JPEG2000中位平面編碼的存儲優(yōu)化方案設(shè)計

    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)化截斷點的嵌入式塊編碼)其運算開銷很大，占據(jù)了整個編碼器處理時間的一半以上。因此，有必要研究合理的實現(xiàn)方式，一般來說采取軟件實現(xiàn)方式相對比較簡單，比如JPEG2000的參考代碼jasper[3]，但實時處理的能力較差，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現(xiàn)，速度提升不大，必須針對塊編碼本身的特點設(shè)計高效的硬件結(jié)構(gòu)單元。只有這樣，才能使JPEG2000在實時處理的應(yīng)用中發(fā)揮其作用。
 

　　2.存儲優(yōu)化的實現(xiàn)方案

　　JPEG2000的嵌入式塊編碼是基于位平面的編碼，其對象是小波變換后頻域系數(shù)組成的相對較小的碼塊，大小一般是32×32或64×64。碼塊中的系數(shù)包含符號信息和許多個不同權(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傳輸?shù)奶匦浴?/p>

　　根據(jù)標準[1]，編碼過程中除了用到符號和幅度信息外，還需要每個比特位的顯著信息，細化信息和訪問信息。因此，對于一個32×32的碼塊，編碼一個位平面時，總共需要存儲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為256×4的形式(見表1)。

　　但是事實上這種存儲結(jié)構(gòu)是低效的，因為根據(jù)標準[1]，編碼一個比特位包括兩個步驟，即判斷通道歸屬和編碼原操作。在這兩個步驟中，需要訪問的信息包括當前位的顯著、符號、幅度、細化和訪問信息，以及當前位的周圍8個比特位的顯著和符號信息。對于基于列的編碼方式，如果按照上面的方案存儲信息，即將符號和顯著信息以字長為4存儲，則實際上每次編碼一列，需要讀入前一編碼帶(通常將每4行稱為一個編碼帶)、當前編碼帶和后一編碼帶的共12位顯著和符號信息，但是事實上只有其中的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，因此會頻繁地訪問存儲區(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區(qū)域，以達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)計了一種相對合理的存儲方案，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)(這是對顯著和符號平面而言)，構(gòu)成34×32的塊，然后以兩行為一組，并按交錯存儲的方式，即A，B，C，B，A，。。。，C，B，A，將信息分配至三塊存儲區(qū)域MEMA，MEMB和MEMC(見表2)。

　　另外，從顯著和符號信息緩存寫數(shù)據(jù)至相應(yīng)的寄存器(6×3bit)時，也要根據(jù)相應(yīng)的編碼帶進行切換，對于奇數(shù)編碼帶(假設(shè)第一個編碼帶記為零)，順序為ABC，對于偶數(shù)的編碼帶，順序為CBA(見表3)。而且，從表三可以看出，用于訪問MEMA、MEMB、MEMC的地址信號的變化也不盡相同，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，對于MEMC的情況正好和MEMA相反。

　　因此，必須設(shè)計相應(yīng)的控制電路和地址產(chǎn)生電路來配合這個存儲方案。

　　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)機模塊，計數(shù)器模塊。

　　地址產(chǎn)生模塊包括兩個，地址產(chǎn)生模塊1負責(zé)產(chǎn)生讀取外部DWT系數(shù)緩存的地址信號;地址產(chǎn)生模塊2負責(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)當前寄存器組中相應(yīng)的編碼信息，判斷比特位是否屬于當前的編碼通道，如果屬于當前的編碼通道，則進行相應(yīng)的編碼原操作，否則跳過該比特位，繼續(xù)編碼下一個比特位。

　　編碼原操作模塊包括4部分，即零值編碼、符號編碼、細化編碼和游程編碼。一般的實現(xiàn)方式采用查找表來實現(xiàn)編碼原操作，而本設(shè)計中均采用組合電路的形式來實現(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)機模塊決定了整個編碼器的編碼流程，編碼主要分為兩個階段，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、細化和清除通道的順序依次進行編碼，輸出編碼模式給后續(xù)的算術(shù)編碼模塊。狀態(tài)機模塊還接收來自計數(shù)器的輸出，決定當前處于什么狀態(tài)，在每個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。[!--empirenews.page--]

　　4.Verilog設(shè)計

　　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 個子模塊。編碼流程的實現(xiàn)通過主狀態(tài)機產(chǎn)生相應(yīng)的使能信號，激活當前的模塊操作，當操作完成后，由該模塊產(chǎn)生操作中止信號給主狀態(tài)機，從而使編碼流程進入下一步驟。下面列出了部分用于模塊間握手的代碼，代碼中以省略號代表其它一些控制信號和其它一些狀態(tài)。

　　case (cstate)

　　。。。

　　gene_layer：begin

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

　　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.實驗結(jié)果

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

　　下面是使用jasper軟件和本硬件實現(xiàn)對幾幅標準圖像(大小512×512的灰度圖像)編碼的時間比較。

　　6.結(jié)論

　　本文通過對JPEG2000中的位平面編碼器的存儲方案進行了分析，設(shè)計了一個高效的存儲結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的控制電路，設(shè)計采用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，編碼時間僅為jasper[3]軟件實現(xiàn)方案的30%左右。由于塊編碼器的特點，每個碼塊的編碼本身是獨立的，可以并行進行，而且根據(jù)綜合結(jié)果，使用EP1C12Q240C8完全可以在一塊芯片內(nèi)集成多個位平面編碼器的IP核，每個塊編碼器核可以并行執(zhí)行，因此，可以進一步提高編碼器的速度，從而使實時處理圖像成為可能。另外，還可以將設(shè)計定制為ASIC，將最終產(chǎn)品應(yīng)用到數(shù)碼相機、圖像監(jiān)控中，其市場前景是十分廣闊的。