（电子科学与技术专业论文）jpeg2000中位平面编码的研究与fpga实现.pdf

原创性声明 ：， 1 i l l l lii i ii i i iii i i i1 1i y 171914 5 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：型垒垫日期：二址年上月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：羔毡聊签名羟斟日期：业年月立日 摘要 图像压缩编码技术对图像处理中大量数据的存储和传输至关重要。静止图像 压缩标准j p e g 2 0 0 0 在编码效率和恢复图像质量上均远优于j p e g 标准，必将在静 止图像压缩领域占据主导地位。但是，复杂的编码算法使得j p e g 2 0 0 0 很难满足 实时性要求，尤其是位平面编码成为整个编码器的瓶颈，且运算量很大，迫切需 要使用专用硬件实现。因此，研究j p e g 2 0 0 0 中位平面编码算法与其f p g a 实现有 重要意义。 位平面编码是对经过量化和离散小波变换后的码块数据进行编码，产生上下 文和判决的编码过程。本文在对位平面编码算法进行研究与改进的基础上，提出 了基于单一移动窗口的多字并行位平面编码算法，并对该算法进行了软件仿真； 然后深入研究了j p e g 2 0 0 0 标准中位平面编码的硬件实现技术，给出了实现位平 面编码的三个编码通道( 清除编码通道、有效性传播编码通道、幅度细化编码通 道) 和四种基本编码方法( 零编码、符号编码、幅度细化编码、游程长度编码) 的 v l s i 结构，并用v e r i l o gh d l 语言对相应模块进行了编程。最后，对位平面编码 系统进行了仿真和综合，证实了高速位平面编码器硬件设计的可行性和正确性。 在位平面编码器的设计方案中，把整个游程编码变成一个查表过程，提高了 编码效率，简化了电路结构。通过边缘插零处理实现4 x 3 滑动窗口的连续滑动和 无问断连续编码。性能分析和实验结果表明，本文提出的v l s i 结构能更有效地 减少硬件成本。多字并行结构大大提高了系统的吞吐率和数据处理速度，能够满 足一般的实时性要求。该位平面编码器可在1 7 5 m h z 主频下，完成对码块数据的 实时编码，可以作为单独的i p 核应用于j p e g 2 0 0 0 图像编码芯片中。 关键词j p e g 2 0 0 0 ，位平面编码，字级顺序，多字并行，v l s i a b s t r a c t i ni m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g ec o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yi se s s e n t i a lf o r t h es t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o no fl a r g ea m o u n t so fd a t a t h es t i l li m a g e c o m p r e s s i o ns t a n d a r dj p e g 2 0 0 0i sm u c hb e t t e rt h a nj p e gi nc o d i n g e f f i c i e n c ya n dt h er e s t o r a t i o no fi m a g eq u a l i t y j p e g 2 0 0 0s t i l li m a g e c o m p r e s s i o nw i l lc e r t a i n l yd o m i n a t et h ef i e l d h o w e v e r , t h ec o m p l e x c o d i n ga l g o r i t h m m a k e sj p e g 2 0 0 0d i f f i c u l t t om e e tr e a l t i m e r e q u i r e m e n t s ，i np a r t i c u l a r , a st h eb o t t l e n e c ko ft h ew h o l ee n c o d e r , b i t p l a n ec o d i n gp a r th a sl a r g ec o m p u t a t i o na n du r g e n t l yn e e d sd e d i c a t e d h a r d w a r et or e a l i z e t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt