摘　要: 為了使JPEG2000" title="JPEG2000">JPEG2000能應用到便攜產品中，采用了高效存儲結構的硬件實現方案，并設計了相應的寄存器組和控制邏輯。仿真結果表明所設計的塊編碼器能夠在0.256s內完成對一幅512×512的灰度圖像的編碼。
　　關鍵詞: 基于最優截斷的嵌入式塊編碼 JPEG2000 交錯存儲

　　隨著多媒體市場的迅猛發展，百萬像素的數碼相機、各種功能強大的彩屏手機等數字消費產品逐漸普及。這些多媒體應用均需要處理高質量、高分辨率的大圖像，這對存儲介質的容量和傳輸信道的帶寬都提出了新要求。圖像壓縮的國際標準JPEG已不能滿足這些新的要求，而且它在低碼率時還存在著方塊效應。因此，從1997年開始，JPEG委員會就致力于開發新的靜態圖像壓縮標準JPEG2000^[1]，并在2000年8月形成了最終草案，在2000年12月使其成為了國際標準。
　　JPEG2000相比JPEG有著更大的靈活性，不僅能對原始圖像高效地壓縮，而且可以對壓縮后的數據進行處理。這意味著可以從壓縮碼流中提取一部分數據來重建低分辨率或低碼率的圖像，或者是提取圖像的感興趣區域。這樣就允許將原始圖像壓縮為單一的碼流以適應不同的傳輸信道、存儲或顯示設備，而不必考慮該圖像的大小、分量多少以及樣本的精度。
　　JPEG2000的一個主要特性就是基于圖像質量和分辨率的累進傳輸，為了支持這種可分級的壓縮編碼，JPEG2000采用了離散小波變換(DWT)替代JPEG中的離散余弦變換(DCT)，并采用了Taubman提出的具有優化截斷點的嵌入式塊編碼^[2](EBCOT)算法。
　　JPEG2000編碼器的框圖如圖1所示。

　　首先將原始圖像劃分為圖像片，通過DWT將圖像片分解為不同的分辨率級別，獲得多個子帶的頻域系數，將各個子帶劃分為碼塊(典型大小是32×32或64×64)，對每個碼塊進行嵌入式的塊編碼，生成上下文和待編碼的數據位；然后由算術編碼" title="算術編碼">算術編碼部分根據每個數據位的上下文自適應編碼，產生每個碼塊的子碼流；最后將各個碼塊的子碼流組織成代表碼流質量層的分組，并添加相應的頭結構信息，幫助解碼器識別如何解碼。
　　EBCOT^[2]作為JPEG2000的核心部分，包含了層1和層2兩部分，其中嵌入式塊編碼的邏輯比較復雜，是影響編碼速度的瓶頸之一，使用通用處理器很難提高其效率。傳統的編碼方式采用軟件實現，但速度和效率不高，且占用較大的存儲資源；而采用硬件實現方式則會有更大的靈活性。事實上采用硬件芯片實現，不但可以提高編碼的速度和效率，而且也能根據算法本身的特點，采用特定的、高效的硬件結構來實現算法的關鍵部分，可以較大幅度地提高編碼效率。另外，隨著多媒體的應用和網絡應用逐步便攜化，以前多數可以在PC機上處理的工作必須轉移到便攜產品上，這對便攜產品有限的資源提出了挑戰。因此有必要研究硬件編碼芯片完成編碼過程，本文旨在研究JPEG2000編碼中的關鍵技術——嵌入式塊編碼。
1 算法分析及設計
　　嵌入式塊編碼其實是基于位平面的編碼^[2]，而每個位平面又被劃分為三個編碼通道，即顯著通道、細化通道和清除通道。編碼采用固定的掃描方式，每個比特位僅在其中的一個編碼通道中完成編碼。編碼過程可以分為兩個步驟，即判別編碼通道的歸屬和編碼原操作。在顯著通道中，當比特位本身不顯著，且周圍8個近鄰至少有一個是顯著時被編碼；在細化通道中，當比特位在上一個位平面就變顯著時被編碼；在清除通道，所有在上面兩個通道中略過的比特位被編碼。編碼原操作共4個，即零值編碼、符號編碼、細化編碼和游程編碼。
　　根據算法要求，編碼時必須用到一些編碼信息。假設碼塊的大小是32×32的，則編碼信息位包括1024個顯著信息位(表示當前系數位是否顯著)、1024個細化信息位(表示當前系數位是否第一次細化)、1024個訪問信息位(表示當前系數位是否在前面的編碼通道中編過)。當然，除此之外，還需要有1024個符號位和幅度位，因此編碼過程中需要存儲的信息為5Kbit。由于FPGA片內RAM資源十分有限，因此將碼塊量化后的小波系數存在外部RAM中(對于32×32的碼塊，16bit的系數，需要存儲16Kbit)，而在片內只存儲5Kbit的信息。
　　塊編碼過程是以一列的4個比特位為單位進行編碼，且在判別編碼通道的歸屬和編碼操作時，都需要用到當前比特位的8個近鄰的顯著信息和符號信息。因此，事實上在編碼每一列數據時，必須訪問18bit的顯著信息和符號信息，以及當前列的幅度位、訪問信息和細化信息各4bit。對于幅度位、訪問信息和細化信息，可以將每列的數據作為一個字存儲，但這種存儲方式對顯著信息和符號信息卻效率較低。如圖2所示，如果采用右邊的方案，則對于編碼帶中的每一列，必須讀取12bit的顯著和符號信息，其中有6bit是冗余的；如果采用左邊的交錯存儲" title="交錯存儲">交錯存儲^[3]的方案，即對于32×32的碼塊，在其首行之前和末行之后各添加一行，形成34×32的塊，然后將每兩行作為一組，并采取交錯方式存儲(a, b,c,b,a,b,c,…,b,c,b,a)，則讀取信息時不會有冗余。

