隨著多媒體技術(shù)的蓬勃發(fā)展，視頻編解碼技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，人們先后制定了多個(gè)數(shù)字圖像視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)。其中JPEG仍然是目前最流行的靜止圖像壓縮格式，在手持設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)中有廣泛的應(yīng)用。JPEG（Joint Picture Expert Group）是壓縮靜態(tài)圖像的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它的主要應(yīng)用是以壓縮的形式存儲(chǔ)和傳輸靜態(tài)圖像，因此它在數(shù)字圖像、數(shù)碼相機(jī)、網(wǎng)頁(yè)嵌入式圖像和許多其它的領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。隨著移動(dòng)終端、多媒體、Internet網(wǎng)絡(luò)、通信以及圖像掃描技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)圖像數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高，用軟件壓縮數(shù)據(jù)的方法已經(jīng)難以達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。所以用硬件實(shí)現(xiàn)圖像處理算法已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)，也成為目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和低功耗應(yīng)用，本文提出了一種帶有時(shí)鐘管理機(jī)制的并行、全流水結(jié)構(gòu)的JPEG解碼器實(shí)現(xiàn)方案。

　　1 JPEG解碼算法

　　JPEG（Joint Photographic Experts Group）是一種適用范圍很廣的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG壓縮是一種有損壓縮，它利用了人的視覺(jué)系統(tǒng)特性，使用量化和無(wú)損壓縮編碼相結(jié)合的方式去掉視覺(jué)的冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息。JPEG解碼器包括：霍夫曼（Huffman）解碼、反量化（IQ）和IDCT變換。在JPEG中，對(duì)于圖像的解碼是分塊進(jìn)行的。整個(gè)圖像被劃分為若干個(gè)8×8的數(shù)據(jù)塊（MCU），每1個(gè)塊對(duì)應(yīng)于原圖像的1個(gè)8×8的像素陣列。各行的編解碼順序從上到下，行內(nèi)的編解碼順序從左到右［1］。

　　2 并行Huffman解碼器

　　HUFFMAN編碼又稱哈夫曼編碼，是一種可變長(zhǎng)編碼方式，是由美國(guó)數(shù)學(xué)家David Huffman創(chuàng)立的，是二叉樹(shù)的一種特殊轉(zhuǎn)化形式。編碼的原理是：將使用次數(shù)多的代碼轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度較短的代碼，而使用次數(shù)少的可以使用較長(zhǎng)的編碼，并且保持編碼的唯一可解性。Huffman算法的最根本的原則是：累計(jì)的（字符的統(tǒng)計(jì)數(shù)字*字符的編碼長(zhǎng)度）為最小，也就是權(quán)值（字符的統(tǒng)計(jì)數(shù)字*字符的編碼長(zhǎng)度）的和最小。

　　Huffman編碼后代碼的長(zhǎng)度不一致，如果解碼器用串行技術(shù)實(shí)現(xiàn)，由于其代碼長(zhǎng)度不一致，解1個(gè)碼字所需的周期數(shù)也不一樣。對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，串行技術(shù)的效率比較低。另外，如果數(shù)據(jù)在傳播過(guò)程中被噪聲中斷，整組數(shù)據(jù)就變得沒(méi)有價(jià)值了。針對(duì)這兩方面的問(wèn)題，本文提出如下的解決方案。如圖1所示為Huffman解碼的主要元件和算法流程。

　　算法流程：從輸入端獲取32位的壓縮圖像數(shù)據(jù)，分析輸入的數(shù)據(jù)流，判斷出碼長(zhǎng)，把輸入的數(shù)據(jù)移位，同時(shí)從輸入端補(bǔ)充新的數(shù)據(jù)。輸入的數(shù)據(jù)通過(guò)Huffman表翻譯成原始數(shù)據(jù)，提取出數(shù)據(jù)流中嵌入的符號(hào)位，經(jīng)過(guò)一系列的除法、減法運(yùn)算后得到編碼前的頻率數(shù)據(jù)，與之前得到的符號(hào)位合并后輸送到輸出緩存。