os t u d yb i tp l a n ec o d i n g a l g o r i t h mi nj p e g 2 0 0 0a n di t si m p l e m e n t a t i o nw i t hf p g a b i tp l a n ec o d i n gi su s e dt oe n c o d et h o s ec o d eb l o c kd a t a sq u a n t i f i e d a f t e rd 叨；a n do u t p u tt h ec o n t e x ta n dt h ed e c i s i o n b a s e do nt h e r e s e a r c ha n di m p r o v e m e n to fb i tp l a n ec o d i n g ，t h ea l g o r i t h m ，m u l t i w o r d p a r a l l e lb i tp l a n ec o d i n ga l g o r i t h mb a s e do nas i n g l em o b i l ew i n d o w , w a s p r o p o s e d ，a n dt h es o f t w a r es i m u l a t i o no ft h ea l g o r i t h mw e r eg i v e ni nt h i s p a p e r a f t e r w a r d s ，t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fb i tp l a n ec o d i n g t e c h n i q u ei nt h ej p e g 2 0 0 0s t a n d a r dw a ss t u d i e d ，a n dt h es p e c i f i cv l s i a r c h i t e c t u r ew a sg i v e nt or e a l i z et h et h r e ec o d i n gc h a n n e li nb i tp l a n e c o d i n g ( c l e a n u pc o d i n gp a s s ，s i g n i f i c a n c er e f i n e m e n tc o d i n gp a s s ， m a g n i t u d er e f i n e m e n tc o d i n gp a s s ) a n dt h ef o u rb a s i cc o d i n gm e t h o d s ( z e r oc o d i n g ，s i g nc o d i n g ，m a g n i t u d er e f i n e m e n tc o d i n g ，r u nl e n g t h c o d i n g ) ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm o d u l ew a sp r o g r a m e dw i t hv e r i l o gh d l f i n a l l y , s i m u l a t i o na n ds y n t h e s i so ft h eb i tp l a n ec o d i n gs y s t e mw a sg i v e n ， t h eh a r d w a r ed e s i g no fh i g h - - s p e e db i t p l a n ee n c o d e rw a sc o n f i r m e d c o r r e c ta n df e a s i b l e i nt h eh i g h s p e e db i t p l a n ee n c o d e rd e s i g n ，t h ee n t i r er u nl e n g t h c o d i n gw a sp r o c e s s e di n t o a l o o k u p t a b l et o i m p r o v et h ec o d i n g e f f i c i e n c ya n ds i m p l i f yt h ec i r c u i ts t r u c t u r e c o n t i n u o u ss l i d i n go f4 x 3 s l i d i n gw i n d o wa n dc o n t i n u o u sc o d i n gw e r er e a l i z e db