1 概述
JPEG2000[1,2]是新的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它具有的多種特性使得它有著廣泛的應(yīng)用前景。目前為止，JPEG2000的解決方案比較少，并且其中的絕大部分是軟件解決方案：Jasper[3]軟件是經(jīng)IEC JTC1/SC29/WG1小組推薦使用的實(shí)現(xiàn)JPEG2000的為數(shù)不多的軟件之一。
由于軟件實(shí)現(xiàn)JPEG2000的時(shí)間開銷比較大，因此，JPEG2000編碼系統(tǒng)很難應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中；硬件解決方案由于處理速度大大提高，因而用硬件實(shí)現(xiàn)JPEG2000具有廣泛的市場前景。但是，JPEG2000算法復(fù)雜，完全用硬件實(shí)現(xiàn)比較困難；然而使用硬件實(shí)現(xiàn)JPEG2000中的某些模塊，相對而言就比較容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也能大大提高編碼效率。
圖1為JPEG2000的幾個(gè)基本模塊。文獻(xiàn)[4]指出，軟件處理中，圖1中的算術(shù)編碼模塊的時(shí)間開銷占據(jù)了整個(gè)軟件時(shí)間開銷的40%左右，若使用硬件實(shí)現(xiàn)算術(shù)編碼模塊必然能大大提高編碼速度，對于提高JPEG2000的編碼速度有著重要的意義。
Q-coder算術(shù)編碼是一種特殊的高效自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼器。其輸入是成對待編碼數(shù)據(jù)D(DATA)以及上下文CX(CONTEXT)，數(shù)據(jù)D和上下文CX是由比特平臺(tái)(bit plane)[1]產(chǎn)生的；輸出則是壓縮數(shù)據(jù)CD(COMPRESSED DATA)。在JPEG2000中，上下文指D周圍8個(gè)相鄰比特的狀態(tài)，這些狀態(tài)被特定的規(guī)則劃分為19類，稱為19種上下文。每種上下文都包含兩部分內(nèi)容，一部分選擇了對數(shù)據(jù)D編碼時(shí)使用的概率估計(jì)值對應(yīng)的索引，另一部分決定了當(dāng)前大概率符號(hào)所代表的符號(hào)，這兩部分內(nèi)容將在編碼后被更新。
2.1 區(qū)間的遞歸劃分
概率區(qū)間的遞歸劃分是二進(jìn)制算術(shù)編碼的基礎(chǔ)。每執(zhí)行一次二元判定，當(dāng)前概率區(qū)間就被劃分成為兩個(gè)子區(qū)間，并在必要的時(shí)候修改輸出碼流，使之指向該符號(hào)所在的概率子區(qū)間的下界。
在區(qū)間劃分時(shí)，小概率符號(hào)的子區(qū)間和大概率符號(hào)的子區(qū)間這樣排序：通常取靠近0的區(qū)間作為MPS的子區(qū)間，因此，若編碼的是MPS，則應(yīng)向輸出碼流中加入LPS子區(qū)間的長度。這種約定要求把編碼的符號(hào)區(qū)別為LPS或MPS，而不是0或者1。因此在對一次二元判定編碼時(shí)，必須知道該判定的LPS子區(qū)間的長度和MPS的含義。
2.2 編碼約定和近似計(jì)算
Q-coder算術(shù)編碼器設(shè)置兩個(gè)寄存器：一個(gè)是概率區(qū)間寬度寄存器A，用于存放子區(qū)間的寬度，另一個(gè)是碼字寄存器C，用來表示概率區(qū)間的下限。編碼過程使用固定精度的整數(shù)運(yùn)算和小數(shù)的整型表示形式，即X‘8000’代表十進(jìn)制小數(shù)0.75。概率區(qū)間A的范圍是，并且當(dāng)A的整型值小于X‘8000’時(shí)，把A翻倍，即把A限制在十進(jìn)制范圍0.75–1.5之間，這個(gè)“翻倍”過程稱為重整化。當(dāng)A進(jìn)行重整化時(shí)，C也必須同時(shí)翻倍。為了防止寄存器C發(fā)生上溢，每隔一段時(shí)間，應(yīng)將寄存器C的高位部分移出并送至另外的寄存器中。
將A限制在十進(jìn)制范圍0.75~1.5之間，概率區(qū)間的劃分可以使用簡單的算術(shù)近似方法。如果LPS當(dāng)前的概率估計(jì)值是，則子區(qū)間的精確計(jì)算如下進(jìn)行：
3 算術(shù)編碼器的實(shí)現(xiàn)
3.1 算術(shù)編碼流程
