应用于JPEG2000 的高性能MQ 编码器VLSI 设计

陈超伟  1 ，梁 煜 1 ，张 为 1 ，包 娜 1 ，刘艳艳 2

(1. 天津大学 微电子学院，天津 300072；

2．南开大学 电子信息与光学工程学院，天津 300071；)

摘要：目前，MQ 编码器由于自身严格串行的工作特点，成为限制 JPEG2000 编码性能提升的一个关键  瓶颈。文中提出了一种适用于JPEG2000图像压缩算法的高性能MQ编码器。该MQ编码器通过采用Index  值预测等优化方法实现编码时间的缩短以及存储需求的降低。此外，文中还将提出的MQ编码器应用到  Tier 1编码当中，并根据BPC的输出特点，提出了一种接口设计来实现BPC与MQ编码器的连接, 从  而实现单位时钟周期内Tier 1编码吞吐率高3倍提升。经FPGA验证，文中提出的MQ编码器与目前  的结构相比，在吞吐率方面可以取得至少10%的提升，存储需求也明显下降。

  关键词：JPEG2000；Tier 1编码；MQ编码器；超大规模集成电路

  1  引言 

JPEG2000 是一种被广泛应用于各个领域的新型图像压缩标准。优化嵌入式编码（Embedded Block  Coding with Optimal Truncation，EBOCT）承担了JPEG2000的主要编码工作，并占据了整体编码时间的80%  以上。Tier 1编码作为EBOCT的主要部分，是优化JPEG2000整体编码性能的关键。Tier 1编码由2个编  码器完成：位平面编码器（The Bit Plane Encoder，BPC）以及MQ编码器。BPC根据三种编码通道产生上判决对（Contex-Decison pair，CXD对），CXD对进入MQ编码器完成编码并终产生压缩码流。  当前影响Tier 1编码的主要瓶颈在于MQ编码器的编码性能较低。MQ编码器串行工作的特点以及复  杂的算法给优化工作造成了困难，传统的MQ 编码器单位时钟周期内只能处理1 个CXD 对，且编码时间  较长。目前MQ 编码器的优化思路主要有两种：（1）设计单位时钟周期内能并行处理多对CXD 对的编码  器；（2）提高单位时钟周期内处理单个 CXD 对的速度。根据*种思路提出的优化结构虽然能实现多对  并行处理，但是编码器工作频率不高，并且牺牲了大量的硬件面积以及存储资源。此外，部分编码器在输  入多对相同CXD对的情况下，会出现无法并行工作的问题，导致吞吐率严重下降 [1] 。  针对第二种优化思路，目前也有许多优化结构被提出。Liu 的研究团队针对编码过程当中较为复杂的  Renormalization操作进行优化，但其优化结构只能在前后输入的CXD对不同的情况下发挥作用 [2] 。Rhu和  Park通过附加电路处理发生概率极低的编码操作，减少了关键路径 [3] 。但附加电路也占据了大量电路面积。  本文将根据第二种优化思路来优化MQ编码器结构。此外，本文还将提出了一种接口设计使得提出的  MQ编码器结构有效地运用到Tier1编码当中，实现Tier 1整体编码吞吐率高3倍的提升。  2 MQ  编码器工作原理  MQ编码器是一种二进制自适应算数编码器，根据输入的CXD对不断调整编码区间实现编码操作 [4] 。  每一个CXD对都与一个Index值和MPS值相关联，两者都被存放在Index值查找表（Index Look Up Table，  ILT）当中。每个Index值又指向一个存储在概率估计值表（Probability Estimate Table，PET）里的条目。  PET一共有47个条目，每个条目包括4个重要编码参数：Qe、NMPS、NLPS和SWITCH。  编码器根据判决值D与MPS值是否相等，从CODEMPS和CODELPS当中选择一种作为当前的编码  模式来完成编码工作。每一种编码模式还包括Renormalization 操作以及Byte-out操作。MQ编码器用寄存  器A和寄存器C来记录当前编码区间。前者用来存放编码区间的宽度，后者用来存放编码区间的下边界值。  寄存器A的值必须保持在0.75≤A≤1.5这一范围当中。寄存器C是一个28位的整型数。一旦寄存器  A的值低于0.75，那么Renormalization操作就会执行，通过移位加倍使得寄存器A的值回到规定范围内，  寄存器C也会随之移位。寄存器CT用来记录移位次数。  编码器通过执行Byte-out 操作输出压缩字节。当寄存器CT 的值减小到0，则输出寄存器C 当中的压  缩字节，一个CXD对多可输出2个压缩字节，即进行两次Byte-out操作。

