（电路与系统专业论文）基于JPEG2000的数字图像压缩编码器的VLSI实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于j p e g 2 0 0 0 的数字图像压缩编码器的v l s i 实现 摘要 随着数字时代的到来，多媒体技术被广泛应用于生产和生活的各个领域，图像，视 频压缩编码技术及其标准化工作也取得了一系列重大成就。j p e g 2 0 0 0 标准是联合图像 专家组在2 0 0 1 年1 月推出的新一代数字图像压缩标准。它和现行的j p e g 标准相比， 具有压缩效率高、传输方式灵活、能够进行感兴趣区域编码和压缩码流抗干扰能力强 等特点。 近年来，集成电路技术飞速发展，各种专用的图像压缩和视频处理芯片也应运而 生。基于j p e g 2 0 0 0 核心算法的专用处理芯片可以应用于消费类电子、医疗和气象以及 国防等需要实时压缩、传输和解压缩数字图像的诸多领域，成为国内外研究开发的热 点。 本文通过对国际最新的数字图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 标准及其采用的各种核心 算法的深入研究和分析，设计了兼容多种应用的领域的数字图像压缩软硬件系统架构， 并结合目前先进的s o c 开发流程，完成编码系统核心模块的硬件结构设计、软硬件协 同验证和后端p 硬核的设计。 本文的主要工作在于以下几点： 研究和分析j p e g 2 0 0 0 标准，运用软硬件划分的思想，将整个数字图像压缩编 码系统划分为d w t 小波变换模块、e b o c t 编码模块和自适应算术编码模块三个 核心的硬件p 核，以及图像的分割和预处理、码流的组织和最优截断等软件模块， 既达到了高效性的特点，又满足了灵活性的要求。 提出了一种基于提升算法( 1 i f t i n g ) 的离散小波变换( d w t ) 统一结构，并完成 了i p 硬核的设计和验证。它无需额外的边界延拓过程，经配置后可适用于j p e g 2 0 0 0 中的无损或有损小波变换。通过将边界延拓过程内嵌于离散小波变换中，可以降低 功耗，减少所需内存。为了达到更高的处理速度和硬件利用率，还采用了流水线技 术。这种高效紧凑的离散小波变换结构适用于j p e g 2 0 0 0 编码器和各种实时图像 视频应用系统。 提出了一种e b c o t 编码器的v l s i 结构，并完成了i p 硬核的设计和验证。该 编码器内部采用了4 组b i t 平面作为缓存，分别代表了被编码的平面、符号平面和 状态平面，这样就大大降低了对外部m e m o r y 的存取频率；采用了“侦测一跳跃” 技术，将三个编码扫描过程合为一个扫描过程，提高了编码效率；同时运用了2 级 流水时序，迸一步提高了执行速度。 提出了一种基于动态流水的高性能m q 编码器的v l s i 结构，并完成了i p 硬核 的设计和验证。为了获得高速处理能力，我们首先分析了j p e g 2 0 0 0 标准中m q 编 码算法的软件流程，并对其进行了相应的修改以适应硬件实现，然后采角了“动态 流水”技术，可以根据变化的运算量来实时地安排流水操作。 为了降低芯片成本，在保证性能的前提下，最大限度地充分复用片内的s r a m ， 提出了一种基于系统流水操作的存储单元动态分配方案，并完成了相应控制电路的 设计。 对整个基于j p e g 2 0 0 0 标准的数字图像压缩编码系统进行了软硬件协同验证， 验证结果说明了本设计功能的正确性和软硬件划分的合理性；用p r i m e t i m e 和 p r i m e p o w e r 对系统的性能进行了评估，并在低功耗和可测性方面作了进一步的 优化。 关键词：图像压缩编码、j p e g 2 0 0 0 标准、超大规模集成电路、提升小波、e b c o t 编 码器、自适应算术编码器、存储单元动态复用、动态流水线 2 t h ev l s i i m p l e m e n t a t i o n o f j p e g 2 0 0 0 一b a s e d d i g i t a l i m a g ec o m p r e s s i o n c o d e c a b s t r a c t w h e n s t e p p i n g i n t ot h ed i g i t a le r a ，t h em u l t i m e d i a t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di n a l lk i n d so ff i l e d as e r i e so f i m p o r t a n ta c h i e v e m e n t sh a v e b e e na c q u i r e di ni m a g e v i d e o c o m p r e s s i o na n ds t a n d a r d i z a t i o n j p e g 2 0 0 0i san e wi m a g ec o m p r e s s i o ns t a n d a r d ， d e v e l o p e d u n d