　　本文采用的算法靈活地利用了Huffman表的特點(diǎn)，消除了算法中的乘法運(yùn)算，完成碼長(zhǎng)的判斷只需要1個(gè)周期。把碼表的數(shù)據(jù)按照碼長(zhǎng)分類從小到大排列，再把碼長(zhǎng)相同的數(shù)據(jù)按照碼字的大小從小到大排列。每張表按照排列后的順序把碼字對(duì)應(yīng)的解碼結(jié)果DR（Decoding Results）存入到ROM中。這樣既有利于查表，需要的ROM也是最小的，符合低功耗要求。查表的地址發(fā)生器由“長(zhǎng)度匹配”模塊傳遞到的碼長(zhǎng)得到1個(gè)基地址，碼長(zhǎng)從輸入數(shù)據(jù)中截取連續(xù)的幾個(gè)與碼長(zhǎng)相同位數(shù)的bit作為偏移地址，2個(gè)地址相加就是DR保存的地址［2］。

　　因關(guān)鍵bit出現(xiàn)的位置都是在碼字的最后幾位，因此根據(jù)碼長(zhǎng)將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行移位，使關(guān)鍵bit的最后1位出現(xiàn)在第n位，移位的結(jié)果只輸出第n位以前的幾個(gè)bit，這樣的電路只需要1個(gè)只受碼長(zhǎng)控制的桶形移位寄存器。另外，再為每張表產(chǎn)生1個(gè)1串0加上1串1的地址修正串，有幾個(gè)關(guān)鍵bit就有幾個(gè)1，這部分電路邏輯簡(jiǎn)單且占用的電路不多。用這個(gè)地址修正串和桶形移位寄存器的輸出做一個(gè)“與”邏輯運(yùn)算，得到的就是正確的偏移地址。由于Huffman表需要的最長(zhǎng)bit是9位，碼長(zhǎng)最大為19位，所以本文設(shè)計(jì)了1個(gè)19位輸入、9位輸出的桶形移位寄存器。改進(jìn)后的電路面積縮小到改進(jìn)前的50%左右。

　　3 IDCT處理器

　　逆向離散余弦變換IDCT（Inverse Discrete Cosine Transform）電路的總體實(shí)現(xiàn)框圖和其中的2D IDCT框圖如圖2所示。DCT系數(shù)經(jīng)過(guò)反量化和反掃描電路處理后輸入到IDCT的緩存器，由全局控制電路控制輸入到2D IDCT單元及將最終變換好的數(shù)據(jù)送到輸出緩存器中，發(fā)送Ready信號(hào)到運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償單元，通知該單元可以讀出IDCT數(shù)據(jù)。2D IDCT單元進(jìn)行2次1D IDCT運(yùn)算，首先進(jìn)行基于行的1D IDCT，然后將第1次IDCT的中間結(jié)果經(jīng)轉(zhuǎn)置存儲(chǔ)器進(jìn)行轉(zhuǎn)置處理和緩存，再進(jìn)行基于列的1D IDCT變換，得到最終的IDCT變換結(jié)果［3］。

　　IDCT設(shè)計(jì)中使用了零值判斷邏輯電路、門(mén)控時(shí)鐘、并行流水線等技術(shù)，使得整個(gè)電路在滿足處理速度和精度要求的基礎(chǔ)上大大降低了功耗。

　　3.1 零值判斷邏輯電路

　　在整個(gè)圖像解碼過(guò)程中，每8×8個(gè)數(shù)據(jù)塊中有約90%的數(shù)據(jù)的DCT系數(shù)為零，對(duì)這些零值進(jìn)行IDCT變換并無(wú)意義。因此，本設(shè)計(jì)添加了零值判斷邏輯來(lái)消除不必要的乘法運(yùn)算。零值判斷邏輯電路由8×8累加器陣列、零值判斷邏輯模塊和復(fù)選器MUX構(gòu)成。通過(guò)零值邏輯模塊判斷，當(dāng)操作數(shù)不全為零時(shí)，使能信號(hào)變成高電平，將操作數(shù)取到寄存器中，然后再進(jìn)行乘法運(yùn)算。如果操作數(shù)全為零，則封鎖累加陣列，直接通過(guò)MUX輸出0.零值判斷邏輯能有效地降低功耗，且電路簡(jiǎn)單，面積與延遲時(shí)間幾乎可以忽略不計(jì)。

