JPEG 2000標準中MQ編碼器的VLSI結構設計

引 言
JPEG 2000是為了彌補JPEG的不足而提出的新一代靜止圖像壓縮國際標準。其目標是對多種類型的靜止圖像實現(xiàn)高效壓縮，并要求壓縮碼流具有較好的抗誤碼性能，用戶可對圖像進行多種形式的累進傳輸，還可以對壓縮碼流進行隨機訪問和處理。
JPEG 2000用基于上下文的自適應算術編碼取代JPEG系統(tǒng)中的赫夫曼編碼，對量化后小波變換系數(shù)的二進制位平面進行算術編碼。算術編碼對每一小波子帶分塊獨立進行位平面編碼，并將每個位平面分在3個子位平面通道內(nèi)進行編碼。雖然現(xiàn)有算術編碼在算法上做了很多改進，但算法的復雜性和大量的編碼數(shù)據(jù)導致MQ編碼器的實際工作效率仍然很低。為了提高MQ編碼器的編碼速度，對編碼流程進行優(yōu)化，提出一種基于三級流水線的MQ編碼器的VLSI結構。

1 MQ編碼器原理
JPEG 2000的編碼系統(tǒng)流程如圖1所示。

在JPEG中，作為無損壓縮DCT系數(shù)的熵編碼方法，采用了霍夫曼編碼(算術編碼為選項)?；舴蚵幋a因按DCT系數(shù)大小來分配可變碼長，所以查表處理形成主體，能夠簡單實現(xiàn)霍夫曼編碼。但是，由于預先調(diào)查了解符號系列的統(tǒng)計性質(zhì)后制表，所以此后一旦有與其性質(zhì)相違背的符號輸入進來，就難免使壓縮特性惡化，這個不足限制了其應用范圍。
補救霍夫曼編碼這一缺點的就是JPEG 2000中被采用的自適應算術編碼。算術編碼的構思是作為Elias編碼，依據(jù)為人們所熟悉的劃分遞歸概率區(qū)間的設想，在Elias編碼中，對于具有 “0”或“1”值的二進制符號系列，以各自概率值比率將當前概率區(qū)間劃分成兩個子區(qū)間，被分配給實際產(chǎn)生符號的概率值區(qū)間下限值構成代碼串。即代碼串按二進制符號系列的輸入逐次被遞歸地修正下去。
JPEG 2000中采用算術編碼，其基本規(guī)則像Elias編碼那樣，不是以符號“0”和“1”的實際值來區(qū)別，而是分別作為MPS(大概率符號)或LPS(小概率符號)中一個子區(qū)間來區(qū)別的。而且，將當前概率區(qū)間劃分成兩個子區(qū)間時的順序是MPS子區(qū)間可配置到LPS子區(qū)間的上面。因此，若符號是MPS，就在給代碼串附加LPS子區(qū)間的同時，設概率區(qū)間寬度為MPS子區(qū)間；若符號是LPS，就不改變代碼串，設概率區(qū)間寬度為LPS子區(qū)間。按判決輸入將此處理遞歸地重復下去。MQ編碼器的輸入／輸出框圖如圖2所示。其中，D是二進制判決；CX是上下文索引；D和CX二者均事先由算術編碼之前進行的系數(shù)位建模確定。 CD是輸出的壓縮數(shù)據(jù)。

在MQ算術編碼器中，用寄存器A表示當前子區(qū)間的寬度，寄存器C表示子區(qū)間的起始位置。它們均具有16 b有效長度，在發(fā)生重新歸一化時，為了避免16 b的C寄存器溢出，而采用28 b表示。通過采用重新歸一化方案，使A的取值范圍保持在[0．75，1．5]。當編碼器接收到一個新的待壓縮碼，編碼器從概率估值表查找相應的概率Qe。根據(jù)接受的待壓縮碼類型，寄存器A的值和寄存器C的值被進行更新，從而區(qū)間更新可近似為：當編碼MPS時，A=A-Qe，C=C+Qe；當編碼LPS時， A=Qe，C=C，避免了乘法運算。
同時，由于MQ算法在進行區(qū)間計算時省略了乘法的近似，使得可能發(fā)生LPS子區(qū)間大于MPS子區(qū)間的情況。為了避免這種情況，采用區(qū)間條件交換，即將 MPS與LPS互換。MQ編碼器通過重歸一化方法解決計算的有限精度問題：當AO．75時，對A進行左移直至不小于0．75為止，同時C也左移同樣位數(shù)，并按一定間隔將不再變化的高位移入存儲區(qū)。
MQ編碼器所使用的概率估值表是一個可以對原始數(shù)據(jù)快速適應的復雜概率自動估計模型。該模型是一個具有47個狀態(tài)的有限狀態(tài)機。每個狀態(tài)包含小概率符號 LPS的概率Qe、下一個狀態(tài)的索引NMPS和NLPS。是否需要交換MPS和LPS所代表符號的標志SWITCH。
MQ編碼器中設置了一個專用計數(shù)器CT作為已壓縮字節(jié)輸出控制。當A左移1位時，CT也同時減1；當CT=0時，輸出1個字節(jié)。為避免區(qū)間更新過程中產(chǎn)生的進位向前傳播，在MQ編碼器中，采用位填充技術來處理進位問題。根據(jù)字節(jié)緩沖B及C進位位的值，編碼器選擇是否進行位填充。