??? 摘 要： 為滿足SoC中JPEG靜止圖像實時解壓縮要求,，在完成JPEG解碼器C語言建模的基礎(chǔ)上,，采用自頂向下的設(shè)計方法，完成了JPEG Baseline解碼器設(shè)計，并在FPGA開發(fā)板上驗證了設(shè)計結(jié)果。該設(shè)計與ACTEL,、4I2I等公司的IP核相比具有相近的解壓縮速度，能滿足實時解碼要求,。
??? 關(guān)鍵詞： JPEG,；FPGA；解碼器,；IDCT
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??? 隨著多媒體技術(shù)的蓬勃發(fā)展,視頻編解碼技術(shù)得到了長足的進步,人們先后制定了多個數(shù)字圖像視頻編解碼標(biāo)準,。其中JPEG仍然是目前最流行的靜止圖像壓縮格式，在手持設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)中有廣泛的應(yīng)用,。
??? 本論文工作是無線投影機控制器設(shè)計中的一部分,，見圖1。該控制器以開放源代碼處理器LEON3為核心,，具有以太網(wǎng),、VGA、PCI等接口,，PCI接口用來連接無線網(wǎng)卡,，VGA接口用來連接投影機,，這樣構(gòu)成一個無線投影系統(tǒng)。PC機通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)向控制器傳輸JPEG壓縮圖像數(shù)據(jù)" title="圖像數(shù)據(jù)">圖像數(shù)據(jù),，經(jīng)過解碼器解碼后顯示在投影儀上，從而實現(xiàn)多臺電腦共享一臺投影機,，并且避免了連線的麻煩,，具有一定的市場前景?？紤]到系統(tǒng)的靈活性,，本控制器選用Altera FPGA作為實現(xiàn)平臺，設(shè)計可以無縫地轉(zhuǎn)移到Altera Hardcopy技術(shù),，從而實現(xiàn)低成本,。
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??? 本設(shè)計利用硬件描述語言(VHDL)設(shè)計了JPEG Baseline的解碼系統(tǒng)。
1 JPEG解碼器原理
??? JPEG解碼器主要由四部分組成：圖像頭信息的讀取,、熵解碼,、反量化" title="反量化">反量化、IDCT（反離散余弦變換" title="離散余弦變換">離散余弦變換）,，其數(shù)據(jù)流圖見圖2,。
??? 從圖中可以看出，解碼器首先從JPEG圖像數(shù)據(jù)中讀取Header信息,，得到與解碼相關(guān)的如哈夫曼表,、量化表以及圖像大小等信息，并且將這些信息存儲在RAM或者寄存器中,，供后面的步驟調(diào)用,。
??? 在圖像頭信息讀取完成后，解碼器進一步讀取壓縮編碼的數(shù)據(jù)并對其進行熵解碼,。壓縮編碼的數(shù)據(jù)采用哈夫曼（Huffman）編碼,。哈夫曼編碼是一種常用的壓縮編碼方法，是Huffman于1952年為壓縮文本文件建立的,。它的基本原理是：將頻繁使用的數(shù)據(jù)用較短的代碼代替,，而較少使用的數(shù)據(jù)用較長的代碼代替，每個數(shù)據(jù)的代碼各不相同,。這些代碼都是二進制碼,，且碼的長度可變，因此哈夫曼編碼是可變長編碼的一種,。在JPEG中采用游程編碼與范式huffman編碼進行數(shù)據(jù)的壓縮存儲,，并且直流系數(shù)（DC）與交流系數(shù)（AC）分開編碼，提高了壓縮效率,。因而在熵解碼過程中需要分別對直流系數(shù)和交流系數(shù)分別解碼,。當(dāng)前直流系數(shù)為上一個直流系數(shù)加上當(dāng)前熵解碼數(shù)據(jù)（即殘差）,。
??? 當(dāng)解碼完一個MCU（Minimal Coded Unit）后，接下來就是進行反量化的操作,，即將解碼出來的數(shù)據(jù)乘以一個量化系數(shù),。
??? 最后是IDCT（反離散余弦變換）操作，即DCT（離散余弦變換）的反變換,。離散余弦變換（DCT）是N.Ahmed等人在1974年提出的正交變換方法,，它常被認為是對語音和圖像信號進行變換的最佳方法。通過DCT變換,，將數(shù)據(jù)從一個域變換到另外一個域,，其大多數(shù)高頻分量的系數(shù)變?yōu)?。人眼對低頻分量比較敏感,，對高頻分量則不太敏感,；因而量化的結(jié)果是去掉了不太重要的高頻分量，降低了碼率,。在JPEG解碼過程中需要通過IDCT還原圖像原始數(shù)據(jù),。IDCT部分是計算量最大" title="最大">最大的單元，對此單元設(shè)計的好壞將直接影響到解碼速度,。
2 JPEG解碼器設(shè)計與實現(xiàn)
