JPEG 2000標準中MQ編碼器的VLSI結構設計

引 言
JPEG 2000是為了彌補JPEG的不足而提出的新一代靜止圖像壓縮國際標準。其目標是對多種類(lèi)型的靜止圖像實(shí)現高效壓縮，并要求壓縮碼流具有較好的抗誤碼性能，用戶(hù)可對圖像進(jìn)行多種形式的累進(jìn)傳輸，還可以對壓縮碼流進(jìn)行隨機訪(fǎng)問(wèn)和處理。
JPEG 2000用基于上下文的自適應算術(shù)編碼取代JPEG系統中的赫夫曼編碼，對量化后小波變換系數的二進(jìn)制位平面進(jìn)行算術(shù)編碼。算術(shù)編碼對每一小波子帶分塊獨立進(jìn)行位平面編碼，并將每個(gè)位平面分在3個(gè)子位平面通道內進(jìn)行編碼。雖然現有算術(shù)編碼在算法上做了很多改進(jìn)，但算法的復雜性和大量的編碼數據導致MQ編碼器的實(shí)際工作效率仍然很低。為了提高M(jìn)Q編碼器的編碼速度，對編碼流程進(jìn)行優(yōu)化，提出一種基于三級流水線(xiàn)的MQ編碼器的VLSI結構。

1 MQ編碼器原理
JPEG 2000的編碼系統流程如圖1所示。

在JPEG中，作為無(wú)損壓縮DCT系數的熵編碼方法，采用了霍夫曼編碼(算術(shù)編碼為選項)?；舴蚵幋a因按DCT系數大小來(lái)分配可變碼長(cháng)，所以查表處理形成主體，能夠簡(jiǎn)單實(shí)現霍夫曼編碼。但是，由于預先調查了解符號系列的統計性質(zhì)后制表，所以此后一旦有與其性質(zhì)相違背的符號輸入進(jìn)來(lái)，就難免使壓縮特性惡化，這個(gè)不足限制了其應用范圍。
補救霍夫曼編碼這一缺點(diǎn)的就是JPEG 2000中被采用的自適應算術(shù)編碼。算術(shù)編碼的構思是作為Elias編碼，依據為人們所熟悉的劃分遞歸概率區間的設想，在Elias編碼中，對于具有 “0”或“1”值的二進(jìn)制符號系列，以各自概率值比率將當前概率區間劃分成兩個(gè)子區間，被分配給實(shí)際產(chǎn)生符號的概率值區間下限值構成代碼串。即代碼串按二進(jìn)制符號系列的輸入逐次被遞歸地修正下去。
JPEG 2000中采用算術(shù)編碼，其基本規則像Elias編碼那樣，不是以符號“0”和“1”的實(shí)際值來(lái)區別，而是分別作為MPS(大概率符號)或LPS(小概率符號)中一個(gè)子區間來(lái)區別的。而且，將當前概率區間劃分成兩個(gè)子區間時(shí)的順序是MPS子區間可配置到LPS子區間的上面。因此，若符號是MPS，就在給代碼串附加LPS子區間的同時(shí)，設概率區間寬度為MPS子區間；若符號是LPS，就不改變代碼串，設概率區間寬度為L(cháng)PS子區間。按判決輸入將此處理遞歸地重復下去。MQ編碼器的輸入／輸出框圖如圖2所示。其中，D是二進(jìn)制判決；CX是上下文索引；D和CX二者均事先由算術(shù)編碼之前進(jìn)行的系數位建模確定。 CD是輸出的壓縮數據。

在MQ算術(shù)編碼器中，用寄存器A表示當前子區間的寬度，寄存器C表示子區間的起始位置。它們均具有16 b有效長(cháng)度，在發(fā)生重新歸一化時(shí)，為了避免16 b的C寄存器溢出，而采用28 b表示。通過(guò)采用重新歸一化方案，使A的取值范圍保持在[0．75，1．5]。當編碼器接收到一個(gè)新的待壓縮碼，編碼器從概率估值表查找相應的概率Qe。根據接受的待壓縮碼類(lèi)型，寄存器A的值和寄存器C的值被進(jìn)行更新，從而區間更新可近似為：當編碼MPS時(shí)，A=A-Qe，C=C+Qe；當編碼LPS時(shí)， A=Qe，C=C，避免了乘法運算。
同時(shí)，由于MQ算法在進(jìn)行區間計算時(shí)省略了乘法的近似，使得可能發(fā)生LPS子區間大于MPS子區間的情況。為了避免這種情況，采用區間條件交換，即將 MPS與LPS互換。MQ編碼器通過(guò)重歸一化方法解決計算的有限精度問(wèn)題：當AO．75時(shí)，對A進(jìn)行左移直至不小于0．75為止，同時(shí)C也左移同樣位數，并按一定間隔將不再變化的高位移入存儲區。
MQ編碼器所使用的概率估值表是一個(gè)可以對原始數據快速適應的復雜概率自動(dòng)估計模型。該模型是一個(gè)具有47個(gè)狀態(tài)的有限狀態(tài)機。每個(gè)狀態(tài)包含小概率符號 LPS的概率Qe、下一個(gè)狀態(tài)的索引NMPS和NLPS。是否需要交換MPS和LPS所代表符號的標志SWITCH。
MQ編碼器中設置了一個(gè)專(zhuān)用計數器CT作為已壓縮字節輸出控制。當A左移1位時(shí)，CT也同時(shí)減1；當CT=0時(shí)，輸出1個(gè)字節。為避免區間更新過(guò)程中產(chǎn)生的進(jìn)位向前傳播，在MQ編碼器中，采用位填充技術(shù)來(lái)處理進(jìn)位問(wèn)題。根據字節緩沖B及C進(jìn)位位的值，編碼器選擇是否進(jìn)行位填充。