JPEG2000數(shù)據(jù)壓縮的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要：高性能的數(shù)據(jù)壓縮可以有效的減少數(shù)據(jù)對存儲空間和通信帶寬的要求，降低通信成本。為解決圖像數(shù)據(jù)的高壓縮性能問題，本文提出了基于JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)方案。相對于軟件算法實(shí)現(xiàn)和其他硬件方法，采用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)可降低系統(tǒng)復(fù)雜度提高性能。最終設(shè)計(jì)的IP核具有資源占用少，性能良好和便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足通信傳輸和照相設(shè)備等應(yīng)用需求。
關(guān)鍵詞：JPEG2000；數(shù)據(jù)壓縮；FPGA；DWT

    近年來通信領(lǐng)域中信息的傳輸總量急速擴(kuò)大。由于存儲空間有限、通信帶寬等因素的限制，數(shù)據(jù)通常需要通過壓縮才能有利于存儲和傳輸，數(shù)字圖像存儲和傳輸?shù)陌嘿F費(fèi)用成為其普及的最大障礙。為此必須對數(shù)字圖像壓縮編碼技術(shù)進(jìn)行研究和實(shí)現(xiàn)。
    JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)采用的是離散小波變換，具有壓縮率高和無邊緣效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。文中的設(shè)計(jì)采用片上系統(tǒng)(System On Claip)方案，可實(shí)現(xiàn)對分辨率1024x1024圖像的壓縮。在有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還具有較好擴(kuò)展性。研究利用FPGA實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)壓縮，將壓縮算法映射到專用集成電路(ASIC)設(shè)計(jì)，具有非常廣闊的市場應(yīng)用前景。

1 基本原理
    數(shù)字圖像的壓縮就是用一定的規(guī)律對需要處理的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換和排列，以盡可能少的數(shù)據(jù)信息來表示盡可能多的圖像信息。圖像的壓縮是通過編碼算法來完成實(shí)現(xiàn)的。目前常用的壓縮方法有：圖像變換技術(shù)、預(yù)測壓縮、自適應(yīng)壓縮等方法。
    圖像數(shù)據(jù)之所以可以進(jìn)行壓縮，主要壓縮來源于以下2點(diǎn)：一是在圖像數(shù)據(jù)中存在大量信息冗余；另一點(diǎn)是人類的視覺觀察精度是有限的通過減少數(shù)據(jù)精度來實(shí)現(xiàn)圖像壓縮。
    在數(shù)字圖像壓縮中主要有：編碼冗余、像素相關(guān)冗余和視覺心理冗余。通過算法減少或消除冗余就能實(shí)現(xiàn)圖像壓縮。另外根據(jù)人類視覺允許圖像壓縮后與原始圖像有失真。圖像壓縮就是利用圖像數(shù)據(jù)固有特性以及人類視覺特性，經(jīng)過壓縮算法提取有效的數(shù)據(jù)信息，減少數(shù)據(jù)信息量，以便實(shí)現(xiàn)高效率的圖像數(shù)據(jù)傳輸和存儲。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    根據(jù)JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)，一般來講基于JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)主要由預(yù)處理、DWT、量化和EBCOT組成。組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    在參考JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)構(gòu)架后，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)主要包括預(yù)處理，小波變換，量化和嵌入式位平面編碼4部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    預(yù)處理：對圖像源數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，分成tile大小，之后進(jìn)行DC位移和分量變換處理。
    WDT：即小波變換把圖像分解為空間頻域子帶具有能量更為集中，更好的壓縮性能，而且可以很好的消除分塊現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)。離散小波變換的提升算法可減少內(nèi)存需求，降低計(jì)算復(fù)雜度。本文主要考慮提高壓縮性能，因此采用的是9／7離散小波變換提升算法。
    量化：將小波系數(shù)進(jìn)行量化處理，之后按碼塊大小(32x32)儲存量化后的小波系數(shù)，采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存控制體制(DMC)，降低小波系數(shù)緩存量。
    EBCOT(Tier_1)：對輸入的子帶小波系數(shù)進(jìn)行底層嵌入式塊編，并輸出算術(shù)編碼比特流和塊編碼的統(tǒng)計(jì)信息給Tier_2。
    EBCOT(Tier_2)：進(jìn)行層生成及塊信息編碼，最終輸出JPEG2000碼流。
    壓縮編碼過程如下：原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理變成許多個(gè)顏色分片(component—tile)，每個(gè)分片經(jīng)過小波變換后變成小波系數(shù)，量化后送入EBCOT進(jìn)行編碼和碼率控制處理，為提高壓縮速率，嵌入式為平面編碼(EBCOT)模塊采用并行處理結(jié)構(gòu)，分別完成對前級量化后的小波系數(shù)HL、HH以及LH和LL的處理，小波系數(shù)在通過EBCOT模塊進(jìn)行編碼和碼率控制處理后，最后得到的是符合JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)格式的壓縮數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)各組成模塊的設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮處理，源圖像通過預(yù)處理模塊對圖像源數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，分成tile(512x512)大小，之后經(jīng)過小波變換和EBCOT模塊完成數(shù)據(jù)壓縮處理，輸出壓縮碼流。
3．1 預(yù)處理模塊
    由于原始圖像數(shù)據(jù)較大，通過預(yù)處理模塊可以大大降低數(shù)據(jù)對系統(tǒng)存儲空間的要求。本文采用的預(yù)處理有：分片和電平平移，通過分片將原始圖像分割成tile(512x512)大小的區(qū)塊，每個(gè)分片進(jìn)行獨(dú)立壓縮；電平平移使得圖像數(shù)據(jù)關(guān)于零對稱，有利于編碼處理。
3．2 小波變換模塊
    采用離散小波變換對圖像進(jìn)行處理，得到圖像的小波系數(shù)分為LL、LH、HL、HH 4個(gè)子帶。通過級聯(lián)，進(jìn)行多級小波變換，小波系數(shù)中，高頻數(shù)據(jù)分量表示圖像中局部區(qū)域如圖像的邊緣，低頻分量表示圖像中的低頻信息如圖像的背景信息?？梢娡ㄟ^小波變換，即使比特率不高的情況下，也能保證圖像中較多的細(xì)節(jié)信息。圖像通過小波變換時(shí)可進(jìn)行不同級數(shù)的編解碼處理，進(jìn)而得到具有不同空間分辨率的圖像信息。為實(shí)現(xiàn)較好壓縮效果，需要對小波變換進(jìn)行多次層分解，主要分解形式有：Mallat、Spacl和Packet，如圖3所示。

