JPEG2000中位平面编码的存储优化方案设计

       1引言

　JPEG2000的两大核心模块(见图1)，小波变换和EBCOT[2](基于优化截断点的嵌入式块编码)其运算开销很大，占据了整个编码器处理时间的一半以上。因此，有必要研究合理的实现方式，一般来说采取软件实现方式相对比较简单，比如JPEG2000的参考代码jasper[3]，但实时处理的能力较差，即使采用嵌入式系统的方案，如使用DSP或ARM等通用处理器，基本上也是通过软件的方式来实现，速度提升不大，必须针对块编码本身的特点设计高效的硬件结构单元。只有这样，才能使JPEG2000在实时处理的应用中发挥其作用。

　　2.存储优化的实现方案

　　JPEG2000的嵌入式块编码是基于位平面的编码，其对象是小波变换后频域系数组成的相对较小的码块，大小一般是32×32或64×64。码块中的系数包含符号信息和许多个不同权值的幅度信息。位平面编码的思想就是将最重要的信息先进行编码，也就是权值较大的幅度信息先编码，这样配合后续的码流组织(见图1)即可使最终的码流获得渐进传输的特性。

　　根据标准[1]，编码过程中除了用到符号和幅度信息外，还需要每个比特位的显著信息，细化信息和访问信息。因此，对于一个32×32的码块，编码一个位平面时，总共需要存储5×1024位的信息。另外，由于编码是以一列中的4位为单位，所以通常将每块编码信息存储为256×4的形式(见表1)。

　　但是事实上这种存储结构是低效的，因为根据标准[1]，编码一个比特位包括两个步骤，即判断通道归属和编码原操作。在这两个步骤中，需要访问的信息包括当前位的显著、符号、幅度、细化和访问信息，以及当前位的周围8个比特位的显著和符号信息。对于基于列的编码方式，如果按照上面的方案存储信息，即将符号和显著信息以字长为4存储，则实际上每次编码一列，需要读入前一编码带(通常将每4行称为一个编码带)、当前编码带和后一编码带的共12位显著和符号信息，但是事实上只有其中的6位是有用的，其余6位是冗余信息。由于编码是基于比特位的操作，因此会频繁地访问存储区域，每次编码一列必须读出相应的各信息位，编码完成一列数据还要将相应的编码信息再次写回存储区域，以达到更新编码信息的目的。可见，采取上述4位字长的方案是非常低效的。

　　所以，本文设计了一种相对合理的存储方案，即在码块的最上面一行和最下面一行各添加一行全0数据(这是对显著和符号平面而言)，构成34×32的块，然后以两行为一组，并按交错存储的方式，即A，B，C，B，A，。。。，C，B，A，将信息分配至三块存储区域MEMA，MEMB和MEMC(见表2)。

　　另外，从显著和符号信息缓存写数据至相应的寄存器(6×3bit)时，也要根据相应的编码带进行切换，对于奇数编码带(假设第一个编码带记为零)，顺序为ABC，对于偶数的编码带，顺序为CBA(见表3)。而且，从表三可以看出，用于访问MEMA、MEMB、MEMC的地址信号的变化也不尽相同，其中访问MEMB的地址顺序增长，而MEMA的地址在从奇编码带过渡到偶编码带的过程中保持不变，从偶编码带过渡到奇编码带的过程中增长，对于MEMC的情况正好和MEMA相反。

　　因此，必须设计相应的控制电路和地址产生电路来配合这个存储方案。

　　3.硬件架构

　　根据上面的分析，提出相应的位平面编码器的硬件架构，如图2所示，本架构针对32×32的码块。

　　图2。基于内存优化方案的位平面编码器的硬件架构

　　图2中的位平面编码器主要包括几个部分，即内部缓存，寄存器组，地址产生模块，判断通道归属模块，编码原操作模块，状态机模块，计数器模块。

　　地址产生模块包括两个，地址产生模块1负责产生读取外部DWT系数缓存的地址信号;地址产生模块2负责产生读取内部5块缓存区域的相应地址。

　　判断通道归属模块，根据当前寄存器组中相应的编码信息，判断比特位是否属于当前的编码通道，如果属于当前的编码通道，则进行相应的编码原操作，否则跳过该比特位，继续编码下一个比特位。

　　编码原操作模块包括4部分，即零值编码、符号编码、细化编码和游程编码。一般的实现方式采用查找表来实现编码原操作，而本设计中均采用组合电路的形式来实现，这样可以提高产生CX(编码模式)和D(编码比特位)的速度。

　　状态机模块决定了整个编码器的编码流程，编码主要分为两个阶段，即预处理阶段和模式产生阶段。预处理阶段主要用于完成5块缓存区域内容的初始化，模式产生阶段则按照显著、细化和清除通道的顺序依次进行编码，输出编码模式给后续的算术编码模块。状态机模块还接收来自计数器的输出，决定当前处于什么状态，在每个位平面编码完成后必须转到预处理阶段，更新下一位位平面的幅度信息，并清零访问缓存的内容。

　　4.Verilog设计

　　本文建议的硬件架构采用VERILOG[4]语言描述，主模块是bpc.v，包括ram_block.v，addr_generator.v，fill_ram.v，pass_judge.v，coding_primitive.v和state_machine.v共6 个子模块。编码流程的实现通过主状态机产生相应的使能信号，激活当前的模块操作，当操作完成后，由该模块产生操作中止信号给主状态机，从而使编码流程进入下一步骤。下面列出了部分用于模块间握手的代码，代码中以省略号代表其它一些控制信号和其它一些状态。

　　case (cstate)

　　。。。

　　gene_layer：begin

　　。。。gene_layer_en = 1;fill_ram_en = 0;pass_judge_en = 0; 。。。

　　if (gene_layer_fin) nstate = fill_ram;else nstate = gene_layer;end

　　fill_ram：begin

　　。。。gene_layer_en = 0;fill_ram_en = 1;pass_judge_en = 0; 。。。

　　if (fill_ram_fin) nstate = pass_judge;else nstate = fill_ram;end

　　。。。

　　endcase

　　5.实验结果

　　本设计采用modelsim工具进行了功能仿真，使用quartus[6]工具进行了逻辑综合，得到的综合结果如表3所示。

　　下面是使用jasper软件和本硬件实现对几幅标准图像(大小512×512的灰度图像)编码的时间比较。

　　6.结论

　　本文通过对JPEG2000中的位平面编码器的存储方案进行了分析，设计了一个高效的存储结构以及相应的控制电路，设计采用verilog[4]语言描述，通过quartus[6]软件逻辑综合后，能够在0.1s内完成一幅512×512灰度图像的编码，编码时间仅为jasper[3]软件实现方案的30%左右。由于块编码器的特点，每个码块的编码本身是独立的，可以并行进行，而且根据综合结果，使用EP1C12Q240C8完全可以在一块芯片内集成多个位平面编码器的IP核，每个块编码器核可以并行执行，因此，可以进一步提高编码器的速度，从而使实时处理图像成为可能。另外，还可以将设计定制为ASIC，将最终产品应用到数码相机、图像监控中，其市场前景是十分广阔的。