一種易于硬件實現的JPEG—LS無損圖像壓縮算法

【摘 要】本文針對JPEG-LS無損圖像壓縮算法展開研究，算法采用C語言實現，并進一步優化，使其適合于硬件實現。分析其中的關鍵技術，常規模式編碼、預測誤差編碼和游長模式編碼，并將這些算法以公式和表格的形式詳盡表示，降低了算法的復雜度，便于硬件描述語言編程實現。最后針對不同的圖像進行了測試，得出了不同的壓縮比，仿真結果表明圖像的平滑度對圖像的壓縮比有較大的影響。

【關鍵詞】JPEG-LS無損圖像壓縮；常規模式編碼；游長模式編碼

【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

隨著衛星遙感圖像技術的發展，人們對遙感圖像的質量要求越來越高，由于航天圖像分辨率的要求，數據的存儲量和傳輸量也在急劇增加，而衛星通道帶寬有限，要有效地傳輸圖像信息，必須對圖像進行高效壓縮。

JPEG-LS是針對連續圖像無損或近無損壓縮的ISO/ITU標準，它是近年來JPEG對于圖像無損壓縮擬訂的標準。目前，在天文觀測、航空航天、以及醫學攝像等領域都得到了廣泛的應用，它能將無損圖像無失真地還原出來。該算法在無損壓縮領域具有高保真度和低復雜度等特點[1]，便于硬件實現的，同目前流行的JPEG、JPEG2000、CCSDS等無損圖像壓縮算法相比較，在硬件實現方面具有明顯的優勢。隨著產業的發展、科技的進步以及圖像數據量的“爆炸”似增長，研究更高效的圖像壓縮技術已迫在眉睫，各種先進的壓縮技術優化的編碼算法層出不窮。本文中對JPEG-LS靜態圖像壓縮算法采用C語言實現，并對該算法進行了優化，使所編寫的程序更適合于硬件描述語言的實現。

1 JPEG-LS圖像數據壓縮算法

JPEG-LS無損圖像壓縮算法采用自適應預測、上下文建模和Golomb編碼算法，對于圖像中的平坦區域采用游程模式編碼[2-3]，否則采用常規模式編碼。在無損壓縮模式下，JPEG-LS編碼模式與JPEG無失真模式相比較，區別主要在于JPEG-LS利用了Golomb行程編碼，并且引入了誤差可以控制的近無損（near-lossless）圖像壓縮。

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

2 JPEG-LS圖像數據壓縮算法的編碼過程

2.1 上下文建模

所謂上下文建模就是指利用當前待編碼數據的鄰居與當前像素之間的相關性對其建模。假設當前像素值為x，與其相鄰的四個像素值分別為a、b、c、d，利用這四個像素樣本來確定x的編碼方式，即是采用常規編碼還是游程長度編碼。

2.2 樣值編碼模式的選擇

【參考文獻】

[1]沈洪亮，劉金國.基于JPEG-LS的遙感圖像無損壓縮技術[J].光電子技術，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，吳樂南.靜止圖像無失真編碼的新標準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現[D].海南大學，2010.

[6]吳建美，林行剛.一種改進的遙感圖像無損壓縮JPEG-LS算法[J].中國圖象圖形學報，2003（5）.

[責任編輯：楊玉潔]

【摘 要】本文針對JPEG-LS無損圖像壓縮算法展開研究，算法采用C語言實現，并進一步優化，使其適合于硬件實現。分析其中的關鍵技術，常規模式編碼、預測誤差編碼和游長模式編碼，并將這些算法以公式和表格的形式詳盡表示，降低了算法的復雜度，便于硬件描述語言編程實現。最后針對不同的圖像進行了測試，得出了不同的壓縮比，仿真結果表明圖像的平滑度對圖像的壓縮比有較大的影響。

【關鍵詞】JPEG-LS無損圖像壓縮；常規模式編碼；游長模式編碼

【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

隨著衛星遙感圖像技術的發展，人們對遙感圖像的質量要求越來越高，由于航天圖像分辨率的要求，數據的存儲量和傳輸量也在急劇增加，而衛星通道帶寬有限，要有效地傳輸圖像信息，必須對圖像進行高效壓縮。

JPEG-LS是針對連續圖像無損或近無損壓縮的ISO/ITU標準，它是近年來JPEG對于圖像無損壓縮擬訂的標準。目前，在天文觀測、航空航天、以及醫學攝像等領域都得到了廣泛的應用，它能將無損圖像無失真地還原出來。該算法在無損壓縮領域具有高保真度和低復雜度等特點[1]，便于硬件實現的，同目前流行的JPEG、JPEG2000、CCSDS等無損圖像壓縮算法相比較，在硬件實現方面具有明顯的優勢。隨著產業的發展、科技的進步以及圖像數據量的“爆炸”似增長，研究更高效的圖像壓縮技術已迫在眉睫，各種先進的壓縮技術優化的編碼算法層出不窮。本文中對JPEG-LS靜態圖像壓縮算法采用C語言實現，并對該算法進行了優化，使所編寫的程序更適合于硬件描述語言的實現。

