MQ算术编码器原理及实现

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JPEG2000中的算术编码,MQ算术编码器原理及实现
山国剧技论文在线 http://www.paper.edu.cn 3.MQ算术编码器原理 31MQ编码器结构 IPFG2000标准中的MQ编码器结构如图2所示,编码器输入由待编码位D和上下文矢 量CX构成,他们是由 EBCOT(嵌入式位平面失真率可优化编码)成对产生的。CX是位平面 编码中根据邻域相关性归纳而来的概率统计模型,共有19和。即对于不同的CX,符号概率 不相同。 D ENCODER CD 图2№Q编码器结构图 32递归区间划分以及编码近似 递归概率区间分割的ELAS编码是二进制算术编码的基础。算术绵码器首先按符号 概率将符号分为大概率符号MPS和小概率符号LPS。区间划分时,LPS区间在MPS区间之 前。如图2: MPS 图3MQ编码器编码区间示意图 当对MPS进行编码时,L門S子区间间隔就被加到编码串上。因而对每一位进行编码时 必须预先知道LPS子间隔的大小和MPs的代表符号。编码过程就是对输入的每一位进行判 定,不断地改变编码串C的值,使它指向当前间隔底端。编码过程用二进制分数加法代替 整数码宇的串加,概率越人的二进制位可以用分数位进行编码,从而减少编码的位数,达到 压缩的效果 假设A为当前问隔,而Qe为LPS的估计概率。那么对间隔进行准确的划分,必须满 足以下式子 MPS子区间问隔=A-(Qe*A) (1) LPS了区间间隔=Qe*A (2) 为了避免硬件较难实现的乘法运算,在JPEG2000中用下面式了代替来避免乘法运算: MPS子区间问间隔=A-(Qe*A) PS子区间间隔=Qe*A 3 山国剧技论文在线 http://www.paper.edu.cn 编码时对运算进行简化,直接用小概率符号概率代替IPS区间长度Qc*A,以消除 乘法运算。当对MPS进行编码时,编码串的值加上Qe,而间隔减少为AQe。而当对LPS 进行编码时,编码串C不变,间隔减小为Qe。然后根据需要对A和C进行归一化,使A 落在0.75~1.5的区间内(原始仝概率区间为[0,1.5),075为中点值)。其相应的格形表示 为侏持A大于0x8000。若小于这个值,则通过重整化过程,对寄存器C和A进行左移位处 理 由于区间分割采用这样的近似,可能在某些时候使LPS的概率比MPS的大。如当A值 为075,而Q为0.5吋,MPS的概夲就为A-Qe=0.25。为避免这种倒置现象,当LPS的间 隔比MPS大时,就对亡们进行互换。 33自适应模型 前文措述的算术编码过程,玓建立在已知各个符号概率的基础上。只有已知各符号概率 才能根据其划分概率区间。而实际中各符号概率必须通过概率统计模型得到。模型提供了被 编码符号的概率,编码算法利用相应穊率实现对符号编码。JEG2000中的算术编码采用基 于上下文矢量的自适应模型。 方面,符号概率的确定是一个自适应过程。利用概率转移有限状态机根据输入消息符 号,实时调整符号概率。另一方面,其状态转移是基于上下文的过程。编码器输入不仅有消 息序列D,还包括上下文CX。对于同一消息D,其上下文CX不同,则对应的符号概率并 不一定相同。必须读取CX当前状态的符号概率来确定消息的符号概率,同时决定是否要转 移到下一状态。符号概率的状态转移表由标准提供,共47种状态。 34位填充技术 在二进制算术编码中,由于编码过程釆用增长传输技术,必须保证当前编码字节有进位 时,不影响到编码器已经输出的字节。MQ算术编码器采用了位填充( bit-stuffing)技术解 决进位问题 位填充技术的原理是在编码出现进位,造成缓存中上一待输出字节溢出时,将进位标志 作为当前字节编码的一部分,而不加在上一码字上。 这种情况只会在上一码字为0xf`时出现。同时为了便于译码,当上一字节为0xfe,且 当前字节出现进位,使得上一字节变为0xf`时,当前宇节进位标志0仍然作为编码输出。 这样在译码时,凡碰到码字为0xm,则对下一码宇第一比特均按进位标志处理即可 山国剧技论文在线 http://www.paper.edu.cn 4.MQ算术编码器实现以及结果分析 4.1编码器流程 ENCODER INITENC Read CX, D ENCODE Finished? FLUSH Done 图4WQ编码器总流程图 总流稈如上图4。首先对编码器进行初始化 INTENC,然后读入上下文CX和待编字D 开始编码 ENCODE。直到编码结束时,通过 FLUSH过程清空寄存器完成编码。 ENCODE流程如下图5,编码时判断D为0还是为1。为0则进行0编码 CODEO,为 1则进行1编码CODE1。 ENCODE Yes D=0? CODEl CODEO D one 图5 ENCOD流程图 CODEO编码时,判断0是否为大概率符号。若是则进行大概率符号编码 CODEMPS, 否则进行小慨率符号编码。CODF1编码类似。流程如图6、7。 山国剧技论文在线 http://www.paper.edu.cn CODEO MPS(CX)=0? CODELP CODEMPS Done 图6 CODEO流程图 CODEl MPS(CX)=1?>Yes CODELPS CODEMPS Done 图7COnE1流程图 42结果及分析 首先考察不引入上下文CX时的压缩性能。只要在上下文生成时仅生成一种上下文 CX(O),则信源相当于未引入上下文的单符号独立随机信溟。0符号概率为70%时的压缩率 引入上下文后压缩率接近68%,性能有所提高。 由于测试的信源未经过JPEG2000前处理步骤,因此这个压缩率仅能提供一定参考 5.结论 本文给岀了MQ算术编码器原理以及实现流程,利用简单的模型初步探讨了上下文CX 在编码屮的作用。要进行更深入的硏究,必须对JPEG2000编码的其他模块做进一步的研究 分析,理解CX在JPFG2000中的产生机制,将前面的模坝与算术编码器结合起来,分析它 们的性能。 参考文献 1]王芳,江伟.JPEG2000图像压缩标准及其应用[光盘技术第一期2006,:57-59 [2]田宝玉.工程信息论[M北京邮电大学出版社2004108-116 [3]李文彬,宋红.JPEG200术编码的研究及其FPGA设计[遥测遥控.26卷2005.5:38~40 [4]JIN LI Imagc Comprcssion: The Mathematics of JPEG 2000 [J]. Modcrn Signal Proccssing. Volumc 46, 2003:185-221 5 Tinku, Acharya, Ping-Sing, Tsai JPEG2000 Standard for Image Compression: Concepts [J], Algorithms and VLSI Architectures. JOHN WiLEY sons Inc. 2004: 30--195 山国剧技论文在线 http://www.paper.edu.cn The principle and realization of mQ arithmetic coding GuoQing Beijing University of Posts and Telecommunications(100876) Abstract MQ arithmetic coding is the most important part of entropy coding. MQ arithmetic coding is a context-based adaptive binary arithmetic encoder. It is based on the context in order to improve the coding efficiency. This paper explains the arithmetic coding theory, then further claborated binary arithmetic coding thcory and practical application of how to achieve finite precision arithmetic coder Keywords: J PEG2000 arithmetic coding MQ-coder

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