摘  要： 為了提高Huffman解碼的效率和實(shí)時(shí)性,，采用并行處理技術(shù)和改進(jìn)的Huffman并行解碼算法，設(shè)計(jì)基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA的Huffman并行解碼器。在不考慮Huffman編碼長(zhǎng)度的情況下,，解碼器通過(guò)插入流水線結(jié)構(gòu)的方法將Huffman碼流的碼流頭和信息碼流分開(kāi),，同時(shí)進(jìn)行解碼。硬件仿真結(jié)果表明,，在一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍內(nèi)解碼器處理的數(shù)據(jù)位數(shù)與解碼效率成正比,，位數(shù)越多，實(shí)時(shí)性越好,。
關(guān)鍵詞： Huffman解碼,；并行解碼器；碼流頭,；流水線結(jié)構(gòu)

　在靜止圖像和運(yùn)動(dòng)視頻的壓縮方法中,，由于信息量大、速率快,，使得編解碼效率的提高迫在眉睫,。最常用的編解碼方式是基于可變長(zhǎng)編碼VLC（Variable-Length Code）的Huffman編解碼[1]。與編碼相比,，并行Huffman解碼較復(fù)雜,。其實(shí)時(shí)性不僅要提高時(shí)鐘頻率，還需要從算法,、硬件優(yōu)化的角度提高,。
通過(guò)改進(jìn)文獻(xiàn)的Huffman解碼算法[2-3]，在原有基礎(chǔ)的解碼中加入流水線結(jié)構(gòu),。針對(duì)參考文獻(xiàn)[4]中Huffman編碼方式設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種能夠節(jié)省碼字存儲(chǔ)空間的,、可以提高解碼速度的并行Huffman解碼方式。
1 Huffman并行解碼算法改進(jìn)
　Huffman并行解碼方式可以彌補(bǔ)查找表過(guò)大引起硬件開(kāi)銷(xiāo)大的不足,。與并行解碼算法相比[5-7],，本算法在解碼結(jié)構(gòu)中插入流水線，在并行解碼方式中,，當(dāng)頭碼流分析結(jié)束時(shí),，輸入到解碼器中的信息碼采用并行多路檢測(cè)，得到地址偏移量和最小編碼的長(zhǎng)度,。在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),，都會(huì)輸出一個(gè)解碼信息碼。Huffman并行解碼器總的處理過(guò)程如圖1所示,。

2 JPEG中的Huffman并行解碼設(shè)計(jì)
　在碼流分析中可以得到Huffman編碼時(shí)的相關(guān)信息,，即相同長(zhǎng)度的最小編碼、最小編碼的個(gè)數(shù)和Huffman編碼相關(guān)值,，并分別存入對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器中,，再把相應(yīng)的地址存入16×8存儲(chǔ)器里，編碼相關(guān)值則存入256×8的寄存器中。還需設(shè)定Huffman解碼的重啟間隔,，這由JPEG的DC差值編碼決定,。為了防止解碼中造成較大的誤差，每解碼m比特就需對(duì)DC進(jìn)行清零,，其中m為重啟間隔度量值,。Huffman并行解碼復(fù)位控制如圖2所示。

　在碼流分析中,，確定Huffman并行解碼的相關(guān)信息后進(jìn)行解碼,。對(duì)JPEG來(lái)說(shuō)，最終要找到AC=0的個(gè)數(shù)Run,、AC的位數(shù)Size和幅度Amplitude,，以及DC的Size和Amplitude。在JPEG中,，AC和DC分別是交流系數(shù)和直流系數(shù),，其中AC和DC各自又包含色度和亮度。進(jìn)行一次Huffman并行解碼處理流程是整個(gè)Huffman并行解碼器的關(guān)鍵流程之一,，處理流程如圖3所示,。