yi n s e r t i n gz e r o e s i ne d g e p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e i i p r o p o s e dv l s ia r c h i t e c t u r ec a l lm o r ee f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o s to f h a r d w a r e t h em u l t i w o r dp a r a l l e la r c h i t e c t u r e g r e a t l yi m p r o v e st h e s y s t e mt h r o u g h p u ta n dd a t ap r o c e s s i n gs p e e d ，a n di tc a nm e e tt h eg e n e r a l r e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m e t h eb i t p l a n ee n c o d e rc o u l dc o m p l e t er e a l t i m e e n c o d i n go f c o d eb l o c kd a t a s ，i nt h ef r e q u e n c yo f17 5 m h z ，w h i c hc a nb e u s e da sas e p a r a t ei pc o r ei ne g 2 0 0 0 i m a g ec o d i n gc h i p k e yw o r d s ：j p e g 2 0 0 0 ，b i t p l a nc o d i n g ，w o r d 1 e v e lo r d e r , m u l t i - w o r d p a r a l l e l ，v l s i i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题背景及研究意义l 1 2 相关技术的研究现状及分析2 1 2 1j p e g 2 0 0 0 图像压缩标准2 1 2 2 位平面编码4 1 3 主要研究内容及本文结构6 第二章位平面编码算法研究及改进8 2 1 位平面编码的基本概念8 2 1 1j p e g 2 0 0 0 的编解码系统8 2 1 2 位平面编码的思想9 2 1 3 基于三个通道扫描的编码1 l 2 2 位平面编码算法研究。1l 2 2 1 位平面编码的基本编码操作1 1 2 2 2 位平面编码的编码通道1 4 2 3 字级并行位平面编码算法的改进一15 2 3 1 字级位平面编码算法15 2 3 2 多字并行位平面编码算法1 9 2 3 3 算法性能分析与比较1 9 2 4 本章小结2 1 第三章位平面编码算法仿真2 2 3 1 位平面编码流程。2 2 3 1 2 位平面编码的预处理2 3 3 1 3 位平面编码四种编码方法2 4 3 1 4 位平面编码三个通道编码2 6 3 2 位平面编码的c 语言仿真结果2 9 3 3 本章小结3 0 第四章j p e g 2 0 0 0 中位平面编码器的v l s i 结构设计31 4 1 高速位平面编码器的硬件系统架构设计- 3l 4 2 各控制单元设计。3 5 4 2 1 主控制单元3 5 4 2 2 有效性传播编码通道控制单元3 6 4 2 3 幅度细化编码通道控制单元3 8 4 2 4 清除编码通道控制单元4 0 4 3 四种上下文生成单元电路设计4 3 4 3 1 零编码上下文生成单元4 3 4 3 2 幅度细化编码上下文生成单元4 4 4 3 3 符号编码上下文生成单元4 5 4 3 4 游程编码上下文生成单元4 6 4 4 本章小结4 7 第五章系统仿真结果与性能分析4 8 5 1 系统测试方法4 8 5 2 系统功能仿真4 9 5 3 系统性能分析5 0 5 4 本章小结5 l 第六章结论5 2 6 1 总1 2 ；5 2 6 2 进一步研究展望5 3 参考文献5 4 附勇毛5 8 附录一部分c 语言仿真代码5 8 附录二关键模块的v e r i l o g 代码6 l 附录三位平面编码器顶层图6 6 致谢。6 7 攻读学位期间主要研究成果6 8 v 硕十学位论文第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论弟一早三百下匕 作为现代社会的一种重要媒介，数字图像在工业、军事、交通、医学、通信 和气象等各个领域中发挥越来越大的作用【l 】。随着多媒体技术和网络技术的发 展，人们获取的各种信息越来越广泛，需求的信息量也越来越大。