JPEG2000 MQ编码器的高速VLSI设计与实现

摘要

算术编码作为一种重要的熵编码方法,具有优越的编码性能,它的平均码长在大多数情况下都能逼近信源的熵,因此应用广泛,并已被纳入多种图像和视频国际标准之中,其中就包括了JPEG2000。JPEG2000与JPEG不同,它采用了基于上下文自适应更新的二进制算术编码进行编码运算,其压缩性能超越了传统的JPEG,而且提供了更多的新功能,以满足图像编码技术日益增长的需求。
　　 本文在深入研究了算术编码原理的基础上,详尽分析了算术编码在JPEG2000环境中各个算法流程的处理步骤,以此为设计的基本思想,采用了状态机控制和流水线设计思想,在保证时序顺序执行的前提下,通过分析算术编码中的关键运算细节,在自适应更新的稳定性、重归一化的冗余循环、字节输出算法等方面进行改进和优化,同时对各个流水级所消耗的时钟周期进行了有效的压缩,以牺牲一定的时钟频率为代价,以四级流水线分割的方式,实现了1 pair/cycle的编码速率,最终该MQ编码器模块达到了高水平的吞吐率的要求。
　　 本设计采用了Verilog硬件描述语言对提出的方案进行RTL级描述,并进行综合优化,完成了功能上的仿真验证,给出了仿真结果和性能比较分析。通过性能比较分析可以看出,本文给出的编码结构具有更优越的编码处理速度,能够更好的匹配并行结构的位平面编码器,为提高整个JPEG2000系统的编码速度起到了关键的作用。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 课题的研究意义

1.3 算术编码的发展历程及研究现状

1.4 MQ编码器的硬件实现平台

1.5 本文研究的内容和结构

第二章 MQ编码器的编码分析

2.1 算术编码原理

2.1.1 Elias编码

2.1.2 现代算术编码

2.2 算术编码在MQ编码器中的改进

2.2.1 MQ编码器的结构

2.2.2 MQ编码器的编码方式

2.3 MQ编码器的操作流程

2.3.1 初始化过程

2.3.2 MPS/LPS编码流程

2.3.3 重归一化流程

2.3.4 字节输出流程

2.3.5 编码器的终结

2.4 本章小结

第三章 MQ编码器的高速VLSI设计

3.1 MQ编码器各部件的硬件实现分析

3.1.1 状态的启动和迁移

3.1.2 概率区间的划分

3.1.3 字节输出的控制

3.1.4 终结流程的优化

3.2 MQ编码器的高速流水线设计

3.2.1 第一级流水级

3.2.2 第二级流水级

3.2.3 第三级流水级

3.2.4 第四级流水级

3.3 流水线时序时钟分析

3.4 本章小结

第四章 综合仿真验证与分析

4.1 综合结果与静态时序分析

4.2 仿真验证流程

4.3 仿真波形图

4.4 性能分析与比较

4.5 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录

附录一 test_mq_top测试代码

附录二 MQ编码器状态机控制部分的verilog代码

附录三 状态迁移相应的ram.hex文件内容

附录四 状态迁移相应的rom.hex文件内容

附录五 顶层模块图

致谢

攻读学位期间主要的研究成果