所有的設(shè)計(jì)都是用Verilog硬件描述語言編寫的，由上述描述可知，算術(shù)編碼器的輸出不僅和當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，而且和輸入也相關(guān)，所以本文選擇Mearly有限狀態(tài)機(jī)[5]來描述復(fù)雜的控制模塊。整個(gè)設(shè)計(jì)的主有限狀態(tài)機(jī)如圖2所示。
圖2 算術(shù)編碼主有限狀態(tài)機(jī)
3.2 模塊設(shè)計(jì)
duram是雙口sram作為片內(nèi)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)輸入的數(shù)據(jù)，當(dāng)采用FPGA進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，直接調(diào)用Altera公司的宏功能塊即可；ari_core是實(shí)現(xiàn)算術(shù)編碼的運(yùn)算處理單元，包含一個(gè)存儲(chǔ)概率估值和當(dāng)前MPS符號(hào)的表以及LPS和MPS編碼子程序；模塊control是數(shù)據(jù)流控制單元，用于組織片內(nèi)存儲(chǔ)單元duram和運(yùn)算處理單元ari_core以及片外sram的數(shù)據(jù)交換。模塊control是整個(gè)設(shè)計(jì)的控制單元，負(fù)責(zé)調(diào)度以上各個(gè)模塊，產(chǎn)生控制和聯(lián)絡(luò)信號(hào)以及地址信號(hào)。模塊結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。
3.3 電路驗(yàn)證
將布局布線后生成的文件下載到自行設(shè)計(jì)的一塊FPGA的PCI開發(fā)板里進(jìn)行驗(yàn)證，如圖4所示。板上是一片Altera cyclone系列FPGA ep1c12qfp240，該FPGA含有約25萬邏輯門、30KB內(nèi)部RAM。PCI接口控制邏輯也是在FPGA中實(shí)現(xiàn)[6~8]，然后編寫PCI驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，先由Jasper軟件處理，抽取軟件中量化模塊處理后的數(shù)據(jù)，輸入FPGA中進(jìn)行處理，再將數(shù)據(jù)返回給軟件中的下一模塊，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的算術(shù)編碼IP核的正確性，并計(jì)算處理時(shí)間。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
(1)將Verilog源程序在QuartusⅡ軟件中綜合后，得到的參數(shù)如下：
1)器件名稱：EP20K200efc484-2x；
2)FPGA時(shí)鐘最高頻率：45.18MHz；
3)Total logic elements:3660/8320 (44%)。
(2)功能驗(yàn)證。目前，只有JBIG[8]標(biāo)準(zhǔn)中有驗(yàn)證算術(shù)編碼器編碼正確性的測試向量，因此該測試向量被用以測試本文設(shè)計(jì)IP核的正確性。需要說明的是：JBIG標(biāo)準(zhǔn)中的算術(shù)編碼器會(huì)產(chǎn)生“FF AC”標(biāo)志位[8]，而JPEG2000中的MQ-Coder算術(shù)編碼器并不產(chǎn)生該標(biāo)志位[1]。
將JBIG中的測試向量作為輸入，經(jīng)過本文設(shè)計(jì)的算術(shù)編碼IP核處理后的結(jié)果如圖5所示，由圖5可知本文設(shè)計(jì)的算術(shù)編碼IP核完全正確。
(3)由概述可知，Jasper軟件具有一定的權(quán)威性，因此在實(shí)驗(yàn)中被使用。表1列出了對于同一個(gè)圖像文件，Jasper軟件中算術(shù)編碼模塊執(zhí)行所需的時(shí)間和本文設(shè)計(jì)的算術(shù)編碼IP核執(zhí)行所需的時(shí)間以及兩者時(shí)間之比。
5 結(jié)論
本文提出的一種實(shí)現(xiàn)算術(shù)編碼的集成電路IP核，經(jīng)過仿真和FPGA驗(yàn)證，能夠符合JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)，仿真結(jié)果表明，在相同的條件下，該IP核編碼所需時(shí)間僅約為軟件編碼所需時(shí)間的40%，從而大大提高了算術(shù)編碼的效率，使得將來其應(yīng)用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)成為可能；并且將來可以定制所需的ASIC電路，用于新一代數(shù)字照相機(jī)等具有廣泛市場前景的項(xiàng)目。