JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)中MQ編碼器的VLSI結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
引 言
JPEG 2000是為了彌補(bǔ)JPEG的不足而提出的新一代靜止圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)。其目標(biāo)是對多種類型的靜止圖像實(shí)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(jìn)行多種形式的累進(jìn)傳輸,還可以對壓縮碼流進(jìn)行隨機(jī)訪問和處理。
JPEG 2000用基于上下文的自適應(yīng)算術(shù)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(jìn)制位平面進(jìn)行算術(shù)編碼。算術(shù)編碼對每一小波子帶分塊獨(dú)立進(jìn)行位平面編碼,并將每個(gè)位平面分在3個(gè)子位平面通道內(nèi)進(jìn)行編碼。雖然現(xiàn)有算術(shù)編碼在算法上做了很多改進(jìn),但算法的復(fù)雜性和大量的編碼數(shù)據(jù)導(dǎo)致MQ編碼器的實(shí)際工作效率仍然很低。為了提高M(jìn)Q編碼器的編碼速度,對編碼流程進(jìn)行優(yōu)化,提出一種基于三級(jí)流水線的MQ編碼器的VLSI結(jié)構(gòu)。
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(shù)編碼為選項(xiàng))?;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(shí)現(xiàn)霍夫曼編碼。但是,由于預(yù)先調(diào)查了解符號(hào)系列的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)后制表,所以此后一旦有與其性質(zhì)相違背的符號(hào)輸入進(jìn)來,就難免使壓縮特性惡化,這個(gè)不足限制了其應(yīng)用范圍。
補(bǔ)救霍夫曼編碼這一缺點(diǎn)的就是JPEG 2000中被采用的自適應(yīng)算術(shù)編碼。算術(shù)編碼的構(gòu)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(shè)想,在Elias編碼中,對于具有 “0”或“1”值的二進(jìn)制符號(hào)系列,以各自概率值比率將當(dāng)前概率區(qū)間劃分成兩個(gè)子區(qū)間,被分配給實(shí)際產(chǎn)生符號(hào)的概率值區(qū)間下限值構(gòu)成代碼串。即代碼串按二進(jìn)制符號(hào)系列的輸入逐次被遞歸地修正下去。
JPEG 2000中采用算術(shù)編碼,其基本規(guī)則像Elias編碼那樣,不是以符號(hào)“0”和“1”的實(shí)際值來區(qū)別,而是分別作為MPS(大概率符號(hào))或LPS(小概率符號(hào))中一個(gè)子區(qū)間來區(qū)別的。而且,將當(dāng)前概率區(qū)間劃分成兩個(gè)子區(qū)間時(shí)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(hào)是MPS,就在給代碼串附加LPS子區(qū)間的同時(shí),設(shè)概率區(qū)間寬度為MPS子區(qū)間;若符號(hào)是LPS,就不改變代碼串,設(shè)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(fù)下去。MQ編碼器的輸入/輸出框圖如圖2所示。其中,D是二進(jìn)制判決;CX是上下文索引;D和CX二者均事先由算術(shù)編碼之前進(jìn)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(shù)編碼器中,用寄存器A表示當(dāng)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(shí),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(dāng)編碼器接收到一個(gè)新的待壓縮碼,編碼器從概率估值表查找相應(yīng)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(jìn)行更新,從而區(qū)間更新可近似為:當(dāng)編碼MPS時(shí),A=A-Qe,C=C+Qe;當(dāng)編碼LPS時(shí), A=Qe,C=C,避免了乘法運(yùn)算。