e r t h e a u s p i c e so f i o s f l e cj t c i s c 2 9 w g l i nj a n u a r y , 2 0 0 1 c o m p a r e d w i t h j p e g s t a n d a r d ，t h ej p e g 2 0 0 0s t a n d a r dh a sm a n ye x c e l l e n tf e a t u r e ss u c ha sh i g h c o m p r e s s i o ne f f i c i e n c y , l o s s ya n dl o s s l e s sc o m p r e s s i o n ，m u l t i p l er e s o l u t i o nr e p r e s e n t a t i o n ， e m b e d d e d b i t s t r e a m ( p r o g r e s s i v ed e c o d i n ga n ds n rs c a l a b i l i t y ) ，r e g i o n o f i n t e r e s t ( r o i ) c o d i n ga n d e r r o rr e s i l i e n c e i nt h er e c e n ty e a r s ，w i t ht h eg r e a tp r o g r e s sm a d ei nt h ef i e l do fv l s i ，v a r i o u so f i m a g e c o m p r e s s i o no rv i d e op r o c e s s o rh a v ec o m et o t h em a r k e t t h ej p e g 2 0 0 0 一b a s e di m a g e c o m p r e s s i o nc h i pc a nb eu s e di n al o to ff i e l ds u c ha s c o n s u m p t i o ne l e c t r o n i c s ，m e d i c a l a p p l i a n c e ，n a t i o n a ld e f e n c ea n d s oo n m a n yr e s e a r c h e r sa n d c o m p a n i e sh a v ef o c u s e do nt h e e f f i c i e n tv l s i i m p l e m e n t a t i o no fj p e g 2 0 0 0 一b a s e di m a g ec o m p r e s s i o ns y s t e m i nt h i s p a p e r , t h e n e w e s tj p e g 2 0 0 0s t a n d a r da n dt h ek e r n e la r i t h m e t i ch a v eb e e n a n a l y z e d ，a n dae f f i c i e n tj p e g 2 0 0 0 一b a s e di m a g ec o m p r e s s i o ns y s t e mi sp r o p o s e d ，w h i c hi s c o m p a t i b l ew i t ha l lk i n d so fa p p l i c a t i o n w i t ht h ea d v a n c e ds o cd e s i g nf l o w ，t h eh a r d w a r e s t r u c t u r ed e s i g no ft h ek e r n e lm o d u l e so ft h ec o d e ch a v eb e e n a c c o m p l i s h e d ，a n dt h e v e r i f i c a t i o na n dl a y o u to ft h ei ph a r dc o r e sa l s oh a v eb e e nd o n e t h ec o n t r i b u t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o nc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w i n g ： s t u d y a n d a n a l y z e t h ej p e g 2 0 0 0s t a n d a r d a n dt h e n p a r t i t i o n t h ew h o l e i m a g e c o m p r e s s i o ns y s t e mi n t os o f t w a r ep a r t ( i n c l u d i n gd w t 、e b c o t 、m q ) a n d s o f t