　　顯然，交錯存儲方案更有效，只是它需要在硬件電路上付出一些代價。首先，在預處理小波數據時，必須將符號位按照上述交錯方式寫入內部RAM，這比處理幅度位復雜一些。其次，在編碼過程中，需要讀取數據至內部6×4顯著或符號寄存器，而對于奇、偶數編碼帶，其讀入順序也是交錯的，對于前者是a、b、c，對于后者則是c、b、a；而且讀取三塊內存區域的地址信號也是不同步的，如表1所示，讀取存儲器b的地址信號始終增長，而讀取存儲器a和b的地址信號則符合以下規律：前者在從奇編碼帶過渡到偶編碼帶時地址增加，而在從偶編碼帶過渡到奇編碼帶時地址保持不變；后者正好相反。

　　因此，必須設計相應的控制電路滿足上述要求，盡管這樣做付出了額外的代價，但卻大大提高了存儲器的讀寫效率(提高了50％)，這對于需要頻繁訪問存儲器的位平面編碼來說是很寶貴的；另外，采用了交錯存儲方式，可以對三塊存儲區域獨立地產生地址信號，一次性讀取6bit，而在常規的存儲方式下，為了讀取12bit信息，必須對同一塊存儲區域訪問3次，可見采用交錯存儲的方案同時也提高了讀寫速度。
　　在JPEG2000的標準中，塊編碼器采用兩種編碼模式，即NORMAL和VCAUSAL。在VCAUSAL模式下，考慮當前編碼位的周圍顯著信息時，將下一編碼帶的顯著信息看作是不顯著的，而在NORMAL模式下則看作是顯著的。在文獻^[4]中，采用VCAUSAL模式，盡管這樣簡化了對存儲器訪問的邏輯控制，節省了一些存儲空間，但卻降低了塊編碼器的編碼效率。因此，本文結合文獻^[3]和^[4]，設計了圖3所示的寄存器組來配合上面介紹的交錯存儲的方案，這些內部寄存器包括6×4bit的顯著和符號信息寄存器，8bit的細化和訪問信息寄存器，4bit的幅度寄存器，如圖3所示。

