JPEG2000中嵌入式塊編碼的FPGA設(shè)計(jì)

隨著多媒體市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，百萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)、各種功能強(qiáng)大的彩屏手機(jī)等數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品逐漸普及。這些多媒體應(yīng)用均需要處理高質(zhì)量、高分辨率的大圖像，這對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的容量和傳輸信道的帶寬都提出了新要求。圖像壓縮的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG已不能滿足這些新的要求，而且它在低碼率時(shí)還存在著方塊效率。因此，從1997年開(kāi)始，JPEG委員會(huì)就致力于開(kāi)發(fā)新的靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000,并在2000年8月形成了最終經(jīng)濟(jì)核草案，在2000年12月使其成為了國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

JPEG2000相比JPEG有著更大的靈活性，不僅能對(duì)原始圖像高效地壓縮，而且可以對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這意味著可以從壓縮碼流中提取一部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)重建低分辨率或低碼率的圖像，或者是撮圖像的感興趣區(qū)域。這樣就允許將原始圖像壓縮為單一的碼流以適應(yīng)不同的傳輸信道、存儲(chǔ)或顯示設(shè)備，而不必考慮圖像的大小、分量多少以及樣本的精度。

JPEG2000的一個(gè)主要特性就是基于圖像質(zhì)量和分辨率的累進(jìn)傳輸，為了支持這種可分級(jí)的壓縮編碼，JPEG2000采用了離散小波變換（DWT）替代JPEG中的離散余弦變換（DCT），并采用了Taubman提出的具有優(yōu)化截?cái)帱c(diǎn)的嵌入式塊編碼（EBCOT）算法。

JPEG2000編碼器的框圖如圖1所示。

首先將原始圖像劃分為圖像片，通過(guò)DWT將圖像片分解為不同的分辨率級(jí)別，獲得多個(gè)子帶的頻域系數(shù)，將各個(gè)子帶劃分為碼塊（典型大小是32×32或64×64），對(duì)每個(gè)碼塊進(jìn)行嵌入式的塊編碼，生成上下文和待編碼的數(shù)據(jù)位；然后由算術(shù)編碼部分根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)位的上下文自適應(yīng)編碼，產(chǎn)生每個(gè)碼塊的子碼流；最后將各個(gè)碼塊的子碼流組織成代表碼流質(zhì)量層的分組，并添加相應(yīng)的頭結(jié)構(gòu)信息，幫助解碼器如何解碼。

EBCOT作為JPEG2000的核心部分，包含了層1和層2兩部分，其中嵌入式塊編碼的邏輯比較復(fù)雜，是影響編碼速度的瓶頸之一，使用通用處理器很難提高其效率。傳統(tǒng)的編碼方式采用軟件實(shí)現(xiàn)，但速度和效率不高，且占用較大的存儲(chǔ)資源；而采用硬件實(shí)現(xiàn)方式則會(huì)有更大的靈活性。事實(shí)上采用硬件芯片實(shí)現(xiàn)，不但可以提高編碼的速率和效率，而且也能根據(jù)算法本身的特點(diǎn)，采用特定的、高效的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)算法的關(guān)鍵部分，可以較大幅度地提高編碼效率。另外，隨著多媒體的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用逐步便攜化，以前多數(shù)可以在PC機(jī)上處理的工作必須轉(zhuǎn)移到便攜產(chǎn)品上，這對(duì)便攜產(chǎn)品有限的資源提出了挑戰(zhàn)。因此有必要研究硬件編碼芯片完成編碼過(guò)程，本文旨在研究JPEG2000編碼中的關(guān)鍵技術(shù)——嵌入式塊編碼。

1 算法分析及設(shè)計(jì)