但是，由于带 宽和存储空间的限制，高质量图像应用的普及遇到障碍。为了缓解通信带宽资源 的匮乏和存储空间不足的问题，为了消除图像数据中存在的大量冗余信息，就必 须对数字图像压缩编码技术进行深入研究。因而数字图像压缩编码技术的研究及 其硬件实现成为人们日益关注的研究领域。 近年来，数字集成电路、集成电路工艺、a s i c 和e d a 等技术的飞速发展推 动了超大规模集成电路v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e r g r a t i o n ) 设计技术的发展，促进 了数字信号处理的片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 不断成熟。 j b i g 、j p e g 、j p e g 2 0 0 0 、m e p g 1 、m e p g 2 、m e p g 4 、m e p g 7 以及m e p g 2 1 等图像压缩国际标准是针对不同应用采用的压缩算法【2 】【3 】【4 】，这些标准都采用了 一种或多种压缩技术【5 1 。在静态图像压缩领域，j b i g 是针对二值图像的压缩标准， j p e g 贝j j 是针对单色或彩色静止图像的压缩标准【6 】。但j p e g 有不足之处，比如编 码过程会使物体在景象中的位置发生移动，并且在图像重建时产生晕圈和幻影现 象，以及“方块”效剧7 1 。于是，1 9 9 7 年起，联合摄影专家组着手制定新的静止 图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 【s 】，j p e g 2 0 0 0 标准具有众多优良特性【9 】。然而， j p e g 2 0 0 0 同时具有较高的算法复杂度和实现复杂度，尤其是核心算法离散小波 变换和位平面编码的计算量很大，采用软件实现已经很难满足实时性要求很高的 图像应用环境。鉴于硬件实现具有高速的数据处理能力，j p e g 2 0 0 0 中核心算法 的v l s i 实现具有重要的实际意义。 由于采用了离散小波变换( d w t ) 和优化截断嵌入块编码( e b c o t ) 技术【l o 】， j p e g 2 0 0 0 的诸多优良特性得以实现。其中d w t 是一个字处理过程，处理数据速 度较快；而e b c o t 是一个位处理过程，对每个比特位进行编码，处理速度较慢。 同时e b c o t 算法具有较高的计算复杂性，致使整个j p e g 2 0 0 0 编码器速度比较慢， 因此位平面编码( b p c ) 成为j p e g 2 0 0 0 编码器的瓶颈。为了满足图像存储和传输的 实时性要求，以及提高b p c 的编码速度进而提高j p e g 2 0 0 0 编码器的整体速度， 本文重点研究j p e g 2 0 0 0 标准中位平面编码算法的v l s i 实现。 硕十学位论文 第一章绪论 1 2 相关技术的研究现状及分析 1 2 1j p e g 2 0 0 0 图像压缩标准 1 j p e g 2 0 0 0 标准 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) ，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，它制定了第一套国际 静态图像压缩标准j p e g 。由于j p e g 具有很多优良特征，它在短短几年内就取得 了很大的成功，也在各个领域得到广泛应用。 但是，随着多媒体领域的飞速发展，j p e g 压缩标准已经无法满足人们对多 媒体图像的更高要求。传统的基于d c t 的j p e g 静止图像压缩标准，在中高速率 上有较好的压缩效果，然而在低比特率的情况下，重构图像过程中存在严重的方 块效应，不能很好地适应图像传输的要求。另外，不能同时支持有损压缩和无损 压缩，没有统一的解码结构，抗误码性能比较低等等。此时，具有更高压缩率以 及更多新功能的新一代静止图像压缩技术j p e g 2 0 0 0 就应运而生了【1 1 1 ，它把j p e g 的顺序模式、渐进模式、无损模式和分层模式集成在一个标准中。在编码器端以 最大的图像分辨率和压缩质量来压缩图像，在解码器端可以从码流中解压出任意 分辨率和图像质量的图像，最大可达编码器端的分辨率和图像质量。 j p e g 2 0 0 0 图像压缩系统能够适用于不同特征的静止图像，如合成图像、灰 度图像、多分量图像等等，并且在客户服务器( c s ) 模式、图像检索、实时传输 等不同的应用场合下，获得比j p e g 更好的压缩特性。j p e g 2 0 0 0 因为采用了很多 新技术而获得了不同于其他图像压缩标准的一些优良特性【1 2 】： ( 1 ) 压缩特性。与j p e g 相比，j p e g 2 0 0 0 提高了压缩效率约2 0 。