 3  高性能MQ  编码器结构

 3.1 MQ 编码器  图 1 所示为本文提出的高性能 MQ 编码器结构。该结构包含两部分：Index 值预测模块以及主体编码  模块。  Index值  预测模块  主体  编码模块  CXD对  Index值  Start_MQ  Renorm  压缩数据  图1 高性能MQ编码器结构  3.1.1  Index值预测模块  在MQ编码器编码过程中，如果执行了Renormalization操作，ILT可能会发生更新。因此，为了得到  正确的Index值，后一个输入CXD对往往必须等待前者编码*结束，从而大大增加了编码等待时间。  本文运用Index预测模块来提前获得待编码CXD对的Index值。一旦预测工作结束，该模块将生成一  个 Start_MQ 信号，将 Index 值传递给主体编码模块，并通知其可以开始后续编码，从而无需等待前一个  第 3 期 陈超伟等：应用于 JPEG2000 的高性能 MQ 编码器 VLSI 设计  http://www.xdxb。。ｎｅｔ  89  CXD 对编码结束，缩短了等待时间，同时也使得流水线结构得以运用到后续编码当中。此外，由于 MPS  值与对应Index值的低位相等，因此无需在ILT当中进行额外存储，从而减小了ILT的存储需求。Renorm  信号由主体编码模块给出，用于标记是否执行Renormalization操作。  图2所示为Index值预测模块的电路结构。Index 1表示当前编码CXD对的Index值。Index 2表示为  待编码的CXD对预测的Index值。根据当前编码CXD对的判决值D1与对应的MPS值是否相等来判断当  前编码模式。Index 2 有两个可能值：（1）从未更新的 ILT 中获取的原始值（Index_original）；（2）前一个  CXD对在编码过程中产生的更新值（Index_update）。预测模块将从中选出一个作为预测Index值，同时更  新ILT。预测模块预测工作伪代码如下所示：  Index 2 = ((CX1 == CX2) && Renorm)? Index_update : Index_original  Index_updata = (D1 == MPS)? NMPS : NLPS  CX1  CX2  =?  Renorm  Index2  Index  _update  ILT  NMPS NLPS  =?  当前编  码模式  D1  MPS  (Index1[0])  Index1  待编码CXD对CX值  PET  (NLPS&NMPS)  Index  _original  待当前编码CXD对CX值  图2 Index值预测模块的电路结构  Index值预测模块为待编码CXD提供Index值，预测的Index值是从ILT以及PET中选取的，这两个  查找表都由JPEG2000标准规定，因此只要预测模块正常工作，Index值的预测就不会出现错误。针对Index  预测模块的功能验证，本文将预测模块与主体编码模块结合之后形成完整MQ编码器进行整体功能验证，  从而保证验证结果的准确性和全面性。详细验证方案将在下文介绍。  3.1.2  主体编码模块的流水线结构  如图3所示，主体编码模块是一个4级流水线结构。下面对各级流水线的工作进行说明：  （1）  *级流水线  编码器从PET当中获得Qe等编码参数。为了减小存储需求，本文对Qe的存储进行了优化。此外，  PET当中还存储了寄存器A在CODELPS编码模式下发生重归一化时所要移位的次数LZ。  （2）  第二级流水线  本级流水线主要进行寄存器A的更新，并产生Renorm信号将传递给Index值预测模块。如果当前编  码模式为CODELPS。那么寄存器A的移位可根据上一级流水线查表得到的LZ值实现一次性移位。  （3）  第三级流水线  为了避免因使用28位加法器导致关键路径变长，寄存器C的更新被拆分成低16位C16和高12位C12，  分两级进行。其中低16位C16更新在本级流水线完成。  （4）  第四级流水线  完成寄存器C高12位C12的更新，并执行Byte-out操作。本文对寄存器C终更新当中所用到的  MASK信号产生电路进行了优化。  3.1.3  主体编码模块的优化  （1） Qe存储的优化  西安电子科技大学学报（自然科学版） 第 45 卷  http://www.xdxb。。ｎｅｔ  90  PET  （Qe&LZ）  Qe LZ  Index  DEF  A临时  更新值  -  Qe  <<  A  DEF  C16  临时更  新值  +  <<  C16  DEF  C12  临时更  新值  C  临时更  新值  C16  临时更  新值  <<  Flush  Qe  <<  CT  C  终更  新电路  MASK  信号产  生电路  C  *级流水线  第二级流水线  第三级流水线  第四级流水线  B1 B2  B  Byte-out  操作  LZ  寄存器A移位次数  寄存器A移位次数  图3 主体编码模块4级流水线结构  Qe的位宽是15。本文将PET当中的47个Qe分成3组，每组当中的每个Qe有8位是相同的。因此  只需存储剩余的连续7位，从而节省了53%的存储空间。表1所示即为Qe的分类。  （2） Renorm信号的产生  Renorm信号用来标记是是否执行Renormalization操作。该信号的产生电路如图4所示。通过比较判  决值D与MPS值也就是Index值低位即可判断当前编码模式。在编码模式CODELPS中，Renormalization  操作一定执行。而对于编码模式CODEMPS，在A-Qe<0.75的情况下，Renormalization操作才执行。  D  MP  S  Index[0]  =?  编码模式  1  A-Qe<0.75?  Renrom  图4 Renorm信号产生电路  （3） MASK信号生成的优化  编码器执行Byte-out操作之后，寄存器C的保留位由MASK信号决定，并得到终更新值。为了实  现Byte-out操作与寄存器C终更新的并行完成，本文对MASK信号生成电路进行优化。  1  *表中a、b、c表示每组当中各个Qe数值不同的位  MASK值被初始化为0xFFFFFFF，并根据Byte-out操作输出的字节数以及Flush信号进行移位更新。移位  有3种可能：输出1个压缩字节时的移位（shift_1）、输出2个压缩字节时的移位(shift_2)以及执行Flush操  作时的移位(shift_flush)。