基于FPGA的JPEG解码器设计与实现

随着多媒体技术的蓬勃发展,视频编解码技术得到了长足的进步,人们先后制定了多个数字图像视频编解码标准。其中JPEG仍然是目前最流行的静止图像压缩格式，在手持设备和网络中有广泛的应用。

本论文工作是无线投影机控制器设计中的一部分，见图1。该控制器以开放源代码处理器LEON3为核心，具有以太网、VGA、PCI等接口，PCI接口用来连接无线网卡，VGA接口用来连接投影机，这样构成一个无线投影系统。PC机通过有线网络或无线网络向控制器传输JPEG压缩图像数据，经过解码器解码后显示在投影仪上，从而实现多台电脑共享一台投影机，并且避免了连线的麻烦，具有一定的市场前景。考虑到系统的灵活性，本控制器选用Altera FPGA作为实现平台，设计可以无缝地转移到Altera Hardcopy技术，从而实现低成本。

本设计利用硬件描述语言(VHDL)设计了JPEG Baseline的解码系统。

1 JPEG解码器原理

JPEG解码器主要由四部分组成：图像头信息的读取、熵解码、反量化、IDCT（反离散余弦变换），其数据流图见图2。

从图中可以看出，解码器首先从JPEG图像数据中读取Header信息，得到与解码相关的如哈夫曼表、量化表以及图像大小等信息，并且将这些信息存储在RAM或者寄存器中，供后面的步骤调用。

在图像头信息读取完成后，解码器进一步读取压缩编码的数据并对其进行熵解码。压缩编码的数据采用哈夫曼（Huffman）编码。哈夫曼编码是一种常用的压缩编码方法，是Huffman于1952年为压缩文本文件建立的。它的基本原理是：将频繁使用的数据用较短的代码代替，而较少使用的数据用较长的代码代替，每个数据的代码各不相同。这些代码都是二进制码，且码的长度可变，因此哈夫曼编码是可变长编码的一种。在JPEG中采用游程编码与范式huffman编码进行数据的压缩存储，并且直流系数（DC）与交流系数（AC）分开编码，提高了压缩效率。因而在熵解码过程中需要分别对直流系数和交流系数分别解码。当前直流系数为上一个直流系数加上当前熵解码数据（即残差）。

当解码完一个MCU（Minimal Coded Unit）后，接下来就是进行反量化的操作，即将解码出来的数据乘以一个量化系数。

最后是IDCT（反离散余弦变换）操作，即DCT（离散余弦变换）的反变换。离散余弦变换（DCT）是N.Ahmed等人在1974年提出的正交变换方法，它常被认为是对语音和图像信号进行变换的最佳方法。通过DCT变换，将数据从一个域变换到另外一个域，其大多数高频分量的系数变为0。人眼对低频分量比较敏感，对高频分量则不太敏感；因而量化的结果是去掉了不太重要的高频分量，降低了码率。在JPEG解码过程中需要通过IDCT还原图像原始数据。IDCT部分是计算量最大的单元，对此单元设计的好坏将直接影响到解码速度。

2 JPEG解码器设计与实现

针对JPEG解码流程特点，本JPEG解码器硬件总体设计如图3所示。JPEG CONTROLLER负责调度各个模块的执行；Src_ram存储着JPEG原始图像数据；Addr_gen模块产生下一个需要读取字节的地址；Read_markers模块读取JPEG图像的图像头信息，并且将头信息保存在Register files中，相应的量化表信息及huffman表将存储在Dqt rams和Dht rams中；Huff_derived_tbl是由huffman表生成的用于熵解码的表格；Decode MCU 模块从Src_ram读取JPEG图像数据并解码，解码出来的数据将逆zig-zag顺序存储在Block ram中；IDCT模块读取Block ram中的哈夫曼解码数据进行反量化和IDCT变换，之后将数据输出到Ram。下面将对各个模块的设计作详细的介绍。

2.1 Addr_gen模块设计

此模块用于产生读取Src_ram的地址并生成下一个要读取字节的地址。其硬件实现如图4虚线右边部分所示。在非跳转情况下，当RD信号有效时，Addr_gen计数器每次递增1个单位。

跳转情况下，即skip有效时，其计数器工作如图4虚线左边部分所示，当读入地址为Addr_n的数据后需要跳转k个单位的字节（Skip_num=k），因为在读取地址为Addr_n的数据Data_n后地址计数已经增加了一个单位，因而在第三个时钟周期能跳转到地址为Addr_n+1+k的数据，而这第三个时钟周期读出来的数据Data_n+1将会被忽略。从第四个时钟起此模块将恢复正常的读取数据功能。


2.2 Read_markers模块设计

Read_markers读取JPEG文件头信息并且解释，由以下子模块组成，见图5虚线左边部分。
(1)First_marker：判断文件是否为JPEG文件，即判断开始的2B是否为FF D8；
(2)Next_marker：查找下一个标志；
(3)Get_sos：读取sos（start of scan）；
(4)Skip_var：跳过一些信息时被调用，给Addr_gen模块传送跳过信息标志；
(5)Get_sof：读取sof（start of frame）；
(6)Get_dht：读取huffman表信息，存储在Dht rams(见图1)；
(7)Get_dqt：读取量化表信息，并存储在Dqt rams(见图1)；
(8)Get_dri：读取重起间隔，以MCU（Minimum Coded Unit）为单位。

硬件实现利用FSM（有限状态机）来进行控制。其模块调度示意图见图5虚线右边部分。