JPEG-LS多路并行譯碼的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘 要： 提出了一種基于FPGA的JPEG-LS的多路并行譯碼系統(tǒng)，運(yùn)用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，以提高圖像的譯碼速度。系統(tǒng)主要分為檢測(cè)模塊、譯碼模塊和碼流分配模塊三部分。在檢測(cè)模塊中提取和去除頭文件的圖像信息，譯碼模塊則根據(jù)算法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，碼流分配模塊為多路并行算法的關(guān)鍵，利用流水線結(jié)構(gòu)的思路采用乒乓操作將碼流從檢測(cè)模塊傳送到外部RAM。在譯碼時(shí)采用同樣的方法將數(shù)據(jù)送入多個(gè)譯碼模塊進(jìn)行譯碼。
關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列；碼流分配；多路并行；流水線；乒乓操作

JPEG-LS無(wú)損和近無(wú)損壓縮算法已經(jīng)在醫(yī)療和遙感圖像領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)有的硬件譯碼中實(shí)現(xiàn)高性能的JPEG-LS譯碼大都采用流水線處理方式[1]。并行運(yùn)算在硬件譯碼中的應(yīng)用使得其相對(duì)于軟件譯碼更有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于FPGA具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高、開(kāi)發(fā)周期短、可適用于較大規(guī)模的電路等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)中采用FPGA作為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)圖片的譯碼采用多路并行的方式[2]來(lái)實(shí)現(xiàn)高速譯碼。為了節(jié)省系統(tǒng)資源，本設(shè)計(jì)采用四路并行譯碼。由于處理的圖像信息量比較大，在圖片處理過(guò)程中需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，而在芯片內(nèi)部的RAM無(wú)法滿足要求的情況下，采用外掛RAM對(duì)從檢測(cè)模塊和解碼模塊出來(lái)的圖片信息進(jìn)行緩存[3]。本多路并行譯碼系統(tǒng)主要由檢測(cè)模塊、譯碼模塊和碼流分配模塊組成。
1 檢測(cè)模塊
　檢測(cè)模塊用來(lái)對(duì)圖片信息的頭文件進(jìn)行處理。對(duì)于每一種圖像壓縮算法，其頭文件都有固定的一種格式。在檢測(cè)模塊中，接收到頭文件信息后首先檢測(cè)標(biāo)識(shí)號(hào)是否正確。為了正確提取頭文件中的圖像信息，設(shè)計(jì)中設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)輸入的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)。如果標(biāo)識(shí)號(hào)正確，則進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)并且計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)；若錯(cuò)誤則停留在當(dāng)前狀態(tài)檢測(cè)下一個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)，計(jì)數(shù)器保持為0。標(biāo)識(shí)好并正確后去除標(biāo)識(shí)號(hào)信息，從頭文件后面的信息中在不同的狀態(tài)根據(jù)計(jì)數(shù)器的不同分別提取出圖像的高、寬、精度等信息。頭文件信息提取完之后，根據(jù)碼流長(zhǎng)度的值判斷選擇對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。當(dāng)碼流長(zhǎng)度依次遞減為0時(shí)，狀態(tài)選擇跳轉(zhuǎn)為最初狀態(tài)，等待下一幅圖片的輸入。