　　圖3中表示出了各個寄存器讀入數據和寫回更新數據的位置、當前的編碼位置和當前編碼位。這些寄存器都能完成右移一位的功能。特別值得注意的是：由于編碼過程中必須用到18bit的顯著和符號信息，因此在每個編碼帶開始處，必須對顯著和符號信息寄存器做初始化右移一次，確保在編碼第0列數據時已經有18bit的信息，見圖4的示例。

2 硬件設計
　　根據本文設計的編碼算法，可用如圖5所示的硬件結構實現嵌入式塊編碼器。

　　上述結構中，狀態機用于控制總體的編碼流程，外部信號START使狀態機進入初始的預處理狀態，表示此時外部RAM的數據已經準備好，然后在編碼過程中根據計數器的數值進行狀態切換。
　　設計中用到的計數器共3個，即Countrow(位計數器)、Count(列計數器)、Countloop(編碼帶計數器)。圖6中示出了塊編碼器的總體流程，從中可以看出編碼器的狀態隨計數器的數值變化的情況。

　　預處理單元分為兩個部分：碼塊預處理和位平面預處理。其中碼塊預處理包括計算需要編碼的位平面數，提取各個系數的符號位填充相應的符號緩存，初始化顯著信息緩存和細化緩存(全部清0)；位平面預處理則提取當前位平面的幅度位填充相應的幅度緩存，初始化訪問信息緩存(全部清0)。
　　讀寫控制邏輯單元負責產生合適的控制信號與外部RAM和內部緩存接口；在預處理時負責外部RAM和內部緩存的讀寫控制，在編碼過程中則負責內部緩存和寄存器組的讀寫控制。
　　編碼單元分為兩部分(見圖7)，判斷邏輯和編碼操作單元。判斷邏輯負責決策當前系數位是否屬于當前的編碼通道，編碼操作單元包括零值編碼、細化編碼和符號編碼，而游程編碼則采用硬連線編碼，不使用獨立的單元。這幾個編碼操作單元直接采用組合邏輯實現，而不是采用查表方式。多路選擇器則根據當前執行的編碼操作選擇輸出合適的CX和D。

　　FIFO單元用于解決塊編碼和算術編碼邏輯之間的異步問題(因為前者產生數據具有間歇性，且算術編碼處理數據也會有一定的延遲)。
3 結論與展望
　　本文通過對嵌入式塊編碼的算法分析，結合文獻^[3]和^[4]的方案，采用了比較合理的存儲結構來存儲編碼信息，并設計了相應的寄存器組和地址產生控制邏輯，本設計能夠做到讀寫操作無冗余信息。
　　本編碼器算法采用MODELSIM進行功能仿真，圖8是在MODELSIM中截取的部分仿真波形。仿真所采用的時鐘頻率是50MHz，從圖8中可以看出編碼過程在1074090ns完成，大約1ms左右完成32×32碼塊的編碼。因此，對于一幅512×512的灰度圖像，估計能夠在0.256s內完成編碼。本設計選用的FPGA芯片最高時鐘頻率可達到275MHz，估計通過一定的優化，可使工作頻率進一步提高；另外，塊編碼的算法本身就蘊含著并行的特性，可以在FPGA中實現多個塊編碼器單元同時處理多個碼塊的數據，這樣編碼一幅圖像的速度可以進一步提高。
參考文獻
1 M.Boliek,C.Christopoulos,E.Majani (Editors). JPEG 2000 Part 1 Final Publication Draft.ISO/IEC JTC1/SC29/WG1 N2678, July 2002
2 D.Taubman.High Performance Scalable Image Compression with EBCOT. IEEE Transactions on Image Processing,2000；9(7)：1158～1170
3 K.-F. Chen, C.-J. Lian, H.-H. Chen, L.-G. Chen. Analysis and Architecture Design of EBCOT for JPEG2000. IEEE ISCAS 2001,2001；2(3)：765～768
4 K.Andra, T. Acharya，C. Chakrabarti. Efficient VLSI Imple- mentation of Bit Plane Coder of JPEG2000. Proc. of SPIE Applications of Digital Image Processing, 2001