基于Q-Coder算術編碼器的IP核設計與仿真

1 概述

　　JPEG2000[1,2]是新的靜止圖像壓縮標準，它具有的多種特性使得它有著廣泛的應用前景。目前為止，JPEG2000的解決方案比較少，并且其中的絕大部分是軟件解決方案：Jasper[3]軟件是經IEC JTC1/SC29/WG1小組推薦使用的實現JPEG2000的為數不多的軟件之一。

　　由于軟件實現JPEG2000的時間開銷比較大，因此，JPEG2000編碼系統很難應用于實際系統中;硬件解決方案由于處理速度大大提高，因而用硬件實現JPEG2000具有廣泛的市場前景。但是，JPEG2000算法復雜，完全用硬件實現比較困難;然而使用硬件實現JPEG2000中的某些模塊，相對而言就比較容易實現，同時也能大大提高編碼效率。

　　圖1為JPEG2000的幾個基本模塊。文獻[4]指出，軟件處理中，圖1中的算術編碼模塊的時間開銷占據了整個軟件時間開銷的40%左右，若使用硬件實現算術編碼模塊必然能大大提高編碼速度，對于提高JPEG2000的編碼速度有著重要的意義。

　　2 Q-Coder算術編碼器原理

　　Q-coder算術編碼是一種特殊的高效自適應二進制算術編碼器。其輸入是成對待編碼數據D(DATA)以及上下文CX(CONTEXT)，數據D和上下文CX是由比特平臺(bit plane)[1]產生的;輸出則是壓縮數據CD(COMPRESSED DATA)。在JPEG2000中，上下文指D周圍8個相鄰比特的狀態(tài)，這些狀態(tài)被特定的規(guī)則劃分為19類，稱為19種上下文。每種上下文都包含兩部分內容，一部分選擇了對數據D編碼時使用的概率估計值對應的索引，另一部分決定了當前大概率符號所代表的符號，這兩部分內容將在編碼后被更新。

　　2.1 區(qū)間的遞歸劃分

　　概率區(qū)間的遞歸劃分是二進制算術編碼的基礎。每執(zhí)行一次二元判定，當前概率區(qū)間就被劃分成為兩個子區(qū)間，并在必要的時候修改輸出碼流，使之指向該符號所在的概率子區(qū)間的下界。

　　在區(qū)間劃分時，小概率符號的子區(qū)間和大概率符號的子區(qū)間這樣排序：通常取靠近0的區(qū)間作為MPS的子區(qū)間，因此，若編碼的是MPS，則應向輸出碼流中加入LPS子區(qū)間的長度。這種約定要求把編碼的符號區(qū)別為LPS或MPS，而不是0或者1。因此在對一次二元判定編碼時，必須知道該判定的LPS子區(qū)間的長度和MPS的含義。

　　2.2 編碼約定和近似計算

　　Q-coder算術編碼器設置兩個寄存器：一個是概率區(qū)間寬度寄存器A，用于存放子區(qū)間的寬度，另一個是碼字寄存器C，用來表示概率區(qū)間的下限。編碼過程使用固定精度的整數運算和小數的整型表示形式，即X‘8000’代表十進制小數0.75。概率區(qū)間A的范圍是，并且當A的整型值小于X‘8000’時，把A翻倍，即把A限制在十進制范圍0.75–1.5之間，這個“翻倍”過程稱為重整化。當A進行重整化時，C也必須同時翻倍。為了防止寄存器C發(fā)生上溢，每隔一段時間，應將寄存器C的高位部分移出并送至另外的寄存器中。

　　將A限制在十進制范圍0.75~1.5之間，概率區(qū)間的劃分可以使用簡單的算術近似方法。如果LPS當前的概率估計值是，則子區(qū)間的精確計算如下進行：

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