2 譯碼模塊
譯碼模塊是對(duì)壓縮后的圖片信息進(jìn)行恢復(fù)。JPEG-LS的編碼方法是一種利用Glomb編碼和上下文建模的編碼方法。
　建模建立在上下文的基礎(chǔ)上。在上下文建模時(shí)，每個(gè)樣本值都是以周?chē)鷰讉€(gè)像素的值為條件的，要確定一個(gè)概率分布用來(lái)編碼當(dāng)前樣本值。若樣本為x，如圖1所示，上下文是由圖中a、b、c、d 4個(gè)位置的重建樣本值來(lái)確定的。圖像數(shù)據(jù)的掃描順序是按從左到右從上到下進(jìn)行。通過(guò)對(duì)4個(gè)重建樣本值計(jì)算出3個(gè)梯度值D1、D2、D3，然后根據(jù)3個(gè)梯度值決定對(duì)x位置的樣本值采用游長(zhǎng)編碼還是采用常規(guī)編碼。當(dāng)梯度值D1、D2、D3全為0時(shí)或者全部小于近無(wú)損壓縮控制的壓縮比控因子(NEAR)值時(shí)選擇游長(zhǎng)編碼，否則選擇常規(guī)編碼。
常規(guī)編碼主要是一個(gè)對(duì)預(yù)測(cè)值、預(yù)測(cè)誤差的編碼過(guò)程和一個(gè)變量更新過(guò)程。在上下文建模之后是預(yù)測(cè)過(guò)程。預(yù)測(cè)值是由如圖1所示的a、b、c、d位置的樣本重建值對(duì)x位置的樣本值的一個(gè)預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)誤差則是預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的差值。預(yù)測(cè)誤差后則根據(jù)上下文對(duì)其修正補(bǔ)償在預(yù)測(cè)過(guò)程中的系統(tǒng)偏差。對(duì)近無(wú)損壓縮而言，要對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化。

在游長(zhǎng)編碼中，如果a、b、c、d位置的樣本重建值的梯度值均為0，或者樣本重建值之間梯度值在近無(wú)損壓縮控制因子的范圍之內(nèi)，則上下文建模選擇游長(zhǎng)編碼。游長(zhǎng)編碼過(guò)程不需要對(duì)樣本預(yù)測(cè)值和預(yù)測(cè)誤差編碼，編碼器從x位置開(kāi)始對(duì)連續(xù)出現(xiàn)樣本值相同的樣本均用a位置的樣本值來(lái)重建，直到樣本值之間的梯度值不滿足要求，或者到本行結(jié)束時(shí)，結(jié)束游長(zhǎng)編碼。
圖像的解碼過(guò)程和編碼過(guò)程大致相同，即根據(jù)上下文之間重建樣本值的關(guān)系來(lái)確定x位置的樣本值，采用同樣的方式選擇是常規(guī)譯碼還是游長(zhǎng)譯碼。
3 碼流分配模塊
3.1 碼流分配方案
　　 碼流分配模塊為多路并行算法的關(guān)鍵，也是本設(shè)計(jì)的頂層模塊，負(fù)責(zé)對(duì)輸入碼流[5]的走向進(jìn)行調(diào)配。在本設(shè)計(jì)中采用4個(gè)外掛的RAM存儲(chǔ)解碼過(guò)程中的碼流數(shù)據(jù)。為了節(jié)省FPGA系統(tǒng)資源，本設(shè)計(jì)采用4路并行的方式,如圖2所示。首先碼流通過(guò)檢測(cè)模塊對(duì)圖像的頭文件進(jìn)行處理，將處理后的結(jié)果順序緩存到RAM1和RAM2中。當(dāng)緩存RAM寫(xiě)滿之后，RAM中的數(shù)據(jù)送入4個(gè)譯碼模塊dec1、dec2、dec3、dec4開(kāi)始譯碼。譯碼后的數(shù)據(jù)順序緩存到RAM3和RAM4中，然后顯示器循環(huán)調(diào)用RAM3和RAM4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

