（信息与通信工程专业论文）jpeg2000解码与播放系统的研究与设计.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 随着多媒体与互联网技术的不断发展，各种新型的应用场合对图像压缩性能 与质量的要求也越来越高，上一代图像压缩技术j p e g ，已经显得力不从心。联 合图像专家组2 0 0 0 年底成功的发布了新一代图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 。j p e g 2 0 0 0 采用离散小波变换以及基于优化截断的嵌入式块编码技术，其平均压缩效率比 j p e g 标准提高了3 0 ，并具有一系列适合各方面应用的优良特征。 本文在详细分析了j p e g 2 0 0 0 解码系统性能的基础上，从系统的角度出发， 深入分析了存储资源的需求情况，建立起一个基于片外d d rs d r a m 的高性能、 存储结构优化的j p e g 2 0 0 0 解码架构，有效减少了片上缓存空间，减少了设计的 面积。论文详细介绍了j p e g 2 0 0 0 解码系统中的各个子模块的设计，尤其侧重于 其中需要占用解码周期最长的熵解码模块，包括位平面编码器以及m q 解码器。 设计采用v e r i l o gh d l 进行硬件描述，并基于参考软件j a s p e r ，利用s y n o p s y s 的 v c s 仿真工具，建立起一个高效的验证平台，对各种情况进行了较为充分的验 证。 本文采用了传统的电视编码器作为j p e g 2 0 0 0 的播放系统。论文详细分析了 复合视频信号的特性，在此基础上提出了一种高性能的电视编码器结构。该电视 编码器已经作为数字电视解码芯片的一个模块，被应用到了多款产品当中，具有 很好的性能指标。 关键词：j p e g 2 0 0 0 位平面编码器m q 解码器电视编码d d rs o c 验证a s i c 浙江大学硕士论文 a b s tr a c t a sm u l t i m e d i aa n di n t e r n e tt e c h n o l o g yi n c r e a s eo na n do n , t h ed e m a n do nt h e p e r f o r m a n c ea n dq u a l i t yo fi m a g ec o m p r e s s i o nb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e ri na l lk i n d s o fn e wa p p l i c a t i o n s t h eo l ds t i l li m a g ec o m p r e s st e c h n i q u e ，j p e c 毛d o e sn o th a v e e n o u g ha b i l i t yt od e a lw i t ht h e m a tt h ee n do f2 0 0 0 ，t h ej o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e a s g r o u ps u c c e s s f u l l yd i s t r i b u t e dan e wg e n e r a t i o no f s t i l li m a g ec o m p r e s s i o ns t a n d a r d c a l l e dj p e g 2 0 0 0 t h ej p e g 2 0 0 0s t a n d a r d a d o p t s d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ( d w t ) ，a n de m b e d d e db l o c kc o d i n gw i t ho p t i m i z e dt r u n c a t i o n ( e b c o t ) t e c h n i q u e s ，w h i c hc a u s ea3 0 h i g h e ri nc o m p r e s s i o nr a t ec o m p a r e dt oj - p e g a n d t h ej p e g 2 0 0 0s t a n d a r dp r o p o s e sas e r i e so ff e a t u r e sw h i c ha r eu s e f u lf o rt o d a y s m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s b a s eo na n a l y z i n gt h ej p e g 2 0 0 0d e c o