基于FPGA圖像分塊解碼的系統(tǒng)設(shè)計

楊 揚，鄧家先，劉文進

（海南大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228）

0 引言

為了快速、準確地傳輸圖像信息，實現(xiàn)高速圖像編解碼，采用FPGA實現(xiàn)圖像編解碼，速度快、集成度高、可移植性強、容易實現(xiàn)大規(guī)模的系統(tǒng)，而且支持并行和流水線結(jié)構(gòu)，它主要應(yīng)用于衛(wèi)星、醫(yī)學(xué)、通信、生物等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計中，由于FPGA開發(fā)板的集成度不高、內(nèi)部資源有限，只能采用外掛RAM的形式對處理數(shù)據(jù)進行存儲和緩存，處理速度慢，占用資源也較大；而現(xiàn)在的FPGA集成度高，內(nèi)部資源也比較大，采用內(nèi)部的IP核實現(xiàn)片內(nèi)存儲和緩存，以圖像分塊處理的方式且采用多路并行[1-2]和流水線結(jié)構(gòu)，大大節(jié)約了硬件資源，提高處理速度，真正實現(xiàn)圖像高速解碼，保證了圖像高速解碼的實時性和正確性。

在圖像解碼前需要對圖像進行預(yù)處理，如頭文件處理，頭文件是處理圖像的一些附加信息，如壓縮包頭、圖像塊號、壓縮標識、圖像精度等。在對壓縮碼流進行檢測時，需要檢測壓縮包頭，通過標識符來識別碼流路數(shù),而有的信息需要提取，如圖像壓縮比、精度、高、寬；有的需要剔除，如特殊標識，這就需要對輸入的壓縮碼流進行正確的檢測，檢測模塊輸出的是剔除了無用信息和標識的碼流信息，最后送到解碼模塊進行多路并行解碼。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 一般的FPGA結(jié)構(gòu)設(shè)計

在以前的工程領(lǐng)域中，通常采用順序的多路解碼的方法。即在對圖像數(shù)據(jù)進行緩沖完后，依次在各個模塊中進行數(shù)據(jù)處理。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一般的結(jié)構(gòu)框

這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是占用的硬件資源少。但這種設(shè)計方法的致命缺陷是，每次處理都必須檢測輸出的碼流完全存入緩存RAM后，才能對啟動解碼模塊進行解碼，非常浪費讀寫RAM的時間，而且不能實現(xiàn)檢測與解碼同時進行。限于FPGA和RAM的接口帶寬，其處理速度不可能太高，而且占用的外掛RAM資源較大。

1.2 改進的分塊解碼結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對一般的順序多路解碼方法的缺陷，充分利用Xilinx公司的Virtex-5系列的FPGA[3]資源大、集成度高等特性，設(shè)計了一種采用1路檢測多路并行解碼方式，節(jié)約了硬件資源，而且不需將碼流完全存儲完，直接通過能同時讀寫的異步FIFO進行緩存，實現(xiàn)檢測與解碼同時進行，并采用多路并行和流水線操作，使解碼速度更快。系統(tǒng)選用VHDL硬件描述語言對JPEG-LS圖像壓縮標準[5-6]的解碼功能進行RTL級描述，并在集成開發(fā)環(huán)境ise11.1下，進行綜合優(yōu)化、實現(xiàn)、配置，同時使用專業(yè)仿真工具Modelsim6.5完成行為和時序仿真。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 改進的結(jié)構(gòu)框

系統(tǒng)設(shè)計的基本思路：將一幅圖像數(shù)據(jù)分成8塊的壓縮碼流，依次送入檢測模塊進行碼流的檢測，對包頭進行處理，通過檢測到的有關(guān)信息和圖像塊號，根據(jù)圖像塊號，將處理后的碼流順序存入選中的FIFO中進行緩存，緩存完后，經(jīng)FIFO控制信號的選擇，進入多路并行圖像碼流的解碼模塊進行解碼，每一路解碼對應(yīng)一幅圖像中的1塊，采用并行結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一幅圖像的8塊并行解碼，處理后的碼流經(jīng)FIFO緩存后，通過DDR2接口控制器送入外掛RAM中進行碼流拼接，拼接存儲和處理后輸出到顯示設(shè)備上，而且采用流水線操作實現(xiàn)N幅圖像的連續(xù)解碼。

1.3 流水線操作技巧

流水線操作[7]的最大特點是，數(shù)據(jù)流在各個步驟的處理從時間上看是連續(xù)的。流水線設(shè)計的一個關(guān)鍵在于整個設(shè)計時序的合理安排，要求每個操作步驟的劃分合理。如果前級操作時間恰好等于后級的操作時間，設(shè)計最為簡單，前級的輸出直接匯入后級的輸入即可；如果前級操作時間大于后級的操作時間，則需要對前級的輸出數(shù)據(jù)適當緩存才能匯入到后級輸入端；如果前級操作時間恰好小于后級的操作時間，則必須通過復(fù)制邏輯，將數(shù)據(jù)流分流，或者在前級對數(shù)據(jù)采用存儲、后處理方式，否則會造成后級數(shù)據(jù)溢出。

1.4 檢測模塊設(shè)計

由于解碼模塊解碼需要的時間遠比檢測模塊耗費的時間多，設(shè)計中所耗費的時間主要都來源于解碼模塊的解碼，所以這里并沒有采用8路檢測模塊進行檢測，只采用1路檢測模塊，節(jié)約了硬件資源，降低了設(shè)計的復(fù)雜度，通過測試總體花費的時間并沒有增加，這也是分塊圖像解碼優(yōu)勢之一。例如，選用100幅圖像來進行測試，對每一幅圖像進行分塊，都按照一幅分8塊原則，當選擇8路檢測模塊時，第一幅圖像碼流送到第一路檢測模塊檢測完后，再送入解碼模塊進行解碼，解碼需要耗費大量時間，在第2路檢測模塊檢測完后需要等待上一路的解碼結(jié)束，這與用1路檢測模塊檢測相比，沒有明顯的優(yōu)勢，反而增加了硬件資源和設(shè)計復(fù)雜度。檢測模塊的模塊圖如圖3所示。

