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1、西安电子科技大学 硕士学位论文 JPEG/MJPEG中Huffman编解码的IP设计 姓名：安会乐 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：庄奕琪 20070101 摘要 摘要 J P E G 静态图像压缩算法因其对连续色调、多级灰度的静止图象具有优良的压 缩特性，已成为目前多媒体通信中的图像压缩标准之一，开始广泛地应用于各个 方面。多媒体技术中，图像的数据压缩和解压缩实现是目前国内和国际研究的热 点问题之一。同时，随着V L S I 设计技术的飞速发展，越来越多的图像和视频应用 被实现成V L S I 芯片系统。 H u f f m a n 编码做为一种优秀的、成熟的编码方
2、法，目前已经被广泛使用于静止 图像和运动视频的压缩方法中，本文着重研究了静态图像的J P E G 编码和解码流程 及关键技术一H u 胁a n 编解码，依据J P E G 标准推荐的H u f f m a n 表及生成的方法，将 H u f f m a n 表按码字长度分别建立，提出了一种基于J P E G 图像解码的并行H u f f m a n 解 码器模块的V L S I 设计思想，采用模块化方式，并对整体设计进行了进一步的划分 成6 个模块，对每一个小模块的具体要实现的功能作了详细的说明，并且用V e r i l o g 硬件语言对其进行时序仿真验证，最后对整体设计验证，结果证明，对码
3、字长度 较短的码字，平均每两个时钟周期，可以解出一个码字，对于码字长度较大的， 平均每三到四个时钟周期，可以解出一个码字，效率要明显高于串行的解码方法。 同时，这种设计方法简单可行，易于实现。 关键字：J P E G 标准H u f f m a nV e r i l o gH D L 仿真 A b s t r a c t I I I A b s t r a c t J P E Gi So n eo ft h ec o m p r e s s i o ns t a n d a r di nm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n a n dh a
4、sb e e n W i d e l yu s e di nm a n yf i e l d sf o ri t se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so fg o o dc o m p r e s s i o no f c o n t i n u o u st o n es t i l li m a g e I nm u l t i - m e d i at e c h n o l o g y ，t h ed i g i t a lc o m p r e s s i o na n d d e c o m p r e s s i o no
5、 ng r a p h sa r eo n eo ft h ef o c u s e si nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h f i e l d M e a n t i m e ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fV L S It e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r ei m a g e a n dv i d e oa p p l i c a t i o n sa r ei m p l e m e n t e d
6、i n t oV L S I c h i p H u f f m a ne n c o d i n gi sc o n s i d e r e dt ob eav e r ye x c e l l e n ta l g o r i t h ma n dw i d e l yu s e di n s t i l li m a g ea n dm o t i o nv i d e oc o m p r e s s i o n T h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sJ P E Ge n c o d i n g a n dd e c o d i n gt e
7、c h n o l o g y T h ea u t h o rp r o p o s e sa p a r a l l e lH u f f m a nV L S Id e s i g nm e t h o d b a s e do nr e c o m m e n d e dH u f f m a nt a b l e ss u p p o r t e db yJ P E Gs t a n d a r d T h ed e s i g ni s d i v i d e di n t os i xs m a l lm o d u l e sa n de x p l m n e ds e p
8、a r a t e l y T h ed e s i g ni Sd e s c r i b e di n h a r d w a r el a n g u a g eV e r i l o ga n ds i m u l a t e d T h er e s u l t sp r o v e st h a ti ne v e r yt w oc l o c k p e r i o d s ，as h o r tc o d ew o r dC a nb ed e c o d e da n di ne v e r yt h r e et of o u rc l o c kp e r i o d
