基于Q-Coder算術(shù)編碼器IP核的設(shè)計(jì)
1 概述
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/170779.htmJPEG2000[1,2]是新的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn),它具有的多種特性使得它有著廣泛的應(yīng)用前景。目前為止,JPEG2000的解決方案比較少,并且其中的絕大部分是軟件解決方案:Jasper[3]軟件是經(jīng)IEC JTC1/SC29/WG1小組推薦使用的實(shí)現(xiàn)JPEG2000的為數(shù)不多的軟件之一。
由于軟件實(shí)現(xiàn)JPEG2000的時(shí)間開銷比較大,因此,JPEG2000編碼系統(tǒng)很難應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中;硬件解決方案由于處理速度大大提高,因而用硬件實(shí)現(xiàn)JPEG2000具有廣泛的市場前景。但是,JPEG2000算法復(fù)雜,完全用硬件實(shí)現(xiàn)比較困難;然而使用硬件實(shí)現(xiàn)JPEG2000中的某些模塊,相對而言就比較容易實(shí)現(xiàn),同時(shí)也能大大提高編碼效率。
圖1為JPEG2000的幾個(gè)基本模塊。文獻(xiàn)[4]指出,軟件處理中,圖1中的算術(shù)編碼模塊的時(shí)間開銷占據(jù)了整個(gè)軟件時(shí)間開銷的40%左右,若使用硬件實(shí)現(xiàn)算術(shù)編碼模塊必然能大大提高編碼速度,對于提高JPEG2000的編碼速度有著重要的意義。
Q-coder算術(shù)編碼是一種特殊的高效自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼器。其輸入是成對待編碼數(shù)據(jù)D(DATA)以及上下文CX(CONTEXT),數(shù)據(jù)D和上下文CX是由比特平臺(tái)(bit plane)[1]產(chǎn)生的;輸出則是壓縮數(shù)據(jù)CD(COMPRESSED DATA)。在JPEG2000中,上下文指D周圍8個(gè)相鄰比特的狀態(tài),這些狀態(tài)被特定的規(guī)則劃分為19類,稱為19種上下文。每種上下文都包含兩部分內(nèi)容,一部分選擇了對數(shù)據(jù)D編碼時(shí)使用的概率估計(jì)值對應(yīng)的索引,另一部分決定了當(dāng)前大概率符號(hào)所代表的符號(hào),這兩部分內(nèi)容將在編碼后被更新。
2.1 區(qū)間的遞歸劃分
概率區(qū)間的遞歸劃分是二進(jìn)制算術(shù)編碼的基礎(chǔ)。每執(zhí)行一次二元判定,當(dāng)前概率區(qū)間就被劃分成為兩個(gè)子區(qū)間,并在必要的時(shí)候修改輸出碼流,使之指向該符號(hào)所在的概率子區(qū)間的下界。
在區(qū)間劃分時(shí),小概率符號(hào)的子區(qū)間和大概率符號(hào)的子區(qū)間這樣排序:通常取靠近0的區(qū)間作為MPS的子區(qū)間,因此,若編碼的是MPS,則應(yīng)向輸出碼流中加入LPS子區(qū)間的長度。這種約定要求把編碼的符號(hào)區(qū)別為LPS或MPS,而不是0或者1。因此在對一次二元判定編碼時(shí),必須知道該判定的LPS子區(qū)間的長度和MPS的含義。
2.2 編碼約定和近似計(jì)算
Q-coder算術(shù)編碼器設(shè)置兩個(gè)寄存器:一個(gè)是概率區(qū)間寬度寄存器A,用于存放子區(qū)間的寬度,另一個(gè)是碼字寄存器C,用來表示概率區(qū)間的下限。編碼過程使用固定精度的整數(shù)運(yùn)算和小數(shù)的整型表示形式,即X‘8000’代表十進(jìn)制小數(shù)0.75。概率區(qū)間A的范圍是,并且當(dāng)A的整型值小于X‘8000’時(shí),把A翻倍,即把A限制在十進(jìn)制范圍0.75–1.5之間,這個(gè)“翻倍”過程稱為重整化。當(dāng)A進(jìn)行重整化時(shí),C也必須同時(shí)翻倍。為了防止寄存器C發(fā)生上溢,每隔一段時(shí)間,應(yīng)將寄存器C的高位部分移出并送至另外的寄存器中。
將A限制在十進(jìn)制范圍0.75~1.5之間,概率區(qū)間的劃分可以使用簡單的算術(shù)近似方法。如果LPS當(dāng)前的概率估計(jì)值是,則子區(qū)間的精確計(jì)算如下進(jìn)行:
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