基于FPGA的JPEG解碼器設計與實現

隨著多媒體技術的蓬勃發展,視頻編解碼技術得到了長足的進步,人們先后制定了多個數字圖像視頻編解碼標準。其中JPEG仍然是目前最流行的靜止圖像壓縮格式，在手持設備和網絡中有廣泛的應用。

本論文工作是無線投影機控制器設計中的一部分，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、VGA、PCI等接口，PCI接口用來連接無線網卡，VGA接口用來連接投影機，這樣構成一個無線投影系統。PC機通過有線網絡或無線網絡向控制器傳輸JPEG壓縮圖像數據，經過解碼器解碼后顯示在投影儀上，從而實現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。考慮到系統的靈活性，本控制器選用Altera FPGA作為實現平臺，設計可以無縫地轉移到Altera Hardcopy技術，從而實現低成本。

本設計利用硬件描述語言(VHDL)設計了JPEG Baseline的解碼系統。

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、IDCT（反離散余弦變換），其數據流圖見圖2。

從圖中可以看出，解碼器首先從JPEG圖像數據中讀取Header信息，得到與解碼相關的如哈夫曼表、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據并對其進行熵解碼。壓縮編碼的數據采用哈夫曼（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：將頻繁使用的數據用較短的代碼代替，而較少使用的數據用較長的代碼代替，每個數據的代碼各不相同。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編碼進行數據的壓縮存儲，并且直流系數（DC）與交流系數（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和交流系數分別解碼。當前直流系數為上一個直流系數加上當前熵解碼數據（即殘差）。

當解碼完一個MCU（Minimal Coded Unit）后，接下來就是進行反量化的操作，即將解碼出來的數據乘以一個量化系數。

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，將數據從一個域變換到另外一個域，其大多數高頻分量的系數變為0。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還原圖像原始數據。IDCT部分是計算量最大的單元，對此單元設計的好壞將直接影響到解碼速度。

2 JPEG解碼器設計與實現

針對JPEG解碼流程特點，本JPEG解碼器硬件總體設計如圖3所示。JPEG CONTROLLER負責調度各個模塊的執行；Src_ram存儲著JPEG原始圖像數據；Addr_gen模塊產生下一個需要讀取字節的地址；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圖像數據并解碼，解碼出來的數據將逆zig-zag順序存儲在Block ram中；IDCT模塊讀取Block ram中的哈夫曼解碼數據進行反量化和IDCT變換，之后將數據輸出到Ram。下面將對各個模塊的設計作詳細的介紹。

2.1 Addr_gen模塊設計

此模塊用于產生讀取Src_ram的地址并生成下一個要讀取字節的地址。其硬件實現如圖4虛線右邊部分所示。在非跳轉情況下，當RD信號有效時，Addr_gen計數器每次遞增1個單位。

跳轉情況下，即skip有效時，其計數器工作如圖4虛線左邊部分所示，當讀入地址為Addr_n的數據后需要跳轉k個單位的字節（Skip_num=k），因為在讀取地址為Addr_n的數據Data_n后地址計數已經增加了一個單位，因而在第三個時鐘周期能跳轉到地址為Addr_n+1+k的數據，而這第三個時鐘周期讀出來的數據Data_n+1將會被忽略。從第四個時鐘起此模塊將恢復正常的讀取數據功能。


2.2 Read_markers模塊設計

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：查找下一個標志；
(3)Get_sos：讀取sos（start of scan）；
(4)Skip_var：跳過一些信息時被調用，給Addr_gen模塊傳送跳過信息標志；
(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。

硬件實現利用FSM（有限狀態機）來進行控制。其模塊調度示意圖見圖5虛線右邊部分。

2.3 Decode_MCU模塊設計

Decode_MCU是jpeg解碼器設計中一個非常重要的單元，也是正式解碼的開始。本設計中此模塊的設計見圖6虛線框中設計，主要由四個子模塊組成：Fill_buffer、Decode_blockIZZ、Process_restart和Controller。

(1)Fill_buffer：當32BITS_REG中的比特數不夠時控制器將啟動此模塊讀取Src_ram中的數據并且加載到32bits_reg中，并且去掉碼流中的填充數據。
(2)Decode_blockIZZ：huffman解碼，并且將解碼數據逆zig_zag順序輸出。
(3)Process_restart：當JPEG圖像中有restart interval（Get_dri）標志，在解碼完由Get_dri規定的n個MCU后，控制器首先調用此模塊來進行同步（在網絡傳輸中非常重要）。
(4)Controller：控制協調各模塊的執行。

核心模塊Decode_block硬件實現如圖6，虛線右邊是EXTEND[1]部分，采用查找表實現。Get_buffer即圖6中的32BITS_REG， Bits_left記錄32BITS_REG中剩余的比特數。Huff_D模塊每啟動一次解碼一個熵編碼數據。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（AC）時則在EXTEND后直接輸出。Sel_s_input為”00”時，選通huffman解碼數據；為”01”時，選通EXTEND后的數據；為”10”時，選通加上了last_dc_val的數據。


2.4 IDCT模塊設計

IDCT（Inverse Discrete Consine Transform）是JPEG解碼器中最耗資源和計算量最大的單元。本設計為減少內存讀取，提高解碼速度，將反量化也放在IDCT模塊中實現。

離散余弦變換的公式和離散余弦逆變換的公式如下：

經分析公式(1)可以做如下等效變換：

即通過兩次一維的IDCT變換即可實現二維的IDCT。考慮到數據的讀取，本設計IDCT模塊的設計如圖7虛線框中所示。

實現過程：首先讀取Block ram的一列，相應的反量化數據從Dqt ram中讀取，經過IQ（反量化單元，即乘法器）后的8個數據存儲在regs中，之后控制器啟動一維IDCT變換，并將反變換后的數據存儲在REG FILES的一列中。當一個Block ram中的8列數據全部反量化和IDCT變換后，控制器將切換成對REG FILES中一行的數據進行一維IDCT變換，變換后的數據存儲在REG FILES中的一行中，之后再進行下一行變換，直到8行數據全部IDCT 變換完。基于參考文獻[2]的一維IDCT實現具有資源比較小和實現簡單的特點，通過對IDCT反變換矩陣系數分析，一維IDCT奇偶數據變換具有不同的結構化特點，在此可以進行單獨的設計，最后將兩部分的結果數據進行碟形加減操作，得到一維IDCT的運算結果（見圖7）。這樣變換完的數據即可進行輸出，送到顯示單元進行色彩變換和其它后續處理后顯示。

2.5 測試與結果

本設計采用的硬件開發平臺為ALTERA DE2，FPGA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計達到了實時解碼的要求。

將VHDL與C語言實現的JPEG解碼器對圖像解碼產生的結果進行對比，從而可以判斷解碼正確與錯誤。通過結果對比，本設計結果完全正確。

本設計嚴格按照VLSI自頂向下設計的一般流程，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；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。從結果可知達到了實時解碼要求，并且節約了資源。