JPEG2000的并行结构EBCOT编码研究及FPGA实现

论文摘要

JPEG2000是新提出的图像压缩标准，相对于JPEG等其他压缩算法而言具有更好的压缩效率，而且在功能上要强得多。因此，JPEG2000在互联网、彩色拷贝、打印、扫描、医学图像及移动图像通信等领域有着广泛的应用。本文针对彩色CMOS传感器采集到的Bayer图像特点，对比试验了多种Bayer格式图像恢复成彩色图像的方法。在分析Bayer格式图像特殊性的基础上，讨论了它的几种压缩预处理算法，并提出了用色度空间和频域误差等多种方法评价压缩算法性能的方法，这些方法较全面地反映了算法的性能差异并为合理选择提供了依据。最后，提出了一种算法的FPGA实现方案，经验证其性能满足设计要求。本文详细研究了JPEG2000算法中的EBCOT编码部分的T-1编码。该部分由比特平面编码和MQ算术编码组成。提出了一种基于JPEG2000压缩标准的高速比特平面编码结构。采用异步流水线结构和比特平面并行两种方法加速编码过程。前者成功地解决了流水段长度不同和长度变化引起的数据积压与断流问题，从而有效提高单个模块内的并行度；后者可以同时编码小波系数的各个比特平面。本文采用Verilog HDL语言，在QuartusⅡ5.0环境下实现了逻辑可综合的基于列的编码方式和并行编码方式。实验分析表明，采用的三段异步流水线加速比可达2.86，配合比特平面并行可极大的提高处理速度。处理码块大小为32×32×11bit时，条带平均时钟周期相对基于列方式提高3倍。根据JPEG2000算法标准，提出并实现了高效MQ算术编码结构，该编码器多处采用优化算法以简化硬件实现结构，内部采用流水线结构提高数据吞吐量。实测情况下，随机信号的加速比为2.25接近流水段数，可见该流水线达到了加速要求，平均处理速度达0.58bit／cycle。最后，对T-1部分进行整体测试，采用SignalTapⅡ逻辑分析仪软件捕获数据，将其结果与Matlab运算结果对比，从而验证编码器的正确性。系统在40MHz时钟下工作稳定，处理一幅128×128×8bit的图像（小波系数量化为11bit）需要27.2ms，即系统处理的最大帧率为37fps；若采用每个比特平面一套编码系统的并行方式，需要2.94ms，即系统处理的最大帧率为344fps。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 选题意义
• 1.2 研究背景
• 1.3 图像压缩标准简介
• 第二章 Bayer格式图像压缩预处理
• 2.1 Baye格式图像简介
• 2.2 Baye图像的直接压缩特性和特殊性分析
• 2.3 Bayer图像压缩方法
• 2.3.1 压缩方法简介
• 2.3.2 算法A
• 2.3.3 算法B
• 第三章 JPEG2000标准简介
• 3.1 JPEG2000的产生过程及内容简介
• 3.2 JPEG2000国内外发展现状
• 3.2.1 软件实现
• 3.2.2 硬件实现
• 3.3 JPEG2000特性简介
• 3.4 JPEG2000和JPEG性能对比
• 3.5 JPEG2000系统框架
• 3.5.1 预处理
• 3.5.2 小波分解
• 3.5.3 量化
• 3.5.4 编码
• 3.5.5 码流组织
• 第四章 EBCOT编码过程
• 4.1 EBCOT介绍
• 4.1.1 EBCOT的优点
• 4.2 比特平面编码算法
• 4.2.1 扫描方式
• 4.2.2 上下文和状态
• 4.2.3 原语
• 4.2.4 编码过程
• 4.3 算术编码
• 4.3.1 熵编码理论
• 4.3.2 熵编码技术
• 4.3.3 自适应二进制算术编码
• 4.3.4 JPEG2000算术编码模型
• 4.4 码流组织
• 4.4.1 率失真截断的基本思想
• 4.4.2 分层码流
• 4.4.3 码流数据包
• 第五章 并行结构的比特平面编码研究
• 5.1 比特平面编码加速技术
• 5.2 异步流水线比特平面编码结构
• 5.2.1 条带编码模型
• 5.2.2 三寄存器组结构
• 5.2.3 流水线结构
• 5.2.3.1 流水线原理
• 5.2.3.2 比特平面编码的异步流水线实现
• 5.2.4 RAM地址变换
• 5.2.5 最高比特平面（MSB）的选取
• 5.2.6 RAM的读写过程
• 5.2.7 控制状态机
• 5.2.8 边界处理
• 5.2.9 基于列的编码结构
• 5.2.10 比特平面并行的编码结构
• 第六章 高效自适应算术编码的FPGA实现
• 6.1 自适应算术编码流程
• 6.2 硬件实现的优化
• 6.2.1 无乘法器的变化形式
• 6.2.2 自适应概率估计和并行归一化
• 6.2.3 区间更新的优化
• 6.2.4 区间重整和交换
• 6.2.5 位填充及压缩数据的输出
• 6.3 MQ算术编码器系统结构
• 6.4 流水线结构
• 第七章 系统测试和性能分析
• 7.1 Bayer格式图像预处理性能分析与实验结果
• 7.1.1 性能分析
• 7.1.1.1 CPSNR分析
• 7.1.1.2 色空间分析
• 7.1.1.3 CZP频域误差分析
• 7.1.2 FPGA实现
• 7.1.2.1 方案分析
• 7.1.2.2 验证和仿真
• 7.2 EBCOT系统结构
• 7.3 EBCOT系统测试与验证
• 7.3.1 系统测试验证流程
• 7.3.2 JTAG测试接口SignalTap II逻辑分析器
• 7.3.3 实验设备
• 7.3.4 EBCOT编码板系统结构
• 7.3.5 比特平面编码模块的测试及性能分析
• 7.3.6 MQ算术编码模块的测试及性能分析
• 7.3.7 EBCOT的测试及性能分析
• 7.4 结论
• 总结与展望
• 参考文献
• 发表或录用学术论文情况
• 致谢
• 附录