d i n gp e r f o r m a n c ea n dt h er e q u i r e m e n to f m e m o r y i n d e t a i l ah i g h - p e r f o r m a n c ea n dm e m o r y - o p t i m i z e da r c h i t e c t u r eo f j p e g 2 0 0 0d e c o d i n gs y s t e mw i t ha no f f - c h i pd d rs d r a mi sp r o p o s e d ，w h i c h e f f e c t i v e l yd e c r e a s e st h eo n - c h i ps i z ea n dt o t a la r e ao ft h ed e s i g n s u b - m o d u l e so ft h e j p e g 2 0 0 0d e c o d i n gs y s t e ma r ep r o p o s e di nt h et h e s i s ，e s p e c i a l l yt h ee n t r o p y d e c o d i n gp a r t ，i n c l u d i n gt h eb i tp l a n ee n c o d e ra n dt h em qd e c o d e r ，w h i c ht a k e sa l o n gt i m ei nt h ew h o l es y s t e m v e r i l o gh d li su s e dt od e s c r i b et h ed i g i t a ll o g i c b a s e o nj a s p e lt h er e f e r e n c es o f t w a r eo fj p e g 2 0 0 0 ，a n ds y n o p s y sv c s ，t h es i m u l a t i o n t o o l ，a ne f f e c t i v ev e r i f i c a t i o np l a t f o r mi ss e t u pa n du s e dt os u f f i c i e n t l yv e r i f yt h e d e c o d i n gs y s t e mw i t ha l lk i n d so f t e s tc a s e s t h et r a d i t i o n a lt ve n c o d e ri su s e da st h ej p e g 2 0 0 0d i s p l a y i n gs y s t e m a f t e r a n a l y z i n gt h ef e a t u r eo fc o m p o s i t ev i d e ob a s e b a n ds i g n a lah i g h - p e r f o r m a n c e a r c h i t e c t u r eo ft ve n c o d e ri sp r o p o s e d ，w h i c hh a sa l r e a d yb e e nu s e di ns o m es e r i e so f d i g i t a lt vd e c o d i n gc h i p sw i t hv e r yg o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：j p e g 2 0 0 0 ，b i tp l a n ee n e o d e bm qd e c o d e r , ive n c o d e l ；d d r , s o c v e r i f i c a t i o n ，a s l c 浙江大学硕士论文 表目录 表1 1j p e g 2 0 0 0 系列标准的组成2 表2 19 7 不可逆滤波器系数1 l 表2 2 编码通道数的哈夫曼表1 7 表3 1 印e g 2 0 0 0 解码系统的解码能力定义1 9 表3 2m q 解码器的解码数据类型2 5 表3 3z c 的上下文生成。2 6 表3 4s c 的上下文和翻转因子的生成2 7 表3 5m r c 的上下文生成2 7 表3 - 6m q 解码器概率状态初始化表3 3 表3 7j p e g 2 0 0 0 解码系统子模块综合结果3 6 表3 8 文献 3 l 】的综合结果3 7 表4 1 各种制式的亮度带宽4 4 表4 2 各种制式的相位累加器补偿4 6 表4 3 卫星数字电视芯片样片的视频指标5 3 浙江大学硕士论文 图目录 图2 1j p e g 2 0 0 0 编码器总体框图9 图2 2 四e g 2 0 0 0 解码器总体框图9 图2 3j p e g 2 0 0 0 的小波变换10 图2 4 编码过程中遵循的条带方向扫描模式1 3 图2 5 标签树的示例图。