圖3 檢測模塊

1.5 緩存模塊設(shè)計

在設(shè)計中，存在不同時鐘域的數(shù)據(jù)傳輸問題，即數(shù)據(jù)由某一個時鐘域的控制信號寫入，而由另一個時鐘域的控制信號讀出。解決這個問題比較好的方案是使用異步FIFO來做不同時鐘域的數(shù)據(jù)傳輸?shù)木彌_區(qū)，這樣既可以使不同時鐘域的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序要求變得寬松，也提高了它們之間的傳輸效率。在這里，使用FPGA的集成開發(fā)環(huán)境ise11.1自帶的IP核[4]，可降低設(shè)計復(fù)雜度和提高綜合效率。使用IP核來產(chǎn)生異步時鐘的FIFO來對檢測和解碼后的碼流進行緩存，生成的FIFO的位寬、深度及其他參數(shù)需要根據(jù)圖像的大小來合理的配置，選擇時遵循無碼流溢出原則。例如，在實現(xiàn)多路并行解碼時，選用高度為64位，寬度為512位，精度為10位的圖像壓縮碼流，F(xiàn)IFO緩存碼流的位深為64×512=32 768位，用于檢測后緩存的FIFO位寬需8位，而用于解碼后緩存的FIFO位寬需11位。在FIFO的控制時，需要準確控制FIFO的讀、寫、空、滿信號的時序，否則會出現(xiàn)碼流的頭或尾數(shù)據(jù)丟失，從而導(dǎo)致解碼模塊解碼出錯。

1.6 解碼模塊設(shè)計

[8]。在整個系統(tǒng)中，解碼過程耗費的時間和占用的硬件資源主要來源于解碼模塊，所以合理設(shè)計的解碼模塊在整個設(shè)計中起著關(guān)鍵性的作用。考慮到這個問題，該系統(tǒng)使用圖像分塊解碼，并使用并行流水線操作。基本過程：假設(shè)總共有100幅原始圖像，將每一幅圖像壓縮成8塊碼流后送入檢測模塊進行檢測，當檢測到的圖像塊號為1，且FIFO的讀和空信號有效時送入第1路FIFO緩存，緩存后的碼流在FIFO的寫和滿信號有效時將碼流送入第1路解碼模塊進行解碼，解碼后通過FIFO緩存送入RAM，為碼流拼接做準備；當檢測到的圖像塊號為2，且在FIFO的讀和空信號有效時送入第2路FIFO緩存，緩存后的碼流在FIFO的寫和滿信號有效時將碼流送入第2路解碼模塊進行解碼，解碼后再通過FIFO緩存送入RAM，為碼流拼接做準備，當圖像塊號為3,……,8時操作同上，這樣就實現(xiàn)了8路并行解碼。在8路解碼模塊解碼沒有結(jié)束時，第2幅圖像碼流又緩存到8路FIFO中等待，等到第一幅圖像解碼結(jié)束立即啟動第二幅圖像的解碼，充分利用流水線結(jié)構(gòu)操作，實現(xiàn)了高速解碼。解碼模塊的模塊圖如圖4所示。

圖4 解碼模塊

2 綜合與仿真

系統(tǒng)實現(xiàn)了JPEG-LS標準的解碼器，完成了從原始圖像壓縮碼流到解碼輸出顯示的全過程。分塊的壓縮碼流用C程序?qū)⒋a流寫入文件，并加入相關(guān)的頭文件信息，設(shè)計采用大小為512×64，精度為10的圖像進行測試仿真，選其一幅圖像中壓縮好的一塊，將其復(fù)制成8塊，以便于數(shù)據(jù)的驗證。在ise11.1設(shè)計平臺下，對設(shè)計系統(tǒng)進行綜合,最大綜合頻率達到136.766 MHz，最大綜合延時僅為3.606 ns，完全滿足實時性要求。

通過專業(yè)仿真工具Modelsim6.5對系統(tǒng)進行測試，各個模塊的仿真結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

經(jīng)過系統(tǒng)分塊并行解碼和重構(gòu)，得到的結(jié)果如圖8所示。經(jīng)測試，解碼后圖像與原始圖像幾乎無失真。

圖5 檢測模塊輸入和輸出碼流

圖6 FIFO緩存模塊碼流

圖7 解碼模塊8路并行解碼輸出碼流

圖8 原始和解碼重構(gòu)圖像

3 結(jié)語

這里系統(tǒng)設(shè)計的基于FPGA的圖像分塊解碼實現(xiàn)方法比傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法在處理速度方面有了很大的提高，特別是在對連續(xù)圖像、數(shù)據(jù)量非常大的衛(wèi)星圖像進行處理時，效果更好。從仿真結(jié)果知，設(shè)計系統(tǒng)通過FPGA實現(xiàn)了圖像分塊的多路并行解碼，整個系統(tǒng)的綜合頻率達到136.766 MHz，采用多幅圖像進行測試，取得了很好的效果。仿真數(shù)據(jù)結(jié)果與通過C程序在軟件平臺上對壓縮碼流進行同樣解碼，再將C程序的解碼的碼流和這里系統(tǒng)解碼的碼流進行了嚴格的對比，完全一致。此硬件系統(tǒng)解碼速度很快，完全滿足系統(tǒng)的準確性和實時性。

參考文獻

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