JPEG圖像硬件解碼低功耗設計
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為了實(shí)現數據的實(shí)時(shí)處理和低功耗應用，本文提出了一種帶有時(shí)鐘管理機制的并行、全流水結構的JPEG解碼器實(shí)現方案。
1 JPEG解碼算法
JPEG(Joint Photographic Experts Group)是一種適用范圍很廣的靜態(tài)圖像數據壓縮標準。JPEG壓縮是一種有損壓縮，它利用了人的視覺(jué)系統特性，使用量化和無(wú)損壓縮編碼相結合的方式去掉視覺(jué)的冗余信息和數據本身的冗余信息。JPEG解碼器包括：霍夫曼(Huffman)解碼、反量化(IQ)和IDCT變換。在JPEG中，對于圖像的解碼是分塊進(jìn)行的。整個(gè)圖像被劃分為若干個(gè)8×8的數據塊(MCU)，每1個(gè)塊對應于原圖像的1個(gè)8×8的像素陣列。各行的編解碼順序從上到下，行內的編解碼順序從左到右[1]。
2 并行Huffman解碼器
Huffman編碼后代碼的長(cháng)度不一致，如果解碼器用串行技術(shù)實(shí)現，由于其代碼長(cháng)度不一致，解1個(gè)碼字所需的周期數也不一樣。對于實(shí)時(shí)系統，串行技術(shù)的效率比較低。另外，如果數據在傳播過(guò)程中被噪聲中斷，整組數據就變得沒(méi)有價(jià)值了。針對這兩方面的問(wèn)題，本文提出如下的解決方案。如圖1所示為Huffman解碼的主要元件和算法流程。
算法流程：從輸入端獲取32位的壓縮圖像數據，分析輸入的數據流，判斷出碼長(cháng)，把輸入的數據移位，同時(shí)從輸入端補充新的數據。輸入的數據通過(guò)Huffman表翻譯成原始數據，提取出數據流中嵌入的符號位，經(jīng)過(guò)一系列的除法、減法運算后得到編碼前的頻率數據，與之前得到的符號位合并后輸送到輸出緩存。
本文采用的算法靈活地利用了Huffman表的特點(diǎn)，消除了算法中的乘法運算，完成碼長(cháng)的判斷只需要1個(gè)周期。把碼表的數據按照碼長(cháng)分類(lèi)從小到大排列，再把碼長(cháng)相同的數據按照碼字的大小從小到大排列。每張表按照排列后的順序把碼字對應的解碼結果DR(Decoding Results)存入到ROM中。這樣既有利于查表，需要的ROM也是最小的，符合低功耗要求。查表的地址發(fā)生器由“長(cháng)度匹配”模塊傳遞到的碼長(cháng)得到1個(gè)基地址，碼長(cháng)從輸入數據中截取連續的幾個(gè)與碼長(cháng)相同位數的bit作為偏移地址，2個(gè)地址相加就是DR保存的地址[2]。
因關(guān)鍵bit出現的位置都是在碼字的最后幾位，因此根據碼長(cháng)將輸入數據進(jìn)行移位，使關(guān)鍵bit的最后1位出現在第n位，移位的結果只輸出第n位以前的幾個(gè)bit，這樣的電路只需要1個(gè)只受碼長(cháng)控制的桶形移位寄存器。另外，再為每張表產(chǎn)生1個(gè)1串0加上1串1的地址修正串，有幾個(gè)關(guān)鍵bit就有幾個(gè)1，這部分電路邏輯簡(jiǎn)單且占用的電路不多。用這個(gè)地址修正串和桶形移位寄存器的輸出做一個(gè)“與”邏輯運算，得到的就是正確的偏移地址。由于Huffman表需要的最長(cháng)bit是9位，碼長(cháng)最大為19位，所以本文設計了1個(gè)19位輸入、9位輸出的桶形移位寄存器。改進(jìn)后的電路面積縮小到改進(jìn)前的50％左右。
3 IDCT處理器
逆向離散余弦變換IDCT(Inverse Discrete Cosine Transform)電路的總體實(shí)現框圖和其中的2D IDCT框圖如圖2所示。DCT系數經(jīng)過(guò)反量化和反掃描電路處理后輸入到IDCT的緩存器，由全局控制電路控制輸入到2D IDCT單元及將最終變換好的數據送到輸出緩存器中，發(fā)送Ready信號到運動(dòng)補償單元，通知該單元可以讀出IDCT數據。2D IDCT單元進(jìn)行2次1D IDCT運算，首先進(jìn)行基于行的1D IDCT，然后將第1次IDCT的中間結果經(jīng)轉置存儲器進(jìn)行轉置處理和緩存，再進(jìn)行基于列的1D IDCT變換，得到最終的IDCT變換結果[3]。
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