1 6 图3 1j p e g 2 0 0 0 解码系统总体结构1 8 图3 2j p e g 2 0 0 0 解码系统的存储资源接口2 1 图3 3 文件头解析状态机2 2 图3 4t i e r2 解码控制部分状态转换图2 3 图3 5 包头信息的存储结构2 4 图3 - 6j p e g 2 0 0 0 解码系统中的t i e r l 解码2 5 图3 7 样本点x 的8 邻域标记2 6 图3 8 位平面编码器的数据通路2 9 图3 - 9 口状态寄存器2 9 图3 1 07 7 和仃状态寄存器3 0 图3 1 1 位平面编码状态转换图3 0 图3 1 2m q 解码器的寄存器示意图3 l 图3 1 3m q 解码器的数据通路3 2 图3 1 4 反量化模块的总体框架3 4 图3 一1 5 反向离散小波变换的架构3 6 图4 1j p e g 2 0 0 0 解码与电视编码在数码相机芯片中的使用方案3 8 图4 2j p e g 2 0 0 0 解码与电视编码在机项盒或便携式媒体播放器中使用的方案3 9 图4 3n t s c 制式7 5 幅度彩条的复合视频信号的一行波形4 0 图4 4 电视编码器的总体框架4 l 图4 5d d s 的基本结构4 5 图4 - 6 查找表的设计与波形的对应关系4 8 图4 7 视频幅值的测量行波形5 0 浙江大学硕士论文 图4 8k - 2 t 系数的测量行波形5 1 图4 - 9 亮度非线性测量行波形5 l 图4 1 0 微分增益与微分相位的测量行波形5 2 图4 1 1 频率响应和群延时的测量行波形5 3 图5 1 直接测试与约束随机测试的比较5 6 图5 2 基于功能覆盖驱动的验证流程5 7 图5 3r v m v m m 的层次化验证平台6 0 图5 4j p e g 2 0 0 0 解码系统的仿真测试平台6 2 浙江大学硕士论文 1 1 论文研究的背景 第1 章绪论 本文主要结合硕士研究生阶段的学习与实际的工作，对j p e g 2 0 0 0 解码与播 放系统进行研究。课题的主要研究对象由j p e g 2 0 0 0 图像压缩标准的解码器，和 作为播放系统的电视编码器两部分构成。 1 1 1 j p e g 2 0 0 0 图像压缩标准 随着多媒体技术应用的不断发展，对图像压缩技术的要求也越来越高。视觉 要求越来越高的消费电子产品希望能以更低的空间来存储更清晰的图像；网络日 益盛行的今天，希望能以更低的带宽流畅的传输大量的图像。面对高要求的压缩 性能和越来越多的新特征，上一代图像压缩技术j p e g 已经显得力不从心。联合 图像专家组( 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 ，j p e g ) 在1 9 9 7 年开始就致力于开 发新的静态图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 t 1 】【2 】，并最终于2 0 0 0 年底成功的使其成为了 新的国际标准【3 1 ，即i s o i e c1 5 4 4 4 1 1 4 1 。 j p e g 2 0 0 0 标准的目标，是建立一个能够适用于不同类型、不同性质以及不 同成像模型的统一图像压缩编码系统。从技术方面来说，和j p e g 相比，j p e g 2 0 0 0 在变换域的选用和熵编码算法的选择上都由比较大的改变。一方面，j p e g 2 0 0 0 放弃了j p e g 采用的基于d c t 变换的压缩方法，采用了离散小波变换( d i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m , d w t ) 的先进压缩技术【1 】【3 】，另一方面，j p e g 2 0 0 0 采用基于 优化截断的嵌入式块编码( e m b e d d e db l o c kc o d i n gw i t ho p t i m i z e dt r u n c a t i o n , e b c o t ) 作为熵编码的主要算法【5 】，并配合一些优化的算法，代替了传统j p e g 压缩中采用的哈夫曼编码，压缩效率平均比j p e g 有3 0 的提高【l 】。 j p e g 2 0 0 0 的特征技术主要有下面几点【3 l ： 1 渐进传输特性 j p e g 2 0 0 0 的一个重要特性是支持按像素点精度进行渐进传输，它规定了5 种不同的组合渐进传输顺序，可以根据不同的应用场合，对图像的分量、空间位 置、分辨率大小以及图像的质量进行渐进传输。这个特征在传输速度比较低的时 浙江大学硕十论文 候有着非常明显的优势。 