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(多图) JPEG2000中位平面编码的存储优化方案设计

微计算机信息 汪浩 罗伟栋?? 2011年08月31日 ?? 收藏0

  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。

JPEG2000编码器框图

  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)。

编码信息存储为256

  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)。

三块存储区域

  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。

偶数的编码带

  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。

  内存优化的位平面编码器的硬件架构

基于内存优化方案的位平面编码器的硬件架构

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。


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JPEG2000? 位平面编码?

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