w a r ep a r t ( i n c l u d i n gp r e p r o c e s s i n g 、r a t ea l l o c a t i o n 、r e g i o no f i n t e r e s tc o d i n g ) ，i no r d e rt oa c h i e v e b o t hh i g he f f i c i e n c ya n d f l e x i b i l i t y , au n i f i e d1 - dd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ( d w t 、u n i tw i t h o u ta d d i t i o n a ld a t a e x t e n s i o n p r o c e d u r e i s p r e s e n t e d i tc a n r e c o n f i g u r e f o rb o t h l o s s y a n dl o s s l e s sf i l t e r si n j p e g 2 0 0 0 p o w e r c o n s u m p t i o na n dm e m o r yr e q u i r e m e n t c a nb er e d u c e db yc o m b i n i n g t h ed a t a e x t e n s i o np r o c e d u r ei n t ot h el i f t i n g b a s e dd w t c o r e p i p e l i n i n gi sa d o p t e dt o 3 a c h i e v eh i g h e rp r o c e s s i n gs p e e da n dh a r d w a r eu t i l i z a t i o n t h i se f f i c i e n ta n dc o m p a c t d w tu n i ti ss u i t a b l ef o rt h eh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o no fj p e g 2 0 0 0e n c o d e ra n dv a r i o u s r e a l t i m ei m a g e v i d e oa p p l i c a t i o n s av l s is t r u c t u r ef o re b c o ti sp r o p o s e d a n di t sh a r dc o r ed e s i g na n dv e r i f i c a t i o nh a v e b e e na c c o m p l i s h e d f o u r g r o u p so f c a c h ea l ea d o p t e dt or e d u c et h ef r e q u e n c yo fa c c e s s o u t s i d em e m o r y ，a n d “d e t e c t s k i p ”t e c h n o l o g yh a sb e a np r o p o s e dt oc o m b i n et h et h r e e c o d i n gp a s si n t oo n l y o n ef o rh i g h p r o c e s ss p e e d ad y n a m i c p i p e l i n e d v l s ia r c h i t e c t u r ew i t h h i g hp e r f o r m a n c e f o r m q c o d e r i s p r e s e n t e d ，a n di t sh a r dc o r ed e s i g na n d v e r i f i c a t i o nh a v eb e e na c c o m p l i s h e d t oa c h i e v e ah i g h t h r o u g h p u t ，w e f i r s t a n a l y z e t h es o f t w a r ef l o wo fm q c o d i n g a l g o r i t h m i n j p e g 2 0 0 0s t a n d a r d ，a n dm o d i f i e ds o m eo p e r a t i o n st os u i th a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n t h e nt h ed y n a m i cp i p e l i n i n gt e c h n i q u ei sa d o p t e dt op i p e l i n et h ec o d i n gp r o c e s sw i t h v a r i a n