同時(shí),由于MQ算法在進(jìn)行區(qū)間計(jì)算時(shí)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(jì)算的有限精度問題:當(dāng)AO.75時(shí),對A進(jìn)行左移直至不小于0.75為止,同時(shí)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(chǔ)區(qū)。
MQ編碼器所使用的概率估值表是一個(gè)可以對原始數(shù)據(jù)快速適應(yīng)的復(fù)雜概率自動(dòng)估計(jì)模型。該模型是一個(gè)具有47個(gè)狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)。每個(gè)狀態(tài)包含小概率符號(hào) LPS的概率Qe、下一個(gè)狀態(tài)的索引NMPS和NLPS。是否需要交換MPS和LPS所代表符號(hào)的標(biāo)志SWITCH。
MQ編碼器中設(shè)置了一個(gè)專用計(jì)數(shù)器CT作為已壓縮字節(jié)輸出控制。當(dāng)A左移1位時(shí),CT也同時(shí)減1;當(dāng)CT=0時(shí),輸出1個(gè)字節(jié)。為避免區(qū)間更新過程中產(chǎn)生的進(jìn)位向前傳播,在MQ編碼器中,采用位填充技術(shù)來處理進(jìn)位問題。根據(jù)字節(jié)緩沖B及C進(jìn)位位的值,編碼器選擇是否進(jìn)行位填充。
2 MQ編碼器的優(yōu)化
MQ編碼器采用串行執(zhí)行方式,且編碼算法復(fù)雜、耗時(shí),從而導(dǎo)致編碼器執(zhí)行速度慢,效率低下。為了提高M(jìn)Q編碼器的運(yùn)行速度,利用FPGA的大容量和并發(fā)執(zhí)行等特性,對MQ編碼器進(jìn)行設(shè)計(jì),在不改變原算法理論的條件下,對整個(gè)流程進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。
只有當(dāng)前一輸入的結(jié)果被輸出后才能讀人下一輸入的串行執(zhí)行方式,極大地限制了編碼速度的提高。為解決這個(gè)問題,將整個(gè)編碼流程分成三個(gè)大的模塊(如圖3所示)串接起來,采用流水線的方式進(jìn)行工作。
其中,GLGJ模塊為概率估計(jì)模塊,其功能是根據(jù)上下文索引CX選擇,判決D編碼所必需的概率估值和相關(guān)數(shù)值,在各個(gè)上下文自適應(yīng)更新數(shù)值; PJENCODER模塊為判決編碼模塊,其功能主要是進(jìn)行MPS編碼或LPS編碼、重新歸一化等主要數(shù)據(jù)處理進(jìn)程;ENCODER模塊為編碼輸出模塊,主要完成壓縮數(shù)據(jù)的輸出及編碼終結(jié)等功能;由這三個(gè)模塊組成三級(jí)流水線。
2.1 判決編碼的化簡
判決編碼中先判斷D的取值是“0”還是“1”,如果D=0,就進(jìn)行0的編碼;如果D=1,那就進(jìn)行1的編碼。在“0”或“1”的編碼中,又要根據(jù)MPS (CX)的取值,判斷是進(jìn)行MPS編碼,還是進(jìn)行LPS編碼;在MPS和LPS編碼中,先更新區(qū)間寬度A的值,即A=A-Qe[I(CX)],再判斷A是大于還是小于Qe[I(CX)],由此與其他的一些條件決定最后的賦值方式。
上述過程包括ENCODE,CCOE0/CODE1,CO-DELPS/CODEMPS五個(gè)子流程,6個(gè)條件判斷,多次賦值,降低了編碼速度。對編碼的判決條件進(jìn)行整理,減少不必要的賦值,其Verilog代碼如下:
由此可有效地減少不必要的寄存器和位數(shù)賦值,加快模塊的工作效率,從而提高整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率。
2.2 重新歸一化的加速
MQ編碼器一方面在編碼MPS時(shí),給代碼C加上Qe值,將概率區(qū)間A減為A-Qe;另一方面,在編碼LPS時(shí),代碼C不變,將概率區(qū)間A置換成Qe。如果將這樣的區(qū)間劃分運(yùn)算進(jìn)行下去,在某一時(shí)間點(diǎn)上,概率區(qū)間A就會(huì)比必要精度范圍(O.75≤A1.5)小,這時(shí)就要通過重新歸一化A與C維持精度范圍。