2 支持无损压缩和有损压缩 j p e g 2 0 0 0 支持两种离散小波变换，一种是可逆变换，采用整数5 3 滤波器， 能保证解码图像完全无损；另一种是不可逆变换，采用9 7 滤波器，可以按照需 要对图像进行一定程度的有损压缩，减少图像的大小。 3 感兴趣编码区域 j p e g 2 0 0 0 允许编码器选择随机的形状和尺寸作为所谓的感兴趣编码区域 ( r o i ，r e g i o no f i n t e r e s t ) ，进行优先处理。采用这种情况的时候，必须在编码 时选定r o i ，解码器在先于位平面编码的时间里，影响r o i 内样本的小波系数， 将编码器对其的强调作用显现出来。 4 比特误差的鲁棒性 j p e g 2 0 0 0 对由噪声通信信道引入的误码是鲁棒的。在j p e g 2 0 0 0 的标准中， 通过包含再同步标记实现这一特性。数据以相对较小的数据块进行编码，并且在 每个块中有一定的机制进行检测并排除错误。这一特性对于需要较强错误恢复功 能的应用来说是比较有利的。 上述的特性在j p e g 2 0 0 0 的核心编码系统标准中都有相关的规定和说明。除 了核心编码系统以外，j p e g 2 0 0 0 图像压缩标准还由一系列的相关标准组成，如 表1 1 所示。 表1 1j p e g 2 0 0 0 系列标准的组成 标准号 名称 i s o i e c1 5 4 4 4 1j p e g 2 0 0 0 核心编码系统 i s o i e cl5 4 4 4 2j p e g 2 0 0 0 扩展功能 i s o i e c15 4 4 4 3m o t i o nj p e g 2 0 0 0 标准 i s o i e c15 4 4 4 4j p e g 2 0 0 0 一致性测试 l s o i e cl5 4 4 4 5j p e g 2 0 0 0 参考软件 i s o i e cl5 4 4 4 6 混合图像文件格式 i s o i e c15 4 4 4 7 已被取消 i s o i e c15 4 4 4 8 安全性协议( j p s e c ) i s o i e c15 4 4 4 9 交互性传输协议( j p i p ) i s o i e c1 5 4 4 4 1 0 = 位编码协议( j p 3 d ) i s o i e c1 5 4 4 4 1 l 无线应用( j p w l ) i s o i e c1 5 4 4 4 1 2 i s o 基介质文件格式 2 浙江大学硕十论文 1 1 2 电视编码器的背景 电视编码器的作用，是将需要显示的视频数据，按照标准进行编码，以适合 各类型的电视的显示。采用的标准取决于用于显示的终端，比较常见的是普通模 拟电视所使用的复合视频信号( c o m p o s i t ev i d e ob a s e b a n ds i g n a l ，c v b s ) 。【6 】【7 】 目前在广播使用的主要有三种制式标准：美国、日本、加拿大等国家采用的n t s c ( n a t i o n a l t e l e v i s i o ns y s t e m ) 制式，即正交平衡调幅制；德国、英国、澳大利亚 和我国等采用的p a l ( p h a s ea l t e r n a t i o nl i n e ) 制式，即逐行倒相正交平衡制式； 法国等国家采用的s e c a m ( s e q u e n t i a lc o l o rw i t hm e m o r y ，法语) 制式，即顺 序传送与存储制。其中又以n t s c 和p a l 两种制式最为流行。 所谓复合视频信号，是指将彩色电视信号的色度分量以规定的色副载波调制 到亮度分量上面，然后再在亮度分量上面叠加上各种行场同步信息与色副载波信 息，供电视机内部的解码器进行解调显示。c v b s 只需要一根信号线即可完成所 有视频信息的传播，非常简单。虽然目前各种视觉感观更好的显示终端陆续出台， 但因为模拟电视的消费人群极其庞大，各种需要以电视机作为输出终端的消费电 子产品都仍然以c v b s 作为首选电视输出接口，而且这种局面还将持续很长一 段时间。 1 n t s c 制式 n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) 是如今世界上使用比较广泛 的一种彩色电视广播制式，于1 9 5 3 年在美国开始广播，是较早的应用于彩色、 黑白兼容的彩色电视制式。该制式将三原色信号编码成一个亮度信号y 和两个 色差信号u 和v ( 或者i 和q ) 进行传送，将色差信号用一个副载波调制到频率 相对较高的频带，和亮度信号组合在一起发送。当不叠加色度分量的时候，n t s c 能和旧有的黑白电视兼容，这一重要特性起了一个相当重要的过渡作用，保证了 在电视广播从黑白电视转变成彩色电视的时候，即使各家各户的电视机不更换成 彩色电视，仍保持能播放黑白电视节目【7 1 。 n t s c 制式采用的频带宽度为o 4 2 m h z ，扫描行数为5 2 5 行，场频为每秒 6 0 场【8 】1 9 】。