在低比特率 编码时，j p e g 会产生块状编码失真；而j p e g 2 0 0 0 通过采用d w t ，失真以图像的 “迟钝 形式显露，因此能够提供良好的主观视觉质量和率失真性能，体现了 j p e g 2 0 0 0 在低比特率下的优越性。 ( 2 ) 可以实现二值图像与连续色调图像的压缩处理。 ( 3 ) 无损压缩和有损压缩的实现。在渐进编码的过程中，可以实现从单一的 压缩码流到无损压缩的最高质量。 ( 4 ) 渐进传输功能。j p e g 2 0 0 0 主要有分辨率渐进传输、像素精度渐进传输、 图像分量渐进传输和空间位置渐进传输4 种渐进模式。 ( 5 ) r o i 编码。有些时候，用户只关注图像中一个很小的区域，j p e g 2 0 0 0 把 这个区域定义为感兴趣区域( r o i ) 。为获取r o i 区域较好的压缩效果，对r o i 区域 采用低压缩比，而对那些用户不关注的区域采用高压缩比从而节省存储资源。 ( 6 ) 容错性。为减少解码失败率并增强系统容错性，j p e g 2 0 0 0 在码流中添加 2 硕十学位论文 第一章绪论 同步标志并以较小的代码块为单位进行编码。 2 目前国内外j p e g 2 0 0 0 的应用 j p e g 2 0 0 0 标准不仅能够获得较好的压缩比，还能对压缩流进行灵活处理【l 3 。 在一些实时编码领域，诸如网络通信、打印、扫描、监控、遥感、医学等方面， 也有广泛应用。因此，众多商家都开始了对j p e g 2 0 0 0 标准的研究，并且致力于 该标准的硬件实现，以减少时延从而提高处理速度。 在软件方面，j p e g 2 0 0 0 标准的推出引起了各个应用领域的广泛关注，众多 厂商先后推出了相应的图像处理软件，比如德国l u r a t e c h 公司推出的j p e g 2 0 0 0 软件处理系统【1 4 】。另外，在一些图像处理的软件领域，比如p h o t o s h o p ，a c d s e e 等都支持j p e g 2 0 0 0 的文件格式。 在硬件方面，美国半导体厂商a n a l o gd e v i c e s 公司推出第一款j p e g 2 0 0 0 编码 芯片，t i 和飞利浦半导体公司也在进行j p e g 2 0 0 0 芯片的开发工作。美国模拟器 件公司( a d i ) 在2 0 0 4 年开发出的j p e g 2 0 0 0 实时编解码芯片a d v 2 0 2 ，是一款用于 视频和高带宽静止图像压缩的i p e g 2 0 0 0 编解码芯片，具有低功耗和低成本的特 点，可以实时压缩和解压缩标准视频信号和高清晰度视频信号，首次应用于包含 j p e g 2 0 0 0 标准的专业高清晰度摄像机中。d s p w o r x 公司发布的d s w 2 0 0 0 s 芯片不 仅支持j p e g 2 0 0 0 标准，同时还支持m p e g l 2 4 和j p e g 标准。不仅支持j p e g 2 0 0 0 协议里推荐的9 7 和5 3 两种小波滤波器，还支持其他自定义的滤波器。这些商用 芯片的小波变换部分均采用了j p e g 2 0 0 0 标准中的提升( l i f t i n g ) 算法；在码率控制 上均采用了系数量化，以及片外中央处理单元( m c u ) 配合软件代码的方法。 国内在这方面的发展相对较缓，至今还未进入商用化阶段，但很多研究机构 正在进行相关方面的研究。清华大学微电子所与美国w i s 公司正在合作开发用于 f p g a 中的运算器，作为j p e g 2 0 0 0 设备核心的过滤器。上海海鸥相机公司正在争 取和一些世界顶级的j p e g 2 0 0 0 芯片供应商进行合作。国内的一些相机制造商也 在积极开发j p e g 2 0 0 0 数码相机。 从以上分析可以看出，目前对j p e g 2 0 0 0 的v l s i 实现的研究还处在起步阶段。 从对商用芯片性能的分析上可以看出，目前j p e g 2 0 0 0 的商用芯片还存在很多问 题，达到最终的理想应用阶段还需一段时间。 3 j p e g 2 0 0 0 编码解码系统的实现方式 目前，j p e g 2 0 0 0 编码与解码系统的实现方式主要有以下三种： ( 1 ) 基于p c 机的软件实现【”】：该方式基于p c 机，采用高级语言c 或c + + 编写 程序实现编解码器，由p c 机处理器完成图像数据的编码和解码过程。虽然编解 码系统计算量较大，但p c 机处理器的计算能力足够满足系统要求，并且系统实 现成本低，实现方式灵活，易于升级。但是，软件实现的编解码系统并不能满足 3 硕十学位论文 第一章绪论 实时性要求。 ( 2 ) 基= j ：d s p 平台的软件实现：由于d s p 具有高速的数据处理能力及编程灵活 的特点，易于满足编解码系统的高计算量要求，将软件实现的图像编解码算法移 植至i j d s p 平台上，由d s p 处理器完成图像数据的编解码运算及其他处理。