JPEG2000中嵌入式塊編碼的FPGA設計

隨著多媒體市場的迅猛發(fā)展，百萬像素的數(shù)碼相機、各種功能強大的彩屏手機等數(shù)字消費產品逐漸普及。這些多媒體應用均需要處理高質量、高分辨率的大圖像，這對存儲介質的容量和傳輸信道的帶寬都提出了新要求。圖像壓縮的國際標準jpeg已不能滿足這些新的要求，而且它在低碼率時還存在著方塊效率。因此，從1997年開始，jpeg委員會就致力于開發(fā)新的靜態(tài)圖像壓縮標準jpeg2000,并在2000年8月形成了最終經濟核草案，在2000年12月使其成為了國標標準。
jpeg2000相比jpeg有著更大的靈活性，不僅能對原始圖像高效地壓縮，而且可以對壓縮后的數(shù)據(jù)進行處理。這意味著可以從壓縮碼流中提取一部分數(shù)據(jù)來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不同的傳輸信道、存儲或顯示設備，而不必考慮圖像的大小、分量多少以及樣本的精度。 jpeg2000的一個主要特性就是基于圖像質量和分辨率的累進傳輸，為了支持這種可分級的壓縮編碼，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)化截斷點的嵌入式塊編碼（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dwt將圖像片分解為不同的分辨率級別，獲得多個子帶的頻域系數(shù)，將各個子帶劃分為碼塊（典型大小是32×32或64×64），對每個碼塊進行嵌入式的塊編碼，生成上下文和待編碼的數(shù)據(jù)位；然后由算術編碼部分根據(jù)每個數(shù)據(jù)位的上下文自適應編碼，產生每個碼塊的子碼流；最后將各個碼塊的子碼流組織成代表碼流質量層的分組，并添加相應的頭結構信息，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現(xiàn)，但速度和效率不高，且占用較大的存儲資源；而采用硬件實現(xiàn)方式則會有更大的靈活性。事實上采用硬件芯片實現(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，采用特定的、高效的硬件結構來實現(xiàn)算法的關鍵部分，可以較大幅度地提高編碼效率。另外，隨著多媒體的應用和網(wǎng)絡應用逐步便攜化，以前多數(shù)可以在pc機上處理的工作必須轉移到便攜產品上，這對便攜產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程，本文旨在研究jpeg2000編碼中的關鍵技術——嵌入式塊編碼。 1 算法分析及設計 嵌入式塊編碼其實是基于位平面的編碼，而每個位平面又被劃分為三個編碼通道，即顯著通道、細分通道和清除通道。編碼采用固定的掃描方式，每個比特位僅在其中的一個編碼通道中完成編碼。編碼過程可以分為兩個步驟，即差別編碼通道的歸屬和編碼原操作。在顯著通道中，當比特位本身不顯著，且周圍8個近鄰至少有一個是顯著時被編碼；在細分通道中，當比特位在上一個位平面就變顯著時被編碼；在清除通道，所有在上面兩個通道中略過的比特位被編碼。編碼原操作共患難個，即零值編碼、符號編碼、細化編碼和游程編碼。 根據(jù)算法要求，編碼時必須用到一些編碼信息。假設碼塊的大小是32×32的，則編碼信息立即包括1024個顯著信息位（表示當前系數(shù)位是否顯著）、1024個細化信息位（表示當前系數(shù)位是否第一次細分）、1024個訪問信息位（表示當前系統(tǒng)位是否在前面的編碼通道中編過）。當然，除此之外，還需要有1024個符號位和幅度位，因此編碼過程中需要存儲的信息為5kbit。由于fpga片內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（對于32×32的碼塊，16bit的系數(shù)，需要存儲16bit），而在片內只存儲5kbit的信息。 塊編碼過程是以一列的4個比特位為單位進行編碼，且在判別編碼通道的歸屬和編碼操作時，都需要用到當前比特位的8個近鄰的顯著信息和符號信息。因此，事實上在編碼每一列數(shù)據(jù)時，必須訪問18bit的顯著信息和符號信息，以及當前列的幅度位、訪問信息和細分信息各4bit。對于幅度位、訪問信息和細分信息，可以將每列的數(shù)據(jù)作為一個字存儲，但這種存儲方式對顯著信息和符號信息卻效率較低。如圖2系數(shù)，需要