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压缩编码技术对图像处理中大量数据的存储和传输起着至关重要的作用。静止图像压缩标准JPEG2000采用离散小波变换(DWT)和优化截取的内嵌码块编码算法(EBCOT),获得了码流组织的灵活性、质量渐进性以及码率控制的精确性等一系列良好特性,使得JPEG2000更加适合于网络及无线信道中的图像编码与传输。
JPEG2000标准在编码效率和恢复图像质量上均远优于JPEG等传统算法,已经在静止图像压缩领域占据主导地位,但是JPEG2000算法的复杂度较JPEG大为增加。因此,JPEG2000的VLSI实现具有重要意义。本文针对JPEG2000图像编码器的算法和关键技术作了深入分析,并致力于JPEG2000中离散小波变换实现结构的研究,提出了具有创新性的降低计算量、存储量,提高压缩性能的硬件实现结构,并成功应用于图像编码硬件系统和高效图像压缩芯片中。本文主要的工作成果包括以下四个方面:
1.提出了一种高精度9/7提升小波实现方案,并提出了对应该方案的硬件实现结构。对于基于提升的小波变换,在分析定点数据动态范围和提升滤波器增益的基础上,确定最佳精度滤波器系数和数据扩展位数,保证小波系数在动态范围限定和乘法宽度相同的条件下获得更高的精度。实验结果表明,所提出的高精度定点实现方案可以获得与浮点运算相近的压缩性能,对应的硬件实现方案具有占用资源少、工作频率高的特点。
2.提出一种基于可重用运算单元的高效提升小波结构。利用9/7提升运算的现有结构,并对运算顺序进行优化,同时采用流水线设计思想,在不增加硬件开销的情况下缩短了关键路径延迟,提高了系统的处理能力。该结构实现复杂度适中,易于配置和硬件实现。仅需要改动乘法器系数和流水线级数,就可以方便实现包括5/3小波在内的其他提升变换。在系统实现时采用基于行的实时提升小波变换实现结构,同时处理行变换和列变换,并且在图像边界采用对称扩展输出边界数据,可以在一幅图像逐行扫描的时间内完成整幅图像的小波变换,提高了硬件系统的实时性。该结构合理利用和调度内部缓冲器,不需要外部缓冲器,大大降低了硬件系统对存储器的需求。
3.提出了一种基于码块的低存储策略及实现结构。通过对基于提升的离散小波变换和内嵌码块编码的结构分析,结合小波系数存储器的特点,使用与码块大小相同的较小片内存储代替大容量片外存储并对其高效复用,保证变换和编码的实时处理；针对实时性要求不高的环境,提出一种基于码块-子带存储区域的系数存储方案,进一步削减了片内小波系数存储器的规模。在硬件实现中采用基于行的小波变换和比特平面并行的编码结构,与已有结构相比降低了功耗和存储器规模。
4.参与设计并实现了符合JPEG2000标准的高效图像压缩芯片,其压缩质量优于目前广泛商用的同类型芯片ADV202/212。该芯片采用片上系统架构,逻辑部分完成JPEG2000的主要处理功能;ARM处理器完成芯片的参数配置及其他扩展功能。该芯片除了具有入口数据速率高、支持大图像分片及渐进质量分层等优点,还实现了感兴趣区域编码、支持信道编码和小波系数可单独抽取等特色功能。