这种方 式大大缩短了编解码器的运行时间，同时可以获得较高的图像压缩比和较好的图 像质量。 ( 3 ) 硬件实现：一般采用a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 专用芯片 来实现图像编解码【1 6 1 ，该方式可以利用硬件的特点提高算法的运算速度，同时 可以提高编解码效率，并获得较好的图像质量，还可以满足一定的实时性要求。 但灵活性较差，编解码硬件设计方案一旦确定，就很难对编解码系统进行升级或 调整。 4 j p e g 2 0 0 0 硬件设计瓶颈 在j p e g 2 0 0 0 的编解码系统中，e b c o t 是核心处理模块【l 7 1 ，该算法具有较高 的复杂度。e b c o t 中t i e r - 1 部分的位平面编码是整个系统的瓶颈所在，占整个 j p e g 2 0 0 0 编码器编码时间的3 1 7 9 ，如表1 1 。 e b c o t 算法的复杂度主要来自位平面编码操作和三个编码通道扫描，循环 操作耗费大量时钟周期；另一个重要原因是m q 算术编码器，由于频繁的区间重 整和复杂的字节输出而具有很低的数据吞吐率，这两点使得作为核心模块的 e b c o t 占据了整个j p e g 2 0 0 0 编码器编码时间的近5 0 。 表1 1j p e g 2 0 0 0 编码器中各模块耗时比例( 单位：) 1 2 2 位平面编码 1 位平面编码技术研究 4 硕士学位论文第一章绪论 小波变换能构造出分辨率可伸缩位流，位平面编码可得到嵌入式失真可伸缩 位流，然而e z w f l 8 】和s p i h t ”】采用的零树编码，在分辨率级之间引入了相关性， 破坏了编码流的可伸缩性。为了达到最佳的可伸缩性，应尽量使系数的比特层编 码和压缩位流的排序过程分开，但是如果过分分开，就会导致识别位流内相关信 息所需开销太大。考虑一个折中的方法，就是将子带划分成小块，对每个小块单 独进行编码。这样就可以将编码引入的相关性限制在一个块内，不同块之间并不 存在，而块的大小决定了牺牲码率的程度，以换取在最后位流排序中的灵活性， 这就是e b c o t 的基本思想【2 0 】。 在j p e g 2 0 0 0 标准中，e b c o t 将子带分成互不重叠的编码块，每个编码块的 位平面编码称为t i e r l ，对所有编码流进行的优化截断排序、打包等处理称为t i e r 2 。 在t i e r l 中，将每个码块中的小波系数按位平面展开，从码块的非零最高有效位平 面( m s b 平面) 到最低位平面( l s b 平面) 逐个平面进行编码。对每一层位平面依次 进行3 次扫描过程，根据一定的规则将该位平面上的样本分入3 个不同的编码通 道。接下来对这3 次扫描过程的结果进行位平面的条件编码，条件编码后产生的 上下文和判决被送, k m q 算术编码器，进行算术编码。 2 位平面编码算法的一些改进方案 j p e g 2 0 0 0 标准提出后，为满足实时性及其他更高的要求，人们对j p e g 2 0 0 0 的硬件实现更加关注。j p e g 2 0 0 0 采用的分数位平面编码算法需要对每个位平面 ( 最高非零位平面除外) 进行3 次扫描，但是每个样本只在其中的1 次扫描中被编 码，这样致使系统中存在大量冗余扫描，降低了系统的编码效掣2 1 1 。 为提高位平面编码系统的性能，很多学者都对位平面编码算法进行了改进， 其中包括减少位平面编码中的冗余扫描从而降低编码时间，增加通道扫描和编码 的并行性从而提高系统的吞吐率，减少中间存储器的规模从而减少系统消耗的硬 件资源，减少对存储器的访问次数从而降低系统功耗并减少编码时间等等。以前 各位学者对于位平面编码算法的改进技术大体可以归纳为：串行编码的优化技 术、编码通道扫描的并行处理技术和位平面编码的并行处理技术。 为了减少冗余的扫描，c h e n 等人首先提出了一种基于跳点跳列的最优扫描技 术【2 2 】。在通道扫描中跳过那些无需编码的点( p e l ) 或y l j ( c o l u m n ) ，以此来减少冗余 扫描次数，从而提高位平面编码速度。虽然提高了扫描效率，但从时间上看三个 通道的编码过程仍然是串行，速度仍然无法满足高端实时应用领域的要求。此外， 这种方法在编码过程中需要存储每个位平面中所有点的5 种状态变量，硬件资源 消耗较大。 a n d r a 等人提出了一种整组( 4 y m j 或者8 列) 跳过的结构【2 3 】，在某些扫描如较 高位平面的有效性扫描，或者最低位平面的清除扫描中使用的较多，每次可以跳。 5 硕十学位论文 第一章绪论 过多列，但是如果整组中有一个需要编码的样本，则跳转条件就不能满足，所以 其跳转概率不大，对提高扫描速度也只能起到很小的作用。 