作者：易峰;何劍輝;全子一

JPEG2000基于小波變換，具有優(yōu)秀的圖像壓縮性能，支持更高的比特位深，支持質(zhì)量漸進(jìn)模式、適當(dāng)?shù)木幋a和碼流設(shè)計(jì)，從而具有更強(qiáng)的誤碼魯棒性。而基于JPEG2000的MOTION MJPEG2000用于運(yùn)動(dòng)圖像的壓縮，繼承了JPEG2000的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于沒有采用幀間預(yù)測(cè)和補(bǔ)償，其硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度要比MPEG2小得多，因此MJPEG2000能廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、高誤碼率環(huán)境、視頻采集、專業(yè)廣播和膠片轉(zhuǎn)靈的高質(zhì)量數(shù)據(jù)視頻錄像、高分辨率醫(yī)學(xué)圖像或衛(wèi)星遙感圖像等方面。

1 JPEG2000簡(jiǎn)介

JPEG2000的編碼框圖如圖1。

JPEG2000基于小波變換，放棄了離散余弦變換的區(qū)塊編碼方式，采用以小波轉(zhuǎn)換為主的多分辨率的編碼方式，將圖像分解成不同分辨率。每種分辨包括四種子帶：水平和垂直方向都低通的LL子帶、水平高通垂直直低通的HL子帶、水平低通垂直高速的LH子帶、水平和垂直方向都是高速的HH子帶。每種分辨率與子帶對(duì)圖像的重構(gòu)貢獻(xiàn)不一樣。根據(jù)小波分解后小波系數(shù)的特點(diǎn)。JPEG2000采用了

最佳截?cái)?a target="_blank">嵌入式碼塊編碼EBCOT對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行編碼，EBCOT將小波分解后的子帶分成互不重疊的編碼塊（例如塊的大小64x64），然后對(duì)每個(gè)編碼塊的系數(shù)進(jìn)行獨(dú)立的比特層編碼，對(duì)每個(gè)比特層都用重要性傳播過程掃描、幅度精確過程掃描和精理過程掃描三種方式；接著對(duì)每種掃描的結(jié)果采用四種編碼方式：重要要性編碼、符號(hào)編碼、幅度精練編碼和精理編碼。這些編碼都采用基于上下文的MQ算術(shù)編碼，因此每個(gè)編碼塊都獨(dú)立生成一個(gè)編碼流，然后根據(jù)后壓縮率失真優(yōu)化PCRT-opt算法將每個(gè)編碼流分成若干段，每段碼流長(zhǎng)度失真長(zhǎng)度斜率從大到小排列，可以將大于某個(gè)失真長(zhǎng)度斜率的所有編碼塊的編碼流組合在一起形成一個(gè)質(zhì)量層。EBCOT的最大特點(diǎn)就是鈄位流的生成和組合分開進(jìn)行，這樣可根據(jù)需要靈活處理碼流的生成。

運(yùn)動(dòng)JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)是在JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的第三部分定義的，稱為MJPEG2000，其文件格式如圖2所示。MJP2可以在一個(gè)文件里包含一系列JPEG2000圖像和時(shí)序，還可以容納背景聲音和元數(shù)據(jù)。用戶可以編輯、顯示、交換和流媒體化圖像序列。Motion JPEGL2000是一種針對(duì)圖像序列的標(biāo)準(zhǔn)，在一個(gè)單獨(dú)編解碼器中同時(shí)支持無損和有損壓縮。它允許一個(gè)或多個(gè)JPEG2000壓縮圖像序列，與聲音、元數(shù)據(jù)同步后，存儲(chǔ)為MJ2的文件格式。

JPEG2000標(biāo)志主要說明這個(gè)編碼流符合JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)，“文件類型”用來更具體說明這個(gè)碼流的文件格式，如JP2格式、MJP2格式等。MJ2 moov box主要包含MJ2中的視頻、音頻的一些解碼所需的描述信息。而mdata box則包含實(shí)際的視頻、音頻壓縮數(shù)據(jù)和一些元數(shù)據(jù)。JPEG2000編碼流就是視頻預(yù)序列中的每幀的JPEG2000碼流。

2 ADV202結(jié)構(gòu)

通過JPEG2000的編碼過程知道，小波變換、EBCOT最優(yōu)截?cái)嗲度胧綁K編碼（上下文的MQ算術(shù)編碼、后壓縮率失真優(yōu)化和碼流打包）是JPEG2000的主要編碼步驟ADV202采用小波編碼模塊處理小波變換、三個(gè)熵編碼模塊處理MQ算術(shù)編碼，另外用RISC處理器實(shí)現(xiàn)了JPEG2000碼流的打包。這樣的分工模式極大地提高了JPEG2000的編碼速度。ADV202支持9/7和5/3小波變換，最高支持6級(jí)變換，三分量4:2：2隔行模式最大支持2048像素，單分量模式最大支持4096像素；最大圖像高度是4096像素。對(duì)于不可逆模式，ADV202的最大處理能力為65M樣本/秒，可逆模式為40M樣本/秒，因此對(duì)于標(biāo)清的PAL和NTSC格式的視頻，一片ADV202即能夠處理。如果用多片ADV202，則ADV202也能支持HDTV的高清視頻圖像處理。

