一種新的基于先驗數據表的JPEG-LS動態碼率控制算法

張 毅 雷 杰 李云松

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一種新的基于先驗數據表的JPEG-LS動態碼率控制算法

張 毅 雷 杰*李云松

(西安電子科技大學綜合業務網國家重點實驗室 西安 710071)

JPEG-LS算法簡單，壓縮性能出眾，特別適合應用在圖像的無損/近無損壓縮領域。但是，無法精確控制碼率的缺點使得JPEG-LS難以應用在帶寬受限的衛星圖像編碼領域。為了解決這個問題，該文基于對JPEG-LS編碼特性的分析，通過理論推導得出輸出碼率與失真量化參數的數學關系，提出一種以查表算法為核心的新型JPEG-LS動態碼率控制算法。相對于現有的動態碼率控制算法，該算法具有碼率精確度高，收斂速度快等優點。

圖像壓縮；碼率控制；近無損；JPEG-LS

1 引言

壓縮編碼技術是圖像處理和傳輸過程中的一項關鍵技術，JPEG-LS圖像壓縮標準在無損/近無損壓縮時性能優異，算法復雜度低，成為空間通信和醫療等領域圖像壓縮技術的首選方案[1]。但是JPEG-LS有一個缺陷，編碼器輸出碼率波動較大而且不可控，這種缺陷極大限制了JPEG-LS的應用。特別是在遙感衛星應用中，信道帶寬受到嚴格的限制，編碼器的輸出碼率必須與信道帶寬相匹配[2]。

本文通過對JPEG-LS圖像壓縮標準的編碼特性進行分析，提出了一種基于先驗數據表的JPEG- LS動態碼率控制算法。實驗結果表明該方法可以更好地實現碼率的精確控制，在碼率精確度、碼率收斂速度方面都明顯優于現有的一階線性碼率控制算法，且保留了JPEG-LS復雜度低、運算消耗小的優點。

2 現有JPEG-LS碼率控制算法

3 JPEG-LS編碼特性分析

3.1 Golomb-Rice編碼

在JPEG-LS的核心算法LOCO-I[10]中，采用一種估計的方法來得出合適的值，使得Golomb- Rice的編碼長度最短[13]。估算式如式(3)所示。

將式(3)代入式(2)中，得到具體的碼長為

3.2 失真量化參數對輸出碼率的影響

分別對式(5)和式(6)等號兩邊取絕對值，并取數學期望，得

將式(7)，式(9)和式(8)，式(10)分別代入式(11)，式(12)中，并求差值得

圖1 不同復雜度圖像的碼率特性曲線的關系

4 基于先驗數據表的碼率控制算法

4.1 基于查表的值的選取方法

統計得到的先驗數據如表1所示，由第3節的分析結論可知：該表內容適用于各類圖像的壓縮，具有通用性，且在壓縮過程中不需要更新。這種特點使得本文算法不僅精確度高，而且復雜度低，易于實現。

表1實驗統計得到的經驗數組

失真控制參數碼率調整(bpp)失真控制參數碼率調整(bpp) 01.56896100.07480 10.69552110.06464 20.42024120.05856 30.29728130.05288 40.22088140.04664 50.17384150.04264 60.14080160.03976 70.11896170.03680 80.10176180.03472 90.08776190.03232

(4)結束調整。

圖2 情況下的值調整算法流程圖

4.2 基于先驗數據表的動態碼率控制算法

步驟1 初始化：

(4)計算前個碼塊的碼率偏差

步驟4 結束編碼。

5 實驗結果及算法性能評價

(1)碼率精確度 圖4反映的是兩種算法在碼率精確度上的性能對比。分別使用一階線性碼率控制算法和本文算法對測試圖像進行壓縮編碼和碼率控制，記錄在不同算法控制下，測試圖像的輸出碼率和目標碼率的差。獲得的實驗結果如圖4所示，橫軸為圖像序號，縱軸代表圖像實際輸出碼率和目標碼率的偏差的絕對值。從圖4可以直觀地看到，本文提出的碼率控制算法的碼率偏差明顯小于一階線性碼率控制算法。

圖3 基于JPEG-LS編碼特性的碼率控制算法框圖

6 結論

本文通過深入分析JPEG-LS的編碼特性，提出了一種以失真量化參數的查表算法為核心的新型JPEG-LS動態碼率控制算法，實驗結果表明：該算法在碼率控制精度以及碼率收斂速度等主要性能指標上都明顯超過現有的一階動態碼率控制算法，并且復雜度低，易于實現，能將JPEG-LS更好地應用于帶寬受限的場合中。

圖4 兩種算法的碼率精確度對比

圖5 兩種算法的碼率收斂速度對比圖

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張 毅： 男，1989年生，碩士生，研究方向為圖像編碼算法及其硬件實現.

雷 杰： 男，1981年生，副教授，研究方向為圖像/視頻傳輸與處理.

李云松： 男，1974年生，教授，研究方向為圖像/視頻傳輸與處理.

A Novel Dynamic Rate Control Algorithm for JPEG-LS Based on Empirical Data Table

Zhang Yi Lei Jie Li Yun-song

(,,’710071,)

JPEG-LS is suitable for the field of lossless/near-lossless image compression because of its simple algorithm and high performance. However, it is difficult for JPEG-LS to control precisely the bit rate, which makes it hard to be applied to bandwidth-constrained occasions such as the satellite image coding. To solve this issue, the mathematic relation between bit rate and the quantization parameter is obtained by analyzing the coding characteristics of JPEG-LS, with which a novel dynamic bit-rate control algorithm is proposed based on the look-up table algorithm. Experimental results show that the proposed new bit-rate control algorithm is superior to the current JPEG-LS rate control scheme on the accuracy of bit-rate and the speed of bit-rate convergence.

Image compression; Bit-rate control; Near-lossless; JPEG-LS

TN919.81

A

1009-5896(2014)04-0823-05

10.3724/SP.J.1146.2013.00759

2013-05-27收到，2013-12-20改回

國家優秀青年基金(61222101)，國家自然科學基金(61301287, 61301291), 111基地項目(B08038)和中央高校基本科研業務費專項資金(K5051301043, K5051201043)資助課題

雷杰 jielei@mail.xidian.edu.cn