高性能JPEG2000編碼器關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、圖像壓縮編碼技術(shù)對(duì)于圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸至關(guān)重要。JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)主要采用離散小波變換(DWT)和優(yōu)化截?cái)嗲度胧綁K編碼(EBCOT),在高清圖像編碼方面有著優(yōu)異的性能,已成為最新的數(shù)字電影技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本文的研究背景是所在實(shí)驗(yàn)室SEP0728個(gè)人移動(dòng)信息終端嵌入式系統(tǒng)芯片(SoC)項(xiàng)目,該嵌入式SoC設(shè)計(jì)目標(biāo)支持H.264解碼、GPS基帶、以及JPEG2000編碼等功能,實(shí)現(xiàn)影音播放,GPS導(dǎo)航,以及高清數(shù)碼相機(jī)等應(yīng)用。針對(duì)該嵌

2、入式SoC中JPEG2000編碼器高性能低功耗要求,本文著重改進(jìn)了JPEG2000中DWT和EBCOT算法,并基于改進(jìn)算法提出了高性能硬件架構(gòu),最后采用FPGA進(jìn)行JPEG2000編碼系統(tǒng)驗(yàn)證。
　　 本文改進(jìn)離散小波變換算法,并基于改進(jìn)算法提出高效低存儲(chǔ)硬件架構(gòu)。本文首先改進(jìn)傳統(tǒng)提升算法,設(shè)計(jì)低硬件開(kāi)銷高效的二維離散小波變換硬件架構(gòu),該架構(gòu)采用折疊技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升步驟運(yùn)算,將乘法器和加法器數(shù)量減少一半,有效降低硬件開(kāi)銷,縮短了關(guān)鍵

3、路徑。在二維離散小波變換的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)中,存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)決定了整個(gè)架構(gòu)的硬件開(kāi)銷和控制復(fù)雜度。本文基于改進(jìn)的翻轉(zhuǎn)提升算法,設(shè)計(jì)低存儲(chǔ)的二維離散小波變換硬件架構(gòu),通過(guò)去除行變換和列變換模塊間所需的轉(zhuǎn)置模塊,減少了片內(nèi)存儲(chǔ)器開(kāi)銷。對(duì)于5/3小波和9/7小波,分別只需要2N和4N大小的片內(nèi)緩存,其中N為圖像寬度。傳統(tǒng)的提升小波算法需要多個(gè)數(shù)據(jù)輸入后才能開(kāi)始提升步驟運(yùn)算,導(dǎo)致二維離散小波變換中行變換與列變換的數(shù)據(jù)掃描方式不一致,必須增加存儲(chǔ)器

4、空間及相應(yīng)控制邏輯。本文提出一種提升步驟分解小波算法(Lifting Steps Decomposing Algorithm,LSDA),使得提升步驟運(yùn)算只需要1個(gè)源數(shù)據(jù)即可開(kāi)始,使行與列變換均可按一致的數(shù)據(jù)掃描方式進(jìn)行,對(duì)于逐行掃描輸出的行變換結(jié)果可立即開(kāi)始列變換,從而省去行列離散小波變換間的轉(zhuǎn)置緩存,在實(shí)現(xiàn)多級(jí)二維離散小波變換時(shí)無(wú)需子帶片外數(shù)據(jù)訪問(wèn)。該架構(gòu)可在M×N/2個(gè)時(shí)鐘周期完成一幀M×N圖像的二維DWT。和已有一級(jí)二維DWT架

5、構(gòu)相比,實(shí)現(xiàn)5/3小波和9/7小波時(shí)片內(nèi)存儲(chǔ)器分別至少減少42％和27％,關(guān)鍵路徑為一個(gè)乘法器延時(shí),輸出延遲分別為N和2N時(shí)鐘周期。與已有的多級(jí)DWT相比,子帶片外緩存由MN/4變?yōu)?(J-1)個(gè)片內(nèi)寄存器(J為分解級(jí)數(shù)),而級(jí)內(nèi)緩存仍保持不變,由于消除了片外數(shù)據(jù)訪問(wèn),大幅降低功耗。相比于傳統(tǒng)提升等算法的離散小波變換,LSDA算法在字長(zhǎng)相等的情況下,重建圖像的PSNR值最大可提高12dB。
　　 本文改進(jìn)EBCOT算法,并基于改

6、進(jìn)算法設(shè)計(jì)樣本并行流水線硬件架構(gòu)。本文提出一種基于樣本并行的位平面編碼器,并設(shè)計(jì)3級(jí)流水線硬件架構(gòu)。為解決編碼過(guò)程中樣本的顯著性信息存在數(shù)據(jù)相關(guān)性問(wèn)題,設(shè)計(jì)顯著性狀態(tài)預(yù)測(cè)方法完成一個(gè)時(shí)鐘周期4個(gè)樣本的編碼。該架構(gòu)處理大小為32x32碼塊,所需時(shí)鐘周期數(shù)僅為推薦設(shè)計(jì)架構(gòu)的25％,比樣本跳躍和組列跳躍結(jié)合方式處理速度提高約為60.2％。為匹配基于樣本并行的位平面編碼器的高處理能力,本文提出2個(gè)CxD并發(fā)處理MQ編碼器,并設(shè)計(jì)4級(jí)流水線硬件架

7、構(gòu)。設(shè)計(jì)狀態(tài)超前更新,前導(dǎo)零位超前檢測(cè)方法,解決CX狀態(tài)表更新、歸一化等過(guò)程中反饋和循環(huán)引起的無(wú)法實(shí)現(xiàn)流水線問(wèn)題。設(shè)計(jì)擴(kuò)展概率估值表方法解決2個(gè)CxD對(duì)并發(fā)處理時(shí)無(wú)法一次性得到所對(duì)應(yīng)概率值、前導(dǎo)零數(shù)目和編碼狀態(tài)問(wèn)題。本文提出一種最小斜率截?cái)嗟膲嚎s后率控制優(yōu)化算法,無(wú)需存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)率-失真斜率查找表,適合于硬件設(shè)計(jì)。重構(gòu)圖像質(zhì)量只下降0.2dB左右,在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合可以忽略,但卻可以節(jié)省60％以上的熵編碼時(shí)間,與已有算法相比,可以節(jié)省近1