根据人眼的视觉特性，对比较敏感的亮度信号采用宽带传送( 0 - - 一 4 2 m h z ) ，对比较不敏感的色度信号采用窄带传送( 0 1 3 m h z ) 1 1 0 】。 浙江大学硕士论文 2 p ! a l 制式 p a l ( p h a s ea l t e r n a t i o nl i n e ) 制式是1 9 6 2 年研制出来的一种兼容彩色电视 制式，主要为了克服n t s c 制式的相位敏感问题【7 1 。和n t s c 制式一样，该制式 将三原色信号编码成一个亮度信号y 和两个色差信号u 和v 进行传送，将色差 信号用一个副载波调制到频率相对较高的频带，和亮度信号组合在一起发送。但 是对于其中一个色度信号v ，采用逐行倒相1 8 0 。的方法进行传送，使相邻行上 的相位误差可以相互补偿，当出现微分相位失真时，可以保持色调不变。 p a l 制式采用的频带宽度为根据几种p a l 制式的不同分支而不同，可能取 值为4 2 m h z ，5 0 m h z ，5 5 m h z 和6 0 m h z 等，扫描行数为6 2 5 行，场频为每 秒5 0 场1 8 1 1 9 1 。根据人眼的视觉特性，对比较敏感的亮度信号采用宽带传送( 0 - - 4 2 m h z ) ，对比较不敏感的色度信号采用窄带传送( 0 1 3 m h z ) 。 3 其他常见的电视输出接口 除了c v b s 外，还有一些其他的常见电视接口。s - v i d e o 接口将c v b s 中的 亮度信号和色度信号分开传输，降低了电视机对c v b s 解码造成的亮色串扰问 题；y c b c r 接口采用三根信号线分别传输亮度分量和两个色度分量。这些接口 通常都能在稍微高端点的电视机中出现。s c a r t 接口多见于欧洲和中东地区， 电视机主要从其中接收四个信号，包括同步信号，以及红绿蓝三个颜色分量信号， 通常只见于销往欧洲以及中东地区的电子产品。除了隔行电视外，还有采用逐行 扫描技术的逐行电视。由于逐行电视不存在隔行电视相邻两场相互间隔播放的情 况，因此其图像质量要比隔行电视好。 以上介绍的都是模拟的接口，在对视觉要求越来越高的今天，数字接口逐渐 得到人们的青睐。i t u rb t 6 5 6 t 1 1 】给出了一种传输y c b c r 数字分量的视频接口 标准。另外，高速的数字接口，如d v i 、h d m i 等，也开始出现在了高端的消费 电子产品中。 1 2 论文研究的意义 作为新一代的静止图像压缩标准，j p e g 2 0 0 0 的优越性能已经为人们所认识 与接受，然而j p e g 2 0 0 0 并没有像当年j p e g 标准出来以后那么夺目，短短几年 4 浙江大学硕十论文 成为了最常用的图像格式，原因有很多方面。其中一方面是，在普通的应用场合， j p e g 足以应付，而换成j p e g 2 0 0 0 ，需要的是更新各方面的资源。例如图片浏览 器需要支持j p e g 2 0 0 0 的解码，网页浏览器需要增加j p e g 2 0 0 0 的支持插件等等。 当一个事物不是很普及的时候，大家往往不希望去耗费资源进行改变。 然而j p e g 2 0 0 0 的优越性能是明显的摆在了眼前。随着人们对消费电子等各 方面的要求逐渐提高，j p e g 2 0 0 0 开始越来越受到各个领域的生产厂家的关注。 数码相机是一个相对独立的图像压缩和解压系统，只要j p e g 2 0 0 0 文件格式被大 众工具所接受，采用j p e g 2 0 0 0 进行图像的压缩无疑是一个很好的选择。相类似 的还有对图像质量要求很高的医学图像成像系统。另一方面，目前各种消费电子， 尤其是各种便携式媒体播放器中，都希望集成对各种视频和图像格式进行兼容， 以满足消费者的要求，自然也包括了对j p e g 2 0 0 0 图像格式的支持。 对j p e g 2 0 0 0 的支持，主要体现在能正确解码j p e g 2 0 0 0 格式的图像，而对 j p e g 2 0 0 0 的解码，一般来说，有软件解码和硬件解码两种方案，取决与实际情 况，如c p u 处理能力、芯片的总体面积、速度与功耗等各方面的考虑。但众所 周知，硬件解码的速度一般高于软件解码，并且能将复杂的计算从嵌入式c p u 中解放出来，如果能以不高的资源完成这项功能的设计，那硬件解码则是一个很 好的选择。本设计中的j p e g 2 0 0 0 解码模块将以硬件解码的方式实现，可以作为 某个芯片方案中的其中一个模块或者是i p 。 而j p e g 2 0 0 0 的播放系统选用t v 输出，同样也是有其存在的重要意义。由 于模拟电视还将存在一段很长的时间，电视编码的输出对于某些消费电子产品而 言仍然是不可或缺的。几乎所有的数字电视机顶盒都存在着各种各样的电视输出 接口。