tl a t e n c i e se f f e c t i v e l y i no r d e rt od e c r e a s et h ec o s t ap i p e l i n e b a s e dd y n a m i ca l l o t m e n ts c h e m ef o rs r a m r e u s ei sp r o p o s e d ，a n dt h ec o n t r o lc i r c u i th a sa l s ob e e nd e s i g n e da n dv e r i f i e d t h eh a r d w a r ev e r i f i c a t i o nf o rt h ew h o l ec o d e c s y s t e mc o o p e r a t e dw i t hs o f t w a r eh a v e b e e ni m p l e m e n t e d t h ep o w e r c o n s u m p t i o n a n d t i m i n g o ft h ec o d e c s y s t e mh a v eb e e n e v a l u a t e dw i t hp r i m e t i m ea n dp r i m e p o w e r ，a n ds o m em e a s u r e sa r ea d o p t e df o r f u r t h e ro p t i m i z a t i o ni nl o w p o w e r a n d d e s i g n f o r - t e s t k e yw o r d s ：i m a g ec o m p r e s s i o n ，j p e g 2 0 0 0 、v l s i 、d w t 、e b c o t 、m q c o d e r 、m e m o r y r e u s e 、d y n a m i cp i p e l i n e 4 第一章绪论 第一章绪论 1 1 图像压缩技术简介 人类进入了二十一世纪，这是一个信息化的时代，信息技术飞速发展，信息的内容 也从简单的文字、语音发展到高清晰的图像、动画和实时的音频视频。多媒体技术的 发展大大提高了人们的生活质量，网上购物、远程医疗、在线电影和3 一d 游戏已经进 入千家万户，数码相机、可视手机、m p 3 播放机等多媒体设备也越来越普及。然而， 、大量的多媒体信息带来了“信息爆炸”，大量数据的存储和传输成为多媒体技术发展中 一个棘手的瓶颈问题。单纯用扩大存储器容量、增加通信干线的传输率的方法是不现 实的，而多媒体信源压缩编码是个行之有效的方法。在保证图像质量的前提下，通过 数据压缩手段把图像的数据量压下来，以压缩的形式存储和传输，既节约了存储空间， 又提高了通信干线的传输效率。 1 1 1 图像数据压缩的原理 信息论的观点认为图像中总是或多或少地含有自然冗余度，这些冗余度既来自信源 本身的相关性，又来自信源概率分布的不均匀性。图像压缩编码是在对数字图像进行 大量统计分析，充分了解和掌握图像信息统计特性的基础上，充分利用人眼的视觉效 应和图像本身相关性强的特点，寻求消除和减少相关性，或改变图像信源概率分布不 均匀性的方法和手段，实现图像数据的压缩。 消除或减少图像的冗余度是实际图像压缩的基本依据。图像数据的冗余有以下类型 空间冗余 时间冗余 信息熵冗余 结构冗余 知识冗余 ) 视觉冗余 局部相似性冗余 图像区域的相同性冗余 纹理统计冗余 幕一章绪论 1 1 2 图像数据压缩编码技术的分类 图像压缩编码技术近年来发展很快，新技术新方法不断涌现。多数学者将图像压缩 编码技术分为在某种程度上可逆的和实际上不可逆的两大类忙1 。 l _ 1 - 2 1 可逆压缩 可逆压缩通常称为冗余度压缩，又称为信息保持编码( b i t p m s e r v i n g ) 、无失真编码 tl o s s l e s s ) 或熵编码( e n t r o p y c o d i n g ) 。 消除或减少图像的冗余度是可逆压缩的工作原理。可逆压缩没有信息的丢失，可以 根据压缩后的数据完全地恢复原来的数据。为了消除或减少图像的冗余度，常常需要 应用图像的统计特性，或建立图像的统计模型。 单符号信源可以用一个随机变量表示：x a i ，a 2 ，a 3 ，a i ，a n ， 相应的概率分布为：p i = p ( a i ) ，i = l ，2 3 ，n 。若各概率间相互独立，则信源的熵为： 生 h ( x ) = p i l o g ( 1 p i ) l j l 图像所含有的平均信息量嫡，是无失真编码的理论极限。低于此极限的无失真 压缩编码方法是找不到的，而等于或大于此极限时，总是可以找到某种适宜的编码方 法，达到或逼近信息的熵值。 可逆压缩编码方法比较典型的有三种：一是利用概率分布特性的哈夫曼( h u f f m a n ) 编码，它是无失真变长编码的最佳编码方法。另一种利用概率分布特性的熵编码方法 是7 0 年代末、8 0 年代初发展起来的算术编码( a r i t h m e t i cc o d i n g ) 。