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维普资讯 · 38· 遥 测 遥 控 2005年 9月 JPEG2OOO算术编码的研究及其 FPGA设计 李文彬 朱 红 (西安 电子科技大学模式识别与智能控制研究所 710071) 文 摘 讨论 JPEG2000标准中算术编码器的硬件实现问题，提出一种适合静止图像 实时处理的FPGA设计，并对 其作仿真验证。该设计使用VHDL语言进行描述，并以XilinxVertex1I系列中的xc2v250—6fg256器件为基础，在 ise6．1 完成综合，用Modelsim5．7进行后仿真。综合器件最高工作时钟 103MHz。分析表明，该设计能满足JPEG2000框架下灰 度 图静态压缩的实时处理要求。 主题词 JPEG2000 算术编码 图像压缩 FPGA 引 言 算术编码 (ArithmeticCoding)的概念最早是由J．Rissanen在 1976年 以 “后入先出(LIFO)”的编码形 式引入的。1979年 ，他和G．G．Langdon将其系统化，由于可以省去乘法，因而处理简单，适于硬件实现。 1981年，他们又将其推广用于二值图像编码 J。对于二元平稳的马尔可夫信源，效率可高于95％。图像 编码国际标准JPGE2000、JPEG及JBIG都包含了二进制算术编码的内容。 算术编码技术 的卓越性能使其在多媒体领域得到了越来越广泛的应用。在新一代静止图像压缩 标准JPEG2000 中，提高图像压缩性能的关键技术之一就是基于上下文的自适应算术编码。与其它熵编 码方法相 比，算术编码能够取得更好的压缩效果。美 中不足的是，它的算法复杂度相对有所增加。 可以说，JPEG2000在算术编码 的设计中运用了很多技巧。本文就是在对算术编码进行具体的分析● 后，结合静态图像实时处理的应用，提出了一种高速的硬件设计方法，并对其进行仿真验证。 厂， l JPEG2000算术编码 1．1 自适应二进制算术编码的基本原理 JPEG2000图像压缩标准 中采用的是基于上下文矢量的自适应二进制 MQ算术编码。 1．1．1 二进制编码 递归概率区间分割的ELIAS编码是二进制算术编码的基础 。根据每 个二进制位，把当前概率区间细分成两个子区间?同时根据需要对码流进 行修改，使它指 向所选概率区间的底端 。 算术编码器 并不是把概率区间直接赋给输入符号 0或 1，而是赋给 ～Ⅱ’S 大概率符号MPS和小概率符号LPS。把当前区间A分为两个子区间时， 大概率符号 MPS的区间位于小概率符号 LPS的区间之上，如图 1所示。 所以，当对MPS进行编码时，LPS子间隔就被加到编码 串上。因而对每一 LPS 位进行编码时，必须预先知道 LPS子间隔的大小和MPS的代表符号。 编码过程就是对输入的每一位进行判定，不断地改变编码串c的值， 使它指向当前问隔底端=所以编码过程用二进制分数加法代替整数码字 图 1 区间分割 的串加，概率越大的二进制位可以用分数位进行编码，从而减少编码 的位 数，达到压缩的效果 收稿 日期：2004-07—13 收修改稿 日期：2004一lO一29 维普资讯 第26卷第 5期 JPEG2000算术编码的研究及其FPGA设计 ·39· 在JPEG2000中，为了运算简单以及适用于硬件实现，采用固定精度 的整数运算。用一个整数来代表 分数，如用 ox8000代替0．75，并通过移位使A保持在0．75～1．5的区间上。这样做的目的是为了在进行 区问细分时，进行简单的数学近似。假设 A为当前问隔，而Q 为LPS的估计概率。那么对间隔进行准确 的划分，必须满足以下式子：