[发明专利]一种利用GPU实现JPEG2000解压缩算法中逆小波变换的加速方法

说明书

技术领域

本发明属于多媒体编解码领域，具体涉及一种利用GPU实现JPEG2000解压缩算法中逆小波变换的加速方法。

背景技术

随着多媒体技术和网络通信技术的快速发展，人们迫切需要一种压缩效果更佳优越，支持更多图像格式，并能够提供更多新特性的静态图像压缩标准。在2000年12月，联合图像专家组(Joint Photographic Experts Group,JPEG)推出了新一代静态图像压缩标准—JPEG2000。JPEG2000采用了小波变换、优化截取内嵌块编码和高效的码流组织形式，适用于各种类型的静态图像。JPGE2000的编码系统流程如图1所示。在编码过程中，首先对图像进行预处理(包括图像分块、电平位移和分量变换)，其次是小波变换，然后是量化，最后对量化后的小波系数采用率失真优化截取的内嵌块编码算法EBCOT。EBCOT分为Tier-1(简称T1)和Tier-2(简称T2)两部分：T1由内嵌比特平面编码和MQ算术编码组成，T2由码率控制、质量分层和打包组成。

在小波变换部分，JPEG2000采用了离散小波变换。首先将原始图像按行进行水平方向的一维小波变换，经过水平变换后每一行数据都分解成沿水平方向分布的低频和高频分量，再将图像数据按列进行垂直方向的一维小波变换。经过一级分解，原始图像分解为四个尺寸为原始图像四分之一的子图，分别称为LL1子带、HL1子带、LH1子带和HH1子带，这些子带系数反映了图像在水平和垂直方向上的空间频率特性，并且每一个子带都可以描述原始图像。LL1子带系数反映了图像在水平和垂直方向的低频特性，对LL1子带继续进行水平和垂直方向的一维离散小波变换，LL1子带就被替换为LL2子带、HL2子带、LH2子带和HH2子带，如图2所示。同样LL2子带、HL2子带、LH2子带和HH2子带的尺寸都为LL1子带的四分之一，并且这四个子带也都可以描述原始图像。这样对图像进行多级小波变换，就可以得到不同尺寸的图像逼近。小波变换去除了图像内部像素之间的相关性，将大部分信息集中在较少的变换系数上，而大部分的变换系数含有较少的信息。后面的量化可将携带信息少的系数量化为0来达到图像压缩的目的。

JPEG2000采用了两种滤波器：LeGall(5,3)滤波器和Dauhechies(9,7)滤波器，前者适用于无损压缩，后者适用于近无损压缩和有损压缩。小波滤波器可采用卷积或者提升结构实现。提升结构包括分裂、预测和更新。分裂是将图像数据分成奇数集合和偶数集合，预测是用偶数集合预测奇数集合，然后用奇数集合减去偶数集合预测出的值，得到差值并用该差值替换奇数集合，该差值是高通小波系数，反映的是图像的细节成分。更新是用预测得到的高通小波系数跟偶数集合做运算，运算结果就是低通小波系数，反映的是图像的平滑部分。预测和更新可以重复多次。合成是将预测和更新后的奇偶集合重新合并成一个集合。

JPEG2000优秀的压缩性能是通过高复杂度的算法实现的，其解压缩算法的复杂度也相对较高，这在一定程度上制约了JPEG2000的应用，尤其是在实时性要求高的系统中的应用。本发明提出一种利用GPU实现JPEG2000解压缩算法中逆小波变换的加速方法，利用GPU内核数多、适于并行运算的有点，加速逆小波变换处理，提高JPEG2000的解压缩速度。

GPU(Graphic Processing Unit)是图形处理单元的简称。近年来，GPU发展速度极快，其单精度和双精度浮点计算能力均已上升到Teraflop级水平，单精度计算能力是同期CPU的10倍。GPU采用了跟CPU完全不同的硬件结构，将大部分晶体管用来完成计算，而不是用于构建缓存和控制电路。GPU的关键概念有SM、SP和存储器类型等。SM(Stream Multiprocessor)是流多处理器的简称，是GPU硬件架构的基本单元。一块GPU显卡包含多个SM，各SM之间相对独立。SP(Stream Processor)是SM的主要执行单元，一个SM包含多个SP，各SP之间也相对独立。存储器类型共有6种，分别是寄存器、局部存储器、共享存储器、全局存储器、常数存储器和纹理存储器，其中，寄存器的访问速度最快，共享存储器的访问速度和寄存器几乎一样快，且每个SM都有自己独立的共享存储器。