在硬件實(shí)現(xiàn)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及圖像數(shù)據(jù)量的“爆炸”似增長(zhǎng)，研究更高效的圖像壓縮技術(shù)已迫在眉睫，各種先進(jìn)的壓縮技術(shù)優(yōu)化的編碼算法層出不窮。本文中對(duì)JPEG-LS靜態(tài)圖像壓縮算法采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，并對(duì)該算法進(jìn)行了優(yōu)化，使所編寫(xiě)的程序更適合于硬件描述語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)。

1 JPEG-LS圖像數(shù)據(jù)壓縮算法

JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮算法采用自適應(yīng)預(yù)測(cè)、上下文建模和Golomb編碼算法，對(duì)于圖像中的平坦區(qū)域采用游程模式編碼[2-3]，否則采用常規(guī)模式編碼。在無(wú)損壓縮模式下，JPEG-LS編碼模式與JPEG無(wú)失真模式相比較，區(qū)別主要在于JPEG-LS利用了Golomb行程編碼，并且引入了誤差可以控制的近無(wú)損（near-lossless）圖像壓縮。

JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮的主要編碼原則[4]如圖1所示，原始圖像數(shù)據(jù)以預(yù)定的掃描模式依次輸入編碼器，無(wú)損圖像壓縮被看做是一個(gè)歸納推理的過(guò)程，在編碼當(dāng)前像素時(shí)需先掃描過(guò)去的數(shù)據(jù)，給當(dāng)前像素值分配一個(gè)條件概率P，就可以推斷出當(dāng)前的像素值，這種推斷的模式稱為建模，當(dāng)前取樣像素值的平均碼長(zhǎng)分布為-log2P。對(duì)于近無(wú)損圖像壓縮則采用重建值代替原始值作為條件數(shù)據(jù)。在編碼過(guò)程中，越短的碼長(zhǎng)分配越大的概率值。

2 JPEG-LS圖像數(shù)據(jù)壓縮算法的編碼過(guò)程

2.1 上下文建模

所謂上下文建模就是指利用當(dāng)前待編碼數(shù)據(jù)的鄰居與當(dāng)前像素之間的相關(guān)性對(duì)其建模。假設(shè)當(dāng)前像素值為x，與其相鄰的四個(gè)像素值分別為a、b、c、d，利用這四個(gè)像素樣本來(lái)確定x的編碼方式，即是采用常規(guī)編碼還是游程長(zhǎng)度編碼。

2.2 樣值編碼模式的選擇

【參考文獻(xiàn)】

[1]沈洪亮，劉金國(guó).基于JPEG-LS的遙感圖像無(wú)損壓縮技術(shù)[J].光電子技術(shù)，2009，9，29（3）.

[2]ISO/ICE FCD 14495.Lossless and near-lossless coding of continuous tone still images （JPEG-LS）[S].

[3]ISO/IEC International standard 15444-1，ITU Recommendation T.88，2000.Information technology-JPEG2000 image coding system[S].

[4]曹青，吳樂(lè)南.靜止圖像無(wú)失真編碼的新標(biāo)準(zhǔn)JPEG-LS[J].電子工程師，1999，2：12-14.

[5]王海榮.JPEG-LS多路并行譯碼算法的硬件實(shí)現(xiàn)[D].海南大學(xué)，2010.

[6]吳建美，林行剛.一種改進(jìn)的遙感圖像無(wú)損壓縮JPEG-LS算法[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2003（5）.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]

【摘 要】本文針對(duì)JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮算法展開(kāi)研究，算法采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)一步優(yōu)化，使其適合于硬件實(shí)現(xiàn)。分析其中的關(guān)鍵技術(shù)，常規(guī)模式編碼、預(yù)測(cè)誤差編碼和游長(zhǎng)模式編碼，并將這些算法以公式和表格的形式詳盡表示，降低了算法的復(fù)雜度，便于硬件描述語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。最后針對(duì)不同的圖像進(jìn)行了測(cè)試，得出了不同的壓縮比，仿真結(jié)果表明圖像的平滑度對(duì)圖像的壓縮比有較大的影響。

【關(guān)鍵詞】JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮；常規(guī)模式編碼；游長(zhǎng)模式編碼

【Abstract】This paper studies the JPEG-LS lossless image compression algorithm， this algorithm using C language to achieve， And further optimization， easy to implement with hardware.The key technologies about the algorithm were analyzed， such as conventional mode coding， prediction error coding and run-length encoding mode. These algorithms are detailed expressed In the form of formulas and tables.， reduces the complexity of the algorithm， easy to implement with hardware language. Finally， tested for different images come to different compression rates， the image simulation results show the smoothness of compressed image has a greater impact to the rates.