　　3.2 基于鎖存器的門(mén)控時(shí)鐘

　　鎖存器（Latch）是一種對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。鎖存，就是把信號(hào)暫存以維持某種電平狀態(tài)。鎖存器的最主要作用是緩存，其次完成高速的控制其與慢速的外設(shè)的不同步問(wèn)題，再其次是解決驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，最后是解決一個(gè) I/O 口既能輸出也能輸入的問(wèn)題。

　　通過(guò)控制電路的輸入時(shí)鐘可以使得一部分電路降低工作頻率或者停止工作，從而降低整個(gè)電路的功耗。2D DCT/IDCT的電路主要由3部分組成：1D DCT/IDCT單元、轉(zhuǎn)置存儲(chǔ)器、輸入輸出處理單元。

　　轉(zhuǎn)置存儲(chǔ)器部分只有在每次1D DCT/IDCT處理的最后才進(jìn)行更新，而輸入輸出處理單元只有在數(shù)據(jù)輸入輸出的時(shí)候才工作。因此，控制這幾部分電路的輸入時(shí)鐘，使其在大多數(shù)時(shí)間停止工作即可以有效地降低功耗。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，在面積僅增加2%的情況下系統(tǒng)功耗可降低13%.

　　基于鎖存器的門(mén)控時(shí)鐘可以實(shí)現(xiàn)上述功能，它具有不需要數(shù)據(jù)選擇器、面積較小、可以減小時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)上電容、減少門(mén)控寄存器的內(nèi)部功耗等優(yōu)點(diǎn)。鎖存器門(mén)控時(shí)鐘電路及時(shí)序如圖3所示。

　　3.3 并行流水線

　　本設(shè)計(jì)使用加法和移位運(yùn)算代替IDCT快速算法中的浮點(diǎn)乘法運(yùn)算單元，用高度并行流水線VLSI結(jié)構(gòu)加快數(shù)據(jù)處理速度，其處理數(shù)據(jù)的時(shí)間不到串行結(jié)構(gòu)的1/5.因此，時(shí)鐘頻率可以相應(yīng)地降低到串行結(jié)構(gòu)的1/5左右，從而降低系統(tǒng)的功耗。例如，使用2個(gè)16×8的乘法器同時(shí)并行計(jì)算高位部分和低位部分，分別得到高位部分積和低位部分積，然后進(jìn)行移位相加。實(shí)現(xiàn)電路運(yùn)算時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間重疊、資源重復(fù)使用和資源共享，提高了系統(tǒng)的并行性，以此提高了乘法電路的運(yùn)行速度和效率。

　　4 仿真和綜合結(jié)果

　　本文選用1幅1 920×1 080大小的JPEG圖像，Modelsim進(jìn)行RTL級(jí)仿真后的波形如圖4所示。圖中JPEG_DATA是碼流數(shù)據(jù)，OutR、OutG、OutB是解碼仿真結(jié)果［4］。在100 MHz的頻率下對(duì)解碼核心模塊進(jìn)行綜合［5］，結(jié)果如表1所示。

　　本文有別于以往用軟件實(shí)現(xiàn)JPEG解碼，而是在用硬件實(shí)現(xiàn)JPEG解碼的同時(shí)，改進(jìn)硬件結(jié)構(gòu)，通過(guò)多種易于操作的方法來(lái)降低硬件解碼能耗。通過(guò)EDA工具驗(yàn)證，完全可以滿足JPEG圖像硬件解碼的要求。