如何用JPEG2000中位平面編碼設(shè)計(jì)存儲(chǔ)優(yōu)化方案？

1引言

JPEG2000的兩大核心模塊(見圖1)，小波變換和EBCOT[2](基于優(yōu)化截?cái)帱c(diǎn)的嵌入式塊編碼)其運(yùn)算開銷很大，占據(jù)了整個(gè)編碼器處理時(shí)間的一半以上。因此，有必要研究合理的實(shí)現(xiàn)方式，一般來說采取軟件實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)比較簡單，比如JPEG2000的參考代碼jasper[3]，但實(shí)時(shí)處理的能力較差，即使采用嵌入式系統(tǒng)的方案，如使用DSP或ARM等通用處理器，基本上也是通過軟件的方式來實(shí)現(xiàn)，速度提升不大，必須針對(duì)塊編碼本身的特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效的硬件結(jié)構(gòu)單元。只有這樣，才能使JPEG2000在實(shí)時(shí)處理的應(yīng)用中發(fā)揮其作用。

2.存儲(chǔ)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方案

JPEG2000的嵌入式塊編碼是基于位平面的編碼，其對(duì)象是小波變換后頻域系數(shù)組成的相對(duì)較小的碼塊，大小一般是32×32或64×64。碼塊中的系數(shù)包含符號(hào)信息和許多個(gè)不同權(quán)值的幅度信息。位平面編碼的思想就是將最重要的信息先進(jìn)行編碼，也就是權(quán)值較大的幅度信息先編碼，這樣配合后續(xù)的碼流組織 (見圖1)即可使最終的碼流獲得漸進(jìn)傳輸?shù)奶匦浴?/p>

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[1]，編碼過程中除了用到符號(hào)和幅度信息外，還需要每個(gè)比特位的顯著信息，細(xì)化信息和訪問信息。因此，對(duì)于一個(gè)32×32的碼塊，編碼一個(gè)位平面時(shí)，總共需要存儲(chǔ)5×1024位的信息。另外，由于編碼是以一列中的4位為單位，所以通常將每塊編碼信息存儲(chǔ)為256×4的形式(見表1)。

但是事實(shí)上這種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是低效的，因?yàn)楦鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)[1]，編碼一個(gè)比特位包括兩個(gè)步驟，即判斷通道歸屬和編碼原操作。在這兩個(gè)步驟中，需要訪問的信息包括當(dāng)前位的顯著、符號(hào)、幅度、細(xì)化和訪問信息，以及當(dāng)前位的周圍8個(gè)比特位的顯著和符號(hào)信息。對(duì)于基于列的編碼方式，如果按照上面的方案存儲(chǔ)信息，即將符號(hào)和顯著信息以字長為4存儲(chǔ)，則實(shí)際上每次編碼一列，需要讀入前一編碼帶(通常將每4行稱為一個(gè)編碼帶)、當(dāng)前編碼帶和后一編碼帶的共12位顯著和符號(hào)信息，但是事實(shí)上只有其中的6位是有用的，其余6位是冗余信息。由于編碼是基于比特位的操作，因此會(huì)頻繁地訪問存儲(chǔ)區(qū)域，每次編碼一列必須讀出相應(yīng)的各信息位，編碼完成一列數(shù)據(jù)還要將相應(yīng)的編碼信息再次寫回存儲(chǔ)區(qū)域，以達(dá)到更新編碼信息的目的。可見，采取上述4位字長的方案是非常低效的。

所以，本文設(shè)計(jì)了一種相對(duì)合理的存儲(chǔ)方案，即在碼塊的最上面一行和最下面一行各添加一行全0數(shù)據(jù)(這是對(duì)顯著和符號(hào)平面而言)，構(gòu)成34×32的塊，然后以兩行為一組，并按交錯(cuò)存儲(chǔ)的方式，即A，B，C，B，A，。。。，C，B，A，將信息分配至三塊存儲(chǔ)區(qū)域MEMA，MEMB和MEMC(見表2)。

另外，從顯著和符號(hào)信息緩存寫數(shù)據(jù)至相應(yīng)的寄存器(6×3bit)時(shí)，也要根據(jù)相應(yīng)的編碼帶進(jìn)行切換，對(duì)于奇數(shù)編碼帶(假設(shè)第一個(gè)編碼帶記為零)，順序?yàn)锳BC，對(duì)于偶數(shù)的編碼帶，順序?yàn)镃BA(見表3)。而且，從表三可以看出，用于訪問MEMA、MEMB、MEMC的地址信號(hào)的變化也不盡相同，其中訪問MEMB的地址順序增長，而MEMA的地址在從奇編碼帶過渡到偶編碼帶的過程中保持不變，從偶編碼帶過渡到奇編碼帶的過程中增長，對(duì)于MEMC的情況正好和MEMA相反。

因此，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路和地址產(chǎn)生電路來配合這個(gè)存儲(chǔ)方案。

3.硬件架構(gòu)

