张 毅 雷 杰 李云松



一种新的基于先验数据表的JPEG-LS动态码率控制算法

张 毅 雷 杰*李云松

(西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室 西安 710071)

JPEG-LS算法简单，压缩性能出众，特别适合应用在图像的无损/近无损压缩领域。但是，无法精确控制码率的缺点使得JPEG-LS难以应用在带宽受限的卫星图像编码领域。为了解决这个问题，该文基于对JPEG-LS编码特性的分析，通过理论推导得出输出码率与失真量化参数的数学关系，提出一种以查表算法为核心的新型JPEG-LS动态码率控制算法。相对于现有的动态码率控制算法，该算法具有码率精确度高，收敛速度快等优点。

图像压缩；码率控制；近无损；JPEG-LS

1 引言

压缩编码技术是图像处理和传输过程中的一项关键技术，JPEG-LS图像压缩标准在无损/近无损压缩时性能优异，算法复杂度低，成为空间通信和医疗等领域图像压缩技术的首选方案[1]。但是JPEG-LS有一个缺陷，编码器输出码率波动较大而且不可控，这种缺陷极大限制了JPEG-LS的应用。特别是在遥感卫星应用中，信道带宽受到严格的限制，编码器的输出码率必须与信道带宽相匹配[2]。

本文通过对JPEG-LS图像压缩标准的编码特性进行分析，提出了一种基于先验数据表的JPEG- LS动态码率控制算法。实验结果表明该方法可以更好地实现码率的精确控制，在码率精确度、码率收敛速度方面都明显优于现有的一阶线性码率控制算法，且保留了JPEG-LS复杂度低、运算消耗小的优点。

2 现有JPEG-LS码率控制算法

3 JPEG-LS编码特性分析

3.1 Golomb-Rice编码

在JPEG-LS的核心算法LOCO-I[10]中，采用一种估计的方法来得出合适的值，使得Golomb- Rice的编码长度最短[13]。估算式如式(3)所示。

将式(3)代入式(2)中，得到具体的码长为

3.2 失真量化参数对输出码率的影响

分别对式(5)和式(6)等号两边取绝对值，并取数学期望，得

将式(7)，式(9)和式(8)，式(10)分别代入式(11)，式(12)中，并求差值得

图1 不同复杂度图像的码率特性曲线的关系

4 基于先验数据表的码率控制算法

4.1 基于查表的值的选取方法

统计得到的先验数据如表1所示，由第3节的分析结论可知：该表内容适用于各类图像的压缩，具有通用性，且在压缩过程中不需要更新。这种特点使得本文算法不仅精确度高，而且复杂度低，易于实现。

表1实验统计得到的经验数组

失真控制参数码率调整(bpp)失真控制参数码率调整(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)结束调整。

图2 情况下的值调整算法流程图

4.2 基于先验数据表的动态码率控制算法

步骤1 初始化：

(4)计算前个码块的码率偏差

步骤4 结束编码。

5 实验结果及算法性能评价

(1)码率精确度 图4反映的是两种算法在码率精确度上的性能对比。分别使用一阶线性码率控制算法和本文算法对测试图像进行压缩编码和码率控制，记录在不同算法控制下，测试图像的输出码率和目标码率的差。获得的实验结果如图4所示，横轴为图像序号，纵轴代表图像实际输出码率和目标码率的偏差的绝对值。从图4可以直观地看到，本文提出的码率控制算法的码率偏差明显小于一阶线性码率控制算法。

图3 基于JPEG-LS编码特性的码率控制算法框图

6 结论

本文通过深入分析JPEG-LS的编码特性，提出了一种以失真量化参数的查表算法为核心的新型JPEG-LS动态码率控制算法，实验结果表明：该算法在码率控制精度以及码率收敛速度等主要性能指标上都明显超过现有的一阶动态码率控制算法，并且复杂度低，易于实现，能将JPEG-LS更好地应用于带宽受限的场合中。

图4 两种算法的码率精确度对比

图5 两种算法的码率收敛速度对比图

[1] Cai Q, Song L, Li G,.. Lossy and lossless intra coding performance evaluation: HEVC, H.264/AVC, JPEG 2000 and JPEG LS[C]. Signal & Information Processing Association Annual Summit and Conference, Hollywood, California, USA, 2012: 1-9.

[2] 陈晓, 徐晓庆. 卫星图像码率控制方法的改进[J]. 光电工程, 2012, 39(9): 7-11.

[3] Jiang J and Yang S Y. A rate-controlled near lossless image CODEC based on visual perception and content adaptability [C]. Proceedings of International Society for Optics and Photonics, the International Society for Optical Engineering, Boston, USA, 2001, 4209: 262-272.

[4] Tsai T H, Kao S C, and Lee Y X. The segment-based rate control algorithm in JPEG-LS for bandwidth-efficiency applications[C]. IEEE International Conference on Multimedia and Exposition, Hannover, Germany, 2008: 793-796.

[5] Jiang J and Reddy M. Open-loop rate control for JPEG-LS near lossless image compression[J]., 1999, 35(6): 465-466.

[6] Zhang J, Li Y, Liu K,.. The rate control scheme for JPEG-LS with high bitrate[C]. Proceedings of International Society for Optics and Photonics, Satellite Data Compression, Communications, and Processing VIII, San Diego, USA, 2012: 1-8.

[7] 侯舒维, 孙文方, 等. 一种JPEG-LS图像压缩的码率控制方法[P]. 中国, 201010617932.2, 2010.

[8] 崔倩. JPEG-LS码率控制算法研究[D]. [硕士论文], 西安电子科技大学, 2010.

[9] 徐燕凌, 刘蓓. JPEG-LS图像压缩动态码率控制策略[J]. 计算机工程, 2008, 34(7): 238-271.

[10] Weinberger Marcelo J, Seroussi G, and Sapiro G. LOCO-I: a low complexity, context-based, lossless image compression algorithm[C]. Proceedings of IEEE, Data Compression Conference, Snowbird, Utah, USA, 1996: 140-149.

[11] Weinberger Marcelo J, Seroussi G, and Sapiro G. The LOCO-I lossless image compression algorithm: principles and Standardization into JPEG-LS[J]., 2000, 9(8): 1309-1324.

[12] Ding J J, Wei W Y, and Pan G C. Modified Golomb coding algorithm for asymmetric two-sided geometric distribution data[C]. 20th European Signal Processing Conference, Bucharest, Romania, 2012: 1548-1552.

[13] Ding J and Wei W. Adaptive golomb code for joint geometrically distributed data and its application in image coding[J]., 2012, 23(4): 661-670.

[14] Wahl S, Tantawy H A, Wang Z,. Exploitation of context classification for parallel pixel coding in JPEG-LS[C]. Image Processing (ICIP), 2011 18th IEEE International Conference on, Brussels, Belgium, 2011: 2001-2004.

[15] Gera Y, Wang Z, Simon S,.. Fast and context-free lossless image compression algorithm based on JPEG-LS[C]. Data Compression Conference (DCC), Snowbird, Utah, USA, 2012: 396.

张 毅： 男，1989年生，硕士生，研究方向为图像编码算法及其硬件实现.

雷 杰： 男，1981年生，副教授，研究方向为图像/视频传输与处理.

李云松： 男，1974年生，教授，研究方向为图像/视频传输与处理.

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

国家优秀青年基金(61222101)，国家自然科学基金(61301287, 61301291), 111基地项目(B08038)和中央高校基本科研业务费专项资金(K5051301043, K5051201043)资助课题

雷杰 jielei@mail.xidian.edu.cn