Huffman并行解碼算法的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)*

周艷娥，葛海波，林 界

（1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710061；2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710061）

在靜止圖像和運(yùn)動(dòng)視頻的壓縮方法中，由于信息量大、速率快，使得編解碼效率的提高迫在眉睫。最常用的編解碼方式是基于可變長編碼VLC（Variable-Length Code）的Huffman編解碼[1]。與編碼相比，并行Huffman解碼較復(fù)雜。其實(shí)時(shí)性不僅要提高時(shí)鐘頻率，還需要從算法、硬件優(yōu)化的角度提高。

通過改進(jìn)文獻(xiàn)的Huffman解碼算法[2-3]，在原有基礎(chǔ)的解碼中加入流水線結(jié)構(gòu)。針對(duì)參考文獻(xiàn)[4]中Huffman編碼方式設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種能夠節(jié)省碼字存儲(chǔ)空間的、可以提高解碼速度的并行Huffman解碼方式。

1 Huffman并行解碼算法改進(jìn)

Huffman并行解碼方式可以彌補(bǔ)查找表過大引起硬件開銷大的不足。與并行解碼算法相比[5-7]，本算法在解碼結(jié)構(gòu)中插入流水線，在并行解碼方式中，當(dāng)頭碼流分析結(jié)束時(shí)，輸入到解碼器中的信息碼采用并行多路檢測(cè)，得到地址偏移量和最小編碼的長度。在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，都會(huì)輸出一個(gè)解碼信息碼。Huffman并行解碼器總的處理過程如圖1所示。

圖1 Huffman并行解碼處理過程

2 JPEG中的Huffman并行解碼設(shè)計(jì)

在碼流分析中可以得到Huffman編碼時(shí)的相關(guān)信息，即相同長度的最小編碼、最小編碼的個(gè)數(shù)和Huffman編碼相關(guān)值，并分別存入對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器中，再把相應(yīng)的地址存入16×8存儲(chǔ)器里，編碼相關(guān)值則存入256×8的寄存器中。還需設(shè)定Huffman解碼的重啟間隔，這由JPEG的DC差值編碼決定。為了防止解碼中造成較大的誤差，每解碼m比特就需對(duì)DC進(jìn)行清零，其中m為重啟間隔度量值。Huffman并行解碼復(fù)位控制如圖2所示。

圖2 Huffman并行解碼復(fù)位控制

在碼流分析中，確定Huffman并行解碼的相關(guān)信息后進(jìn)行解碼。對(duì)JPEG來說，最終要找到AC=0的個(gè)數(shù)Run、AC的位數(shù)Size和幅度Amplitude，以及DC的Size和Amplitude。在JPEG中，AC和DC分別是交流系數(shù)和直流系數(shù)，其中AC和DC各自又包含色度和亮度。進(jìn)行一次Huffman并行解碼處理流程是整個(gè)Huffman并行解碼器的關(guān)鍵流程之一，處理流程如圖3所示。

圖3 Huffman并行解碼處理流程

輸入碼流的關(guān)鍵處理是在輸入并行多路檢測(cè)上，它可以同時(shí)處理當(dāng)前對(duì)應(yīng)的最小編碼長度、最小編碼的解碼及其地址偏移量。通過對(duì)輸入碼流的處理，最終得到Huffman并行解碼所需要最小編碼的Run、Size、Amplitude信息，其并行多路實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示。獲得當(dāng)前編碼的寬度提供給當(dāng)前解碼器使用。在當(dāng)前編碼進(jìn)行對(duì)應(yīng)的最小編碼的處理時(shí)，同時(shí)與在碼流分析中得到的存入存儲(chǔ)器的最小編碼進(jìn)行比較，確定當(dāng)前碼流解碼需要的間隔。其具體過程如圖5所示，其中DC、AC就是從碼流分析中存入存儲(chǔ)器的。解碼獲得Run、Size及Amplitude的實(shí)現(xiàn)流程方式如圖6、7所示。但是要注意DC中Huffman并行解碼只能得到相應(yīng)最小編碼的Size和Amplitude。而在AC中Huffman并行解碼可以得到相應(yīng)最小編碼的Run、Size及Amplitude。

圖4 并行多路檢測(cè)流程

圖5 最小編碼的處理過程

圖6 DC中解Run/Size流程

圖7 AC中解Amplitude流程

關(guān)于解碼DC中獲得R/S，采用相對(duì)地址和絕對(duì)地址尋址，即當(dāng)前最小編碼的地址=基本最小編碼地址+相對(duì)地址（差值）。對(duì)不同的4種碼表，第一個(gè)編碼的基本地址都是固定的，由于DC中個(gè)數(shù)最大值為126，而AC中個(gè)數(shù)最大值為162。因此將第一個(gè)亮度DC地址設(shè)為0，第一個(gè)亮度AC地址的設(shè)為12；第一個(gè)色度DC地址設(shè)為114，第一個(gè)色度AC地址為156。對(duì)于不同長度編碼同一分量的最小地址，直接采用該分量第一個(gè)編碼地址與小于該長度編碼個(gè)數(shù)的和。從待解碼數(shù)據(jù)流的輸入到確定R/S、Amplitude，都采用并行多路檢測(cè)的方法。與串行解碼方式相比大大提高了碼流的解碼速度。