9、sa l o n g e rc o d ew o r dC a nb ed e c o d e d S oi ti so b v i o u s l yt h a tt h ee f f i c i e n c yo ft h i sd e s i g ni s b e R e rt h a nt h es e r i a lo n e M e a n w h i l e ，t h i sd e s i g ni ss i m p l ea n d e a s yt or e a l i z e K e y w o r d ：J P E Gs t a n d a r d H u f f m a
10、 n V e r i l o gH D Ls i m u l a t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名：暂邑金匝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定
11、，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 手一葛生 塑釜 第一章绪论 第一章绪论弟一旱珀下匕 1 1 引言 2 0 世纪9 0 年代，随着多媒体技术地迅速发展，静止图像开始广泛地应用于各 个方面。从互联网上的网页图像，到数
12、码相机中的数码照片，都离不开静止图象 的应用。静止图象的广泛应用给人们提供了巨大的方便，但是，大数据量的图像 信息会给存储器的存储容量，通信干线信道的带宽，以及计算机的处理速度增加 极大的压力。例如一幅5 1 2 x 5 1 2 、各分量为8 b i t s 的中低分辨率彩色图像，数据量 为7 6 8 k B ，一张1 4 M B 容量的软盘只能存放近两幅这样的图像，运动图像的数据量 更大，在典型高清晰度电视( H D T V ) 标准中，原始数据速率约7 2 0 1 2 8 0 2 4 6 0 约等于1 2 4 G b i t s ，而按照目前的数字传输能力通过6 M H z 的带宽，只能达
13、到2 0 M b i t s 的传输速率，这显然需要高效的压缩技术才能实现。面对如此大量的数据，单纯 靠增加存储器容量，提高信道带宽以及计算机的处理速度等方法来解决这个问题 是不现实的，这时就要考虑压缩，数据压缩己经成为了非常必要的技术。图像压 缩技术的发展趋势是：算法更复杂，压缩率更高，J P E G 的压缩率在1 ：2 0 左右， J P E G 2 0 0 0 的压缩率将为1 ：2 0 0 或更高。 1 2 理论基础 数据压缩技术是建立在信息理论的基础上，是信息论1 3 1 中的重要分枝。信息 论之父S h a n n o n 在1 9 4 8 年发表的论文“AM a t h e m a
14、 t i c a lT h e o r yo f C o m m u n i c a t i o n 中指出任何信息都存在冗余，冗余大小与信息中每个符号( 数字、字母或单词) 的出 现概率或者说不确定性有关。S h a n n o n 借鉴了热力学的概念，把信息中排除了冗余 后的平均信息量称为“信息熵”，并给出了计算信息熵的数学表达式。S h a n n o n 第 一次用数学语言阐明了概率与信息冗余度的关系，奠定了所有数据压缩算法的理 论基础。从本质上讲，数据压缩的目的就是要消除信息中的冗余，以尽可能少的 数据表示信源发出的信号，减少容纳给定消息集合的信号空f M ( 且P 被压缩的对象)
15、。 信息熵及相关的定理恰恰用数学手段精确地描述了信息冗余的程度。利用信息熵 公式，我们可以计算出信息编码的极限： 在一定的概率模型下，无损压缩的编码长度不可能小于信息熵公式给出的结果。 数据压缩的研究己经有几十年的历史，期间提出了很多中压缩算法。在分类 J P E G M J P E G 中H u f f m a n 编解码的I P 设计 上，人们通常将这些算法按照编码的失真程度分为两种类型：有损压缩编码和无 损压缩编码。使用无损压缩算法的压缩后，原始数据可以由压缩数据完全恢复出 来。常用的无损压缩算法有H u f f r n a n 编码、L Z W 编码和算术编码等。使用有损压 缩算法压缩
16、后，原始数据不能由压缩数据完全恢复出来。常用的有损压缩算法有 预测编码、量化编码、变换编码等。 H u f f m a n 在19 5 2 年的论文“AM e t h o df o rt h eC o n s t r u c t i o no fM i n i m u m R e d u n d a n c yC o d e s ”中提出了第一个实用的压缩编码方法H u f f m a n 编码。H u f f m a n 编码效率高，运算速度快，实现方式灵活方便，从2 0 世纪6 0 年代至今，H u f f r n a n 编码在数据压缩领域得到了广泛的应用。U N I X 系统上的C O M P A C T 、C P M 和 D O S 系统中的S Q 都是以H u f f m a n 编码为核心算法设计和实现的。今天，在许多 知名的压缩工具和压缩算法( 如W i n R A R 和J P E G ) 里，都有使用H u f f m a n 编码。 1 3J P E G 发展现状 J P E G 全