設(shè)計(jì)中將每個(gè)RAM的地址空間劃分為四個(gè)部分，分別存放一幀數(shù)據(jù)中4幅圖像的數(shù)據(jù)。在譯碼部分提取數(shù)據(jù)時(shí)也可根據(jù)RAM中存放圖片的位置對(duì)應(yīng)提取出所要譯碼圖片的信息。為了提高設(shè)計(jì)的整體性能和效率，設(shè)計(jì)中對(duì)檢測(cè)模塊和譯碼模塊采用不同頻率的時(shí)鐘，在檢測(cè)模塊采用50 MHz的時(shí)鐘，譯碼模塊則采用90 MHz的時(shí)鐘。由于對(duì)RAM讀寫(xiě)時(shí)鐘采用不同的頻率，保證了時(shí)序控制上有嚴(yán)格的要求。在第一個(gè)緩存周期中，從檢測(cè)模塊出來(lái)的數(shù)據(jù)采用乒乓操作的方法[4]首先存儲(chǔ)到RAM1的4個(gè)空間中。在第二個(gè)緩存周期，如果RAM1存儲(chǔ)滿、RAM2為空，則檢測(cè)輸出選擇信號(hào)將切換到RAM2上，開(kāi)始對(duì)RAM2進(jìn)行寫(xiě)操作，同時(shí)譯碼模塊輸入選擇信號(hào)切換到RAM1并對(duì)RAM1中的4幅圖像的數(shù)據(jù)采用流水線方式4路并行譯碼。在第三個(gè)緩存周期中，如果RAM1譯碼完成、RAM2寫(xiě)滿，則先將RAM1復(fù)位，再將檢測(cè)輸出選擇信號(hào)選擇RAM1，并對(duì)RAM1進(jìn)行寫(xiě)操作，譯碼輸入選擇信號(hào)選擇RAM2，開(kāi)始對(duì)RAM2中的4幅圖像譯碼。對(duì)RAM3和RAM4的讀寫(xiě)也采用相同的乒乓操作方式。在第三個(gè)緩存周期，譯碼輸出選擇RAM3，并對(duì)RAM3開(kāi)始寫(xiě)操作，當(dāng)RAM3寫(xiě)滿、RAM4為空時(shí)，進(jìn)入第四個(gè)緩存周期，譯碼輸出選擇對(duì)RAM4寫(xiě)操作，屏幕顯示調(diào)用RAM3中的數(shù)據(jù)。到下一個(gè)操作時(shí)序時(shí)，RAM3中的數(shù)據(jù)讀完、RAM4存儲(chǔ)滿，則對(duì)RAM3復(fù)位，譯碼輸出選擇RAM3，屏幕顯示調(diào)用RAM4中的數(shù)據(jù)。如此實(shí)現(xiàn)圖片的不間斷輸出。
3.2 乒乓操作并行控制的VHDL實(shí)現(xiàn)及仿真
設(shè)計(jì)中的乒乓操作主要體現(xiàn)在對(duì)RAM1和RAM2的讀寫(xiě)時(shí)序控制上。對(duì)RAM1和RAM2的寫(xiě)操作采用50 MHz的時(shí)鐘，而讀操作則采用90 MHz的時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)在Modeltech_6.3a仿真工具下做時(shí)序和功能仿真。測(cè)試文件采用10位精度壓縮后的碼流作為譯碼的輸入，選擇16數(shù)據(jù)線的RAM作為緩沖儲(chǔ)存器。
設(shè)計(jì)中，用來(lái)控制RAM1寫(xiě)信號(hào)的為碼流輸入判斷信號(hào)fram，當(dāng)fram信號(hào)為1時(shí)則為有碼流輸入；data_valid用來(lái)控制是否為有效數(shù)據(jù)；fram_flag1作為判斷一幀數(shù)據(jù)的4幅圖像在RAM1中是否存儲(chǔ)完成的標(biāo)志；fram_flag2作為判斷一幀數(shù)據(jù)的4幅圖像在RAM2中是否存儲(chǔ)完成的標(biāo)志。如果一幀數(shù)據(jù)的4幅圖像在RAM1寫(xiě)完則fram_flag1為1。同樣如果在RAM2中存儲(chǔ)完成則fram_flag2為1；ram1_ready為判斷RAM1是否準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)的標(biāo)志。當(dāng)ram1_ready為1時(shí)表示已經(jīng)復(fù)位完成，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；ram2_ready則為判斷RAM2是否準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)的標(biāo)志；read_empty1為RAM1讀空信號(hào)；read_empty1_delay為read_empty1的一個(gè)時(shí)鐘的延遲信號(hào)；ram1_2為RAM1和RAM2之間的切換信號(hào)。ram1_2為0時(shí)表示選擇RAM1，為1時(shí)表示選擇RAM2；ram1_strm、ram2_strm為RAM中的輸入碼流信息；cnt1為以8為碼流計(jì)數(shù)，當(dāng)其為奇數(shù)時(shí)RAM地址+1，當(dāng)其為偶數(shù)時(shí)RAM地址不變。