【Key words】JPEG-LS Lossless image compression； Regular mode coding； Run mode coding

0 引言

隨著衛(wèi)星遙感圖像技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)遙感圖像的質(zhì)量要求越來(lái)越高，由于航天圖像分辨率的要求，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量和傳輸量也在急劇增加，而衛(wèi)星通道帶寬有限，要有效地傳輸圖像信息，必須對(duì)圖像進(jìn)行高效壓縮。

JPEG-LS是針對(duì)連續(xù)圖像無(wú)損或近無(wú)損壓縮的ISO/ITU標(biāo)準(zhǔn)，它是近年來(lái)JPEG對(duì)于圖像無(wú)損壓縮擬訂的標(biāo)準(zhǔn)。目前，在天文觀測(cè)、航空航天、以及醫(yī)學(xué)攝像等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，它能將無(wú)損圖像無(wú)失真地還原出來(lái)。該算法在無(wú)損壓縮領(lǐng)域具有高保真度和低復(fù)雜度等特點(diǎn)[1]，便于硬件實(shí)現(xiàn)的，同目前流行的JPEG、JPEG2000、CCSDS等無(wú)損圖像壓縮算法相比較，在硬件實(shí)現(xiàn)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及圖像數(shù)據(jù)量的“爆炸”似增長(zhǎng)，研究更高效的圖像壓縮技術(shù)已迫在眉睫，各種先進(jìn)的壓縮技術(shù)優(yōu)化的編碼算法層出不窮。本文中對(duì)JPEG-LS靜態(tài)圖像壓縮算法采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，并對(duì)該算法進(jìn)行了優(yōu)化，使所編寫(xiě)的程序更適合于硬件描述語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)。

1 JPEG-LS圖像數(shù)據(jù)壓縮算法

JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮算法采用自適應(yīng)預(yù)測(cè)、上下文建模和Golomb編碼算法，對(duì)于圖像中的平坦區(qū)域采用游程模式編碼[2-3]，否則采用常規(guī)模式編碼。在無(wú)損壓縮模式下，JPEG-LS編碼模式與JPEG無(wú)失真模式相比較，區(qū)別主要在于JPEG-LS利用了Golomb行程編碼，并且引入了誤差可以控制的近無(wú)損（near-lossless）圖像壓縮。

JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮的主要編碼原則[4]如圖1所示，原始圖像數(shù)據(jù)以預(yù)定的掃描模式依次輸入編碼器，無(wú)損圖像壓縮被看做是一個(gè)歸納推理的過(guò)程，在編碼當(dāng)前像素時(shí)需先掃描過(guò)去的數(shù)據(jù)，給當(dāng)前像素值分配一個(gè)條件概率P，就可以推斷出當(dāng)前的像素值，這種推斷的模式稱為建模，當(dāng)前取樣像素值的平均碼長(zhǎng)分布為-log2P。對(duì)于近無(wú)損圖像壓縮則采用重建值代替原始值作為條件數(shù)據(jù)。在編碼過(guò)程中，越短的碼長(zhǎng)分配越大的概率值。

2 JPEG-LS圖像數(shù)據(jù)壓縮算法的編碼過(guò)程

2.1 上下文建模

所謂上下文建模就是指利用當(dāng)前待編碼數(shù)據(jù)的鄰居與當(dāng)前像素之間的相關(guān)性對(duì)其建模。假設(shè)當(dāng)前像素值為x，與其相鄰的四個(gè)像素值分別為a、b、c、d，利用這四個(gè)像素樣本來(lái)確定x的編碼方式，即是采用常規(guī)編碼還是游程長(zhǎng)度編碼。

2.2 樣值編碼模式的選擇

【參考文獻(xiàn)】

[1]沈洪亮，劉金國(guó).基于JPEG-LS的遙感圖像無(wú)損壓縮技術(shù)[J].光電子技術(shù)，2009，9，29（3）.

[2]ISO/ICE FCD 14495.Lossless and near-lossless coding of continuous tone still images （JPEG-LS）[S].

[3]ISO/IEC International standard 15444-1，ITU Recommendation T.88，2000.Information technology-JPEG2000 image coding system[S].

[4]曹青，吳樂(lè)南.靜止圖像無(wú)失真編碼的新標(biāo)準(zhǔn)JPEG-LS[J].電子工程師，1999，2：12-14.

[5]王海榮.JPEG-LS多路并行譯碼算法的硬件實(shí)現(xiàn)[D].海南大學(xué)，2010.

[6]吳建美，林行剛.一種改進(jìn)的遙感圖像無(wú)損壓縮JPEG-LS算法[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2003（5）.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]

【摘 要】本文針對(duì)JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮算法展開(kāi)研究，算法采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)一步優(yōu)化，使其適合于硬件實(shí)現(xiàn)。分析其中的關(guān)鍵技術(shù)，常規(guī)模式編碼、預(yù)測(cè)誤差編碼和游長(zhǎng)模式編碼，并將這些算法以公式和表格的形式詳盡表示，降低了算法的復(fù)雜度，便于硬件描述語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。最后針對(duì)不同的圖像進(jìn)行了測(cè)試，得出了不同的壓縮比，仿真結(jié)果表明圖像的平滑度對(duì)圖像的壓縮比有較大的影響。

【關(guān)鍵詞】JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮；常規(guī)模式編碼；游長(zhǎng)模式編碼

【Abstract】This paper studies the JPEG-LS lossless image compression algorithm， this algorithm using C language to achieve， And further optimization， easy to implement with hardware.The key technologies about the algorithm were analyzed， such as conventional mode coding， prediction error coding and run-length encoding mode. These algorithms are detailed expressed In the form of formulas and tables.， reduces the complexity of the algorithm， easy to implement with hardware language. Finally， tested for different images come to different compression rates， the image simulation results show the smoothness of compressed image has a greater impact to the rates.