重新歸一化過程是根據(jù)條件(A0.75):當(dāng)條件成立時(shí),將區(qū)間寄存器A和代碼寄存器C再左移1次,使其大小加倍,直到概率區(qū)間A的大小超過0. 75。由此可見,如果A的值很小,則左移操作將會(huì)反復(fù)進(jìn)行,大大降低了編碼速率。同時(shí)因編碼中有MPS編碼和LPS編碼兩種,根據(jù)D的不同以及編碼方式的不同,重新歸一化時(shí)移位的次數(shù)也不同。
因此為了提高速度,并充分利用硬件的優(yōu)勢,將Qe的移位次數(shù)作為寄存器數(shù),加入到概率估計(jì)表中(表1所示)。無論輸入數(shù)據(jù)D為何值,編碼的判決都是以 LPS或MPS為標(biāo)準(zhǔn),所以當(dāng)判決為LPS編碼時(shí),LZE-ROS中的數(shù)據(jù)就決定了左移位的次數(shù);當(dāng)判決為MPS編碼時(shí),MZEROS中的數(shù)據(jù)就決定了左移位的次數(shù)。通過編程將擴(kuò)展后的概率估計(jì)表,以寄存器的方式固化在芯片內(nèi)部,雖然這樣增加了硬件電路中寄存器的數(shù)量,但可以通過一次性的直接查表得到判決編碼和重歸一化所需的數(shù)據(jù),提高了查找效率。由于每次編碼都要用到該表,訪問效率很高,這樣大大加快了編碼的速率,同時(shí)便于流水線結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。
2.3 編碼輸出模塊的改進(jìn)
標(biāo)準(zhǔn)MQ編碼器中當(dāng)輸出計(jì)數(shù)器CT=0時(shí),MQ編碼器輸出1個(gè)字節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)中字節(jié)輸出流程是串行執(zhí)行的,造成效率低下。又由于重新歸一化過程采用了一次性的移位方式,最大的移位次數(shù)可達(dá)15次,且過程中伴隨著字節(jié)輸出。有三種可能情況:不需要進(jìn)行字節(jié)輸出,需要進(jìn)行1個(gè)字節(jié)或2個(gè)字節(jié)的字節(jié)輸出。因此需要對字節(jié)輸出機(jī)制作改進(jìn)。這里將減法記數(shù)器CT改為5位的加法記數(shù)器,并使用一個(gè)16位的數(shù)據(jù)緩存器。根據(jù)CT的取值,判別輸出的是0字節(jié)還是1字節(jié)或者2字節(jié),由此達(dá)到加速字節(jié)輸出的目的。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
對所實(shí)現(xiàn)的MQ編碼模塊用Verilog HDL硬件描述語言進(jìn)行RTL級(jí)描述,在Xilinx ISE 7.1和:Model-sim 6.1平臺(tái)下進(jìn)行功能驗(yàn)證和時(shí)序仿真。按字節(jié)輸入測試碼流:00 02 00 51 00 00 00 C0 03 52 87 2A AAAA AA AA 82 C0 20 00 FC D7 9E F6 BF 7F ED 90 4F46 A3 BF,得到結(jié)果碼流為:84 C7 3B FC E1 A1 43 0402 20 00 00 41 0D BB 86 F4 31 7F FF 88 FF 37 47 1ADB 6A DF FF AC。得到的結(jié)果與理論結(jié)果一致,仿真波形如圖4所示。
圖4中D為輸入的測試碼流,CDH為輸出碼流。該設(shè)計(jì)在Xilinx的XA2C32A-6VP44器件上進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明,最高工作頻率可達(dá)95.47 MHz,較大地提高了編碼速度,能夠滿足JPEG 2000對高速編碼的要求。
4 結(jié) 語
綜上所述,為了滿足現(xiàn)在對JPEG 2000高速編碼的需求。在對MQ編碼器的流程及相關(guān)算法進(jìn)行分析后,利用現(xiàn)有FPGA的優(yōu)勢,在采用三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的同時(shí),對編碼進(jìn)行了優(yōu)化;經(jīng) Xilinx的FPGA器件實(shí)現(xiàn),不僅驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)在功能上的正確性,同時(shí)表明在編碼速度上得到了很大的提高,且最高工作頻率可達(dá)95.47 MHz。
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