1 JPEG-LS圖像數據壓縮算法

JPEG-LS無損圖像壓縮算法采用自適應預測、上下文建模和Golomb編碼算法，對于圖像中的平坦區域采用游程模式編碼[2-3]，否則采用常規模式編碼。在無損壓縮模式下，JPEG-LS編碼模式與JPEG無失真模式相比較，區別主要在于JPEG-LS利用了Golomb行程編碼，并且引入了誤差可以控制的近無損（near-lossless）圖像壓縮。

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

2 JPEG-LS圖像數據壓縮算法的編碼過程

2.1 上下文建模

所謂上下文建模就是指利用當前待編碼數據的鄰居與當前像素之間的相關性對其建模。假設當前像素值為x，與其相鄰的四個像素值分別為a、b、c、d，利用這四個像素樣本來確定x的編碼方式，即是采用常規編碼還是游程長度編碼。

2.2 樣值編碼模式的選擇

【參考文獻】

[1]沈洪亮，劉金國.基于JPEG-LS的遙感圖像無損壓縮技術[J].光電子技術，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，吳樂南.靜止圖像無失真編碼的新標準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現[D].海南大學，2010.

[6]吳建美，林行剛.一種改進的遙感圖像無損壓縮JPEG-LS算法[J].中國圖象圖形學報，2003（5）.

[責任編輯：楊玉潔]

【摘 要】本文針對JPEG-LS無損圖像壓縮算法展開研究，算法采用C語言實現，并進一步優化，使其適合于硬件實現。分析其中的關鍵技術，常規模式編碼、預測誤差編碼和游長模式編碼，并將這些算法以公式和表格的形式詳盡表示，降低了算法的復雜度，便于硬件描述語言編程實現。最后針對不同的圖像進行了測試，得出了不同的壓縮比，仿真結果表明圖像的平滑度對圖像的壓縮比有較大的影響。

【關鍵詞】JPEG-LS無損圖像壓縮；常規模式編碼；游長模式編碼

【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

隨著衛星遙感圖像技術的發展，人們對遙感圖像的質量要求越來越高，由于航天圖像分辨率的要求，數據的存儲量和傳輸量也在急劇增加，而衛星通道帶寬有限，要有效地傳輸圖像信息，必須對圖像進行高效壓縮。

JPEG-LS是針對連續圖像無損或近無損壓縮的ISO/ITU標準，它是近年來JPEG對于圖像無損壓縮擬訂的標準。目前，在天文觀測、航空航天、以及醫學攝像等領域都得到了廣泛的應用，它能將無損圖像無失真地還原出來。該算法在無損壓縮領域具有高保真度和低復雜度等特點[1]，便于硬件實現的，同目前流行的JPEG、JPEG2000、CCSDS等無損圖像壓縮算法相比較，在硬件實現方面具有明顯的優勢。隨著產業的發展、科技的進步以及圖像數據量的“爆炸”似增長，研究更高效的圖像壓縮技術已迫在眉睫，各種先進的壓縮技術優化的編碼算法層出不窮。本文中對JPEG-LS靜態圖像壓縮算法采用C語言實現，并對該算法進行了優化，使所編寫的程序更適合于硬件描述語言的實現。

1 JPEG-LS圖像數據壓縮算法

JPEG-LS無損圖像壓縮算法采用自適應預測、上下文建模和Golomb編碼算法，對于圖像中的平坦區域采用游程模式編碼[2-3]，否則采用常規模式編碼。在無損壓縮模式下，JPEG-LS編碼模式與JPEG無失真模式相比較，區別主要在于JPEG-LS利用了Golomb行程編碼，并且引入了誤差可以控制的近無損（near-lossless）圖像壓縮。

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

2 JPEG-LS圖像數據壓縮算法的編碼過程

2.1 上下文建模

所謂上下文建模就是指利用當前待編碼數據的鄰居與當前像素之間的相關性對其建模。假設當前像素值為x，與其相鄰的四個像素值分別為a、b、c、d，利用這四個像素樣本來確定x的編碼方式，即是采用常規編碼還是游程長度編碼。

2.2 樣值編碼模式的選擇

【參考文獻】

[1]沈洪亮，劉金國.基于JPEG-LS的遙感圖像無損壓縮技術[J].光電子技術，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，吳樂南.靜止圖像無失真編碼的新標準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現[D].海南大學，2010.

[6]吳建美，林行剛.一種改進的遙感圖像無損壓縮JPEG-LS算法[J].中國圖象圖形學報，2003（5）.

[責任編輯：楊玉潔]