Проектирование процессора вычисления дискретного косинусного преобразования для систем сжатия изображения по схеме losless-to-lossy

На  сегодняшний  день  широко  распространены  мобильные  мультимедийные  системы, которые используют стандарты H.261/3/4/5, MPEG-1/2/4 и JPEG длякодирования/декодирования видео, аудио и изображений [1–4]. Ядром этих стандартов является дискретное косинусное преобразование (ДКП) I, II, III … VIII типов [ДКП]. Широкая поддержка в огромном количестве мультимедийных приложений формата  JPEG  схемотехническими и  программными  решениями  и  необходимость  кодирования изображений  по  схеме  L2L  обусловливает  актуальность  проблемы  создания  декоррелирующего преобразования  на  основе  ДКП  и  методов  быстрого  прототипирования  процессоров  вычисления целочисленного ДКП на программируемых системах на кристалле ПЛИС/FPGA. При этом во внимание принимаются  такие  характеристики,  как  структурная  регулярность, модульность,  высокий вычислительный  параллелизм,  малая  латентность  и потребляемая  мощность.  Прямое  и  обратное преобразования  должны  осуществляться  по  схеме  обработки  «целое к  целому»  с  сохранением перфективной  реконструкции  исходного  изображения  (коэффициенты представляются  целыми  или двоичными  рациональными  числами;  число  операций  умножения  минимально,  по  возможности  они исключаются  из  алгоритма).  Известные  целочисленные  ДКП  (BinDCT,IntDCT) не дают полного обратимого  бит  в  бит  преобразования.  Для  кодирования  изображения  по  схеме  L2L  требуется,  чтобы декоррелирующее  преобразование  было  обратимым  и  реализовано  в  целочисленной  арифметике, т. е.  преобразование  соответствовало  бы  схеме  обработки  «целое-в-целое»  при  минимальном  числе операций округления, влияющих на компактность энергии в эквивалентных субполосах преобразования. В  данной  статье  показано,  как  на основе  целочисленного  прямого и  обратного  ДКП  создать  новую универсальную  архитектуру  декоррелирующего  преобразования  на  ПЛИС типа FPGA для систем трансформационного кодирования изображений, которые работают попринципу lossless-to-lossy (L2L), и  получить  лучшие  экспериментальные  результаты  по  объективным  и субъективным  показателям по сравнению с аналогичными системами сжатия.

1. Pennebaker W. B. JPEG: Still image compression standard.New York: Van Nostrand Reinhold; 1993.

2. Weinberger J. LOCO-I: a low complexity, context-based, losslessimage compression algorithm. Proceedings of the Data CompressionConference (DC’96). Snowbird, UT, 31 March – 03 April 1996: 140-149.

3. Skodras A. The JPEG2000 still image compression standard. IEEE Trans. Signal Process. Mag. 2001;18(5):36-58.

4. Dufaux F. The JPEG XR image coding standard. IEEE Signal Process. Mag. 2009;26(6):195-199.

5. Suzuki T. Integer DCT Based on Direct-Lifting of DCT-IDCT for Lossless-to-Lossy Image Coding. IEEE Transactions on image processing.November 2010;19(11):2958-2965.

6. Suzuki T. Integer fast lapped transforms based on direct-lifting of DCTs for lossy-to-lossless image coding. EURASIP Journal on Image and Video Processing.2013;1:1-9.

7. Vaidyanathan P.P. Multirate systems and filter banks. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, USA; 1993.

8. Suzuki T. Realization of lossless-to-lossy ima1ge coding compatible with JPEG standard by direct-lifting of DCT-IDCT. Proceedings of the 17th IEEE Intern. Conf. on Image Processing (ICIP’2010), Hong Kong 26 – 29 September, 2010: 389-392.

9. Chokchaitam S. A new unified 2D-DCT accelerator lossless/lossy image compression based on a new integer DCT. IEICE Trans. Inf. Syst. Feb. 2005;Vol. E88-D (2):403-413.

10. Fukuma S. Lossless 8-point fast discrete cosine transform usinglossless Hadamard transform. Tech. Rep. IEICE, DSP99-103. October 1999: 37-44.

11. Liang J. Fast multiplierless approximations of the DCT with the lifting scheme. IEEE Transaction on Signal Processing. Dec. 2001;49(12):3032-3044.

12. Komatsu K. Reversible discrete cosine transform. Processing International Conference Acoustic, Speech, Signal Processing. Seattle, WA. May 1998: 1769-1772.