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)長一段時間內(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。基于對超大規(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)計可以在計算能力及內(nèi)存資源非常受限的平臺上實(shí)現(xiàn)的圖像壓縮算法；與此同時，待處理圖像的分辨率及尺寸也穩(wěn)步增長。對于此類設(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)存及計算瓶頸，第三章論述了低內(nèi)存開銷及低計算復(fù)雜度的離散變換實(shí)現(xiàn)技術(shù)?？紤]對于實(shí)時圖

4、像壓縮通信系統(tǒng)（例如偵察衛(wèi)星實(shí)時圖像壓縮），端對端延遲至關(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個方面。通過將反折結(jié)構(gòu)分解為奇、偶時間索引對應(yīng)的操作，提出了一種低內(nèi)存需求、低計算復(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)存需求及計算復(fù)雜度。對于圖像/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)時離散小波變換實(shí)現(xiàn)需要6個存儲單元（對二維情景，則為圖像行）。DFS可在不增加計算復(fù)雜度的前提下，將存儲單元數(shù)降到5（或圖像行）。另一方面，基于計算的負(fù)載均衡性及實(shí)驗結(jié)果也表明，DFS實(shí)現(xiàn)相對于傳統(tǒng)的提升結(jié)構(gòu)

6、實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時間縮短了44％。通過對提升結(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度差大于2時，Opt-LBWT具有更低的全局內(nèi)存開銷及系統(tǒng)時延。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實(shí)現(xiàn)、內(nèi)存可調(diào)節(jié)的級聯(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)時圖像/視頻壓縮應(yīng)用。基于該方法實(shí)現(xiàn)的正、逆變換均具

8、有與信號長度（或圖像行數(shù)）無關(guān)的低內(nèi)存需求。理論分析及實(shí)驗結(jié)果表明，該方法在計算及內(nèi)存效率方面均優(yōu)于現(xiàn)存方法。基于兩帶線性相位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)時視頻通信應(yīng)用（如視頻會議，視頻監(jiān)控等）中，降低由于離散時域多分辨率變換引入的端對端延遲對于參與者的及時響應(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，提出了一個完整的低內(nèi)存需求、低計算復(fù)雜度的圖像壓縮系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用前述各項技術(shù)，具有極低的內(nèi)存開銷及計算復(fù)雜度，易于在低端硬件平臺上實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗結(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