基于JPEG2000图像压缩的并行算法研究.doc

大学硕士学位论文：基于 JPEG2000 图像压缩的并行算法研究I摘 要随着多媒体技术和网络应用技术的不断发展,人们可以通过网络方便地传播和交流数字图像产品，因而对数字图像在质量，大小和应用方面提出了更高的要求，希望能够根据实际的需要，对图像能够获得不同的分辨率来压缩和重构图像JPEG2000正是为适应这种不断发展的图像压缩应用而出现的静止图像压缩标准，与采用以离散余弦变换为主的区块编码方法的JPEG相比，JPEG2000采用的是以小波变换的多解析编码方式在图像处理中，用最少的时间开销和最小的空间开销传输、处理多媒体信息是一个难题，也是图像处理的关键所在提高通信带宽可以加速数据的传输，增加存储器可以提供更大的存储容量，但这些都不能真正满足实际应用的需求这就需要高压缩比的图像压缩算法，但目前高压缩比的图像压缩算法往往十分耗时，高压缩比的获得是以大量的计算时间为代价的因此，在获得图像信号高压缩比的同时，必须研究合适的图像压缩的并行算法，以提高计算速度，满足各种系统的实时要求另一方面，在高尖端科技领域内，并行处理技术的出现和蓬勃发展，使得该技术成为现代高性能计算机中最关键技术之一并行算法和软件的许多研究方面尚处于探索阶段，技术上还不成熟。

研究一般的通用并行算法难度极大，而且在具体应用时，通常也不能直接使用，因此，针对具体体系结构的实际应用，进行并行算法研究可望得到较大的发展实时图像处理就是这样一个既有重大的应用前景，又非常需要并行处理新技术的应用领域本文即以网络并行计算技术为主要研究对象，重点研究了并行算法在JPEG2000 图像压缩编码中的应用本文概述了并行处理技术和图像压缩技术；并详细叙述了并行算法、图像压缩算法的基本概念；介绍了网络并行 LogP 模型及并行计算的开发环境；简单叙述了 JPEG2000 标准中的各个部分；并通过将JPEG2000 编码的并行算法的设计、分析、优化及模拟实现，展示了并行算法的在 JPEG2000 中的应用关键词 图像压缩，并行算法，加速比AbstractIIAbstractWith the development of multimedia and network technology, we can conveniently transmit and exchange digital media products via networks, and we need more on quality, size and application about digital picture. We wish that we can compress and reconstruct the picture in different resolution according to ours application. JPEG2000 is the newly standard about still image compress behind the JPEG standard. It adopts DWT(Discrete Wavelet Transform) arithmetic on multi-resolution analytical theory and that JPEG adopts the DCT(Discrete Cosine Transform) arithmetic.Parallel processing technique deals with many aspects. It includes hardware technique, parallel software, parallel algorithm, etc. But the current international situation is that the development of parallel algorithm is far more behind parallel architecture. We are making the initial researches in many fields.That is why this paper makes network parallel computing and applications as its researching object in which parallel algorithm and applications in image processing are the stress. Firstly, it summarized the basic conceptions of image compress processing, parallel processing technique and parallel algorithm briefly. Then it emphasized on the network parallel computing environment and LogP Model of parallel computation. At last, this paper described the methods of developing parallel algorithm and applications through the designing, analyzing, optimizing, and implementing of digital image Coding parallel algorithm on JPEG2000 using MPI.Keywords Image Compression, Parallel Algorithmic, Speedup,**大学硕士学位论文：基于 JPEG2000 图像压缩的并行算法研究III目 录第一章 引言……………………………………………………………11. 1 研究背景………………………………………………………11. 2 国内外动态及主要工作………………………………………11. 3 论文结构………………………………………………………3第二章 并行计算机体系结构与并行算法…………………………42.1 并行计算机体系结构………………………………………42.1.1 并行计算机分类…………………………………………42.1.2 并行计算模型……………………………………………62.2 并行算法概述……………………………………………………72.2.1 并行算法设计方法………………………………………72.2.2 并行算法性能度量………………………………………82.2.3 并行加速比模型…………………………………………102.3 基于消息传递的并行程序开发环境…………………………112.3.1MPI（ Message Passing Interface）…………………112.3.2PVM（ Parallel Virtual Machine）…………………12第三章 图像压缩技术概述…………………………………………133.1 图像处理技术简介……………………………………………133.2 图像压缩的基本思想…………………………………………143.2.1 无损压缩…………………………………………………143.2.2 有损压缩…………………………………………………17**大学硕士学位论文：基于 JPEG2000 图像压缩的并行算法研究IV3.3 衡量图像压缩质量的两个指标………………………………19第四章 JPEG2000 标准介绍…………………………………………214.1 JPEG2000 的优越性……………………………………………21目录VI4.2 JPEG2000 的编解码系统………………………………………234.2.1 预处理/后处理…………………………………………244.2.2 分量变换…………………………………………………254.2.3 小波变换…………………………………………………254.2.4 量化………………………………………………………284.2.5 熵编码……………………………………………………294.2.6 码流的分层组织…………………………………………294.2.7 数据包……………………………………………………304.2.8 EBCOT……………………………………………………304.3 小结……………………………………………………………36第五章 基于 JPEG2000 的图像压缩并行算法研究………………375.1JPEG2000 串行算法分析………………………………………375.1.1 编解码的数据结构………………………………………385.1.2 编解码的初始化通道过程分析…………………………425.2 并行算法设计…………………………………………………465.2.1 计算模型以及任务划分…………………………………475.3 并行算法的实现………………………………………………48目录VII5.4 试验结果及分析………………………………………………505.5 关于小波变换并行化的思考…………………………………535.6 关于 Tile 的并行化……………………………………………545.7 小结……………………………………………………………55第六章 总结与展望…………………………………………………56参考文献………………………………………………………………58致谢……………………………………………………………………62个人简历及发表的学术论文…………………………………………63电子科技大学硕士学位论文：基于 JPEG2000 图像压缩的并行算法研究1第一章 引言1.1 研究背景随着计算机技术的迅速发展，许多问题要求人们要进行更快更实时的处理，这就促进了并行处理技术的孕育和发展。