【Key words】JPEG-LS Lossless image compression； Regular mode coding； Run mode coding

0 引言

隨著衛(wèi)星遙感圖像技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)遙感圖像的質(zhì)量要求越來(lái)越高，由于航天圖像分辨率的要求，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量和傳輸量也在急劇增加，而衛(wèi)星通道帶寬有限，要有效地傳輸圖像信息，必須對(duì)圖像進(jìn)行高效壓縮。

JPEG-LS是針對(duì)連續(xù)圖像無(wú)損或近無(wú)損壓縮的ISO/ITU標(biāo)準(zhǔn)，它是近年來(lái)JPEG對(duì)于圖像無(wú)損壓縮擬訂的標(biāo)準(zhǔn)。目前，在天文觀測(cè)、航空航天、以及醫(yī)學(xué)攝像等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，它能將無(wú)損圖像無(wú)失真地還原出來(lái)。該算法在無(wú)損壓縮領(lǐng)域具有高保真度和低復(fù)雜度等特點(diǎn)[1]，便于硬件實(shí)現(xiàn)的，同目前流行的JPEG、JPEG2000、CCSDS等無(wú)損圖像壓縮算法相比較，在硬件實(shí)現(xiàn)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及圖像數(shù)據(jù)量的“爆炸”似增長(zhǎng)，研究更高效的圖像壓縮技術(shù)已迫在眉睫，各種先進(jìn)的壓縮技術(shù)優(yōu)化的編碼算法層出不窮。本文中對(duì)JPEG-LS靜態(tài)圖像壓縮算法采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，并對(duì)該算法進(jìn)行了優(yōu)化，使所編寫(xiě)的程序更適合于硬件描述語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)。

1 JPEG-LS圖像數(shù)據(jù)壓縮算法

JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮算法采用自適應(yīng)預(yù)測(cè)、上下文建模和Golomb編碼算法，對(duì)于圖像中的平坦區(qū)域采用游程模式編碼[2-3]，否則采用常規(guī)模式編碼。在無(wú)損壓縮模式下，JPEG-LS編碼模式與JPEG無(wú)失真模式相比較，區(qū)別主要在于JPEG-LS利用了Golomb行程編碼，并且引入了誤差可以控制的近無(wú)損（near-lossless）圖像壓縮。

JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮的主要編碼原則[4]如圖1所示，原始圖像數(shù)據(jù)以預(yù)定的掃描模式依次輸入編碼器，無(wú)損圖像壓縮被看做是一個(gè)歸納推理的過(guò)程，在編碼當(dāng)前像素時(shí)需先掃描過(guò)去的數(shù)據(jù)，給當(dāng)前像素值分配一個(gè)條件概率P，就可以推斷出當(dāng)前的像素值，這種推斷的模式稱為建模，當(dāng)前取樣像素值的平均碼長(zhǎng)分布為-log2P。對(duì)于近無(wú)損圖像壓縮則采用重建值代替原始值作為條件數(shù)據(jù)。在編碼過(guò)程中，越短的碼長(zhǎng)分配越大的概率值。

2 JPEG-LS圖像數(shù)據(jù)壓縮算法的編碼過(guò)程

2.1 上下文建模

所謂上下文建模就是指利用當(dāng)前待編碼數(shù)據(jù)的鄰居與當(dāng)前像素之間的相關(guān)性對(duì)其建模。假設(shè)當(dāng)前像素值為x，與其相鄰的四個(gè)像素值分別為a、b、c、d，利用這四個(gè)像素樣本來(lái)確定x的編碼方式，即是采用常規(guī)編碼還是游程長(zhǎng)度編碼。

2.2 樣值編碼模式的選擇

【參考文獻(xiàn)】

[1]沈洪亮，劉金國(guó).基于JPEG-LS的遙感圖像無(wú)損壓縮技術(shù)[J].光電子技術(shù)，2009，9，29（3）.

[2]ISO/ICE FCD 14495.Lossless and near-lossless coding of continuous tone still images （JPEG-LS）[S].

[3]ISO/IEC International standard 15444-1，ITU Recommendation T.88，2000.Information technology-JPEG2000 image coding system[S].

[4]曹青，吳樂(lè)南.靜止圖像無(wú)失真編碼的新標(biāo)準(zhǔn)JPEG-LS[J].電子工程師，1999，2：12-14.

[5]王海榮.JPEG-LS多路并行譯碼算法的硬件實(shí)現(xiàn)[D].海南大學(xué)，2010.

[6]吳建美，林行剛.一種改進(jìn)的遙感圖像無(wú)損壓縮JPEG-LS算法[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2003（5）.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]