利用相关特性的游 程编码( r u nl e n g t hc o d i n g ) 方法是又一种熵编码方法。 1 1 2 2 不可逆压缩 不可逆压缩是一类有失真的( 1 0 s s y ) 编码方法，信息论中称为熵压缩( e n t r o p y c o m p r e s s i o n ) 。熵压缩导致信息量的减少，有信息损失，而且损失的信息根本无法恢复， 所以熵压缩编码是一个不可逆过程。 熵压缩主要有两大类：量化方法和特征提取。信源的数字化通常采用脉冲编码调制 ( p c m ) 的方法，时间离散的采样信号再经过量化过程变为幅度离散的值。若时间采 样满足奈奎斯特频率，则采样值包含了全部原始信息，是可逆过程。而一旦对幅度( 或 变换系数) 进行了量化，信号就不能完全恢复。也就是说，只要进行了量化，就一定 是有损压缩编码。 第章绪论 量化可以分为三类：标量量化是对每个样本进行的量化，与其它样本无关，因此又 称为零记忆量化：分组量化和序列量化则利用了采样之间的相关特性，对有记忆信源 的多个相关样本映射到不同空间，去除或减少原始数据的相关性后再进行量化处理。 目前应用最广泛的变换编码、预测编码都是基于此类量化的有效编码技术。 分组量化仅对一组信源采样值进行映射、变换和编码最优化处理，而与前后各组信 源采样值无关。序列量化则无此限制，可对数据进行重叠分组，往往每次对数据中的 一个样值进行编码，而不是每次对一组样值进行编码。 1 1 2 3 混合编码技术 冗余度压缩与熵压缩的结合形成了一类称为混合编码技术，它体现了不同类型技术 的交叉和综合。实际上许多国际标准如j p e g 、j p e g 2 0 0 0 、m p e g 和h 2 6 x 等都采用 了混合编码技术。比如，j p e g 2 0 0 0 中采用的5 3 滤波器小波变换、游程编码、自适应 算术编码都属于可逆压缩编码方法；而嵌入式最优化截断( e b c o t ) 属于量化压缩编 码方法”。 1 1 3 图像压缩系统的性能评价和度量 评价图像压缩技术和系统的性能，主要考虑三个关键参数 3 】： 压缩比在达到所要求的恢复图像质量的条件下，压缩比越高越好。本文中衡量 压缩比的方法是确定原始图像的每个像素在压缩后平均所需的位数( 比特数) ，即b p p ( b i t sp e rp i x e l ) 。 图像质量图像质量的评估包括两个方面：一个是图像逼真度，即被压缩处理的 待评价图像与原始图像之间的偏离程度，如信噪比( s n r ) 和峰值信噪比( p s n r ) ；另 一个是可懂度，它是指图像向人或机器提供信息的能力。虽然可用若干客观质量标准 来衡量图像质量，但用得最多、较为可靠并最具权威的评价方法，主要还是主观评价 方法。 压缩，解压的简易性囟插压缩解压的速度，软件和硬件的开销或占用的资源。 1 1 4 图像压缩系统的应用和发展 图像压缩编码的意义在于： 减少信息的存储量： 降低传输速率，压缩频带； 压缩信息量，进行特征提取，以达到高速检索和识别。 第一章绪论 数字图像压缩与信息的传输( 如各种媒体的局域或广域通信) 、传播( 如数字电视) 和存储息息相关。换而言之，数字图像压缩技术是信息产业中三大支柱产业通信、 计算机和消费类电子产品( 主要以图像、视频产品为主要代表) 的共性核心技术之一 也是三大网络电信网、计算机网和电视网逐步融合，逐步走向三网合的技术基 础之一。 自上个世纪8 0 年代以来，图像视频压缩编码技术及其标准化工作取得了一系列重 大成就。例如u _ t 的h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 l 和i s o i f c 的j p e g 、y p e g 2 0 0 0 、m p e g 1 、 m p e g 2 、m p e g 一4 以及即将出台的m p e g 一7 等，成为信息产业不可缺少的关键技术( 3 】。 1 2v l s i 新技术在数字图像压缩领域的应用 随着数字图像压缩技术的进步，压缩率不断提高，但与此同时，算法复杂度越来越 高，对存储器的要求越来越大，各种应用对速度的要求也越来越高。以往在p c b 上用 版级电路系统或纯软件的实现方法已不再是适用，取而代之的是各种v l s i 设计的新技 术 “。 1 2 1 v l s i 新技术简介 s o c 设计方法 s o c 设计方法是微电子芯片设计发展的必然趋势。在一块芯片上集成了微控制器 ( m c u ) 、存储器、数字信号处理器( d s p ) 、专用集成电路( a s i c ) 和可编程逻辑器 件( p l d ) 等不同功能的子模块，规模更大，性能更强。只有这样，系统才能走向微型、 低功耗、高速度和低成本化。 s o c 技术发展十分迅速，在i c 业中的比例越来越大，前景非常广阔( 见表1 1 ) 。 然而，由于系统芯片的规模庞大，如果每个模块都从头开始设计，则往往需要漫长的 开发时间和较大的风险：而且由于芯片的复杂度很高，验证工作变得比设计任务更加 艰巨，功耗和信号的完整性也对i c 工程师提出了新的挑战。 