[发明专利]一种支持随机访问的复杂度图像无损压缩方法

说明书

技术领域

本发明属于视频图像压缩技术领域，具体涉及为一种支持随机访问的复杂度图像无损压缩方法。

背景技术

随着视频编解码技术、集成电路设计制造和网络通信技术的飞速发展，数字媒体（如数字电视、激光视盘、视频监控等）的应用逐渐向高清、超高清方向发展，高清、超高清视频编解码器设计面临着计算资源和访存带宽两个方面的巨大挑战。

高清、超高清视频编解码芯片结构中，原始图像帧和解码图像参考帧都存在外部存储器中，外存访问带宽是结构设计的瓶颈。目前工业界逐渐向4K分辨率演进，基本上超高清（4Kx2K）图像像素数是1080P分辨率图像像素的4倍，这意味着和1080P相比，超高清（4Kx2K）会占用四倍的带宽。对于4Kx2K（4096X2304）像素30fps的视频，数据访问将消耗巨大带宽，比如仅仅每帧回写就需要近13.5Mbyte的内存带宽。工业界非常需要无损数据压缩技术，能对这些存储在外存的图像数据在写入外存前进行压缩，读出后进行解压缩重建数据，从而在完全不影响视频编解码器性能的前提下，降低外存数据访问的总线带宽。

针对720p分辨率以上视频，设计无损压缩算法，如果能达到节省50%左右外存访问带宽，那么可以大大缓解高清视频编解码芯片结构设计的巨大挑战，大大降低因外部存储器频繁访问导致的系统功耗，为高性能低功耗结构设计提供支持，这是非常有意义的工作。

在视频编码器中，运动估计所消耗的外存存储器访问带宽最大，是系统设计面临的最大挑战。一般来说，参考帧数据按照宏块内像素采用连续存储方式，所以希望无损压缩算法能支持宏块数据随机访问，从而最大限度利用外部SDRAM存储器的突发模式高效数据访问模式。支持宏块随机访问，访问到任何一个宏块，硬件能将该宏块数据重建，也就意味着宏块之间相邻像素点的相关性无法使用，在宏块之间无数据依赖。这个约束是无损压缩算法需要解决的一个问题，另外，压缩压缩效率、数据访问的规则性（地址控制相关）也是需要考虑的重要因素。

早期出现了多种近无损压缩方法，基于预测、变换以及量化的组合编码方法，实现有损压缩，失真控制在40dB以上。该类方法部分像素失真相对较大，失真分布不均匀。这类接近无损压缩技术，实际上还是有损压缩，部分边缘像素失真绝对值可以达到3甚至更高，这种压缩失真对后续视频编码和处理非常不利。

早稻田大学Dajiang Zhou提出的基于水平预测+半定长变长编码的无损压缩技术，以宏块为基本数据压缩处理单元，半定长变长编码基于大小为2x2的小块，计算小块的动态范围，根据动态范围将每个小块映射到8个小区间中的某一个，从而根据小区间进行定长编码。小区间自适应划分实现了变长编码。该技术压缩后数据率为未压缩的50%~70%。该类无损压缩技术，未达到平均50%的压缩效率，未能完全去除空域像素间冗余以及控制字符之间的统计冗余，压缩效率有进一步提升的空间。

发明内容

本发明的目的在于克服上述提到的缺陷和不足，而提供一种一种支持随机访问的复杂度图像无损压缩方法。

本发明实现其目的采用的技术方案如下。

一种支持随机访问的复杂度图像无损压缩方法，包括以下步骤：

（1）、将图像分割为宏块，将宏块划分为三个区域：第一行、第一列以及15x15像素区域，并将15x15像素区域分为5x5个3x3的小块；

（2）、帧内预测：对于第一行，采用水平方向预测模式；对于第一列，采用垂直方向预测模式；对于每个小块，采用选择编码比特消耗最小的块级预测或像素级预测；

（3）、小块帧内预测模式选择：基于查表的编码比特估计模块为各种预测模式计算出编码比特消耗，选择编码比特代价最小的模式，得到最优预测模式的残差图像；

（4）、将残差图像分割为不同小块进行自适应可变长编码，估计每个小块的动态范围，计算出相应控制字mm，得到相应的控制字M，由压缩码流生成模块得到无损压缩码流。

作为优选，步骤（2）中，对于每个小块，先计算块级预测，选择水平或垂直模式，确定block_pred_type(r，s)，计算预测残差residue(r，s；m，n)，采用半定长VLC编码，统计块编码比特数bits_block，选择最小编码代价的模式为块级模式；然后计算像素级预测，计算每个像素的水平垂直预测值，比较大小，选择预测误差小的模式pixel_pred_type，然后得到整个块的残差，采用半定长VLC编码，统计块编码比特数bits_block_pixel和前面bits_block比较，选择较小编码代价的模式，从而确定块级预测类型pred_type。