　輸入碼流的關(guān)鍵處理是在輸入并行多路檢測(cè)上，它可以同時(shí)處理當(dāng)前對(duì)應(yīng)的最小編碼長(zhǎng)度,、最小編碼的解碼及其地址偏移量,。通過(guò)對(duì)輸入碼流的處理，最終得到Huffman并行解碼所需要最小編碼的Run,、Size,、Amplitude信息，其并行多路實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示,。獲得當(dāng)前編碼的寬度提供給當(dāng)前解碼器使用,。在當(dāng)前編碼進(jìn)行對(duì)應(yīng)的最小編碼的處理時(shí)，同時(shí)與在碼流分析中得到的存入存儲(chǔ)器的最小編碼進(jìn)行比較,，確定當(dāng)前碼流解碼需要的間隔,。其具體過(guò)程如圖5所示，其中DC,、AC就是從碼流分析中存入存儲(chǔ)器的,。解碼獲得Run、Size及Amplitude的實(shí)現(xiàn)流程方式如圖6,、7所示,。但是要注意DC中Huffman并行解碼只能得到相應(yīng)最小編碼的Size和Amplitude。而在AC中Huffman并行解碼可以得到相應(yīng)最小編碼的Run,、Size及Amplitude,。

　關(guān)于解碼DC中獲得R/S,，采用相對(duì)地址和絕對(duì)地址尋址，即當(dāng)前最小編碼的地址=基本最小編碼地址+相對(duì)地址（差值）,。對(duì)不同的4種碼表,，第一個(gè)編碼的基本地址都是固定的,，由于DC中個(gè)數(shù)最大值為126,，而AC中個(gè)數(shù)最大值為162。因此將第一個(gè)亮度DC地址設(shè)為0,，第一個(gè)亮度AC地址的設(shè)為12,；第一個(gè)色度DC地址設(shè)為114，第一個(gè)色度AC地址為156,。對(duì)于不同長(zhǎng)度編碼同一分量的最小地址,，直接采用該分量第一個(gè)編碼地址與小于該長(zhǎng)度編碼個(gè)數(shù)的和。從待解碼數(shù)據(jù)流的輸入到確定R/S,、Amplitude,，都采用并行多路檢測(cè)的方法。與串行解碼方式相比大大提高了碼流的解碼速度,。
　在并行Huffman解碼結(jié)構(gòu)中,，處理了幾位編碼后，補(bǔ)上相應(yīng)個(gè)數(shù)的新的待解編碼,，補(bǔ)充的位數(shù)是由Size和Amplitude值決定的,。由于每次解碼碼長(zhǎng)的不確定性，本文采用桶型移位寄存器,，但是會(huì)占有一定的面積資源,。因?yàn)槊看我莆坏奈粩?shù)也是不確定的，所以必須要考慮移位溢出的情況,。設(shè)計(jì)中選用32位移位寄存器和16位桶型移位寄存器,，前者相當(dāng)于一個(gè)緩存器，其[15：0]的后半段寄存器進(jìn)行解碼操作,，[31：16]后半段寄存器存入桶型移位寄存器中,。當(dāng)最小編碼等于16時(shí)，Amplitude值從桶型寄存器中移出,；若操作編碼流長(zhǎng)度大于16,，需要由32位寄存器對(duì)它進(jìn)行移位補(bǔ)位，[15：0]和[31：16]共同移位,。當(dāng)移位位數(shù)超過(guò)48時(shí),，設(shè)計(jì)一個(gè)累加器向外輸出碼流輸入允許信號(hào)，繼續(xù)輸入碼流到32位寄存器中,。此外,，輸入解碼器數(shù)據(jù)位寬在0~32范圍內(nèi)變化,，實(shí)際輸入的待解碼數(shù)據(jù)位寬將取決于該編碼數(shù)據(jù)在Huffman編碼樹(shù)中的位置。
3 Huffman并行解碼的實(shí)現(xiàn)
　將Run,、Size及Amplitude值存入相應(yīng)的寄存器后,，為JPEG后續(xù)的解碼做準(zhǔn)備。同時(shí)也就完成了一次Huffman并行解碼,，所有的解碼處理過(guò)程都是同步進(jìn)行的,。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，Huffman并行解碼處理過(guò)程是在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)解一個(gè)編碼,。由于FPGA實(shí)現(xiàn),，需采用很多組合邏輯，因此關(guān)鍵路徑的延時(shí)必須考慮在內(nèi)[8-9],。同時(shí)該硬件實(shí)現(xiàn)中也用到了許多存儲(chǔ)器,，所以會(huì)占有一定FPGA的面積資源，與串行解碼相比,，在速度上和輸出的穩(wěn)定性上有一定的優(yōu)勢(shì),。其中具體環(huán)節(jié)的硬件實(shí)現(xiàn)框架如圖8所示。