年度1 9 9 92 0 0 0 2 0 0 12 0 0 2 s o c6 9ll o1 4 52 0 3 整个半导体业 1 4 5 22 0 0 02 2 3 52 5 0 0 s o c 占的比例 4 8 5 5 6 5 8 1 表1 1s o c 在整个半导体行业的发展( 单位：亿美圆) i p 核的复用 针对s o c 系统芯片规模日益扩大，一种被称为i p ( 知识产权) 复用的方法被 提了出来，并得到了广泛的采用。口核的复用实际上是通过复用已经设计好的核( c o r e ) 如：d s p 、m c u 、m e m o r y 、i o 单元、a d d a 等，作为设计的一部分放在系统中， 第一章绪论 与自己设计的电路整含在一起，从而完成整个系统的设计。这样不仅使得产品的开发 周期大大缩短，使开发者可以把精力放在高层次的算法和系统级的设计，验证上，两且 由于所购买的撑核都怒经过严倍验证的，因此性能可以得到傈证。 软硬件划分 从瀵论上讲，任何系统都溉可以完全用软件实现，也可以完全用硬件实现，但 对于实现不同的功能所花的代价也不同。为了达到最优化的性价比和灵活的遥应性， 一般把耀些算法复杂度漪，在系统中静铡弱率 甄穰高，雨且其功能在不葡豹反埽场合 蒸本不变的模块，用硬件( a s i c ) 来实现；而那些交曩性、灵活性要求很高，两且对 速度要撒又不鬻的模块，可 噩麓软件采嶷现，以拓宽系统匏应掰领域。 i 。2 。2 在垂豫视毅领域v l s i 蓑技术酶癜耀 j p e g 、疆。2 6 x 瑟m p e g 等强豫基缝技术在警翦渡广泛应麓，各静专震艇嚣像压缩 和视颓处理芯片也应运丽生。如c c u b e 公司的j p e g 解码芯片c l 5 5 0 ，m p e g 1 解码 芯冀c l 4 5 0 ，g p s 公霹鹣h ，2 6 1 解玛芯冀缓v p 2 6 1 x ，戳及d s p w o r x 公霉蓑邋撬窭赘 d s w 2 0 0 0 sj p e g 2 0 0 0 f m p e g j p e g 芯片组等等。尽管芯片五花八门，麓内部相似的模 块却矮多，魏d c t i d c t 处理壤块，d w t i d w t 模块，葵木缡玛模块，h u f f m a n 壤羁 模块，以及运动估计和补偿模块等等。圈此，这类芯片的设计非常适合采用口和s o c 设计技术寒进行。这榉一寒，芯片鳇嚣发周期褥以绩缀，可煮瞧大大矮宓羹。慝醛，对 于那些簿法相似，只是图像的数据格式戚性能鼹求不同的芯片，适合用软硬件划分的 方法送蟹设诗，挺窕一秘芯片懿应震锈域。本文款堙e g 2 0 髫像压缠蓉缝熬缝稳设计 就借鉴了这一思想。 1 3 论文的现状及研究意义 联台图像专家组在2 0 0 1 年i 月推出了新一代豹数字图像聪缩标准- - j p e g 2 0 0 0 ( 标 准号1 5 4 4 4 ) 用于替代瑰奄亍的j p e g 标准。它和p e g 标凇相比较压缩效率高、传输方式 灵活、缝够进行感兴趣区域编硝和压缩羁流抗干扰能力强等特点。舀前，许多莲予该 标准的图像处联软件已经推出，但是在硬件设计方面，由于标准中的核心算法都是近 两年交新提密辩图像磁缩算法，困魏大薰的硬件实现磷究还未开展：瓣前，奁蠲辩菩 大传统的厂商都在进行这方獗的研究，其中知名的d s p 生产厂商德州仪器公词( 耵) 公司已缀宣布箕最新静d s p 已经提供支持j p e g 2 0 0 0 中帮分静籀令结构，至予整体酌 解决方察要等到2 0 0 3 年下半年才能给出；p h i l l i p 公司估计最快的推出时间为2 0 0 3 年中 灏；葜镪公司铡鲡a n a l o gd e v i c e 公司尽管在去年箍出了j p e g 2 0 0 0 的楚理器，瞧是毒 于存在设计问题，已经于今年初停产。因此，根据目前的调查结果表明在国外还没有 第覃绪论 完整的商用产品推出，这说明了该方向的研究在国际上具有的领先性。 由于j p e g 2 0 0 0 标准是根据近几年来数字图像新的发展寻求推出的，所以在技术上 有绝对的先进性，电是最适合目前市场需求的数字图像处理算法。我国政府对这方面 的研究与产业化相当重视，在国家高技术研究发展计划中( 8 6 3 ) ，已经将“j p e g 2 0 0 0 球 核开发”作为研究项目之一，这表明了该标准的重要性。j p e g 2 0 0 0 中采用了许多数字 图像领域最新的研究算法，这些最新的算法结合不同的应用中的相关处理算法可以产 生许多重要的变革。因此，对整个系统各部分算法的深入研究以及结合相关应用进行 改进优化也是我们应当研究的重要方向。基于婵e g 2 0 0 0 核心算法的专用处理芯片可以 应用于诸多领域。例如：在消费类电子方面诸如：移动终端，掌上电脑、数码相机， 扫描仪以及打印机等。通过将j p e g 2 0 0 0 结合微处理器以及其它相关单元可以形成新 代的消费类数码产品。另外，在医疗和气象以及国防等方面需要实时压缩、传输和解 压缩大量的数字图像，这时j p e g 2 0 0 0 核心处理芯片结合相关的传输、存储单元可以满 足这些场合的要求。其它例如数字图书馆，远程监控等需要大量传输、压缩和存储数 字图像的方面都是j p e g 2 0 0 0 核心算法专用处理芯片的主要应用领域。 本论文主要是基于j p e g 2 0 0 0 标准核心算法的处理芯片的设计研究。