JPEG2000编解码器的优化与验证

摘要

JPEG2000静止图像压缩标准采用基于线性提升格式的DWT（Discrete Wavelet Transform）算法和EBCOT（EmbeddedBlock Coding with Optimized Truncation）算法，因而拥有较JPEG标准更加优越的性能。对于运算密集的DWT算法和以比特位为编码单位循环编码的EBCOT算法，十分需要硬件加速与优化。
　　JPEG2000编码和解码部分拥有相似的优化策略。针对DWT算法或IDWT算法，本文基于两种一维小波变换核的变形格式，同时将设计的数据流图映射为高度复用、关键路径短且控制复杂度低的流水线硬件电路。EBCOT或EBDOT算法中，针对平面扫描算法，统一处理三个扫描通道减少硬件资源，并以条带列为处理单位，条带列和上下文状态窗口生成流水处理，大幅减少处理周期；针对MQ算法，通过逻辑重组简化关键处理路径，在牺牲极少的存储资源情况下预判重归一化的左移次数，大幅减少时钟周期；针对Tier-2标签树的硬件编解码，设置行列奇偶属性标签和父节点已编码标志行缓存便可实现任意分辨率图像编解码。编码时需额外考虑码率控制，遍历比较得到已编码码块的末位通道和当前编码的通道最小率失真值，选择跳过当前码块编码，极大减少遍历次数和冗余编码过程，图像失真略小于标准算法。
　　基于上述硬件优化方案，用Verilog HDL语言对硬件编解码器进行RTL级描述，采用基于“黄金模型”验证策略，自动化比对关键验证点信息，完成功能仿真和时序仿真。之后搭建硬件SoC系统，并以IP核挂载的方式嵌入硬件编解码器，进行系统仿真和软件调试，完成FPGA验证。
　　FPGA综合结果表明，硬件编解码器时钟频率均在170Mhz，硬件开销较小，20倍压缩比下能较好地平衡编解码时间、图像性能损失以及编解码实时性等指标。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2 JPEG2000研究现状

1.2.1软硬件产品

1.2.2算法实现

1.3课题主要研究内容

第2章 JPEG2000编解码器的优化方案

2.1 JPEG2000编码器的优化方案

2.1.1 JPEG2000编码器的工作流程

2.1.2 2D-DWT的优化方案

2.1.3 Tier-1编码器的优化方案

2.1.4码率控制器的优化方案

2.1.5 Tier-2编码器的优化方案

2.2 JPEG2000解码器的优化方案

2.2.1 JPEG2000解码器的工作流程

2.2.2 Tier-2解码器的优化方案

2.2.3 Tier-1解码器的优化方案

2.2.4多级2D-IDWT的优化方案

2.3本章小结

第3章 JPEG2000编解码器的硬件实现

3.1 JPEG2000编码器的硬件实现

3.1.1 JPEG2000编码器的总体结构

3.1.2编码器控制模块的硬件实现

3.1.3多级2D-DWT的硬件实现

3.1.4 Tier-1编码器的硬件实现

3.1.5码率控制器的硬件实现

3.1.6 Tier-2编码器的硬件实现

3.2 JPEG2000解码器的硬件实现

3.2.1解码器控制模块的硬件实现

3.2.2 Tier-2解码器的硬件实现

3.2.3 Tier-1解码器的硬件实现

3.2.4多级2D-IDWT的硬件实现

3.3本章小结

第4章 JPEG2000编解码器的功能验证与性能评估

4.1 JPEG2000编解码器的功能验证

4.1.1仿真

4.1.2基于FPGA的硬件搭建

4.1.3基于FPGA的软件驱动

4.1.4 FPGA验证结果

4.2 JPEG2000编解码器的性能评估

4.2.1仿真时间与压缩失真

4.2.2比较结果

4.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