JPEG2000编码器IP核设计的具体算法与结构分析

一、应用前景

数码照相机、数字监控系统、数字扫描仪，网路传输、无线通讯、医疗影像。

二、项目背景

在过去的十几年来，高质量图像的应用场合越来越多。但是数字图像的存储和传输的高额费用成为普及其发展的最大障碍。由此对图像压缩编码的研究提出了很高等要求。早在1991年，国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）就制定了静止图像压缩标准JPEG（Joint Photographic Experts Group）。该标准使用离散余弦变换（DCT）作为其核心编码，在中高码率（大于0.25比特/像素）对于连续色调的静止灰度或彩色图像提供了较好的压缩性能。目前JPEG标准广泛用于数码相机，数字扫描仪等场合，取得了巨大的成功，商用芯片也已经很成熟。然而随着数字视频捕捉设备和数字相机的普及，以及高清晰度电视（HDTV）和可视电话的应用，对图像压缩编码的要求越来越高，再加上JPEG在低码率下严重的“方块效应”等缺点，新的标准JPEG2000应运而生。

JPEG2000是一种新的静止图像压缩标准（代号ISO15444），于2001年3月正式发布。JPEG2000的目标是创造一个新的图像压缩系统，能够用于不同类型（双色，灰度，彩色，多基色）、不同特性（自然风景，科学图像，医学影像，遥感图像，文本，绘制图等等）的静止图像，并且在一个统一的体系下允许不同成像模型（客户端/服务器，实时传送，图像图书馆档案，缓冲与带宽受限等等）。JPEG2000编码系统能够提供低码率条件下（码率小于0.25比特/秒）当前标准JPEG更佳的率失真性能和主观图像质量，同时不牺牲其它方性能。JPEG2000包含下列优于JPEG的特性：

1、低码率压缩：当前标准，如JPEG，在中高码率提供较好的率失真性能，但在低码率（如低于0.25比特/秒情况下的高分辨率灰度图）失真严重，主观上不可接受；

2、无损与有损压缩：当前所有标准都不能在单一码流内提供无损和有损压缩；大图像：当前JPEG标准不能直接压缩规模大于64K的图像，必须进行拼接；

3、单一解码架构：当前JPEG标准包含44种模式，其中很多是面向特定的应用而不被大多数JPEG解码器使用。单一解码架构将使应用程序之间易于交换数据；

4、噪声环境下的传输：当前JPEG标准提供在间断处重新开始的特性，但发生错误时图像质量变得很差；

5、计算机图形：当前JPEG标准是为自然风景优化的，在计算机图形上性能不佳；

6、复合文档：当前JPEG标准很少用于复合文档，因为在双色（文本）情况下性能低下。

除此以外，JPEG2000还包含了很多新的先进特性，可以满足高端应用和新的应用的需求，同时它的应用还可以扩展到某些当前并不使用压缩技术的领域，主要包括如下方面：

1、JPEG2000有一个很好的优点就是误码稳定性好（Robustness to Bit Error）。因此使用JPEG2000的系统稳定性好，运行平稳，抗干扰性好，易于操作；

2、JPEG2000能实现渐进传输（Progressive Transmission），这是JPEG2000的一个极其重要的特征。它先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图像质量，以满足用户的需要。这在网络传输中有着重大的意义；

3、JPEG2000另一个极其重要的优点就是感兴趣区域（Region of Interest，ROI）。用户可以随意指定感兴趣区域。在这些区域，用户可以在压缩时指定特定的压缩质量，或在恢复时指定特定的解压缩要求。这给用户带来了极大的方便。在有些情况下，图像中只有一小块区域对用户是有用的，对这些区域，采用低压缩比，而感兴趣区域之外采用高压缩比，在保证不丢失重要信息的同时，又能有效地压缩数据量，这就是基于ROI的编码方案所采取的压缩策略。基于ROI的压缩方法的优点，在于它结合了接收方对压缩的主观需求，实现了交互式压缩。而接收方随着观察，常常会有新的要求，可能对新的区域感兴趣，也可能希望某一区域更清晰些。这些功能的实现主要在于JPEG2000码流的分层组织。数据可以分层传输因此可以提供分辨率分级渐进；每增加一级数据，分辨率可以提高一级。

当然，JPEG2000的改进还不仅仅这些，如它考虑了人的视觉特性，增加了视觉权重和掩膜，在不损害视觉效果的情况下大大提高了压缩效率；你可以为一个图像文件加上加密的版权信息，这种经过加密的版权信息在图像编辑的过程（放大、复制）中将没有损失，比目前的“水印”技朮更为先进；此外，JPEG2000对CMYK、ICC、RGB等多种色彩模式都有很好的兼容性，这为用户按照自己需求在不同显示器、打印机等外设进行色彩管理带来了便利。

三、项目立意

当前，JPEG2000的应用还没有到普及的程度，这是因为它相比JPEG性能的提升和更多的特性也带来了硬件实现上的复杂，现有JPEG2000的商用芯片种类很少，IP核的价格也很高，对该标准的普及带来了障碍。然而它优秀的性能决定了它光明的前途，申请此项目更是为了借OpenHW开放源码设计大赛这个平台，实现一个简单，易用，高效，可靠，方便扩展并且公开源码的JPEG2000编码器IP核，为JPEG2000走向普及做出贡献。随着时代的发展，又出现了很多JPEG2000结构实现的新方案，如更高效的DWT引擎，更好的EBCOT硬件结构，在此次项目中也想将这些最新的成果应用进来，力图做出一个性能更好的编码器。