随着近 20 年来各种高性能微处理器的问世，高速网络通信技术的不断成熟，以及并行软件工具的不断改进，并行处理技术得到了飞速发展，并越来越多的在模拟仿真、图像处理、地震预测、地质勘探、数据仓库、以及气候建模等具有挑战性的领域得到应用作为实现并行处理技术的手段，并行程序设计技术也随着各种并行语言、并行编译器、并行算法研究以及并行开发工具软件的逐渐完善正在越来越多地被广大编程人员所熟悉，并在实践中得到发展另一方面，随着 Internet 的飞速发展，多媒体技术得到广泛应用，信息成指数级增长，但传输带宽和存储空间有限，因此信息处理的关键之一是较快的速度和较高的压缩比但在理论和实际问题中，视频信号高压缩比的获得往往以巨大的计算量为代价，处理速度慢，单机无法胜任，不能满足实时系统的实时要求，特别是在雷达侦测、卫星图片、会议电视、可视和视频点播和图像监控等领域中的需求为此，在获得视频信号高压缩比的同时，必须采用并行计算机并研究合适的视频压缩的并行算法，以提高计算速度满足系统的实时要求为了最大可能地发挥计算机的最佳性能，满足人们对图像处理实时性的要求，就要深入地对其并行算法进行研究然而目前国内外对并行算法和并行软件的研究明显地滞后于并行体系结构的发展，尤其国内对视频图像的并行压缩算法方面的研究都尚处于探索阶段。

并行算法作为计算机科学的前沿课题之一，在国内起步较晚，许多研究领域尚处于发展的初级阶段为了缩小与国外并行计算领域的差距，加强对并行算法及其在视频图像压缩编码方面应用的开发与研究已经成为并行计算研究刻不容缓的当务之急本文即是基于这种背景下，为了提高在应用领域和生活民用中的视频图像信息传输的实时性，特别是对于静止图像压缩算法，以新兴的网络并行计算技术为主要研究对象，重点研究了基于 JPEG2000 标准提出的压缩算法并行化的可能性1.2 国内外动态及主要。