CN102088607A

CN102088607A - 基于jpeg2000标准的mq编码方法和电路

Info

Publication number: CN102088607A
Application number: CN 201110046523
Authority: CN
Inventors: 李云松; 邸志雄; 逄杰; 谢元斌; 谭新宇; 史江义; 郝跃; 吴成柯
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Hunan Rongchuang Microelectronic Co ltd
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: CN102088607B

Abstract

本发明公开了一种JPEG2000标准的MQ编码方法和电路，主要解决现有MQ编码器工作频率低，电路串行闲置多的问题。其编码电路在保证与JPEG2000标准压缩结果完全一致的前提下，对MQ编码电路中的“索引表查找及概率估计单元”和“重归一化与区间重整单元”引入预查表子单元和上下文CX比较子单元，将Qe的查找路径和索引表的更新路径分离，以减短关键路径，同时使用两个“前导零检测器”和一个可编程移位器，引入部分并行结构，减少重归一化过程中电路的串行闲置；本发明的编码方法采用简化的重归一化公式选择判断条件，以降低判断逻辑复杂度，减小电路延迟。仿真结果表明，本发明具有工作频率高和编码性能强的特点，可用于高性能JPEG2000的编码芯片中。

Description

基于JPEG2000标准的MQ编码方法和电路

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，涉及符合JPEG2000标准的高效的自适应二进制算术编码器MQ的编码方法和电路结构，主要应用于数字图像编码芯片设计领域。

背景技术

JPEG2000作为新一代静态压缩编码标准已被广泛应用到互联网、图像传输等多个领域。与传统的JPEG相比不仅提供了更高的压缩比和新的功能，而且放弃了以往以离散余弦变换为主的编码方式，采用了以小波变换为主的多解析编码方式。与目前被广泛应用的SPIHT算法相比，这种编码系统能在甚低比特率压缩时提供良好的率失真特性和主观视觉质量，此外这种系统还具有一系列其他优点和功能。它采用离散小波变换和优化截取内嵌块编码EBCOT技术，其中小波变换和块编码技术提高了图像编码产生的码流的抗误码能力；而内嵌技术为灵活的码流控制提供了可能，即可以实现无损、有损图像压缩的兼容。其中预处理主要是进行图像分割和彩色分量变换等；小波变换对图像数据进行分解，去除像素之间的相关性；对小波变换后的系数进行量化，将浮点数变换为原码数据，以便后面的比特平面进行编码；量化后的系数进行比特平面编码，产生内嵌码流；码流控制部分完成码流的优化截取、码流组织、打包并输出最终码作为JPEG2000的核心算法，在EBCOT中，将小波变换、量化后的系数按照子带顺序分别进行独立的比特平面编码。对同一子带，将系数划分为码块，每个码块进行独立的比特平面编码。在EBCOT的硬件实现中，子带、码块和比特平面都可以实现并行。因此，MQ编码器的效率就成了JPEG2000硬件高速实现需要解决的瓶颈技术之一。

在JPEG2000中，量化以后的小波系数，经过位平面编码BPC以后，生成上下文CX和待压缩数据D。MQ编码器将上下文CX和待压缩数据D进行处理，得到压缩以后的数据CD。MQ编码器的输入和输出在MQ算术编码器中，用寄存器A表示当前子区间的宽度，寄存器C表示子区间的起始位置。在JPEG2000中，共有0-18共19个可能的上下文CX，对于每个可能的上下文，都有一个高概率符号MPS和一个索引值I与之对应。在编码完一个数据以后，要根据概率估计模型对该上下文对应的高概率符号和索引值进行更新。根据索引值I，由JPEG2000中定义的查找表，查取低概率符号的概率Qe。根据待编码的数据是高概率还是低概率符号，对寄存器A和C进行更新：数据是高概率符号，A＝A-Qe，C＝C+Qe；数据是低概率符号，A＝Qe，C＝C。