    其中最為常用的分解方式為Mallat分解，每次分解實(shí)在對上一層的低頻分量(LL)繼續(xù)做Mallat分解，如圖4所示。

    一般來講，多數(shù)設(shè)備是串行工作方式，圖像數(shù)據(jù)普遍采用逐行的掃描方式，因此，在本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)中，圖像數(shù)據(jù)以逐行掃描方式輸入DWT變換模塊，小波變換采用9／7有損壓縮，分解結(jié)構(gòu)采用5層Mallat分解。
3．3 量化處理
    人的視覺可分辨的圖像是有一定范圍的，因此通過適當(dāng)量化減小數(shù)據(jù)精度實(shí)現(xiàn)對壓縮。設(shè)計(jì)的量化步長決定了壓縮效果的好壞。對圖像量化操作是有損壓縮，會(huì)產(chǎn)生一定的量化誤差。量化后的圖像數(shù)據(jù)都是由符號和幅值表示，量化后的系數(shù)在進(jìn)行下一步的編碼處理。
3．4 嵌入式塊編碼
    在JPEG2000系統(tǒng)中，將量化后的子帶劃分成小的碼塊，認(rèn)為碼塊間相互獨(dú)立，以碼塊為單元，進(jìn)行嵌入式編碼。嵌入式編碼的基本思想是通過計(jì)算適當(dāng)?shù)拇a流截?cái)帱c(diǎn)，將壓縮生成的碼流劃分成若干子集，每一子集表示對源圖像的一個(gè)壓縮。嵌入式碼流可在任意一處被截?cái)啵玫骄哂胁煌a率或質(zhì)量的重構(gòu)圖像。
    在本設(shè)計(jì)中，模塊采用了并行處理的方式來提高處理能力，嵌入式塊編碼分為Tier1和Tier2兩部分：
    Tier1模塊主要處理模塊有：流程控制模塊、比特平面編碼、過程編碼模塊和算術(shù)編碼模塊，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    工作流程是：首先，小波系數(shù)暫存于小波系數(shù)存儲器中，然后進(jìn)入EBCOT模塊，對小波系數(shù)進(jìn)行比特平面編碼和過程掃描編碼，進(jìn)過處理的比特信息送入算術(shù)編碼模塊進(jìn)行基于上下文的二進(jìn)制算術(shù)編碼。
    Tier2模塊主要功能模塊有：率失真計(jì)算模塊、碼率控制模塊和碼流組織模塊，結(jié)構(gòu)如圖6所示。
    工作過程是：率失真模塊完成編碼塊的失真率計(jì)算，傳給后級模塊，碼率控制模塊據(jù)此進(jìn)行碼流截?cái)嗫刂?，之后給編碼模塊進(jìn)行碼流組織，不同子帶方向上的碼流合并輸出JPEG2000壓縮碼流。

4 測試驗(yàn)證
    文中設(shè)計(jì)的JPEG2000數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)在FPGA開發(fā)板上進(jìn)行了驗(yàn)證，最終結(jié)果顯示，可支持處理512x512大小16灰度級的tile圖像分片，碼塊大小是32x32，實(shí)現(xiàn)對1 024x1 024的16灰度級的圖像壓縮處理，輸入是圖像數(shù)據(jù)信息，輸出是符合JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的壓縮碼流。仿真時(shí)采用的工作時(shí)鐘是50 MHz，對于1 024x1 024的16灰度級的圖像完成16：1的壓縮率，結(jié)果顯示需要大約1 s左右的時(shí)間，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論
    文中首先對JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹，并詳細(xì)分析了數(shù)據(jù)壓縮的實(shí)現(xiàn)原理，之后給出系統(tǒng)總體方案對各個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。由測試結(jié)果可知達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的IP核采用以離散小波變換(DWT)算法，具有明顯的性能優(yōu)勢，可代替JPEG標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)傳輸和無線通訊等領(lǐng)域。但由于JPEG2000算法較為復(fù)雜，系統(tǒng)的壓縮速率和壓縮比還有提升空間，因此需要進(jìn)一步對算法進(jìn)行研究和改進(jìn)，通過研究其FPGA實(shí)現(xiàn)方法，映射為專用集成電路，最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的JPEG2000數(shù)據(jù)壓縮IP核，具有重要研究價(jià)值。