資源受限的超高分辨率圖像壓縮關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、最近十年，數(shù)字圖像的采集、傳輸及存儲(chǔ)已經(jīng)滲透到大眾生活的方方面面?；跀?shù)字技術(shù)，圖像的重現(xiàn)、處理、存儲(chǔ)及傳輸變得非常便利。數(shù)字圖像也適合方興未艾的互聯(lián)網(wǎng)。雖然優(yōu)點(diǎn)眾多，但是數(shù)字圖像也面臨如下問題：當(dāng)采用原始格式表示時(shí)需要占用大量數(shù)據(jù)空間，處理高精度傳感器生成的超高分辨率/超大尺寸圖像時(shí)更是如此。數(shù)字圖像壓縮是解決此問題不可或缺的技術(shù)。相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，數(shù)字圖像壓縮的主要目標(biāo)是提高壓縮性能，即在數(shù)據(jù)量不增加的前提下提高重構(gòu)圖像的主、客觀質(zhì)

2、量?；趯?duì)超大規(guī)模集成電路技術(shù)飛速發(fā)展的認(rèn)知，算法的計(jì)算復(fù)雜度/內(nèi)存開銷不是優(yōu)先考慮的因素。但是，近期圖像壓縮的格局發(fā)生了變化。隨著移動(dòng)及無線設(shè)備（如智能手機(jī)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等）的演變和廣泛接受，要求設(shè)計(jì)可以在計(jì)算能力及內(nèi)存資源非常受限的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的圖像壓縮算法；與此同時(shí)，待處理圖像的分辨率及尺寸也穩(wěn)步增長(zhǎng)。對(duì)于此類設(shè)備，除壓縮性能外，存在一些其他的限制，包括功耗、可伸縮性、低復(fù)雜度及低內(nèi)存開銷等。例如，研究早已表明，基于離散小波變換的

3、圖像壓縮技術(shù)在壓縮性能方面遠(yuǎn)優(yōu)于基于DCT的圖像壓縮技術(shù)，但是實(shí)現(xiàn)前者所需的高復(fù)雜度阻礙了其在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)于以電池供電的手持式設(shè)備更是如此。
　　本文在考慮適應(yīng)處理超高分辨率/超大尺寸圖像的新需求前提下，第二章將涉及此類離散去相關(guān)變換（如常規(guī)塊變換，疊式變換及離散小波變換）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。為了克服由超高分辨率/超大尺寸圖像的海量像素導(dǎo)致的內(nèi)存及計(jì)算瓶頸，第三章論述了低內(nèi)存開銷及低計(jì)算復(fù)雜度的離散變換實(shí)現(xiàn)技術(shù)?？紤]對(duì)于實(shí)時(shí)圖

4、像壓縮通信系統(tǒng)（例如偵察衛(wèi)星實(shí)時(shí)圖像壓縮），端對(duì)端延遲至關(guān)重要，第四章研究了一般線性相位小波濾波器組及其樹狀結(jié)構(gòu)的最小端對(duì)端延遲實(shí)現(xiàn)。第五章在分析當(dāng)前各類圖像編碼技術(shù)基礎(chǔ)上，研究了適合超高分辨率/超大尺寸圖像壓縮編碼算法，主要考慮低內(nèi)存開銷的離散變換與低內(nèi)存編碼之間的耦合。具體地，本論文的貢獻(xiàn)主要在于下述5個(gè)方面。通過將反折結(jié)構(gòu)分解為奇、偶時(shí)間索引對(duì)應(yīng)的操作，提出了一種低內(nèi)存需求、低計(jì)算復(fù)雜度的離散小波變換實(shí)現(xiàn)技術(shù)—DFS(Decomp