嵌入式塊編碼其實(shí)是基于位平面的編碼，而每個(gè)位平面又被劃分為三個(gè)編碼通道，即顯著通道、細(xì)分通道和清除通道。編碼采用固定的掃描方式，每個(gè)比特位僅在其中的一個(gè)編碼通道中完成編碼。編碼過(guò)程可以分為兩個(gè)步驟，即差別編碼通道的歸屬和編碼原操作。在顯著通道中，當(dāng)比特位本身不顯著，且周圍8個(gè)近鄰至少有一個(gè)是顯著時(shí)被編碼；在細(xì)分通道中，當(dāng)比特位在上一個(gè)位平面就變顯著時(shí)被編碼；在清除通道，所有在上面兩個(gè)通道中略過(guò)的比特位被編碼。編碼原操作共患難個(gè)，即零值編碼、符號(hào)編碼、細(xì)化編碼和游程編碼。

根據(jù)算法要求，編碼時(shí)必須用到一些編碼信息。假設(shè)碼塊的大小是32×32的，則編碼信息立即包括1024個(gè)顯著信息位（表示當(dāng)前系數(shù)位是否顯著）、1024個(gè)細(xì)化信息位（表示當(dāng)前系數(shù)位是否第一次細(xì)分）、1024個(gè)訪問(wèn)信息位（表示當(dāng)前系統(tǒng)位是否在前面的編碼通道中編過(guò)）。當(dāng)然，除此之外，還需要有1024個(gè)符號(hào)位和幅度位，因此編碼過(guò)程中需要存儲(chǔ)的信息為5Kbit。由于FPGA片內(nèi)RAM資源十分有限，因此將碼塊量化后的小波系數(shù)在外部RAM中（對(duì)于32×32的碼塊，16bit的系數(shù)，需要存儲(chǔ)16bit），而在片內(nèi)只存儲(chǔ)5Kbit的信息。

塊編碼過(guò)程是以一列的4個(gè)比特位為單位進(jìn)行編碼，且在判別編碼通道的歸屬和編碼操作時(shí)，都需要用到當(dāng)前比特位的8個(gè)近鄰的顯著信息和符號(hào)信息。因此，事實(shí)上在編碼每一列數(shù)據(jù)時(shí)，必須訪問(wèn)18bit的顯著信息和符號(hào)信息，以及當(dāng)前列的幅度位、訪問(wèn)信息和細(xì)分信息各4bit。對(duì)于幅度位、訪問(wèn)信息和細(xì)分信息，可以將每列的數(shù)據(jù)作為一個(gè)字存儲(chǔ)，但這種存儲(chǔ)方式對(duì)顯著信息和符號(hào)信息卻效率較低。如圖2系數(shù)，需要存儲(chǔ)16Kbit），而在片內(nèi)只存儲(chǔ)5Kbit的信息。

塊編碼過(guò)程是以一列的4個(gè)比特位為單位進(jìn)行編碼，且在判別編碼通道的歸屬和編碼操作時(shí)，都需要用到當(dāng)前比特位的8個(gè)近鄰的顯著信息和符號(hào)信息。因此，事實(shí)上在編碼每一列數(shù)據(jù)時(shí)，必須訪問(wèn)18bit的顯著信息和符號(hào)信息，以及當(dāng)前列的幅度位、訪問(wèn)信息和細(xì)化信息各4bit。對(duì)于幅度位、訪問(wèn)信息和細(xì)分信息，可以將每列的數(shù)據(jù)作為一個(gè)字存儲(chǔ)，但這種存儲(chǔ)方式對(duì)顯著信息和符號(hào)信息卻效率較低。如圖2所示，如果采用右邊的方案，則對(duì)于編碼帶中的每一列，必須讀取12bit的顯著和符號(hào)信息，其中有6bit是冗余的；如果采用左邊的交錯(cuò)存儲(chǔ)的方案，即對(duì)于32×32的碼塊，在其首行之前和末行之后各添加一行，形成34×32的塊，然后將每?jī)尚凶鳛橐唤M，并采取交錯(cuò)方式存儲(chǔ)（a,b,c,b,a,b,c,…,b,c,b,a），則讀取信息時(shí)不會(huì)有冗余。

