JPEG2000編解碼芯片ADV202的原理及應(yīng)用

關(guān)鍵詞：JPEG2000 ADV202 SURF 編解碼器

ADV202是AD公司最新推出的一款單片JPEG2000（ISO/IEC15444-1圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)）編解碼芯片，是當(dāng)今市場(chǎng)上少有的具有實(shí)時(shí)壓縮和解壓縮標(biāo)準(zhǔn)（SD）視頻信號(hào)和高清晰度（HDTV）視頻信號(hào)功能的芯片。該芯片帶有一個(gè)靈活接口，適用于多種視頻和靜止圖像格式。

1 主要特點(diǎn)

視頻和靜止圖像的完全單片JPEG2000壓縮和解壓解決方案；

專利的空間超效率回歸濾波（SURF）技術(shù)使之具有低功耗和低成本的小波壓縮；

支持最高6級(jí)的9/7和5/3小波變換；

可編程圖塊/圖像尺寸，在3分量4:2:2隔行掃描中的寬度可達(dá)2048像素，單分量模式中的寬度可達(dá)4096像素；

最大圖塊/圖像高度：4096像素；

視頻接口可直接支持ITU.R-BT656、SMPTE125M PAL/NTSC、SMPTE274M、SMPTE293M（525p）、ITU.R-BT1358(625p)，以及不可逆模式最大輸入速度為65Msps、可逆模式最大輸入速度為40Msps的任何視頻格式；

兩個(gè)或多個(gè)ADV202能組合滿幀SMPTE274M HDTV（1080i）或SMPTE296M（720p）；

靈活異步SRAM類型主機(jī)接口能無縫連接到大多數(shù)16/32位微控制器和ASIC；

速率為115MHz的產(chǎn)品采用12mm12mm121引腳CSPBGA封裝，速率為150MHz產(chǎn)品采用13mm13mm 144引腳CSPBGA封裝。

根據(jù)特殊的應(yīng)用需求，ADV202可提供JPEG2000壓縮所支持的不同標(biāo)準(zhǔn)，可提供原始的編碼模塊和特征數(shù)據(jù)輸出，而JPEG2000編碼流的產(chǎn)生和其它諸如位速率控制等的壓縮過程則完全由主機(jī)軟件來控制。另外，它也可以制作完整的、完全兼容的JPEG2000碼流（j2c）以及jp2、jpx和mj2(運(yùn)動(dòng)JPEG2000)增強(qiáng)型格式的文件。

2 工作原理

ADV202的內(nèi)部功能框圖如圖所示，該芯片主要由像素接口、小波變換引擎、熵編解碼器、嵌入式處理器、存儲(chǔ)器系統(tǒng)和內(nèi)部DMA引擎等組成。輸入圖像和像素?cái)?shù)據(jù)輸入像素接口，采樣值則經(jīng)過隔行掃描傳輸?shù)叫〔ㄗ儞Q引擎中。在小波引擎中，每個(gè)圖塊或幀將通過5/3或9/7濾波器分解成許多子帶。生成的小波系數(shù)寫入內(nèi)部寄存器中。熵編解碼器將圖像數(shù)據(jù)編碼為符合JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。內(nèi)部DMA引擎提供存儲(chǔ)器之間的高帶寬傳輸及各模塊和存儲(chǔ)器之間的高性能傳輸。

2．1 小波變換引擎

由于ADV202內(nèi)含基于AD專利SURF技術(shù)的專用小波變換處理器。因此，它可以對(duì)一個(gè)圖塊進(jìn)行高達(dá)6級(jí)的小波分解。在編碼方式中，小波變換處理器將對(duì)未壓縮的采樣值進(jìn)行小波變換和量化，然后將所有頻率子帶的小波系數(shù)寫到內(nèi)部存儲(chǔ)器中。這些子帶進(jìn)一步分解成大小由用戶定義的編碼塊，在將小波系數(shù)寫入內(nèi)部存儲(chǔ)器時(shí)，通常由小波變換處理器來組織小波系數(shù)。在解碼方式中，小波系數(shù)從內(nèi)部存儲(chǔ)器中讀出，以用來重新生成未壓縮時(shí)的采樣值。

2．2 熵編解碼器

熵編解碼器用來對(duì)小波系數(shù)的編碼塊進(jìn)行背景建模和算術(shù)編碼，同時(shí)可在壓縮過程中計(jì)算最佳速率和失真性能所必需的失真度。由于熵編碼過程在JPEG2000壓縮工程中對(duì)計(jì)算要求最高，因此，ADV202內(nèi)部提供了三個(gè)專用的硬件熵編解碼器。

2．3 嵌入式處理器

ADV202內(nèi)嵌入了一個(gè)32位的RISC處理器，可用來配置、控制和管理其它專用硬件模塊以及分解和產(chǎn)生JPEG2000視頻流。RISC處理器具有每一個(gè)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、中斷控制器、標(biāo)準(zhǔn)總線接口及定時(shí)器計(jì)數(shù)器所對(duì)應(yīng)的ROM和RAM。

2．4 存儲(chǔ)器系統(tǒng)