在实际实现时，只能用有限精度的数据来表示寄存器A和C。如果A小于0.75，则可通过对A和C进行归一化来使得A保持在区间[0.75，1，5]。归一化操作可以简单地通过对A和C进行移位来完成，一直到A的大小落入规定的区间之内。C寄存器移出的比特流就是编码的结果，计数器CT用来计数移出的比特数，当CT达到一定值时，可以从C中输出一个字节的结果数据。另外，CT在更新的过程中，可能会产生进位，例如，若上次输出的数据是FF的话，就会产生进位问题。在MQ编码器中，采用了位填充技术bit-stuffing来处理进位问题。

在传统的MQ编码方法中，完全按照JPEG2000标准实现，没有充分利用硬件电路可以并行计算的特点。在已有的一些论文或者专利中，虽然针对该问题作了一定的改进，但是依然在电路的编码效率和性能方面存在很大缺陷。如申请号为03129690.4的专利对MQ编码算法中的“间隔计算”、“区间重整”和“字节输出”提出了改进，虽然在编码速度方面有一定的提升，但是依然存在问题。第一，该专利采用符合JPEG2000算法的查表方法，在时钟沿到来后依次通过两次查表获得索引值I和低概率符号的概率Qe，然后在该时钟周期内实现索引表的更新，该实现方法较冗长，使电路的组合逻辑延迟很大；第二，该专利中在“区间重整”模块中采用仅一个“零个数译码器”对“间隔计算”的选择结果A进行前导零的检测，该实现方法使得前导零个数检测过程必须在“间隔计算”完成之后进行。此外，该专利中关于“间隔计算”的以表达式(D≠MPS(CX)&A≥2Qe||(D＝MPS(CX)&A＜2Qe))的逻辑结果作为条件，且在电路实现中使用4个多位比较器以及多个多路选择器，造成逻辑复杂，电路延迟较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于JPEG2000标准的MQ编码方法和编码电路，在不改变编码结果的前提下精简低概率符号的概率Qe的查表过程，同时使前导零的检测与“间隔计算”并行执行，减少电路实现时的闲置和组合逻辑延时，提升编码器的工作频率。

为了实现上述目的，本发明的MQ编码器电路，包括：

索引表查找及概率估计单元，它包含预查表子单元、上下文CX比较子单元、表更新判定子单元和公式选择信号子单元，上下文比较子单元生成比较结果信号index_sel控制预查表子单元是否启用，表更新单元控制着预查表子单元中的索引表是否更新；公式选择信号单元生成的公式选择信号equa_sel传递给下一级重归一化与区间重整单元；预查表子单元用于根据不断更新的索引表查找低概率符号的概率Qe，并将查找获得的Qe经一级寄存器传给下一级重归一化与区间重整单元；

重归一化与区间重整单元，它包括两个“前导零检测器”和可编程移位器子单元，该两个“前导零检测器”，用于并行检测寄存器A减去低概率符号的概率Qe的结果和低概率符号的概率Qe的前导零个数，并在“前导零检测器”检测完后，根据索引表查找及概率估计单元产生的信号equa_sel，确定区间调整寄存器A和编码寄存器C的重归一化的计算式；该可编程移位器子单元用于按照确定的重归一化式对区间调整寄存器A和编码寄存器C进行重归一化，并将重归一化结果分别传递给下一级码流输出单元和上一级索引表查找及概率估计单元；

码流输出单元，用于根据区间调整寄存器A和编码寄存器C的重归一化结果输出符合JPEG2000标准的码流。

所述的预查表子单元，含有索引表和四选一的多路选择器；索引表被扩充为19个位宽为18的读写寄存器，该索引表读写寄存器中[17:12]位为待选索引值index，[11:6]位为下一个小概率符号nlps，[5:0]位为下一个大概率符号nmps；四选一的多路选择器，用于选出当前CX对应的正确的索引值I。