　圖8中各模塊的性能為：
?。?）16位最小碼存儲(chǔ)器,。存放的是DC和AC的最小編碼。
?。?）16位最小碼解碼模塊,。輸入的16位待解碼流與最小編碼進(jìn)行比較，找到相同長(zhǎng)度的最小編碼,，輸出Huffman最小編碼到R/S存儲(chǔ)器,，輸出與相應(yīng)最小編碼同等長(zhǎng)度的實(shí)際碼子到數(shù)選器[10]。
?。?）16：1數(shù)選器,。差值=實(shí)際編碼長(zhǎng)度-最小編碼長(zhǎng)度。
?。?）16位最小碼存儲(chǔ)器,。預(yù)存的最小編碼地址，16×8的寄存器,。
?。?）8位加法器。最小編碼的地址+差值=實(shí)際編碼的地址,。
?。?）最小碼R/S存儲(chǔ)器。預(yù)存R/S和所有與Huffman相對(duì)應(yīng)的值在256×8的寄存器中,，最終解碼解出相應(yīng)的R/S,。
?。?）16：4數(shù)選器。把16位編碼的長(zhǎng)度換成4位表示,。
?。?）4位加法器。最小編碼的長(zhǎng)度+差值Size=解碼時(shí)一共處理的位數(shù),，即需要補(bǔ)入數(shù)據(jù)流的位數(shù),。
　（9）運(yùn)算器,。累加器是將移位的總位數(shù)進(jìn)行相加,，并向移位器提供當(dāng)前移位位數(shù),。當(dāng)總數(shù)≥16時(shí),，輸出輸入數(shù)據(jù)允許信號(hào)，請(qǐng)求前置模塊輸入數(shù)據(jù),，在輸入允許信號(hào)有效時(shí),，刷新運(yùn)算器的值；當(dāng)總數(shù)≥32時(shí),，輸入允許信號(hào)仍未有效,，則終止后續(xù)的操作。
?。?0）32移位寄存器,。對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和移位。
?。?1）16移位寄存器,。移出幅度的值，選用桶型移位寄存器的原因是當(dāng)移出位數(shù)>16時(shí)也可以處理,。
與串行解碼相比,，Huffman并行解碼算法的優(yōu)點(diǎn)是在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，無(wú)論Huffman編碼的長(zhǎng)度是多少,，都可以正確解出編碼信息,。數(shù)據(jù)處理速度的提高，顯然會(huì)伴隨硬件FPGA設(shè)計(jì)的復(fù)雜度的增加,。本文采用并行處理技術(shù)給出了Huffman解碼算法,，實(shí)現(xiàn)了Huffman并行解碼器的設(shè)計(jì)。不但能夠在一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍內(nèi)處理多比特?cái)?shù)據(jù),，而且節(jié)省了存儲(chǔ)空間,，克服了Huffman串行解碼實(shí)時(shí)性差的不足。顯然,，本算法的實(shí)現(xiàn)是在提高處理數(shù)據(jù)速度的同時(shí),，增加了FPGA硬件的面積資源,。
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