JPEG圖像硬件解碼低功耗設(shè)計(jì)
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為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和低功耗應(yīng)用，本文提出了一種帶有時(shí)鐘管理機(jī)制的并行、全流水結(jié)構(gòu)的JPEG解碼器實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG壓縮是一種有損壓縮，它利用了人的視覺系統(tǒng)特性，使用量化和無損壓縮編碼相結(jié)合的方式去掉視覺的冗余信息和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)塊(MCU)，每1個(gè)塊對應(yīng)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(nèi)的編解碼順序從左到右[1]。
2 并行Huffman解碼器
Huffman編碼后代碼的長度不一致，如果解碼器用串行技術(shù)實(shí)現(xiàn)，由于其代碼長度不一致，解1個(gè)碼字所需的周期數(shù)也不一樣。對于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，串行技術(shù)的效率比較低。另外，如果數(shù)據(jù)在傳播過程中被噪聲中斷，整組數(shù)據(jù)就變得沒有價(jià)值了。針對這兩方面的問題，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(shù)據(jù)，分析輸入的數(shù)據(jù)流，判斷出碼長，把輸入的數(shù)據(jù)移位，同時(shí)從輸入端補(bǔ)充新的數(shù)據(jù)。輸入的數(shù)據(jù)通過Huffman表翻譯成原始數(shù)據(jù)，提取出數(shù)據(jù)流中嵌入的符號位，經(jīng)過一系列的除法、減法運(yùn)算后得到編碼前的頻率數(shù)據(jù)，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(yùn)算，完成碼長的判斷只需要1個(gè)周期。把碼表的數(shù)據(jù)按照碼長分類從小到大排列，再把碼長相同的數(shù)據(jù)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(yīng)的解碼結(jié)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“長度匹配”模塊傳遞到的碼長得到1個(gè)基地址，碼長從輸入數(shù)據(jù)中截取連續(xù)的幾個(gè)與碼長相同位數(shù)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(xiàn)的位置都是在碼字的最后幾位，因此根據(jù)碼長將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行移位，使關(guān)鍵bit的最后1位出現(xiàn)在第n位，移位的結(jié)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(yùn)算，得到的就是正確的偏移地址。由于Huffman表需要的最長bit是9位，碼長最大為19位，所以本文設(shè)計(jì)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(xiàn)框圖和其中的2D IDCT框圖如圖2所示。DCT系數(shù)經(jīng)過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(shù)據(jù)送到輸出緩存器中，發(fā)送Ready信號到運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償單元，通知該單元可以讀出IDCT數(shù)據(jù)。2D IDCT單元進(jìn)行2次1D IDCT運(yùn)算，首先進(jìn)行基于行的1D IDCT，然后將第1次IDCT的中間結(jié)果經(jīng)轉(zhuǎn)置存儲(chǔ)器進(jìn)行轉(zhuǎn)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(jié)果[3]。
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