顯然，交錯(cuò)存儲(chǔ)方案更有效，只是它需要在硬件電路上付出一些代價(jià)。首先，在預(yù)處理小波數(shù)據(jù)時(shí)，必須將符號(hào)位按照上述交錯(cuò)方式寫入內(nèi)部RAM，這比處理幅度位復(fù)雜一些。其次，在編碼過(guò)程中，需要讀取數(shù)據(jù)至內(nèi)部6×4顯著或符號(hào)寄存器，而對(duì)于奇、偶數(shù)編碼帶，其讀入順序也是交錯(cuò)的，對(duì)于前者是a、b、c，對(duì)于后者則是c、b、a；而且讀取三塊內(nèi)存區(qū)域的地址信號(hào)也是不同步的，如表1所示，讀取存儲(chǔ)器b的地址信號(hào)始終增長(zhǎng)，而讀取存儲(chǔ)器a和b的地址信號(hào)則符號(hào)以下規(guī)律：前者在從奇編碼帶過(guò)到偶編碼帶時(shí)地址增加，而在從偶編碼帶過(guò)渡到奇編碼帶時(shí)地址保持不變；手者正好相反。

表1 32×32碼塊編碼過(guò)程中，處于各個(gè)編碼帶下讀取內(nèi)部緩存abc的相應(yīng)地址信號(hào)

因此，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路滿足上述要求，盡管這樣做付出了額外的代價(jià)，但卻大大提高了存儲(chǔ)器的讀寫效率（提高了50%），這對(duì)于需要頻繁訪問(wèn)存儲(chǔ)器的位平面編碼來(lái)說(shuō)是很寶貴的；另外，采用了交錯(cuò)存儲(chǔ)方式，可以對(duì)三塊存儲(chǔ)區(qū)域獨(dú)立地產(chǎn)生地址信號(hào)，一次性讀取6bit，而在常規(guī)的存儲(chǔ)方式下，為了讀取12bit信息，必須對(duì)同一塊存儲(chǔ)區(qū)域訪問(wèn)3次，可見(jiàn)采用交錯(cuò)存儲(chǔ)的方案同時(shí)也提高了讀寫速度。

在JPEG2000的的中，塊編碼器采用兩種編碼模式，即NORAML和VCAUSAL。在VCAUSAL模式下，考慮當(dāng)前編碼位的周圍顯著的信息時(shí)，將下一編碼帶的顯著信息看作是不顯著的，而在NORMAL模式下則看作是顯著。采用VCAUSAL模式，盡管這樣簡(jiǎn)化了對(duì)存儲(chǔ)訪問(wèn)的邏輯控制，節(jié)省了一些存儲(chǔ)空間，但卻降低了塊編碼器的編碼效率。因此，設(shè)計(jì)了圖3所示的寄存器組來(lái)配合上面介紹的交錯(cuò)存儲(chǔ)的方案，這些內(nèi)部寄存器包括6×4bit的顯著和符號(hào)信息寄存器，8bit的細(xì)化和訪問(wèn)信息寄存器，4bit的幅度寄存器，如圖3所示。

圖3中表示出了各個(gè)寄存器讀入數(shù)據(jù)和寫回更新數(shù)據(jù)的位置、當(dāng)前的編碼位置和當(dāng)前編碼位。這些寄存器都能完成右移一位的功能特別值得注意的是：由于編碼過(guò)程中必須用到18bit的顯著和符號(hào)信息，因此在每個(gè)編碼帶開(kāi)始處，必須對(duì)顯著和符號(hào)信息寄存器做初始化右移一次，確保在編碼第0列數(shù)據(jù)時(shí)已經(jīng)有18bit的信息，見(jiàn)圖4的示例。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的編碼算法，可用如圖5所示的硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)嵌入式塊編碼器。