一些高档的便携式媒体播放器，如视频m p 3 、m p 4 、p m p 等，为了满足 大众享受的要求，除了常见的l c d 液晶接口以外，也常常会有模拟电视的输出 接口( o u t ) ，电视编码器都能成为其中的一部分。作为新一代的静止图像压 缩标准，j p e g 2 0 0 0 解码器往往容易被集成到数码相机、便携式媒体播放器、数 字电视机顶盒中，于是也就很自然的需要集成电视编码模块。 1 3 国内外研究现状 目前针对1 p e g 2 0 0 0 算法研究以及编码中的硬件模块设计的论文相对是比较 5 浙江大学硕士论文 多的，但是真正意义上的芯片实现却寥寥无几。a n a l o gd e v i c e 公司在2 0 0 4 年7 月率先推出了一款j p e g 2 0 0 0 的专用编解码芯片a d v 2 0 2 1 2 1 ，支持i s o i e c 1 5 4 4 4 1 除了r o i ( r e g i o no f i n t e r e s t ) 以外的所有特征。a d v 2 0 2 集成了一个获 得了专利的空间高效递归滤波小波技术的小波核，支持6 层分解的9 7 和5 3 小 波变换。其可编程的分块图像尺寸，在4 ：2 ：2 分量交织的情况下可达2 0 4 8 x 4 0 9 6 ， 在单分量的情况下可达4 0 9 6 x 4 0 9 6 。a d v 2 0 2 集成了一个3 2 位的嵌入式r i s c 处 理器，用于配置、控制和管理里面的硬件模块。a d v 2 0 2 支持丰富的视频接口， 包括c c i r 6 5 6 ，s m p t e l 2 5 mp a l n t s c ，s m p t e 2 9 3 m ( 5 2 5 p ) ，i t u rb t 1 3 5 8 ( 6 2 5 p ) 等，即内嵌了一个电视编码模块。 国内方面，受教育部委托，清华大学研制开发了j p e g 2 0 0 0 编码芯片t h j 2 k 。 t h j 2 k 采用5 1 2 x 5 1 2 的大图像片分片结构，降低了分片结构造成的边缘噪声； 采用d m c 机制，大幅度减少了片内小波系数的存储；通过预测率失真门限来并 行截断码流，在保证压缩图像质量的基础上实现了对码率精确的控制。在正常工 作频率下( d w t4 0 m h z ，e b c o t1 2 0 m h z ) ，每秒能完成1 2 帧分辨率为1 0 2 4 x 1 0 2 4 的4 ：2 ：2 分量交织真彩色图像的压缩编码。 在实际应用中，对于j p e g 2 0 0 0 的嵌入式应用，一般都采用a d v 2 0 2 作为专 用编解码芯片，但是对于像上面所说的便携式媒体播放器，数字电视机项盒等 s o c ，为了j p e g 2 0 0 0 的解码功能单独使用一块芯片显然是不现实的，因此很有 必要以i p 或者模块的形式，使j p e g 2 0 0 0 的编解码功能内嵌到s o c 当中，成为 芯片的一部分。 1 4 论文的主要工作及创新 本论文的研究工作主要针对j p e g 2 0 0 0 解码模块，以及以电视输出为播放系 统的电视编码模块进行r t l 层面的设计。这两个模块即可以成为独立的i p ，也 可以共同成为一个更大的系统的子模块。 然而设计并没有局限与子模块中，现在的芯片设计中，系统性是一个相当重 要的概念。研究与设计的过程中，站在系统与实际应用的角度，对各种性能指标 进行了深入的分析，结合模块本身的特点，采用优化的结构完成了整个设计。例 如在进行j p e g 2 0 0 0 解码系统的设计时，加入了和片外s d r a m 的存储交互接口。 6 浙江大学硕士论文 j p e g 2 0 0 0 解码器的兼容性要做得好，就需要一定规模存储空间支持解码，而这 些存储空间都放在片内显然是不现实的。为j p e g 2 0 0 0 解码模块提供一个 s d r a m 的接口，不但能使模块更容易与系统融合，更能有效减少片内缓存，优 化存储结构，并且提高整个模块的可扩展性。 从最终产品的实用性的角度出发，除了模块架构上的设计以外，论文中还提 到了不少验证与测试方面的思想与做法。从共性方面讲，在设计中充分考虑并融 入s o c 验证的思想，搭建起一个能对设计本身进行充分验证的平台，高效的进 行各个特性的测试以及纠错；从特性方面讲，针对一些个别模块，如电视编码模 块，对各方面的性能指标进行了详细的研究与测试，结合设计本身进行改进，确 保实际产品能达到预定的要求。 总上所述，本文的主要工作与创新之处可以概括为以下几点： 提出了一种带有片外s d r a m 接口，存储结构优化的j p e g 2 0 0 0 解码系统； 提出了一种高性能的j p e g 2 0 0 0 熵解码器架构； 参考s o c 验证方法学，提出了一个基于j p e g 2 0 0 0 参考软件的系统验证平台， 并在此基础上对j p e g 2 0 0 0 解码系统进行验证； 提出了一种高性能的电视编码器的结构，该模块被用于多款芯片产品中，具 有良好的性能指标。 1 5 论文内容的安排 论文共分6 章。