存儲(chǔ)器系統(tǒng)的主要功能是管理小波變換的系數(shù)數(shù)據(jù)、暫時(shí)存放編碼塊的特征數(shù)據(jù)以及給JPEG2000碼流提供臨時(shí)的存儲(chǔ)空間。另外還可用作嵌入式處理器的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

圖3

2．5 內(nèi)部DMA引擎

內(nèi)部DMA引擎可提供存儲(chǔ)器之間的高帶寬傳輸及各模塊和存儲(chǔ)器之間的高性能傳輸。這對(duì)于碼流的分解和高速率數(shù)據(jù)的產(chǎn)生萬為重要。

2．6 可配置FIFO模塊

內(nèi)部FIFO用來給像素?cái)?shù)據(jù)、編碼流、特征數(shù)據(jù)或者其他輔助數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)空間。它可以由主機(jī)接口在通常地址的讀寫周期中直接訪問，也可以由外部主機(jī)DMA利用DREQ/DACK協(xié)議或?qū)Ｓ糜布奈帐謾C(jī)制來訪問。每個(gè)FIFO都有一個(gè)可編程的門限值用來產(chǎn)生中斷。

2．7 視頻和主機(jī)接口

有多種模式可以用來配置ADV202的接口。設(shè)計(jì)人員可以同時(shí)使用VDATA總線和HDATA總線，也可以單獨(dú)使用HDATA總線。

（1）視頻接口（VDATA總線）

視頻接口主要應(yīng)用于未壓縮像素?cái)?shù)據(jù)和壓縮數(shù)據(jù)分離的場(chǎng)合。例如用VDATA總線輸入未壓縮的數(shù)據(jù)，而通過HDATA總線輸出壓縮后的數(shù)據(jù)等。

視頻接口支持8、10、12位單一或多元格式，也支持雙通道8、10、12位格式的視頻和靜止圖像數(shù)據(jù)，還支持單通道輸入模式下YcrCb格式的數(shù)字視頻和雙通道輸入模式下Y和CrCb格式的數(shù)字視頻信號(hào)，但YcrCb數(shù)據(jù)必須是4：2：2格式。VDATA總線可支持多種格式視頻數(shù)據(jù)的輸入輸出，表1所列是其可支持的視頻輸入輸出格式。

表1 視頻輸入輸出模式

（2）主機(jī)接口（HDATA總線）

ADV202可以通過異步SRAM方式、DMA訪問方式或碼流方式直接和大多數(shù)主機(jī)處理器及ASIC相連接。ADV202提供有16位和32位控制總線及8、16和32位數(shù)據(jù)傳輸總線。主機(jī)接口用于配置、控制制控制功能以及傳輸壓縮后的數(shù)據(jù)流，在某些格式中還可用作未壓縮數(shù)據(jù)流的傳輸。主機(jī)接口要吧由并發(fā)的四個(gè)數(shù)據(jù)流及控制和狀態(tài)通信所共享。輸入主機(jī)接口的像素?cái)?shù)據(jù)支持8、10、12、14和16位原始像素?cái)?shù)據(jù)。它既可用作靜止圖像的輸入輸出，也可用作壓縮后視頻數(shù)據(jù)的輸出。

3 典型應(yīng)用

3．1 多片編碼模式

由于輸入數(shù)據(jù)速率的限制，一個(gè)1080i視頻信號(hào)的應(yīng)用系統(tǒng)至少需要兩片ADV202，來對(duì)完全分辨率為1080i的視頻信號(hào)進(jìn)行編碼或解碼。圖2所示為它的編碼模式，Y數(shù)據(jù)和CbCr數(shù)據(jù)通過不同的總線輸入到ADV202，其中AD202_1處理1080i視頻信號(hào)的亮度數(shù)據(jù)，而ADV202_2則用于處理1080i視頻信號(hào)的色度數(shù)據(jù)。為了對(duì)此應(yīng)用模式下對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，其輸入數(shù)據(jù)必須是EAV/SAV編碼格式。此模式通常應(yīng)用于ADV202的視頻輸出直接連到需要亮度和色度數(shù)據(jù)同步的接收設(shè)備中。

多片模式也可以應(yīng)用于主/從或從/從配置中的解碼模式。而在編碼模式中，ADV202通常用作從設(shè)備。為了使獲取的1080i視頻信號(hào)具有更好的特性（如無損壓縮），建議選用三片或三片以上的ADV202來處理信號(hào)。

3．2 HPII（主機(jī)接口-像素接口）解碼模式

ADV202允許通過HDATA總線來輸入輸出視頻和靜止圖像，而不用VDATA總線提供的專用視頻接口，這種模式稱為HIPI模式。

圖3所示為ADV202用于HIPI解碼模式的電路連接，像素?cái)?shù)據(jù)由HDATA1[31：1]輸出。DMA通道1用來輸入壓縮數(shù)據(jù)，而DMA通道0則用于將像素?cái)?shù)據(jù)寫到像素FIFO中。DREQ0/DACK0用來控制通道0的讀寫過程，而DREQ1/DACK1用來控制通道1的讀寫過程。