根據(jù)上面的分析，提出相應(yīng)的位平面編碼器的硬件架構(gòu)，如圖2所示，本架構(gòu)針對(duì)32×32的碼塊。

圖2?；趦?nèi)存優(yōu)化方案的位平面編碼器的硬件架構(gòu)

圖2中的位平面編碼器主要包括幾個(gè)部分，即內(nèi)部緩存，寄存器組，地址產(chǎn)生模塊，判斷通道歸屬模塊，編碼原操作模塊，狀態(tài)機(jī)模塊，計(jì)數(shù)器模塊。

地址產(chǎn)生模塊包括兩個(gè)，地址產(chǎn)生模塊1負(fù)責(zé)產(chǎn)生讀取外部DWT系數(shù)緩存的地址信號(hào);地址產(chǎn)生模塊2負(fù)責(zé)產(chǎn)生讀取內(nèi)部5塊緩存區(qū)域的相應(yīng)地址。

判斷通道歸屬模塊，根據(jù)當(dāng)前寄存器組中相應(yīng)的編碼信息，判斷比特位是否屬于當(dāng)前的編碼通道，如果屬于當(dāng)前的編碼通道，則進(jìn)行相應(yīng)的編碼原操作，否則跳過該比特位，繼續(xù)編碼下一個(gè)比特位。

編碼原操作模塊包括4部分，即零值編碼、符號(hào)編碼、細(xì)化編碼和游程編碼。一般的實(shí)現(xiàn)方式采用查找表來實(shí)現(xiàn)編碼原操作，而本設(shè)計(jì)中均采用組合電路的形式來實(shí)現(xiàn)，這樣可以提高產(chǎn)生CX(編碼模式)和D(編碼比特位)的速度。

狀態(tài)機(jī)模塊決定了整個(gè)編碼器的編碼流程，編碼主要分為兩個(gè)階段，即預(yù)處理階段和模式產(chǎn)生階段。預(yù)處理階段主要用于完成5塊緩存區(qū)域內(nèi)容的初始化，模式產(chǎn)生階段則按照顯著、細(xì)化和清除通道的順序依次進(jìn)行編碼，輸出編碼模式給后續(xù)的算術(shù)編碼模塊。狀態(tài)機(jī)模塊還接收來自計(jì)數(shù)器的輸出，決定當(dāng)前處于什么狀態(tài)，在每個(gè)位平面編碼完成后必須轉(zhuǎn)到預(yù)處理階段，更新下一位位平面的幅度信息，并清零訪問緩存的內(nèi)容。

4.Verilog設(shè)計(jì)

本文建議的硬件架構(gòu)采用VERILOG[4]語言描述，主模塊是bpc.v，包括 ram_block.v，addr_generator.v，fill_ram.v，pass_judge.v，coding_primitive.v和 state_machine.v共6 個(gè)子模塊。編碼流程的實(shí)現(xiàn)通過主狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的使能信號(hào)，激活當(dāng)前的模塊操作，當(dāng)操作完成后，由該模塊產(chǎn)生操作中止信號(hào)給主狀態(tài)機(jī)，從而使編碼流程進(jìn)入下一步驟。下面列出了部分用于模塊間握手的代碼，代碼中以省略號(hào)代表其它一些控制信號(hào)和其它一些狀態(tài)。

case (cstate)

。。。

gene_layer：begin

。。。gene_layer_en = 1;fill_ram_en = 0;pass_judge_en = 0; 。。。[!--empirenews.page--]

if (gene_layer_fin) nstate = fill_ram;else nstate = gene_layer;end

fill_ram：begin

。。。gene_layer_en = 0;fill_ram_en = 1;pass_judge_en = 0; 。。。

if (fill_ram_fin) nstate = pass_judge;else nstate = fill_ram;end

。。。

endcase

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用modelsim工具進(jìn)行了功能仿真，使用quartus[6]工具進(jìn)行了邏輯綜合，得到的綜合結(jié)果如表3所示。

6.結(jié)論

本文通過對(duì)JPEG2000中的位平面編碼器的存儲(chǔ)方案進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)高效的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的控制電路，設(shè)計(jì)采用verilog[4]語言描述，通過quartus[6]軟件邏輯綜合后，能夠在0.1s內(nèi)完成一幅512×512灰度圖像的編碼，編碼時(shí)間僅為jasper[3]軟件實(shí)現(xiàn)方案的 30%左右。由于塊編碼器的特點(diǎn)，每個(gè)碼塊的編碼本身是獨(dú)立的，可以并行進(jìn)行，而且根據(jù)綜合結(jié)果，使用EP1C12Q240C8完全可以在一塊芯片內(nèi)集成多個(gè)位平面編碼器的IP核，每個(gè)塊編碼器核可以并行執(zhí)行，因此，可以進(jìn)一步提高編碼器的速度，從而使實(shí)時(shí)處理圖像成為可能。另外，還可以將設(shè)計(jì)定制為 ASIC，將最終產(chǎn)品應(yīng)用到數(shù)碼相機(jī)、圖像監(jiān)控中，其市場前景是十分廣闊的。