所述的多路选择器的控制信号，为上下文比较子单元输出的比较结果信号index_sel，输入信号为下一个大概率符号nmps、下一个小概率符号nlps和待选索引值index，输出信号为当前CX查出的索引值I。

为了实现上述目的，本发明的MQ编码方法，包括：

1)概率估计步骤：首先，使用上下文CX比较子单元对当前上下文CX和上下文寄存器CX_dff进行比较，如果比较结果为不同，则利用上下文CX对未更新索引表进行查找，得到索引index，进而得到低概率符号的概率Qe；如果比较结果为相同，则通过预查表电路获得上下文CX对应的待选索引index、下一个小概率符号nlps和下一个大概率符号nmps；

然后，根据待编码数据D和大概率符号MPS比较的比较结果确定索引I，如果D＝＝MPS，则索引值I＝nlps；如果D≠MPS且A≥Qe+8000，则索引I＝nmps；如果D≠MPS[CX]且A＜Qe+8000，则索引I＝index；

最后，使用索引I查索引表获得低概率符号的概率Qe；

2)重归一化步骤：使用公式选择信号equa_sel确定区间调整寄存器A和编码寄存器C的重归一化的计算式：

当公式选择信号equa_sel的值为1时，调整寄存器A和编码寄存器C重归一化的计算式为Atem＝A-Qe，Ctem＝C+Qe，Atem为A的待移位变量，Ctem为C的待移位变量；

当公式选择信号equa_sel的值为0时，调整寄存器A和编码寄存器C重归一化的计算式为Atem＝Qe，Ctem＝C，Atem为A的待移位变量，Ctem为C的待移位变量；

3)重归一化步骤：使用重归一化与区间重整单元中的两个“前导零检测器”对A-Qe和Qe并行进行前导零个数的检测，得到两个前导零个数，然后，连同Atem和Ctem对区间调整寄存器A和编码寄存器C进行重归一化；

4)码流输出步骤：将区间调整寄存器A和编码寄存器C重归一化后的值输入到码流输出单元，得到最终的编码数据。

所述的公式选择信号equa_sel，是由一个经过归纳的表达式：(D＝＝MPS(CX))⊙(T＞2Qe)而产生，D为待编码数据，CX为待编码数据的上下文，⊙是异或运算符，T为调整寄存器A的值，MPS()为MPS查表函数。

本发明具有如下优点：

本发明由于通过对MQ编码算法中的“索引表查找及概率估计单元”和“重归一化与区间重整单元”引入预查表子单元和上下文CX比较子单元，将Qe的查找路径和索引表的更新路径分离，因而减短了关键路径；同时由于本发明使用两个“前导零检测器”和一个可编程移位器，故减少重归一化过程中电路的串行闲置；此外由于本发明的编码方法采用简化的重归一化公式选择判断条件，降低了判断逻辑复杂度，减小了电路延迟。仿真结果表明，本发明显著减少电路实现时的闲置和组合逻辑延时，显著提高了MQ编码器的工作频率。

附图说明

图1为本发明MQ编码器结构框图；

图2为本发明索引表查找及概率估计子单元电路图；

图3为本发明重归一化与区间重整子单元电路图；

图4为本发明MQ编码方法的总流程图；

图5为本发明中的概率估计步骤子流程图；

图6为本发明中的公式选择步骤子流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明的MQ编码器结构包括索引表查找及概率估计单元、重归一化与区间重整单元和码流输出单元。其中：

