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JPEG2000 FPGA IP开发后记

已有 823 次阅读| 2022-12-7 11:48 |系统分类:芯片设计| JPEG2000, 视频编解码, FPGA, IP

       在去年的一个视频处理类重点项目中，需要使用到一个15-20倍左右的视频编解码算法，同时处理处理延迟有比较严苛的要求，整系统的处理延迟要控制在10ms以内。基于这个需求，陆续调研了JPEG、JPEG XS、VC-2、TICO等浅压缩算法，最终发现JPEG2000是比较符合预期的。其它几种算法主要是在压缩倍数方面不符合预期，例如JPEG的压缩倍数在10倍左右，JPEG XS的压缩倍数在6倍左右，超过这个范围画质会急剧下降；而JPEG2000可以在20倍压缩情况，达到视觉无损的效果。当然，为了达成这种效果，代价也是很明显的，JPEG2000需要采用DWT做数据处理，在相同处理性能的情况下，整个IP的资源占用是接近JPEG XS的1.5倍。

       先简单介绍一下JPEG2000算法。JPEG2000的正式名称为ISO15444。它是由ISO/IEC JTC 1 SC29标准化小组负责制定的新一代静止图像压缩标准。JPEG2000作为JPEG的升级版，其压缩率比JPEG2000高约30%；像JPEG一样，JPEG2000也同时支持无损编码和有损压缩，并且保持算法兼容。JPEG2000算法部分主要包括DWT离散小波变换、符号编码和MQ算术编码，其中无损编码采用的是5/3小波，有损编码采用的是9/7小波。JPEG2000还有渐进传输、感兴趣区域（RIO）等特性，这些特定设计之初的目的是为了在JPEG2000格式的图片在web上能够更快的传输。目前JPEG2000在高质量图像应用，例如彩页打印、数码相机中都有使用；其中最重要的应用之一就是数字电影规范（DCI）选定JPEG2000作为存储、传输标准。

      在选定了JPEG2000作为浅压缩算法后，下一步就是去找市面上有没有JPEG2000的IP供应商。那有没有现成的JPEG2000 IP供应商呢？答案是有的，但不幸的是对方的一些规格不完全符合我们的需求。我们希望编码+解码的总延迟控制在10ms以内，但现有的IP总延迟在50ms左右，这个是我们完全没法接受的参数。因为我们产品的应用场景是浅压缩分布式视频系统，延迟参数是最关键的参数之一，延迟太大会导致鼠标移动的时候有人眼可感知的滞后感，体验感会很差，像我这样的暴躁老哥是忍不了的。另外一个重要因素就是资源问题，我们希望把一些不需要的特性做简化，降低资源使用率，但不幸的是我们能找到的仅有的两家供应商都是国外的，不支持按我们的需求进行定制。

      既然买不到合适的，就只能自己造了，就当是为国产化JPEG2000 IP做贡献了。在开始开发之前，我们其实已经做了大量的准备工作，对JPEG2000的原理，以及开源的参考软件都已经做了比较深入的解读，但实际开发的时候还是遇到了大量的困难。下面先贴上JPEG2000的算法框图：

      从代码开发工作量的角度，工作量最大的是DWT/IDWT、熵编码（符号编码和MQ算术编码）以及码率控制。整个IP编写代码花的时间占比大约为1/4，1/4的时间用在了仿真以及跟软件对比算法数据，另外大约1/4的时间用在了代码优化（资源优化和时序优化），最后1/4的时间用在上板debug。当然，上面提到的工作并不是串行的，事实上是我们用比较快的时间就写出了个雏形，然后又不断的优化架构然后重新仿真以及debug，为了在我们的目标器件上放下JPEG2000 编解码IP，我们前后迭代了4个大版本，才达到最终比较理想的状态。在这个过程中，不断的重复着写代码、仿真、代码优化、上板调试，混杂在一起。

      挑几个比较难受的点，让大家感受下FPGA工程师的苦难。对着仿真波形，检查计算精度误差，是个费时又费眼睛的过程，真是差点把眼睛看报废；为了平衡逻辑资源以及对DDR4内存带宽的占用率，顶着进度压力，将调好的版本推倒其中的1/3，重新规划数据流程；MQ计算过程中，因为前后级计算之前的串行性，无法将复杂的组合逻辑拆分，导致逻辑级数太大时序无法通过，为了优化这部分的时序，不断的迭代，花费巨大的时间精力将时序问题修复。

      虽然过程比较曲折，最终的结果还是比较完美的。经过团队的不懈努力，最终还是把JPEG2000完整的实现了，并且还结合我们的应用场景，做了一些优化。下面是我们最终IP的技术规格：

性能：4K@60fps(3840x2160)
支持的颜色空间：RGB、YUV444、YUV422
延迟：端到端8.5ms（HDMI输入-编码-网络传输-解码-HDMI输出）
压缩率：4%-100%，即1-25倍的压缩效果，支持动态切换
支持码率控制，最终压缩率跟设置的压缩率误差小于1%
支持3级9/7小波
支持的色深：8-10-12
CB size：64x8
支持多路视频同时解码
编码后的文件格式是私有格式（为了减少延迟）。

       其中，低延迟特性是我们IP的关键特色，在保证高画质的前提下，不足一帧的延迟，比同类浅压缩算法实现要小几倍。在与JPEG2000规范保持兼容的前提下，我们的IP实现更适用于在对延迟要求比较敏感的应用场景中（例如KVM）。更详细的技术规格可以移步到我司官网：北格逻辑 。

       额外提一句，JPEG2000的有损压缩算法性能指标优异，但无损编码效果确不如JPEG-LS，且FPGA资源使用量偏大，所以我们在选择无损编码算法时，并没有选择JPEG2000，而且基于JPEG无损算法和JPEG-LS的基础上，自研了一套自己的无损算法，用很小的资源使用量，就能实现4K@60fps的无延迟实时编码了，且平均压缩倍数可以达到2.5倍左右。当前，这是另外一个故事了。

原文链接：JPEG2000 FPGA IP开发后记 - 知乎 (zhihu.com)