在核心算法上 我们采用的是国际最新的数字图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 ，因此在技术上具有绝对的先进 性：本论文中所采用的体系结构完全是根据对标准中算法的深入研究并且结合实验室 以往开发经验提出的，具有独立自主的知识产权；在应用方面，我们定位兼容多种应 用的领域，因此具有广大的市场和发展前景方面。 1 4 论文的目的及其工作 本论文的目的在于：通过对国际最新的数字图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 标准及其 采用的各种核心算法的深入研究和分析，设计出兼容多种应用的领域的数字图像压缩 软硬件系统，并结合目前先进的s o c 开发流程，完成核心编码系统的硬件结构设计、 软硬件协同验证和后端口硬核的设计。 本论文的主要工作在于以下几点： 研究和分析j p e g 2 0 0 0 标准，运用软硬件划分的思想，将整个数字图像压缩编 码系统划分为d w t 小波变换模块、e b o c t 编码模块和自适应算术编码模块三个 核心的硬件田核，以及图像的分割和预处理、码流的组织和最优截断等软件模块， 既达到了高效性的特点，又满足了灵活性的要求。 提出了一种基于提升算法( 1 i f t i n g ) 的离散小波变换( d w t ) 统一结构，并完成 了i p 硬核的设计和验证。它无需额外的边界延拓过程，经配置后可适用于j p e g 2 0 0 0 中的无损或有损小波变换。通过将边界延拓过程内嵌于离散小波变换中，可以降低 功耗，减少所需内存。为了达到更高的处理速度和硬件利用率，还采用了流水线技 第一章绪论 术。这种高效紧凑的离散小波变换结构适用于j p e g 2 0 0 0 编码器和各种实时图像 视频应用系统。 提出了一种e b c o t 编码器的v l s i 结构，并完成了i p 硬核的设计和验证。该 编码器内部采用了4 组b i t 平面作为缓存，分别代表了被编码的平面、符号平面和 ：淡态平面，这样就大大降低了对外部m e m o r y 的存取频率；采用了“侦测一跳跃” 技术，将三个编码扫描过程合为一个扫描过程，提高了编码效率；同时运用了2 级 流水时序，进一步提高了执行速度。 提出了一种基于动态流水的高性能m q 编码器的v l s i 结构。并完成了i p 硬核 的设计和验证。为了获得高速处理能力，我们首先分析了j p e g 2 0 0 0 标准中m q 编 码算法的软件流程，并对其进行了相应的修改以适应硬件实现，然后采用了“动态 流水”技术，可以根据变化的运算量来实时地安排流水操作。 为了降低芯片成本，在保证性能的前提下，最大限度地充分复用片内的s r a m ， 提出了一种基于系统流水操作的存储单元动态分配方案，并完成了相应控制电路的 设计。 对整个基于j p e g 2 0 0 0 标准的数字图像压缩编码系统进行了软硬件协同验证， 验证结果说明了本设计功能的正确性和软硬件划分的合理性：用p r i m e t i m e 和 p r i m e p o w e r 对系统的性能进行了评估，并在低功耗和可测性方面作了进一步的 优化。 1 5 论文的安排 本章为第一章，即绪论部分，先简单介绍了图像压缩编码的原理和发展现状，结合 v l s i 新技术在数字图像压缩领域的应用，阐述了本论文的意义及主要工作。 第二章首先研究了j p e g 2 0 0 0 标准及其编解码的主要算法及流程，并运用软硬件划 分的思想，设计了整个基于i p e g 2 0 0 0 标准的数字图像压缩编码系统。 第三章首先研究了小波变换的基本理论和基于提升算法( 1 i f f i n g ) 的5 3 和9 7 滤波 器：然后提出了一种相应的离散小波变换( d w t ) 统一运算单元电路结构及其评估方法： 而且为了最大限度地充分复用片内的s r a m ，提出了一种基于系统流水操作的存储单 元动态分配方案，并介绍了相应控制电路的设计。 第一章绪论 第四章首先研究了e b c o t 逐层量化和最优截断的算法发展，以及e b c o t 的具体编码 流程：然后提出了一种全新的e b c o t 编码器的v l s i 结构，并分析了其性能。 第五章首先研究了目适应算术编码发展，以及旧编码器的具体编码流程：然后提 出了一种基于动态流水的高性能m q 编码器的v l s i 结构，并分析了其性能。 第六章主要研究了整个基于j p e g 2 0 0 0 标准的数字图像压缩编码系统的软硬件协同 验证：对整个系统的性能进行了评估，并在低功耗和可测性方面作了进一步的优化。 最后对论文工作进行总结，并展望迸一步的工作。 第二章j p e g 2 0 0 0 标准简介及其系统结构设计 第二章j p e g 2 0 0 0 标准简介及其系统结构设计 2 1j p e g 2 0 0 0 标准的发展历程 j p e g 全名为j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ( 联合摄影专家组) ，它是一个在国 际标准组织( i s o ) 下从事静态图像压缩标准制定的委员会。它制定出了第一套国标静态图 像压缩标准：i s o1 0 9 1 8 1 就是我们所说的j p e g 了，由于j p e g 优良的品质，使得它在短 短的几年内就获得极大的成功，目前网站上百分之八十的图像都是采用j p e g 的压缩标准。 