索引表查找及概率估计单元，其结构如图2所示，它包含预查表子单元、上下文CX比较子单元、表更新判定子单元和公式选择信号子单元。该预查表子单元含有索引表、寄存器cx_dff和四选一的多路选择器，用于根据不断更新的索引表查找当前输入的上下文CX对应的低概率符号的概率Qe，并将查找获得的Qe经一级寄存器传给下一级重归一化与区间重整单元；索引表被扩充为19个位宽为18的读写寄存器，该索引表读写寄存器中[17:12]位为待选索引值index，[11:6]位为下一个小概率符号nlps，[5:0]位为下一个大概率符号nmps；四选一的多路选择器，用于选出当前CX对应的正确的索引值I。该上下文CX比较子单元包含一个上下文寄存器CX_DFF，通过将上下文CX和上下文寄存器CX_DFF中的数据进行比较，决定预查表子单元的工作方式：若比较结果为相等，则预查表比较结果信号index_sel＝1，预查表子单元从已更新索引表中查找索引index；若比较结果不相等，则比较结果信号index_sel＝0，预查表子单元直接从未更新索引表中查找索引index。该索引表更新判定子单元的输入信号来自区间调整寄存器A和预查表子单元输出的Qe，通过对待编码数据D和大概率符号MPS进行比较，输出信号给预查表子单元决定索引表的更新模式：如果D＝＝MPS且A＞＝Qe+8000，则索引表不更新；如果D＝＝MPS且A＜Qe+8000，则该上下文CX对应的INDEX更新为下一个大概率符号NMPS；如果D≠MPS，则该上下文CX对应的INDEX更新为下一个小概率符号NLPS。该公式选择信号子单元的输入信号为区间调整寄存器A和预查表子单元输出的Qe，输出信号公式选择信号equa_sel传递给下一级重归一化与区间重整单元，用于确定区间调整寄存器A和编码寄存器C的重归一化的计算式。

重归一化与区间重整单元，其结构如图3所示，它包含“前导零检测器”子单元、可编程移位器子单元和控制子单元。该“前导零检测器”子单元包括两个“前导零检测器”，采用一种部分并行的电路结构，即前导零检测过程并行，移位过程串行，具体实现为第一个前导零检测器用于检测寄存器A减去Qe的差值的前导零个数；第二个前导零检测器用于检测Qe的前导零个数。该可编程移位器子单元的输入是“前导零检测器”子单元统计的移位数n，主要用于对区间调整寄存器A和编码寄存器C进行重归一化，并将重归一化结果传递给码流输出单元和索引表查找及概率估计单元。该控制子单元的输入信号为区间调整寄存器A和预查表子单元输出的Qe，主要用于进行区间调整寄存器A减去Qe的计算，并将计算结果输出给“前导零检测器”进行前导零检测。

码流输出单元，它的输入信号是已归一化的调整寄存器A和编码寄存器C，主要用于根据区间调整寄存器A和编码寄存器C的重归一化结果输出符合JPEG2000标准的码流。

参照图4，本发明的MQ编码方法包括如下步骤：

步骤1，概率估计。

参照图5，本步骤的具体实现如下：

首先，使用上下文CX比较子单元对当前上下文CX和上下文寄存器CX dff进行比较，如果比较结果为不同，则利用上下文CX对未更新索引表进行查找，得到索引index，进而得到Qe；如果比较结果为相同，则通过预查表电路获得CX对应的待选索引index、下一个小概率符号nlps和下一个大概率符号nmps；

其次，根据待编码数据D和大概率符号MPS比较的比较结果确定索引I：如果D＝＝MPS，则索引值I＝nlps；如果D≠MPS且A≥Qe+8000，则索引I＝nmps；如果D≠MPS[CX]且A＜Qe+8000，则索引I＝index，然后，再使用I查索引表获得Qe；

步骤2，公式选择。

参照图6，本步骤的具体实现如下：

首先，计算(D＝＝MPS(CX))⊙(T＞2Qe)的结果，其中D为待编码数据，CX为待编码数据的上下文，⊙是异或运算符，T为调整寄存器A的值，MPS()为MPS查表函数；