k k o n g 等人提出了一种“扫描跳过 的结构【2 4 1 ，整个位平面的某个扫描 被跳过，这要的跳过一旦发生，可以很大的提高扫描效率。但是，跳过的概率取 决于随机的数据，且需要存储较多的样本信息以供判断，因此是种极端的跳过 策略。 针对串行扫描方法的不足，c h i a n g 等人提出了一种位平面编码的通道并行技 术【2 5 1 ，该方案在位平面编码的过程中引入了两个窗口编码器，同时扫描3 个编码 通道。其中，一个窗口处理通道l 和通道2 ，另一个窗口处理通道3 。三个通道的 扫描要按照一定的顺序，所以在窗口编码的过程中必须考虑邻域有效性贡献预测 中的干扰问题，只有窗口1 的有效性更新后，窗1 2 1 2 才能进行编码，两个窗口的交 互问题也增加了系统控制的复杂度。在通道扫描中，出现跨带的邻域关联问题， 致使窗口编码的复杂度增加。该结构大大提高了扫描速度，虽然明显地减少了存 储器，但增加了额外的逻辑资源。 x u 等人提出了位平面和通道均并行结构【2 6 1 ，验证了编码过程以及编码平面 并行处理的可行性，但是其结构在一个时钟周期内需要对不同通道内的多个样本 编码，因此需要消耗大量的硬件资源并具有较高的控制复杂度。 f a n g 等人提出了字层次的b p c 结构 2 一，减少了中间存储器的数量，改进了吞 吐量。f a n g 的改进算法比x u 的更加节省了硬件成本，降低了存储器规模以及控 制逻辑和控制电路的复杂度。 1 3 主要研究内容及本文结构 图像编码算法的硬件实现，具有低功耗、低成本以及高速的数据处理能力等 特剧2 8 】【2 9 】【3 0 】，对于满足图像系统高端应用背景是非常必要的。本文研究的课题 主要是针对当前的位平面编码解决方案存在着编码效率不高、电路结构复杂以及 硬件资源耗费大等问题，参照新的静止图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 ，采用v l s i 设计 技术实现位平面编码，并形成最终的位平面编码器单独的i p 核。 本文以j p e g 2 0 0 0 中的位平面编码器为研究对象，主要完成了以下研究内容： 1 研究j p e g 2 0 0 0 官方协议【3 l 】，重点分析了该标准的第一部分核心编码系统 t i e rl 编码中的位平面编码部分。并对该算法进行了c 语言仿真，得到了位平面编 码器的正确编码结果。 2 对位平面编码算法进行了研究与改进，根据位平面编码的特点，提出了 基于单一滑动窗口的字级顺序位平面编码算法；同时通过采用列并行处理技术， 6 硕士学位论文 第一章绪论 实现了多字并行编码的高速结构。 3 通过对j p e g 2 0 0 0 中位平面编码算法的改进进行研究，本文给出了具体的 v l s i 结构，包括各控制单元的电路结构和有限状态机，实现了三个编码通道和 四种编码操作合理协调的工作。用v e r i l o g 硬件描述语言对其结构进行描述，并对 其进行功能仿真与综合。 本文分为7 章，具体结构内容如下： 第一章，绪论。介绍了课题的来源、背景与研究意义，j p e g 2 0 0 0 图像压缩 标准、j p e g 2 0 0 0 编解码实现方式及位平面编码技术的研究现状与水平，本文的 主要研究内容，以及论文结构安排。 第二章，位平面编码算法及其改进。介绍了j p e g 2 0 0 0 的编解码系统，以及 位平面编码算法，包括一些基本概念、三个编码通道和四种编码方法。给出了字 级位平面编码算法和多字并行的高速位平面编码算法，并对各种改进的编码算法 进行了性能分析和比较。 第三章，位平面编码算法仿真。对位平面编码算法进行了c 语言仿真，在各 个具体操作方面给出了详细说明。提供了各个处理过程的相应流程，并做了必要 的解释。 第四章，j p e g 2 0 0 0 中位平面编码器的v l s i 结构设计。根据改进的位平面编 码算法给出了系统的整体硬件架构框图，并对各个模块进行了说明。同时给出了 各控制单元的顶层图、状态转换图和各个模块的仿真图，以及各上下文数据产生 单元的电路结构。 第五章，仿真结果与性能分析。对位平面编码的v l s i 结构进行了功能仿真 与综合，并对系统进行了测试，给出了系统的性能分析。 第六章，结论。总结全文，并做了进一步的研究展望。 7 硕士学位论文 第二二章位平面编码算法研究及改进 第二章位平面编码算法研究及改进 本章对j p e g 2 0 0 0 q b 的位平面编码算法进行研究，并对字级并行位平面编码 算法进行改进，引入了滑动窗口机制，进行了边缘插零处理。并与以往的改进算 法进行了算法性能分析和比较，体现了本文改进算法的好处。 2 1 位平面编码的基本概念 2 1 1j p e g 2 0 0 0 的编解码系统 j p e g 2 0 0 0 的编码、解码系统结构如图2 1 所示【3 2 】【3 3 1 。 