JPEG2000编码器IP核设计，包括具体算法与结构

更多的特性也带来了硬件实现上的复杂，现有JPEG2000的商用芯片种类很少，IP核的价格也很高，对该标准的普及带来了障碍。然而它优秀的性能决定了它光明的前途，申请此项目更是为了借OpenHW开放源码设计大赛这个平台，实现一个简单，易用，高效，可靠，方便扩展并且公开源码的JPEG2000编码器IP核，为JPEG2000走向普及做出贡献。随着时代的发展，又出现了很多JPEG2000结构实现的新方案，如更高效的DWT引擎，更好的EBCOT硬件结构，在此次项目中也想将这些最新的成果应用进来，力图做出一个性能更好的编码器。

四、原理和技术特点

4.1 JPEG2000的算法特点

与JPEG相比，JPEG2000算法的显著特点是用DWT取代了DCT，用EBCOT取代了哈夫曼编码（Huffman）。

JPEG2000可以分为三个关键步骤：先是小波变换，把图像分解为空间频域子带；然后把每个子带分为较小的块，独立编码成为嵌入式比特流；最后，嵌入式比特流被包装成分层码流。这三部分，简单来说就可以分为DWT、EBCOT第一层编码（Tier-1）和第二层编码（Tier-2）三个模块。再加上预处理阶段，以及量化阶段，组成完整的编码器。

JPEG2000编码器的框图如图4-1所示

图 4-1编码器结构框图

在编码器中，首先对源图像进行前期预处理，对处理的结果进行离散小波变换，得到小波系数。然后对小波系数进行量化和熵编码，最后组成标准的输出码流。具体过程如下：

将有多个颜色分量组成的图像分解成单一颜色分量的图像。分量之间存在一定的相关性，通过分解相关的分量变换，可减少数据之间的冗余度，提高压缩效率；

分量图像被分解成大小统一的矩形片----图像片（Tile）。图像片是进行变换和编解码的基本单元；

对每个图像片进行小波变换。产生多级系数图像。这些不同级数的系数图像可以重构出不同分辨率的图像；

多级分解的结果是由小波系数组成的多个子带。它们表示图像片中局部区域的频率特性；

对系数子带进行量化，并且组成矩形数组的"码块"（Code Block）；

对一个码块中的系数位平面（也就是一个码块中整个系数中具有相同权值的那些位）进行熵编码；

将所有码块的压缩位流适当的截取，组织成具有不同质量级的压缩位流层；

将压缩码流以包为单元进行组织，产生JPEG2000文件格式的码流

4.2 组成部分

1、预处理

（1）图像分片

图像越大，所占用的内存越大，为此，编码器把图片切分成几个相互独立的矩形切片，对每个切片独立编码。

如图2-3所示，这些切片的格子覆盖在参考网格的上面，每个切片长宽分别为XTsiz和YTsiz。这些切片格子的原点是（XTOsiz，YTOsiz）。切片的大小为XTsiz*YTsiz。各切片的标号由光栅扫描顺序来标记。

图4-2 参考网格

图4-3图像切片

（2）DC电平位移

编码器假定输入数据有一个标准的动态范围，并且以0为中心。如果样本是无符号数，每个样本用p位比特表示，就用2^p-1去减样本值。目的是在解码时，能够从有符号的数值中正确恢复重构的无符号样本值。直流电平位移是对仅有有符号数组成的图像片的像素进行的。电平位移并不影响图像的质量，在解码端，在离散小波变换之后，对重构的图像进行反向直流电平位移。

（3）分量变换

彩色图片有3个图像分量RGB组成，分量变换把图像从RGB映射到YCrCb上。有两种变换模式：实型的不可逆颜色变化（ICT）和整型的可逆颜色变换（RCT）。

ICT定义为：

U0（x,y）、U1（x,y）、U2（x,y）分别代表红、绿、蓝三种颜色。V0（x,y）、V1（x,y）、V2（x,y）分别代表Y、Cr和Cb三种。

对于ICT来说，RCT就是一个可逆的整数到整数的类似过程：

2、小波变换

通过小波变换，一个分量将分成多个子带。由于这些子带具有统计特性，变换后的数据在编码时一般具有更高的效率。在编码器中，支持可逆的整型小波变换和不可逆的实型小波变换，分别由5/3小波滤波器和9/7小波滤波器实现。完全重构的均匀极大采样的滤波器组（PR-UMDFB）用来实现小波变换。提升算法比传统的卷积方法占用更少的内存、效率更高。一维UMDFB的提升实现如图：

图4-4 滤波器组结构

Ai（z）、Qi（z）和si分别是滤波器函数、量化因子和（标量）增益。

（1）5/3小波一维DWT的实现

（2）9/7小波一维DWT的实现

3、量化

量化的目的是通过把系数限制在一个比较小的精度范围，或者是想要的图像质量。通常，量化器都会采用下式（不同的子带使用不同的量化步长）：

其中△就是量化步长，U(x,y)是输入的子带样本，V（x，y）是量化器输出的子带样本。

这里引入了量化死区的概念，即在距离0小于一倍步长的样