??? 針對JPEG解碼流程特點,，本JPEG解碼器硬件總體設(shè)計如圖3所示。JPEG CONTROLLER負責(zé)調(diào)度各個模塊的執(zhí)行,；Src_ram存儲著JPEG原始圖像數(shù)據(jù),；Addr_gen模塊產(chǎn)生下一個需要讀取字節(jié)的地址；Read_markers模塊讀取JPEG圖像的圖像頭信息,，并且將頭信息保存在Register files中,，相應(yīng)的量化表信息及huffman表將存儲在Dqt rams和Dht rams中；Huff_derived_tbl是由huffman表生成的用于熵解碼的表格,；Decode MCU 模塊從Src_ram讀取JPEG圖像數(shù)據(jù)并解碼,，解碼出來的數(shù)據(jù)將逆zig-zag順序存儲在Block ram中；IDCT模塊讀取Block ram中的哈夫曼解碼數(shù)據(jù)進行反量化和IDCT變換,，之后將數(shù)據(jù)輸出到Ram,。下面將對各個模塊的設(shè)計作詳細的介紹。
2.1 Addr_gen模塊設(shè)計
??? 此模塊用于產(chǎn)生讀取Src_ram的地址并生成下一個要讀取字節(jié)的地址,。其硬件實現(xiàn)如圖4虛線右邊部分所示,。在非跳轉(zhuǎn)情況下，當(dāng)RD信號有效時,，Addr_gen計數(shù)器每次遞增1個單位,。
??? 跳轉(zhuǎn)情況下，即skip有效時，其計數(shù)器工作如圖4虛線左邊部分所示,，當(dāng)讀入地址為Addr_n的數(shù)據(jù)后需要跳轉(zhuǎn)k個單位的字節(jié)（Skip_num=k）,，因為在讀取地址為Addr_n的數(shù)據(jù)Data_n后地址計數(shù)已經(jīng)增加了一個單位，因而在第三個時鐘周期能跳轉(zhuǎn)到地址為Addr_n+1+k的數(shù)據(jù),，而這第三個時鐘周期讀出來的數(shù)據(jù)Data_n+1將會被忽略,。從第四個時鐘起此模塊將恢復(fù)正常的讀取數(shù)據(jù)功能。
2.2 Read_markers模塊設(shè)計" title="模塊設(shè)計">模塊設(shè)計
??? Read_markers讀取JPEG文件頭信息并且解釋,，由以下子模塊組成,，見圖5虛線左邊部分。
??? (1)First_marker：判斷文件是否為JPEG文件,，即判斷開始的2B是否為FF D8；
??? (2)Next_marker：查找下一個標(biāo)志,；
??? (3)Get_sos：讀取sos（start of scan）,；
??? (4)Skip_var：跳過一些信息時被調(diào)用，給Addr_gen模塊傳送跳過信息標(biāo)志,；
??? (5)Get_sof：讀取sof（start of frame）,；
??? (6)Get_dht：讀取huffman表信息，存儲在Dht rams(見圖1),；
??? (7)Get_dqt：讀取量化表信息,，并存儲在Dqt rams(見圖1)；
??? (8)Get_dri：讀取重起間隔,，以MCU（Minimum Coded Unit）為單位,。
??? 硬件實現(xiàn)利用FSM（有限狀態(tài)機）來進行控制。其模塊調(diào)度示意圖見圖5虛線右邊部分,。
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2.3 Decode_MCU模塊設(shè)計
??? Decode_MCU是jpeg解碼器設(shè)計中一個非常重要的單元,，也是正式解碼的開始。本設(shè)計中此模塊的設(shè)計見圖6虛線框中設(shè)計,，主要由四個子模塊組成：Fill_buffer,、Decode_block&IZZ、Process_restart和Controller,。
??? (1)Fill_buffer：當(dāng)32BITS_REG中的比特數(shù)不夠時控制器將啟動此模塊讀取Src_ram中的數(shù)據(jù)并且加載到32bits_reg中,，并且去掉碼流中的填充數(shù)據(jù)。
??? (2)Decode_block&IZZ：huffman解碼,，并且將解碼數(shù)據(jù)逆zig_zag順序輸出,。
??? (3)Process_restart：當(dāng)JPEG圖像中有restart interval（Get_dri）標(biāo)志，在解碼完由Get_dri規(guī)定的n個MCU后,，控制器首先調(diào)用此模塊來進行同步（在網(wǎng)絡(luò)傳輸中非常重要）,。
?? ?(4)Controller：控制協(xié)調(diào)各模塊的執(zhí)行。
