JPEG2000 MQ編碼算法的優(yōu)化和FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要: MQ編碼是一種無損數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，已被JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)采用，其高復(fù)雜度成為JPEG2000系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的速度瓶頸。本文在分析MQ編碼算法軟件流程的基礎(chǔ)上提出了一種優(yōu)化的基于流水線處理的MQ編碼算法；并利用Xilinx FPGA的可編程特性詳細(xì)地將此算法模塊化，最后實(shí)現(xiàn)仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，該算法在有限資源消耗情況下最高運(yùn)算時(shí)鐘頻率可達(dá)89.8 MHz，算法對(duì)于壓縮速度要求嚴(yán)格的JPEG2000實(shí)現(xiàn)具有一定實(shí)用價(jià)值。

JPEG2000是新一代靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)[12]，通過多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的引入，JPEG2000可以提供比JPEG 更優(yōu)質(zhì)的壓縮效果和更多的新功能。MQ算術(shù)編碼器是一種基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼器，作為JPEG2000 的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有比傳統(tǒng) Huffman 編碼好的壓縮性能，但頻繁的重歸一化和串行處理也使得軟件實(shí)現(xiàn)JPEG2000效率很低。隨著高性能的FPGA發(fā)展和大分辨的圖像壓縮需求不斷增加，JPEG2000高速硬件處理已成必然。

為了滿足MQ編碼的高速處理，專家們對(duì)MQ編碼硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，提出了一些有效方案[2,3,5]。本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的MQ算法進(jìn)行梳理，在MQ編碼的反饋和循環(huán)、區(qū)間更新條件判斷方面提出優(yōu)化，并對(duì)MQ編碼進(jìn)行模塊化劃分，詳細(xì)實(shí)現(xiàn)了一種基于流水線處理的MQ編碼FPGA架構(gòu)。

1 MQ編碼原理及FPGA實(shí)現(xiàn)

MQ編碼屬于JPEG2000中的Tierl編碼，原始圖像小波變換后的數(shù)據(jù)經(jīng)量化后以碼塊為單位，首先根據(jù)數(shù)據(jù)位寬被劃分為一系列的位平面，通過位平面編碼的通道掃描生成上下文；然后MQ編碼器將上下文CX與原始數(shù)據(jù)D編碼生成壓縮碼流CD。圖1是MQ編碼輸入/輸出數(shù)據(jù)圖。

圖1 MQ編碼輸入/輸出數(shù)據(jù)圖

MQ編碼器工作流程為：首先根據(jù)上下文CX查找上下文狀態(tài)表(I表)，找出當(dāng)前概率索引值 I（CX）以及大概率符號(hào)MPS。接著,根據(jù)當(dāng)前概率索引值I（CX），查找概率估值表，得到Qe、NMPS、NLPS和SWITCH值。然后根據(jù)當(dāng)前區(qū)間的概率間隔A、編碼字符串C、原始數(shù)據(jù)D以及Qe綜合判斷，比較進(jìn)行A、C和I的更新。為使A始終保持在0.75～1.5，當(dāng)A<0.75 時(shí)，采用重歸一化策略，即A、C同時(shí)左移加倍，以保證概率間隔足夠大。最后,為防止重歸一化造成C溢出，C的最高位字節(jié)將被定期移到外部緩存中,并輸出即形成壓縮碼流CD。

本文對(duì)編碼過程進(jìn)行模塊化流水線設(shè)計(jì)，包括：概率估計(jì)模塊，編碼區(qū)間更新模塊，重歸一化模塊及字節(jié)輸出模塊。

1.1 概率估計(jì)模塊設(shè)計(jì)
在概率估計(jì)模塊，主要完成的是對(duì)CX的概率估計(jì)QE，根據(jù)當(dāng)前區(qū)間的概率間隔A、編碼字符串C以及Qe,綜合判斷原始數(shù)據(jù)D是屬于大概率區(qū)間MPS,還是小概率區(qū)間LPS。概率估計(jì)模型是具有47個(gè)狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)[4]，每個(gè)上下文CX對(duì)應(yīng)于其中某個(gè)狀態(tài)。在FPGA中這47個(gè)狀態(tài)可通過查找表實(shí)現(xiàn)，如表1所列。

表1 改進(jìn)后的概率估計(jì)表

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查找表的輸入Index為概率索引值 I（CX），查找表輸出分別為Qe、NMPS、NLPS和SWITCH值。如上文提到當(dāng)A<0.75（0x8000）時(shí),需要進(jìn)行區(qū)間更新。JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中，區(qū)間重整采用循環(huán)判斷方式，每次判斷然后一位位移位操作。這里可以采用前導(dǎo)零的方法提前檢測(cè)概率間隔A的前兩位有多少個(gè)零，進(jìn)而一次性移位，減少移位周期。因此在查找表中增加了一項(xiàng)Bit_Shift輸出。