第l 章是绪论，总体概述j p e g 2 0 0 0 和电视编码器的技术背 景；第2 章介绍j p e g 2 0 0 0 编解码的原理；第3 章介绍j p e g 2 0 0 0 解码系统的设 计与实现；第4 章介绍电视编码器的设计与实现；第5 章概述了s o c 验证的方 法与应用；第6 章是总结与展望。整篇论文的详细安排如下： 第2 章介绍了j p e g 2 0 0 0 中应用到的编解码技术原理，是j p e g 2 0 0 0 解码系 统设计实现的基础。主要围绕j p e g 2 0 0 0 的熵编码技术与离散小波变换两项主要 技术进行原理性的描述。 第3 章详细介绍了j p e g 2 0 0 0 解码系统的各个模块的设计。首先总述了整个 系统的框架，j p e g 2 0 0 0 解码器的解码能力定义，支持的特性( f e a t u r e ) ，子模块 的划分。然后分3 节介绍熵解码、反量化以及反变换三个模块的设计与实现。其 7 浙江大学硕士论文 中重点在于熵解码一节，包括了位平面编码器、m q 解码器等子模块的设计。 第4 章介绍了j p e g 2 0 0 0 的播放系统电视编码器的设计。首先介绍了电 视编码器的原理，然后介绍整个电视编码模块的子模块划分，并分节介绍了硬件 通路中的几个技术关键部分。最后介绍了电视编码器性能指标的测试方法与结 果。 第5 章介绍了s o c 验证的一些方法与应用。首先以综述的形式介绍了当前 s o c 验证中的一些先进的方法与技术，然后以j p e g 2 0 0 0 解码系统为例子，详细 介绍了整个模块的测试平台的搭建以及仿真验证的流程。 第6 章对整篇论文进行了总结，提出了一些不足之处，并进行了技术上的进 一步展望。 8 浙江大学硕士论文 第2 章j p e g 2 0 0 0 编解码技术的原理 2 1 j p e g 2 0 0 0 的编解码结构 j p e g 2 0 0 0 编码器的总体框架如图2 1 所示。首先对原输入图像进行一些预 处理工作，包括可能需要进行的多分量之间的转换，分量电平的平移等【2 】【1 3 1 ，目 的在于降低被编码数据的冗余性，提高编码效率。这部分在标准中是可选部分， 不需要强制执行。预处理后进行离散小波变换，将空间域上的数据变换到了小波 域上，并对得到的变换系数进行量化处理。量化后的数据输入到熵编码器，主要 进行编码的是j p e g 2 0 0 0 特有的嵌入式码块编码，将图像数据划分成比较小的码 块分别进行编码，最后通过对码流的分层组织，形成j p e g 2 0 0 0 的压缩码流。对 于编码器而言，在熵编码模块存在着一个可以调整压缩码率的控制器，分别控制 量化和分层组织两部分，根据实际压缩的需要，调节压缩比例和图像质量的关系。 码率控制 i 1r 上 【始图像 离散小波 嵌入式码 1 分层组织 预处理量化块编码 嵌入式码 变换块位流 a i c r l ) ( t i e r 2 ) 熵编码 图2 1j p e g 2 0 0 0 编码器总体框图 j p e g 2 0 0 0 的解码器总体框架如图2 2 所示。解码器基本是编码器的一个逆 过程，不同之处在于解码器中不存在码率控制单元，但是解码器可以根据需要从 压缩位流中提取出需要的部分进行解码。如只提取某个分量、或者只解析到某个 质量层等。j p e g 2 0 0 0 标准一次编码多种解码的特性赋予了解码器很大的灵活性。 分层解析 嵌入式码 嵌入式码 反向离散 块位流 块解码反量化 小波变换 后处理 f l i e r l ) ( t i e r 2 ) 图2 - 2j p e g 2 0 0 0 解码器总体框图 9 像 浙江大学硕士论文 2 2 j p e g 2 0 0 0 的变换与量化 2 2 1 离散小波变换 图像压缩的可行性在于其存在冗余，而在变换域中分析冗余度是一个常见的 手法。如j p e g 标准采用了离散余弦变换，在频域进行分析1 1 4 】。j p e g 2 0 0 0 采用 了一种新的变换域分析方法，利用小波变换将信号转换n d , 波域上进行分析。 j p e g 2 0 0 0 标准第一部分采用的小波变换，以子带编码为基本结构【2 】【1 5 】，如 图2 3 所示。其中g ( z ) 为低通滤波器，日( z ) 为高通滤波器，经过两级滤波，原 始图像被分成了四个子带。当需要多级分解时，低通子带l l 继续上述操作，得 到次级的四个子带，如此循环。 一 l l 孑带 l h 予带 i l l 予繁 ：哥锵 图2 - 3j p e g 2 0 0 0 的小波变换 考虑到了图像质量和处理复杂度等多方面因素，j p e g 2 0 0 0 给出了两种典型 的滤波器，分别是用于可逆变换的5 3 滤波器和用于不可逆变换的9 7 滤波器。 5 3 可逆滤波器的正变换传输函数为 g c z ，= 一丢z - 2 + 丢z - ：+ 言+ 1 4 z 一1 8 z 2 。2 。