上述結(jié)構(gòu)中，狀態(tài)機(jī)用于控制總體的編碼流程，外部信號(hào)START使?fàn)顟B(tài)機(jī)進(jìn)入初始的預(yù)處理狀態(tài)，表示此時(shí)外部RAM的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，然后在編碼過(guò)程中根據(jù)計(jì)數(shù)器的數(shù)值進(jìn)行狀態(tài)切換。

設(shè)計(jì)中用到的計(jì)數(shù)器共3個(gè)，即Countrow(位計(jì)數(shù)器)、Count（列計(jì)數(shù)器）、Countloop(編碼帶計(jì)數(shù)器)。圖6中示出了塊編碼器的總體流程，從中可以看出編碼器的狀態(tài)隨計(jì)數(shù)器的數(shù)值變化的情況。

預(yù)處理單元預(yù)處理包括部分：碼塊預(yù)處理和位平面預(yù)處理。其中碼塊預(yù)處理包括計(jì)算需要編碼的位平面數(shù)，撮各個(gè)系數(shù)的符號(hào)位填充相應(yīng)的符號(hào)緩存，初始化顯著信息緩存和細(xì)化緩存（全部清0）；位平面預(yù)處理則提取當(dāng)前位平面的幅度位填充相應(yīng)的幅度緩存，初始化訪問(wèn)信息緩存（全部清0）。

讀寫控制控制單元負(fù)責(zé)產(chǎn)生合適的控制信號(hào)與外部RAM和內(nèi)部緩存接口；在預(yù)處理時(shí)負(fù)責(zé)外部RAM和內(nèi)部緩存的讀寫控制，在編碼過(guò)程中則負(fù)責(zé)內(nèi)部緩存和寄存器組的讀寫控制。

編碼單元分為兩部分（見(jiàn)圖7），判斷邏輯和編碼操作單元。判斷邏輯負(fù)責(zé)決策當(dāng)前系數(shù)位是否屬于當(dāng)前的編碼通道，編碼操作單元包括零值編碼、細(xì)化編碼和符號(hào)編碼，而流程編碼則采用硬連線編碼，不使用獨(dú)立的單元。這幾個(gè)編碼操作單元直接采用組合邏輯實(shí)現(xiàn)，而不是采用查表方式。多路選擇器則根據(jù)當(dāng)前執(zhí)行的編碼操作選擇輸出合適的CX和D。

FIFO單元用于解決塊編碼和算術(shù)編碼邏輯之間的異步問(wèn)題（因?yàn)榍罢弋a(chǎn)生數(shù)據(jù)具有間歇性，且算術(shù)編碼處理數(shù)據(jù)也會(huì)有一定的延遲）。

3 結(jié)論與展望

本文通過(guò)對(duì)嵌入式塊編碼的算法分析，采用了比較合理的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)編碼信息，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的寄存器組和地址產(chǎn)生控制邏輯，本設(shè)計(jì)能夠做到讀寫操作無(wú)冗余信息。

本編碼器算法采用MODELSIM進(jìn)行功能仿真，圖8是在MODELSIM中截取的部分仿真波形。仿真所采用的時(shí)鐘頻率是50MHz，從圖8中可以看出編碼過(guò)程在1074090ns完成，大約1ms左右完成32×32碼塊的編碼。因此，對(duì)于一幀512×512的灰度圖像，估計(jì)能夠在0.256s內(nèi)完成編碼。本設(shè)計(jì)選用的FPGA芯片最高時(shí)鐘頻率可達(dá)到275MHz，估計(jì)通過(guò)一定的優(yōu)化，可使工作頻率進(jìn)一步提高；另外，塊編碼的算法本身就蘊(yùn)含著并行的特性，可以在FPGA中實(shí)現(xiàn)多個(gè)塊編碼器單元同時(shí)處理多個(gè)碼塊的數(shù)據(jù)，這樣編碼一幀圖像的速度可以進(jìn)一步提高。