ADV202有兩種輸入接口，像素接口和主機(jī)接口。當(dāng)視頻序列人像素接口輸入時(shí)，表示輸入數(shù)據(jù)的時(shí)鐘確定，能直接將數(shù)據(jù)送入小波變換模塊，進(jìn)行小波變換，例如從標(biāo)清視頻解碼器輸出數(shù)字視頻數(shù)據(jù)；如果從主機(jī)接口輸入，則輸入數(shù)據(jù)的速率與系統(tǒng)時(shí)鐘不匹配，需先送入像素FIFO，系統(tǒng)通過FIFO的讀寫來匹配系統(tǒng)時(shí)鐘，將FIFO讀出的數(shù)據(jù)送入小波變換模塊進(jìn)行小波變換。然后進(jìn)行EBCOT量化編碼，最后由RISC將編碼流打包成JPEG2000編碼流或者JPEG2000的JP2文件格式，最后打包的碼流送入編碼流FIFO。外部設(shè)備通過主機(jī)接口訪問編碼流FIFO得到JPEG2000壓縮碼流。

ADV202作為解碼器時(shí)，則像素接口和像素FIFO作為輸出，編碼流FIFO接收J(rèn)PEG2000編碼流，圖3是ADV202的內(nèi)容模塊。

3 總體設(shè)計(jì)方案

3.1 MJPEG2000編碼系統(tǒng)

本方案采用芯片ADV202來作MJPEG2000的編解碼處理，模擬標(biāo)清電視信號(hào)輸入通過視頻解碼器連接到像素接口，ADV202將JPEG2000編碼流從主機(jī)接口輸出，PC機(jī)通過PCI接口芯片將JPEG2000編碼流以DMA方式取出，并存入PC機(jī)硬盤。然后由PC軟件JPEG2000碼流打包成標(biāo)準(zhǔn)的MJPEG2000文件格式。同時(shí)ADV202接收PC機(jī)傳送的編碼參數(shù)，如有損無損壓縮選擇、編碼塊大小選擇、小波分解級(jí)數(shù)、量化步長(zhǎng)、MQ算術(shù)編碼模式選擇、JPEG2000碼率的漸進(jìn)模式選擇、CSF參數(shù)、壓縮選擇等。如果將ADV202的RISC程序改為JPEG2000的解碼程序，則ADV202可以從編碼功能轉(zhuǎn)變?yōu)榻獯a功能。因?yàn)锳DV202支持豐富的參數(shù)選項(xiàng)，因此本系統(tǒng)采用基于PC機(jī)的設(shè)計(jì)，以更好地發(fā)揮ADV202的靈活性和MJPEG2000壓縮流的存儲(chǔ)。

MJPEG2000編碼系統(tǒng)如圖4所示，ADV202的像素接口和主機(jī)接口都是通過ispGDX（即I/O的連接器）再與其它芯片相連。因?yàn)樵谶@個(gè)系統(tǒng)中，ADV202即可做編碼器，也可做解碼器，其像素接口即要連著視頻解碼器的輸出口，也要連著視頻編碼器的輸入口。使用ispCPLD則能輕松解決這個(gè)問題，同時(shí)ADV202最高支持分量樣本位深為12位，可以支持視頻解碼器分量樣本位深8、10、12比特和雙輸入8、10或12比特分量等，通過ispCPLD增加了系統(tǒng)的靈活性。

PCI接口芯片連接PCI總線和CPLD，負(fù)責(zé)ADV202的壓縮輸出碼流與PC機(jī)之間的連接，將壓縮流通過PCI總線存入PC機(jī)的硬盤，或?qū)嚎s流通過PCI接口芯片送入ADV202的編碼流FIFO解驪。

CPLD的主要功能：

·模擬I2C的模擬總線，配置視頻編碼器和解碼器的寄存器，PC機(jī)軟件將寄存器數(shù)據(jù)通過PCI接口芯片傳送到CPLD，CPLD將接收到的數(shù)據(jù)通過模擬I2C，總線來配置視頻編碼器和解碼器的寄存器；

·接收PC機(jī)命令，控制ADV202的像素接口與視頻解碼器和視頻編碼器的連接狀態(tài)；

·接收PC機(jī)命令，配置ADV202的寄存器值；

·接收PC機(jī)命令，修改ADV202的編碼/解碼參數(shù)值；

·接收PC機(jī)的下載程序，將編碼/解碼程序存入ADV202的內(nèi)存中；

·配置ispGDX，更改ADV202的像素接口與視頻編碼器/視頻解碼器的連接。

3.2 MJPEG2000解碼系統(tǒng)

只需將JPEG2000解碼軟件下載給ADV202，則整個(gè)系統(tǒng)將轉(zhuǎn)變?yōu)榻獯a器。MJPEG2000碼流可以通過軟件在PC機(jī)上解碼播放；或者將MJPEG2000碼流解析成JPEG2000編碼流，通過PCI接口芯片送入主機(jī)接口的編碼流FIFO，由ADV202解碼后從像素接口輸出到視頻編碼器，然后在監(jiān)視器上顯示，也可以將ADV202解碼后的像素送入像素FIFO，通過PCI存入PC機(jī)硬盤。同樣解碼參數(shù)也可通過PCI接口將參數(shù)寫入ADV202的寄存器，也可通過CPLD的I2C模擬程序配置視頻編碼器的寄存器值，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)镸JPEG2000解碼器。

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