， 酢) _ 1 2 z - l + 1 + 圭z 一 9 7 不可逆滤波器的正变换传输函数为 1 0 浙江大学硕十论文 4 g ( z ) = g ( i ) z i = - 4 3 日( z ) = h ( i ) z 1 = - - 3 其中，实数滤波器系数如表2 1 所示。 表2 19 7 不可逆滤波器系数 ( 2 2 ) z 2 ( f )向( f ) o0 6 0 29 4 90 1 82 3 63 6 01 1 1 50 8 70 5 24 5 70 0 0 l0 。2 6 68 6 41 1 84 4 28 7 50 5 9 12 7 17 6 31 1 42 5 0 20 0 7 82 2 32 6 65 2 89 9 00 0 5 75 4 35 2 62 2 85 0 0 4 - 3 一o 0 1 68 6 41 1 8 4 4 28 7 50 0 9 l2 7 l7 6 31 1 42 5 0 40 0 2 67 4 87 5 74 1 08 1 0 2 2 2 量化 和其他图像压缩标准类似，量化的目的是为了在给定条件下更大程度的压缩 数据。j p e g 2 0 0 0 的量化分为可逆量化和不可逆量化两种。 对于不可逆量化，在小波变换之后，子带b 的变换系数( ”，) 的量化值 q b ( u ，1 ，) 由( 2 3 ) 给出。 纵州舾谫c 咖妒l 掣j 亿3 ， 式中，a 。为子带b 的量化步长，s i g n ( ) 是符号函数。称这样的量化器为具有死区 的量化器，死区宽度为2 a 。，即在卜色，a 。】范围内量化值为0 。 量化步长对于每个不同的子带，可以具有不同的值。其计算公式由( 2 4 ) 给出。 a b = 2 耻+ 争 ( 2 4 ) 式中，e b 为步长的指数部分，具有范围0 e b 2 5 ；以为步长的尾数部分，具有 范围0 = l x = l1 x 2 = 1 6l0 = l01 = l20 5100ol01 = 2 402x2oxl1 3o1x1ox1o 20o = 20o = 20 = 2 1 0 o100lol o o 0o0000o s c 原语产生其中5 种上下文。在样本点第一次变成重要以后，马上紧接着 进行s c 编码。s c 的编码同样需要用到4 邻域的重要性状态信息和符号状态信 息。记 浙江大学硕士论文 舞i x 篓獬裟掣 2 ， z ” 】= z k 】仃 圪】+ z 【k 仃 k 】 其中- 2 z “ x 】，z 。i x 】2 ，分别表示水平和垂直方向的“净符号偏差”，定义截 断偏差项，将其截断到1 到l 的范围内 z “】= s i g n ( x 6 m i n l ，| z 6 俐) ( 3 3 ) z 】- s i g n ( x 7 x 1 ) m i n 1 ，lz ”i x 】i ) 并由表3 4 给出上下文关系k 咖【x 】和翻转因子z n i p 表3 4s c 的上下文和翻转因子的生成 z 【彳】z 【彳】t e x 】z 脚 ll1 30 101 2o 111 10 0l1 00 0090 o 11 01 111 l1 101 21 111 31 编码数据d 由( 3 4 ) 给出 d 】= x x l z 脚( 3 4 ) m r c 原语产生其中3 种上下文。需要用到8 邻域的重要性状态以及当前样 点的量值改进状态。m r c 的上下文关系由表3 5 给出。 表3 - 5m r c 的上下文生成 仃7k + k ”+ k d k 胂昭 oo1 4 0 o 1 5 lx1 6 游程编码( r l c ，r u n - l e n g t hc o d i n g ) ，产生其中2 种上下文。在中等到高压 缩率下，实际包括在最后组合流中的所有位平面上的大多数子带样本是“不重 要”的，为了充分利用这一特性来降低编码复杂度，加快编码速度，引入了游程 编码来快速处理多个“不重要的样本。当一个条带中，一列的4 个样本的重要 浙江大学硕士论文 性状态都为0 ，且4 个样本的8 邻域都重要性状态都为0 时采用r l c 原语进行 编码，也称这组条件为r l c 条件。若4 个样点本身的值全为0 ，则采用上下文 c x = 1 7 ，数据d = 0 进行编码；若4 个样点中存在着非零元素，则采用上下文 c x - - 1 7 ，数据d = 1 进行编码，接着在采用上下文c x = 1 8 对2 比特数据进行编 码，这2 比特为非零数据的位置，m s b 在前，l s b 在后。若该列还有未编码完 的样点，则采用z c 和s c 继续完成。 四种编码原语的实现逻辑都比较简单，至于要通过一些门电路组合即可完 成，关键之处，是要得到需要的状态值。由于j p e g 2 0 0 0 对一个码块内的样点的 扫描顺序是按照图2 - 4 的条带顺序进行的，故为了减少存储器件的读写次数，将 各种变量也按照条带顺序进行存储。对于每种编码原语都需要用到的重要性状态 a j 】，由于每个条带数据的解码时，除了设计到当前条带，其8 邻域的状态量实