在并行Huffman解碼結(jié)構(gòu)中，處理了幾位編碼后，補(bǔ)上相應(yīng)個(gè)數(shù)的新的待解編碼，補(bǔ)充的位數(shù)是由Size和Amplitude值決定的。由于每次解碼碼長的不確定性，本文采用桶型移位寄存器，但是會(huì)占有一定的面積資源。因?yàn)槊看我莆坏奈粩?shù)也是不確定的，所以必須要考慮移位溢出的情況。設(shè)計(jì)中選用32位移位寄存器和16位桶型移位寄存器，前者相當(dāng)于一個(gè)緩存器，其[15：0]的后半段寄存器進(jìn)行解碼操作，[31：16]后半段寄存器存入桶型移位寄存器中。當(dāng)最小編碼等于16時(shí)，Amplitude值從桶型寄存器中移出；若操作編碼流長度大于16，需要由32位寄存器對(duì)它進(jìn)行移位補(bǔ)位，[15：0]和[31：16]共同移位。當(dāng)移位位數(shù)超過48時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)累加器向外輸出碼流輸入允許信號(hào)，繼續(xù)輸入碼流到32位寄存器中。此外，輸入解碼器數(shù)據(jù)位寬在0～32范圍內(nèi)變化，實(shí)際輸入的待解碼數(shù)據(jù)位寬將取決于該編碼數(shù)據(jù)在Huffman編碼樹中的位置。

3 Huffman并行解碼的實(shí)現(xiàn)

將Run、Size及Amplitude值存入相應(yīng)的寄存器后，為JPEG后續(xù)的解碼做準(zhǔn)備。同時(shí)也就完成了一次Huffman并行解碼，所有的解碼處理過程都是同步進(jìn)行的。經(jīng)過驗(yàn)證，Huffman并行解碼處理過程是在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)解一個(gè)編碼。由于FPGA實(shí)現(xiàn)，需采用很多組合邏輯，因此關(guān)鍵路徑的延時(shí)必須考慮在內(nèi)[8-9]。同時(shí)該硬件實(shí)現(xiàn)中也用到了許多存儲(chǔ)器，所以會(huì)占有一定FPGA的面積資源，與串行解碼相比，在速度上和輸出的穩(wěn)定性上有一定的優(yōu)勢(shì)。其中具體環(huán)節(jié)的硬件實(shí)現(xiàn)框架如圖8所示。

圖8 Huffman并行解碼硬件實(shí)現(xiàn)框架

圖8中各模塊的性能為：

（1）16位最小碼存儲(chǔ)器。存放的是DC和AC的最小編碼。

（2）16位最小碼解碼模塊。輸入的16位待解碼流與最小編碼進(jìn)行比較，找到相同長度的最小編碼，輸出Huffman最小編碼到R/S存儲(chǔ)器，輸出與相應(yīng)最小編碼同等長度的實(shí)際碼子到數(shù)選器[10]。

（3）16：1數(shù)選器。差值=實(shí)際編碼長度-最小編碼長度。

（4）16位最小碼存儲(chǔ)器。預(yù)存的最小編碼地址，16×8的寄存器。

（5）8位加法器。最小編碼的地址+差值=實(shí)際編碼的地址。

（6）最小碼R/S存儲(chǔ)器。預(yù)存R/S和所有與Huffman相對(duì)應(yīng)的值在256×8的寄存器中，最終解碼解出相應(yīng)的R/S。

（7）16：4數(shù)選器。把16位編碼的長度換成4位表示。

（8）4位加法器。最小編碼的長度+差值Size=解碼時(shí)一共處理的位數(shù)，即需要補(bǔ)入數(shù)據(jù)流的位數(shù)。

（9）運(yùn)算器。累加器是將移位的總位數(shù)進(jìn)行相加，并向移位器提供當(dāng)前移位位數(shù)。當(dāng)總數(shù)≥16時(shí)，輸出輸入數(shù)據(jù)允許信號(hào)，請(qǐng)求前置模塊輸入數(shù)據(jù)，在輸入允許信號(hào)有效時(shí)，刷新運(yùn)算器的值；當(dāng)總數(shù)≥32時(shí)，輸入允許信號(hào)仍未有效，則終止后續(xù)的操作。

（10）32移位寄存器。對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和移位。

（11）16移位寄存器。移出幅度的值，選用桶型移位寄存器的原因是當(dāng)移出位數(shù)>16時(shí)也可以處理。

與串行解碼相比，Huffman并行解碼算法的優(yōu)點(diǎn)是在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，無論Huffman編碼的長度是多少，都可以正確解出編碼信息。數(shù)據(jù)處理速度的提高，顯然會(huì)伴隨硬件FPGA設(shè)計(jì)的復(fù)雜度的增加。本文采用并行處理技術(shù)給出了Huffman解碼算法，實(shí)現(xiàn)了Huffman并行解碼器的設(shè)計(jì)。不但能夠在一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍內(nèi)處理多比特?cái)?shù)據(jù)，而且節(jié)省了存儲(chǔ)空間，克服了Huffman串行解碼實(shí)時(shí)性差的不足。顯然，本算法的實(shí)現(xiàn)是在提高處理數(shù)據(jù)速度的同時(shí)，增加了FPGA硬件的面積資源。

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