原始图 鼍赢计归吲两 叫数据划分卜刊水平偏移 叫分量变换 图像编 码输出 图像编 j 爷至堕屯蔓乎两强一懂蒌斗匝圣 七堕小鬈般 图2 1j p e g 2 0 0 0 编码，解码系统结构图 从图中可以看出，j p e g 2 0 0 0 的编码和解码系统是两个相反的过程。对于编 码过程，原始的图像数据输入后，首先要进行预处理，包括图像数据的划分、水 平偏移和分量变换。数据划分主要是将图像数据划分为相互独立的代码块，从而 降低内存要求并方便实现r o i 解码。水平偏移主要是针对无符号数，使样本分布 在0 的两侧对称分布，有利于编码。分量变换是为了消除图像分量间的相关性， 采用不可逆分量变换实现实数到实数的运算，采用可逆分量变换实现整数到整数 的运算。其次要进行核心处理，包括离散小波变换( d w t ) p 6 1 、量化、位平面编码 和m q 编码。离散小波变换可以去除图像中各像素点之间的相关性，将有效信息 尽可能地集中到少数系数上。量化处理在不影响图像主观质量的前提下，可以降 低系数的精度，对图像压缩有好处。位平面编码将量化后的子带系数分解为独立 的代码块，并做位平面展开后，按照从高到低的顺序依次对其进行编码。然后将 位平面编码产生的上下文对( c x ，d ) 送入到m q 编码器进行算术编码。最后进行码 流控制【3 9 】【删和码流打包组织【4 l 】，输出编码后的压缩码流。 对于解码过程，将编码后的压缩码流作输入，首先进行核心编码处理，包括 位平面编码、m q 编码，然后进行码流控制和码流组织( t i e r 2 部分) 。接着进行反 量化、小波反变换、分量反变换以及水平偏移，再将得到后的解压数据进行数据 硕十学位论文 第二章位平面编码算法研究及改进 重组，得到解压后的图像数据。可见，j p e g 2 0 0 0 系统中的解码过程即为编码过 程的逆过程，很多部分都是编码过程的逆处理，在实现方面可以实现编码和解码 的兼容。 2 1 2 位平面编码的思想 经过小波变换和量化后，图像矩阵变成一个个系数均为整数的子带矩阵。每 个子带又要划分为固定大小的独立代码块( c o d eb l o c k ) ，即为位平面编码的最小单 元。子块的划分如图2 2 所示，左图是经过小波变换后的4 个子带：低低频子带 ( l l ) 、低高频子带( l h ) 、高低频子带( h l ) 和高高频子带( h h ) 。右图是将h h 划分 为1 6 个代码块，边长为2 的次幂。代码块彼此相互独立，这样划分的缺点是降低 了压缩效率，优点是：有利于对图像内容随机存取、降低硬件实现的内存需求、 便于实现并行处理。 l ll h h lh h 图2 2 码块生成示意图 b l o c k 每个代码块内的系数按照从最高有效位m s b ( m o s ts i g n i f i c a n tb i t ) 到最低有 效位l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 做位平面展开，如图2 3 所示，图中的n 为代码块的 长度和宽度，s i g n 代表符号位平面，其余的位平面均为幅度位平面。 n 图2 3 位平面的分布 以4 4 代码块数据为例进行二进制位平面展开，示意图如图2 4 所示。经过小 9 硕十学位论文 第二章位平面编码算法研究及改进 波变换和量化后的数据由符号位和幅度位共同表示，最高位为符号位，“o 代 表正，“1 ”代表负。位平面编码按照位平面从高到低的顺序依次进行编码，从 具有非零元素的最有效位平面( m s b ) 开始编码，直到最不有效的位平面( l s b ) 编 码完成为止。 l6- 50 4l74 05 25 8 43 l ( a ) 4 4 的代码块 ooo 0 0ooo 0oo0 lo0o 最高幅值位平面( m s b ) oll o loll olol 0l0o ( b ) 符号位平面 0loo 0olo 0ol0 0olo lol 0 oll0 olol ooll 最低幅值位平面( l s b ) ( c ) 4 个幅值位平面 图2 44 x 4 码块数据样本的位平面展开示意图 在早期的位平面编码方法中，每个位平面都遵循确定性扫描，不考虑样本的 特点，按照一行接一行的方式进行扫描。但是，对于相同长度的样本，有些系数 可以使失真降低很多，有些系数则影响不大。根据这一特点，e b c o t 对位平面 中的系数通过扫描筛选后选取有效性传播( s i g n i f i c a n c ep r o p a g a t i o n ) ，幅度细化 ( m a g n i t u d er e f i n e m e n t ) ，清除( c l e a n u p ) - - - 种编码过程之一进行编码。每个样本只 在其中一个编码通道上编码，全部位平面数据最终形成三个编码通道进行编码。 选取何种编码过程进行编码取决于