在50 MHz時(shí)鐘的上升沿，如果read_empty1=1、read_empty1_delay=0，則ram1_ready=1。如圖3所示為RAM1寫(xiě)操作時(shí)各寫(xiě)操作控制信號(hào)的波形圖。

設(shè)計(jì)中用來(lái)控制RAM讀操作的信號(hào)有write_full1，它是判斷RAM1是否寫(xiě)滿的標(biāo)志。復(fù)位時(shí)，write_full1為0，當(dāng)一幀輸入碼流存儲(chǔ)到RAM1中后，write_full1為1。RAM2的滿標(biāo)志用write_full2信號(hào)來(lái)判斷。dec_end1為RAM1中信息譯碼結(jié)束標(biāo)志，RAM1中信息譯碼結(jié)束時(shí)dec_end1為1，復(fù)位時(shí)dec_end1為0。dec_end1_delay為dec_end1的一個(gè)時(shí)鐘延遲信號(hào)。dec_end2和dec_end2_delay分別為RAM2譯碼結(jié)束標(biāo)志和對(duì)譯碼標(biāo)志的一個(gè)延時(shí)。dec_permit為RAM1、RAM2的譯碼允許標(biāo)志。ram1_rd、ram2_rd分別為RAM1、RAM2的讀信號(hào)。dec_start1、dec_start2分別為RAM1和RAM2開(kāi)始譯碼的標(biāo)志位。
當(dāng)dec_end1_delay=0、dec_end1=1時(shí)，dec_permit=1。當(dāng)dec_end2_delay=0、dec_end2=1時(shí)，dec_permit=0。
當(dāng)write_full1=1、dec_end1=0、dec_permit=0時(shí)，RAM1的譯碼開(kāi)始標(biāo)志位為1，表示開(kāi)始對(duì)RAM1的譯碼。當(dāng)write_full2=1、dec_end2=1、dec_permit=1時(shí)，RAM2的譯碼開(kāi)始標(biāo)志位為1，表示開(kāi)始對(duì)RAM2的譯碼。
圖4為RAM1讀操作控制波形圖。從圖中可以看出，4個(gè)譯碼模塊采用流水線的方式根據(jù)RAM的地址分別讀取4幅圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。

本設(shè)計(jì)采用4路并行譯碼的方式，芯片的面積利用率為90%，雖然占用的邏輯單元數(shù)量比較多，但是譯碼速度卻有很大提高，充分體現(xiàn)出面積和速度之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)是在ISE7.1的軟件環(huán)境下進(jìn)行綜合的。譯碼部分使用邏輯單元數(shù)目為4 414個(gè)，占所用邏輯單元總數(shù)的17%，使用片內(nèi)RAM為11個(gè)，占片內(nèi)RAM總數(shù)的3%，綜合頻率達(dá)到了135.485 MHz。采用90 MHz的時(shí)鐘譯碼，使得譯碼圖像輸出幀之間相隔約9 ms，真正實(shí)現(xiàn)了圖片譯碼的實(shí)時(shí)傳輸。在測(cè)試階段采用多幅遙感圖像對(duì)多路譯碼器進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在采用多路并行譯碼的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的傳輸。本設(shè)計(jì)具有很好的可移植性，能夠應(yīng)用到圖片處理的許多領(lǐng)域中。
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