5、osed Flipping Structure)。相對(duì)于傳統(tǒng)的基于提升結(jié)構(gòu)的離散小波變換實(shí)現(xiàn)，DFS具有更低的內(nèi)存需求及計(jì)算復(fù)雜度。對(duì)于圖像/視頻壓縮中最常用的CDF9/7離散小波濾波器組而言，包括輸入輸出單元在內(nèi)，基于提升結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)離散小波變換實(shí)現(xiàn)需要6個(gè)存儲(chǔ)單元（對(duì)二維情景，則為圖像行）。DFS可在不增加計(jì)算復(fù)雜度的前提下，將存儲(chǔ)單元數(shù)降到5（或圖像行）。另一方面，基于計(jì)算的負(fù)載均衡性及實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，DFS實(shí)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)的提升結(jié)構(gòu)

6、實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)間縮短了44％。通過對(duì)提升結(jié)構(gòu)因果化實(shí)現(xiàn)及子帶系數(shù)疊混模式進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種改進(jìn)的低內(nèi)存需求離散小波變換實(shí)現(xiàn)方案—Opt-LBWT(Optimized Line-Based Wavelet Transform)。相對(duì)于DWT的常規(guī)全局實(shí)現(xiàn)法，Opt-LBWT的正、逆變換均具有與圖像高度無關(guān)的低內(nèi)存需求且不同分解層可以使用不同的小波濾波器。相對(duì)于基于行的離散小波變換（Line-Based Wavelet Transform，L

7、BWT），當(dāng)小波濾波器組中的濾波器長(zhǎng)度差大于2時(shí)，Opt-LBWT具有更低的全局內(nèi)存開銷及系統(tǒng)時(shí)延。以MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)中靜態(tài)紋理壓縮所采用的9/3濾波器組及典型的5層分解為例，相對(duì)于LBWT，基于Opt-LBWT的二維DWT實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存需求降低了22.7%。
　　本研究提出了一種可即時(shí)實(shí)現(xiàn)、內(nèi)存可調(diào)節(jié)的級(jí)聯(lián)疊式變換實(shí)現(xiàn)。該方法只需所有數(shù)據(jù)通過處理單元一次，不存在數(shù)據(jù)回訪，因此適用實(shí)時(shí)圖像/視頻壓縮應(yīng)用?；谠摲椒▽?shí)現(xiàn)的正、逆變換均具

8、有與信號(hào)長(zhǎng)度（或圖像行數(shù)）無關(guān)的低內(nèi)存需求。理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在計(jì)算及內(nèi)存效率方面均優(yōu)于現(xiàn)存方法?；趦蓭Ь€性相位FIR濾波器組的多分辨率變換在圖像/視頻壓縮編碼中應(yīng)用非常廣泛。在實(shí)時(shí)視頻通信應(yīng)用（如視頻會(huì)議，視頻監(jiān)控等）中，降低由于離散時(shí)域多分辨率變換引入的端對(duì)端延遲對(duì)于參與者的及時(shí)響應(yīng)十分關(guān)鍵。通過分析重構(gòu)幀與輸入樣本幀之間的時(shí)域依賴關(guān)系，給出并證明了一般的兩帶線性相位FIR濾波器組的最小端對(duì)端延遲，并給出了其相關(guān)閉合表

9、達(dá)式?；诖耍岢隽艘环N具有最低內(nèi)存需求的DWT實(shí)現(xiàn)技術(shù)—Mini-Delay DWT。據(jù)作者所知，在目前所有DWT實(shí)現(xiàn)中，Mini-Delay DWT擁有最低的內(nèi)存開銷。為了利用有限的計(jì)算資源及內(nèi)存開銷處理超高分辨率/超大尺寸圖像，提出了一個(gè)完整的低內(nèi)存需求、低計(jì)算復(fù)雜度的圖像壓縮系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用前述各項(xiàng)技術(shù)，具有極低的內(nèi)存開銷及計(jì)算復(fù)雜度，易于在低端硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該圖像壓縮系統(tǒng)具有與當(dāng)前主流圖像壓縮系統(tǒng)相當(dāng)?shù)膲嚎s性能