然后，将计算结果赋给公式选择信号equa_sel，并根据equa_sel的值确定区间调整寄存器A和编码寄存器C的重归一化的计算式：

步骤3，重归一化。

首先，使用重归一化与区间重整单元中的两个“前导零检测器”对A-Qe和Qe并行进行前导零个数的检测，得到两个前导零个数n1和n2；

其次，当公式选择信号equa_sel的值为0时，移位数n＝n1；当公式选择信号equa_sel的值为1时，移位数n＝n2；

然后，通过可编程移位器，将Atem和Ctem左移n位，即Anew＝Atemp＜＜n，Cnew＝Ctemp＜＜n，Anew为A寄存器新值，Cnew为C寄存器新值；

最后，将Anew赋值给调整寄存器A，将Cnew赋值给编码寄存器C，完成整个重归一化过程。

步骤4，码流输出。

将步骤3中的编码寄存器C重归一化后的值取出，用计数器对所移位数进行统计，并输出编码数据，编码结束后还需进行相应的FLUSH操作，将编码寄存器C中的剩余信息输出。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

仿真1，本发明使用verilog语言对整个电路进行RTL级描述，用C语言编写程序作MQ前的数据准备，在Modelsim6.2b工具上完成功能仿真，对一张100*100像素的图片进行编码，仿真结果编码正确，对一个周期byteout两次的情况能够准确处理。

仿真2，本发明使用Synopsys公司的Design-Compile工具，采用SMIC公司的0.18μmCMOS标准单元工艺库进行了ASIC综合，综合后最高时钟频率可达320MHz，处理能力为1Data/Cycle，即320MData/Sec，而申请号为03129690.4的专利中的MQ编码器的处理能力仅为200MData/Sec；本发明还使用Xilinx公司的ISE工具，并基于virtex4系列XC4VFX140芯片对电路进行了FPGA综合，FPGA综合后最高时钟频率可达146MHz，处理能力为1Data/Cycle，即146MData/Sec。

Claims

1.一种基于JPEG2000标准的MQ编码的电路，包括：

2.根据权利要求1所述的编码电路，其特征在于：预查表子单元中含有索引表和四选一的多路选择器；索引表被扩充为19个位宽为18的读写寄存器，该索引表读写寄存器中[17:12]位为待选索引值index，[11:6]位为下一个小概率符号nlps，[5:0]位为下一个大概率符号nmps；四选一的多路选择器，用于选出当前CX对应的正确的索引值I。

3.根据权利要求2所述的编码的电路，其特征在于：多路选择器的控制信号为上下文比较子单元输出的比较结果信号index_sel，输入信号为下一个大概率符号nmps、下一个小概率符号nlps和待选索引值index，输出信号为当前CX查出的索引值I。

4.一种基于JPEG2000标准的MQ编码方法，包括：

1)概率估计步骤：

首先，使用上下文CX比较子单元对当前上下文CX和上下文寄存器CX_dff进行比较，如果比较结果为不同，则利用上下文CX对未更新索引表进行查找，得到索引index，进而得到低概率符号的概率Qe；如果比较结果为相同，则通过预查表电路获得上下文CX对应的待选索引index、下一个小概率符号nlps和下一个大概率符号nmps；

最后，使用索引I查索引表获得低概率符号的概率Qe；

2)公式选择步骤：使用公式选择信号equa_sel确定区间调整寄存器A和编码寄存器C的重归一化的计算式：

3)重归一化步骤：先使用重归一化与区间重整单元中的两个“前导零检测器”对A-Qe和Qe并行进行前导零个数的检测，得到两个前导零个数；然后，连同Atem和Ctem对区间调整寄存器A和编码寄存器C进行重归一化；

5.根据权利要求4所述的MQ编码方法，其中步骤2)所述的公式选择信号equa_sel，是由一个经过归纳的表达式：(D＝＝MPS(CX))⊙(T＞2Qe)而产生，D为待编码数据，CX为待编码数据的上下文，⊙是异或运算符，T为调整寄存器A的值，MPS()为MPS查表函数。