CT_add1表示第1个字节输出后CT被重置的值，CT_add2表示第2个字节输出  后CT被重置的值，两者都为7或8。LZ表示寄存A的前移0个数。  -  -  +  +  +  >>  0xFFFFFFF  MASK  MASK移位  次数  CT  寄存器  C移位  次数  CT_add1  Shift_1  Shift_2  CT_add2  Shift_Flush  1'b1  1'b1  图5 MASK信号生成电路  3.2 BPC 与MQ 编码器的接口设计  针对BPC输出的特点，本文设计了一种的接口设计。如图6（a）所示，BPC输出3种通道类型  的数据，经分开之后通过对应FIFO通道传递给的MQ编码器，3个通道的MQ编码器并行工作。  西安电子科技大学学报（自然科学版） 第 45 卷  http://www.xdxb。。ｎｅｔ  92  BPC  bpc out  sp  sp通道  写控制  模块  mrp通  道  写控制  模块  cp通道  写控制  模块  sp通道  FIFO  mrp通道  FIFO  cp通道  FIFO  读控制  模块  sp  读控制  模块  mrp  读控制  模块  cp  sp通道  FIFO输  出  mrp通道  FIFO  输出  cp通  道  FIFO  输出  接口设计  bpc out  mrp  bpc out  cp  MQ  编码器  sp  MQ  编码器  mrp  MQ  编码器  cp  fifo_0  write_fifo[0]=1  fifo_1  write_fifo[1]=1  fifo_2  write_fifo[2]=0  ……  fifo_n  write_fifo[n]=0  FIFO  写控制模块  待写入的  CXD_0  待写入的  CXD_1  start_point  读控制模块  read_fifo  先前存  储的  CXD对  (a) (b)  图6 BPC-MQ编码器连接设计  3.2.1  BPC输出特点  BPC通过3种不同的编码通道产生3种CXD对。3种编码通道分别为：重要性通道（Significance  Propagation Pass，SP）、幅度细化通道（Magnitude Refinement Pass，MRP）以及清除通道（Clean Up Pass，  CP）。3种CXD对有所差异，每个CXD对的高两位将用来指示其所属编码通道，可用来作为区分依据，  分开后的三种CXD对分别为bpc_out_sp、bpc_out_mrp以及bpc_out_cp。  3.2.2  接口设计  针对3种CXD对，接口设计包括三套FIFO通道，每套FIFO通道当中有多个fifo单元。fifo的数目  根据对应编码通道在单位时钟周期内所能产生大CXD对数目而定。由于BPC和MQ编码器存在吞吐率  差异，FIFO采用异步读写，配备了写控制模块和读控制模块。  写控制模块采用从低到高循环并行写入fifo的方式。如图6（b）所示，设置一个写信号“write_fifo”，  其位宽与fifo数目相同，每一位表示对应的fifo是否写入数据。同时设置一个写指针“start_point”，用来指  向下一个将要写入数据的空fifo。进入写控制模块的所有CXD对将并行写入对应空fifo当中。读控制模块  设置读指针“read_fifo”，每个时钟周期从所有fifo中取出一个并输出，然后在下一个周期指向下一个fifo。  4  结果  4.1 MQ 编码器  本文将提出的高性能MQ编码器在Xilinx Virtex 5 XC5VLX330 FPGA上进行验证。测试结果表明：该  MQ编码器能够取得大工作频率为181.434MHz，吞吐率达到181.434Msymbol/Sec，所用Slices数目为  210，关键路径延时为2.432ns。  MQ编码器通过查表的方式完成编码，一旦出现编码错误是难以恢复的。为了使得改进MQ编码器结  构能运用到JPEG2000编码器当中，必须保证改进结构功能的正确。为了验证预测模块的功能，本文采用  了Jasper作为验证标准。Jasper是一款JPEG2000编码器的开源软件，可以作为改进结构编码结果的参照。  本文采用的功能验证方案如图7所示。测试图像首先通过Jasper完成JPEG2000前期的预处理、离散小波  变换、量化、BPC编码过程，终生成CXD对数据存放于TXT文件当中。然后将数据文件导入至改进  MQ编码器当中进行编码，同时Jasper继续进行编码，终对比两者的编码结果来确定改进MQ编码器结  构是否能够正确完成编码。功能验证结果表明改进结构能完成编码，得到正确的压缩字节。  本文还将所提出的MQ编码器结构与部分文献的优化结构进行性能比较，对比结果如表2所示。为了  提高对比的全面性，本文引入了FoM参数，其计算公式如公式（1）所示，公式当中的Throughput表示编  码器吞吐率，Slices/LEs表示编码器所用Slice或者LE的数目，Memory(bits)表示编码器所用存储资源大小。  为了保证结果的准确性，比较双方均使用同样的FPGA。  第 3 期 陈超伟等：应用于 JPEG2000 的高性能 MQ 编码器 VLSI 设计  http://www.xdxb。。ｎｅｔ  93  原始图像  Jasper完成预处理、  离散小波变换、  量化、  位平面编码  CXD对  改进  MQ编码器  结构  Jasper  比较  图7 改进MQ编码器结构验证方案  ( )  /  16  Throughput  FoM  Memory bits  Slices LEs  =  +  （1）  表2 编码器性能比较  架构  FPGA  大工作频率  （MHz）  所用  Slices/LEs数目  所用存储  （bits）  大处理  CXD数目  吞吐率  （MSymbol/sec）  ]未提供所用存储数据，无法计算FoM，故表中未列出比较  *文献[1]的结构在输入的两个CXD对相同的情况下，无法实现并行编码，吞吐率下为高值的一半（155.95）。  4.2 Tier 1 编码  本文将提出的MQ编码器运用到Tier 1编码当中，并在Xilinx Virtex 5 XC5VLX330 FPGA上进行验证。  通过多份测试数据统计表明，大部分位平面均能通过BPC产生3个编码通道的CXD对，因此3个MQ编  码器可以并行工作，从而实现Tier 1编码吞吐率的3倍提升。但部分位平面会出现个别编码通道不产生CXD  对的情况。此时，无CXD对输入的MQ编码器没有工作，Tier 1整体编码吞吐率未达到理想值。