??? 核心模塊Decode_block硬件實現(xiàn)如圖6，虛線右邊是EXTEND[1]部分,，采用查找表實現(xiàn),。Get_buffer即圖6中的32BITS_REG， Bits_left記錄32BITS_REG中剩余的比特數(shù),。Huff_D模塊每啟動一次解碼一個熵編碼數(shù)據(jù),。由于DC編碼采用DPCM編碼，解碼直流(DC)時需要增加一個時鐘周期來加上上一個DC的值,，從而得出如圖6所示的output,，解碼交流系數(shù)（AC）時則在EXTEND后直接輸出。Sel_s_input為”00”時,，選通huffman解碼數(shù)據(jù),；為”01”時，選通EXTEND后的數(shù)據(jù),；為”10”時,，選通加上了last_dc_val的數(shù)據(jù)。
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2.4 IDCT模塊設(shè)計
??? IDCT（Inverse Discrete Consine Transform）是JPEG解碼器中最耗資源和計算量最大的單元,。本設(shè)計為減少內(nèi)存讀取,，提高解碼速度，將反量化也放在IDCT模塊中實現(xiàn),。
??? 離散余弦變換的公式和離散余弦逆變換的公式如下：
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??? 經(jīng)分析公式(1)可以做如下等效變換：
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??? 即通過兩次一維的IDCT變換即可實現(xiàn)二維的IDCT,。考慮到數(shù)據(jù)的讀取,，本設(shè)計IDCT模塊的設(shè)計如圖7虛線框中所示,。
??? 實現(xiàn)過程：首先讀取Block ram的一列，相應(yīng)的反量化數(shù)據(jù)從Dqt ram中讀取,，經(jīng)過IQ（反量化單元,，即乘法器）后的8個數(shù)據(jù)存儲在regs中，之后控制器啟動一維IDCT變換,，并將反變換后的數(shù)據(jù)存儲在REG FILES的一列中,。當(dāng)一個Block ram中的8列數(shù)據(jù)全部反量化和IDCT變換后，控制器將切換成對REG FILES中一行的數(shù)據(jù)進行一維IDCT變換,，變換后的數(shù)據(jù)存儲在REG FILES中的一行中,，之后再進行下一行變換，直到8行數(shù)據(jù)全部IDCT 變換完,?；趨⒖嘉墨I[2]的一維IDCT實現(xiàn)具有資源比較小和實現(xiàn)簡單的特點，通過對IDCT反變換矩陣系數(shù)分析,，一維IDCT奇偶數(shù)據(jù)變換具有不同的結(jié)構(gòu)化特點,，在此可以進行單獨的設(shè)計,，最后將兩部分的結(jié)果數(shù)據(jù)進行碟形加減操作，得到一維IDCT的運算結(jié)果（見圖7）,。這樣變換完的數(shù)據(jù)即可進行輸出,，送到顯示單元進行色彩變換和其它后續(xù)處理后顯示。
2.5 測試與結(jié)果
????? 本設(shè)計采用的硬件開發(fā)平臺為ALTERA DE2,，F(xiàn)PGA為EP2C35F672C6,，在quartusii 5.0中進行綜合，所耗資源和最大時鐘頻率見表1,。2005年ACTEL[3]公司推出的JPEG-D IP的速度針對不同的平臺其速度變化從31M～69M,，同年4I2I[4]公司推出的JPEG-D的最大速率為40M，從速度可以看出本設(shè)計達到了實時解碼的要求,。
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??? 將VHDL與C語言實現(xiàn)的JPEG解碼器對圖像解碼產(chǎn)生的結(jié)果進行對比,，從而可以判斷解碼正確與錯誤。通過結(jié)果對比,，本設(shè)計結(jié)果完全正確,。
??? 本設(shè)計嚴格按照VLSI自頂向下設(shè)計的一般流程，首先進行C語言級建模[5],，從而得到測試矢量和JPEG硬件解碼器的總體架構(gòu)；之后完成了各個頂層模塊和子模塊的接口定義,；最后進行各個模塊的VHDL實現(xiàn),。從結(jié)果可知達到了實時解碼要求，并且節(jié)約了資源,。
參考文獻
[1] CCITT Rec.T.81（1992 E）104-105.
[2] Chris.tophLoeffler,，Adriaan.Ligtenberg.Practical? fast 1-D?DCT algorithms with 11 multiplication.[J]IEEE 1989.988-990.
[3] http：//www.cast-inc.com.
[4] http：//www.4i42.com.
[5] http：//www.smalleranimals.com/.