1.2 編碼區(qū)間更新設(shè)計(jì)
編碼區(qū)間更新根據(jù)更新前的A和C以及當(dāng)前的QE綜合判斷。JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中，判斷條件較為復(fù)雜，進(jìn)行優(yōu)化后如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的區(qū)間更新流程

其中,ShiftA為A左移Nbshift位后的結(jié)果；ShiftC為C左移Nbshift位后的結(jié)果；Nbshift為一次性具體左移多少位；Bit_Shift為概率估計(jì)查找表輸出，Bit_ShiftA_QE為A_QE的高16、15位零的個(gè)數(shù)；C_carry為更新后的C的最高位字節(jié)。對(duì)于Nbshift可以理解為：A選擇為QE時(shí)，即需要移位QE的高bit位含零個(gè)數(shù)；A選擇為A_QE時(shí)即需要移位A_QE的高bit位含零個(gè)數(shù)。

在進(jìn)行編碼區(qū)間更新的同時(shí)，需要判斷原始數(shù)據(jù)D是大概率還是小概率，進(jìn)而更新概率索引值I（CX）。對(duì)JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中的此處判斷條件進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示。這里NMPS、NLPS和SWITCH為概率估計(jì)表輸出，6bit位寬的I_reg和1bit位寬的MPS_reg合并即為更新后的I（CX），具體I（CX）結(jié)構(gòu)可見參考文獻(xiàn)[1]。

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圖3 改進(jìn)的區(qū)間更新流程

1.3 重歸一化及字節(jié)輸出設(shè)計(jì)
字節(jié)輸出實(shí)際上是對(duì)C_carry在一定條件下的輸出，即當(dāng)C_carry湊夠整字節(jié)時(shí)輸出為CD（或B）。JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中字節(jié)輸出流程是串行執(zhí)行的，效率較低。為了充分利用硬件并行執(zhí)行的優(yōu)勢(shì)，我們對(duì)流程進(jìn)行了一些調(diào)整及優(yōu)化，以加速字節(jié)輸出的實(shí)現(xiàn)。調(diào)整后的流程如圖 4所示。

圖4 調(diào)整后字節(jié)輸出流程

這里設(shè)置一個(gè)專用計(jì)數(shù)器CT 來進(jìn)行字節(jié)輸出的控制， 當(dāng)重歸一化發(fā)生時(shí)，概率間隔寄存器 A 每左移Nbshift位，CT 加Nbshift，當(dāng) CT ≥20 時(shí)，MQ 算術(shù)編碼器輸出一個(gè)字節(jié)。字節(jié)輸出的過程中，若字節(jié)緩存 B 中值為 0xFF，則需進(jìn)行比特填充，以防止進(jìn)位的傳播影響已編碼字節(jié)。當(dāng)需字節(jié)輸出時(shí)，根據(jù)字節(jié)緩沖 B中字節(jié)及寄存器 C最高位C_carry的值，進(jìn)行相應(yīng)的字節(jié)輸出操作。由于C_carry由Nbshift移位得到，而Nbshift最大值為15，也就是說C_carry可能輸出1或2個(gè)字節(jié)。

2 仿真結(jié)果及分析

按照上述系統(tǒng)，選用Xilinx公司的FPGA芯片xc7z020-2clg484，分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊并編程在ISE運(yùn)行，處理速度達(dá)到89.8 MHz。由于該編碼器的工作效率為每個(gè)時(shí)鐘可編碼1位，該編碼器的工作速度可以達(dá)到89.8Mb/s，遠(yuǎn)優(yōu)于軟件實(shí)現(xiàn)的MQ編碼。相比參考文獻(xiàn)[6]～[8]較大地提高了編碼效率，對(duì)比結(jié)果如表2所列。

表2 多種實(shí)現(xiàn)方式的時(shí)序結(jié)果比較

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方案占用的FPGA資源情況如表3所列，資源占用情況和參考文獻(xiàn)[6]～[8]基本相同。

表3 FPGA資源使用情況

圖5為FPGA實(shí)現(xiàn)后的Modelsim仿真所得的數(shù)據(jù)。由圖5可知，本文提及到的一些寄存器初始值情況，還可以看出CT等于20時(shí)已經(jīng)滿足壓縮字節(jié)輸出條件，輸出B（仿真圖中的data_ram_wdata）為0x17。

圖5 FPGA 實(shí)現(xiàn)后環(huán)路鎖定相位抖動(dòng)

結(jié)語
本文介紹了MQ編碼流程，詳細(xì)對(duì)其中幾個(gè)流程進(jìn)行了相應(yīng)的算法優(yōu)化并使用FPGA實(shí)現(xiàn)MQ編碼。

結(jié)果顯示優(yōu)化的MQ編碼在利用有限資源的情況下可以較大幅度提高M(jìn)Q編碼器的速度，能滿足JPEG2000系統(tǒng)的要求。本論文中所采取的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)在FPGA硬件平臺(tái)驗(yàn)證通過，并在航拍大分辨率圖像處理的JPEG2000壓縮中得到應(yīng)用。