然而，随著多媒体应用领域的激增，传统j p e g 压缩技术已无法满足人们对多媒体图像资 料的要求。因此，更高压缩率以及更多新功能的新一代静态图像压缩技术j p e g2 0 0 0 就诞 生了。j p e g2 0 0 0 正式名称为：i s o1 5 4 4 4 ，同样是由j p e g 组织负责制定。该标准是由联 合摄影专家组于1 9 9 7 年开始征集提案【5 ，把它作为j p e g 标准的一个更新换代标准。它 的目标是进一步改进目前压缩算法的性能，以适应低带宽、高噪声的环境，以及医疗图像、 电子图书馆、传真、i n t e m e t 网上服务和保安等方面的应用。国际标准化组织的w g i 小组 已于2 0 0 0 年8 月制定了最终的国际标准化草案( t h ef i n a ld r a f ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ，简 称f d i s ) 7 1 。 i p e g2 0 0 0 与传统j p e g 最大的不同，在于它放弃了j p e g 所采用的以离散余弦变换 ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 为主的区块编码方式，而采用以小波转换( w a v e l e t t r a n s f o r m ) 为主的多解析编码方式。离散子波变换算法是现代谱分析工具，在包括压缩 在内的图像处理与图像分析领域正得到越来越广泛的应用。此外j p e g 2 0 0 0 还将彩色静态 画面采用的j p e g 编码方式与2 值图像采用的m i g 编码方式统一起来，成为对应各种图像 的通用编码方式( 如图2 1 所示) 。 1 、致湘蛸 j p e g 2 0 0 0 图2 1j p e g 2 0 0 0 成为对应各种图像的通用编码方式 第二章, i p e g 2 0 0 0 标准简介及其系统结构设计 2 2j p e g 2 0 0 0 标准的新特征 j p e g 2 0 0 0 标准提供了一套新的特征，这些特征对于一些新产品( 如数码相机) 和应 黾( 如互联网) 是非常重要的。它把y p e g 的四种模式( 顺序模式，渐进模式，无损模式 和分层模式) 集成在一个标准之中。在编码端以最大的压缩质量( 包括无失真压缩) 和最 大的图像分辨率压缩图像，在解码端可以从码流中以任意的图像质量和分辨率解压图像， 最大可达到编码时的图像质量和分辨奉。j p e g 2 0 0 0 应用的领域包括互联网、彩色传真、 打印、扫描、数字摄像、遥感、移动通信、医疗图像和电子商务等等。它的最主要的特征 如下( 8 ”： 高压缩率：由于在离散子波变换算法中，图像可以转换成一系列可更加有效存储像素模 块的“子波”，因此，j p e g 2 0 0 0 格式的图片压缩比可在现在的j p e g 基础上再提高l o 3 0 ( 如图2 2 所示) ；而且在低码率时，压缩后的图像比j p e g 显得更加细腻平滑， 这一特征在互联网和遥感等图像传输领域有着广泛的应用( 见图2 3 ) 。 j p e g 2 0 0 0 v s j p e g ( p s n r ) 图2 2j p e g 2 0 0 0 格式与j p e g 格式压缩性能的比较 4 第二章j p e g 2 0 0 0 标准简介及其系统结构设计 图2 3j p e g 2 0 0 0 格式与j p e g 格式在低码率时压缩效果的比较 无损压缩和有损压缩：j p e g 2 0 0 0 提供无损和有损两种压缩方式，无损压缩在许多领域 是必须的，例如医学图像中有时有损压缩是不能忍受的，再如图像档案中为了保存重要 的信息较高的图像质量是必然的要求。同时y p e g 2 0 0 0 提供的是嵌入式码流，允许从有 损到无损的渐进解压。 渐进传输：现在网络上的j p e g 图像下载时是按“块”传输的，因此只能一行一行地显 示，而采用j p e g2 0 0 0 格式的图像支持渐进传输( p r o g r e s s i v et r a n s m i s s i o n ) 。所谓的渐进 传输就是先传输图像轮廓数据，然后再逐步传输其他数据来不断提高图像质量。互联网、 打印机和图像文档是这一特性的主要应用场合。 感兴趣区域压缩：可以指定图片上感兴趣区域( r e g i o no f i n t e r e s t ) ，然后在压缩时对这 些区域指定压缩质量，或在恢复时指定某些区域的解压缩要求。这是因为子波在空间和 频率域上具有局域性，要完全恢复图像中的某个局部，并不需要所有编码都被精确保留， 只要对应它的一部分编码没有误差就可以了。 码流的随机访问和处理：这一特征允许用户在图像中随机地定义感兴趣区域，使得这一 区域的的图像质量高于其它图像区域；码流的随机处理允许用户进行旋转、移动、滤波 和特征提取等操作。 容错性：在码流中提供容错性有时是必要的，例如在无线等传输误码很高的通信信道中 传输图像时，没有容错性是让人不能接受的。 第二章j p e g 2 0 0 0 标准简介及其系统结构设计 开放的框架结构：为了在不同的图像类型和