 5  结果 

本文提出了一种运用于JPEG2000的高性能MQ编码器。通过Index预测等优化方法，实现编码速度  提升以及存储消耗的减少。同时，本文还将提出的MQ编码器运用到Tier 1编码当中，提出一种的接 口设计来实现BPC和MQ编码器的并行工作。

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涡轮

· 型号9600C

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王水虎

· 系列9700

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电动关闭耦合

· 系列9940-9700NRL

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饰品

· 拯溺密封

· 水疗

· 通用法兰垫片

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输送泵

HYPRO自吸离心泵轻松处理大，容量大，液体转移作业。用于传输水，液体肥料，并与泵的材料兼容的其他化学品。

使短期工作的其他工作：*护士坦克，浇灌苗床，转移液体。

滚柱泵

HYPRO辊泵所有的周围选择一个由世界各地的农民。滚筒（4至8，取决于型号）旋转泵内的住房，强行通过出口喷嘴喷雾解决方案。滚子泵有一个初始成本低，用途极其广泛。他们的有效运作，在540和1000 rpm的动力输出速度，并具有广阔的压力范围可达300 psi和2至74 GPM流速。滚柱泵是自吸，很容易适应PTO或燃气发动机驱动。具体的印章，滚筒和铸造材料可以选择某些除草剂，杀虫剂，杀菌剂和肥料的兼容性。

泵

SHURflo 8000系列是SHURflo上使用广泛的农用水泵。

SHURflo 2088系列隔膜泵在高流动性，适度的压力应用提供可靠的性能。

的SHURflo SLV的是小批量，间歇性重型应用要求低功耗的紧凑型泵的理想。

8000系列

· 自动按需 - 12 VDC

· 自动按需 - 115 VAC

· 自动按需 - 12 VDC电气包装

· 绕过 - 12伏直流

· 绕道 - 115伏

· 旁路电包 - 12 VDC

· 无控制 - 12 VDC

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系列2088

· 自动按需 - 12 VDC

· 自动按需 - 115 VAC

· 自动按需 - 12 VDC电气包装

· 无控制 - 12 VDC

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系列SLV的

· 自动按需 - 12 VDC

· 自动按需 - 24 VDC

· 无控制 - 12 VDC

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特种泵

· 9300系列潜水

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