面向4K/8K 实时视频应用的JPEG 2000 IP

JPEG 2000是基于小波变换的图像压缩标准,由国际标准化组织(ISO)于2000年3月发布,文档代码为ISO/IEC 15444-1:2000。JPEG 2000标准同时支持有损压缩和无损压缩,并且支持更复杂的渐进式显示和下载。 JPEG 2000通常被认为是未来取代JPEG的下一代图像压缩标准,具有更高的压缩比,而且不会产生原先的基于离散余弦变换的JPEG标准产生的块状模糊瑕疵。目前,JPEG2000标准已经广泛用于各种对图像品质要求比较高的应用场景,从便携式数码相机到高级印刷、医学成像、地理空间和其他关键应用领域。

北格逻辑自研的JPEG 2000 编解码IP,由编码器(encode) IP和解码器(decode)IP组成,是用RTL语言编写的FPGA IP。JPEG2000 FPGA IP的目标应用是实时处理4K@60fps视频流,主要由预处理(CSC和DC平衡)、DWT、量化、位平面编码、MQ编码、码率控制、打包等环节组成。JPEG2000的编码压缩比可设置成5-20之间,可根据输出数据速率要求动态的实时动态的调整压缩比,正常图像经过DWT后,即使不进行量化和截断,采用位平面编码和MQ计算,也会有3-5倍的压缩效果;再经过北格逻辑自行设计的码率控制机制,经由少量的计算延迟后,寻找较优截断点,可以在指定码率下获得很好的画质。北格逻辑的JPEG2000码率控制机制,是专门为实时视频流处理而设计的算法,兼顾了计算复杂度、图像失真率以及处理延迟,可以在很小的计算延迟和计算量的前提下,最大化的保障图像质量。JPEG2000编解码IP均在提供了AXI-Stream接口,且提供了最多8通道调度机制,可以以帧为单位对输入的8路视频源进行调度,实现多通路并行编解码。JPEG2000编解码IP的系统总延迟(HDMI输入-JPEG2000编码-网络传输-JPEG2000解码-HDMI输出)可以控制在8.5ms以内,极端情况下可以控制在2ms以内,非常符合一些对延迟要求非常严格的应用场景。同时,JPEG2000的渐进式传输特性在IP中得以保留,编码端可以将4K分辨率下的码流分成主码流和次码流,主码流包含完整4K分辨率下的所有信息,次码流则是1080P分辨率下的所有信息;解码端可以选择解码4K图像或者1080P图像。

如下图所示,采用DWT小波变换后,JPEG 2000具备可伸缩性,每个LL Band都是原图的缩小图 其他高频Band经过转换后数值较小,非常适合利用位平面编码和MQ算法进行压缩 即使不量化以及不截断的情况也能达到较好的压缩效果,以便实现可选择有损和无损压缩。

JPEG 2000编解码器IP核可用于最新的FPGA器件,提供低延迟、高画质、低成本的解决方案。结合北格逻辑其他视频处理模块(HDMI/SDI输入输出、VPSS、网络传输等),应用分布式视频系统等应用场景。目前该JPEG 2000 FPGA IP已经在XILINX Kintex-7和UltraScaler&UltraScaler+系列上进行过充分验证和批量使用,已达到稳定商用状态。
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本文转载自:北格逻辑

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