Projeto de uma arquitetura dedicada à compressão de imagens no padrão JPEG2000

Abstract

O incremento das taxas de transmissão e de armazenamento demanda o desenvolvimento de técnicas para aumentar a taxa de compressão de imagens e ao mesmo tempo mantenha a qualidade destas imagens. O padrão JPEG2000 propõe a utilização da transformada wavelet discreta e codificação aritmética para alcançar altos graus de compressão, proporcionando que a imagem resultante tenha qualidade razoável. Este padrão permite tanto compressão com perdas como compressão sem perdas, dependendo apenas do tipo de transformada wavelet utilizada. Este trabalho propõe a implementação de blocos internos em hardware para compor um compressor de imagens com perdas seguindo o padrão JPEG2000. O principal componente deste compressor de imagens é a transformada wavelet discreta irreversível em duas dimensões, que é implementada utilizando um esquema lifting a partir dos coeficientes Daubechies 9/7 descritos na literatura. Para proporcionar altas taxas de compressão para a transformada irreversível, são utilizados coeficientes reais – que são originalmente propostos em representação de ponto-flutuante. Neste trabalho, estes coeficientes foram implementados em formato de ponto-fixo arredondado, o que resulta erros que foram estimados e controlados. Neste trabalho, várias arquiteturas em hardware para a descrição da transformada wavelet discreta irreversível em duas dimensões foram implementadas para avaliar a relação entre tipo de descrição, consumo de área e atraso de propagação. A arquitetura de melhor relação custo benefício requer 2.090 células de um dispositivo FPGA, podendo operar a até 78,72 MHz, proporcionando uma taxa de processamento de 28,2 milhões de amostras por segundo. Esta arquitetura resultou em um nível de erro médio quadrático de 0,41% para cada nível de transformada. A arquitetura implementada para o bloco do codificador de entropia foi sintetizada a partir de uma descrição comportamental, gerando um hardware capaz de processar até 843 mil coeficientes de entrada por segundo. Os resultados indicam que o compressor de imagens com perdas seguindo o padrão JPEG2000, utilizando os blocos implementados nesta dissertação e operando na máxima freqüência de operação definida, pode codificar em média 1,8 milhões de coeficientes por segundo, ou seja, até 27 frames de 256x256 pixels por segundo. Esta limitação na taxa de codificação é definida pelo codificador de entropia, que possui um algoritmo mais complexo, necessitando de um trabalho complementar para melhorar sua taxa de codificação aumentando o paralelismo do hardware.

The increasing demands for higher data transmission rates and higher data storage capacity call for the development of techniques to increase the compression rate of images while at the same time keeping the image quality. The JPEG2000 Standard proposes the use of the discrete wavelet transform and of arithmetic coding to reach high compression rates, providing reasonable quality to the resulting compressed image. This standard allows lossy as well as loss-less compression, dependent on the type of wavelet transform used. This work considers the implementation of the internal hardware blocks that comprise a lossy image compressor in hardware following the JPEG2000 standard. The main component of this image compressor is the two dimensional irreversible discrete wavelet transform, that is implemented using a lifting scheme with the Daubechies 9/7 coefficients presented in the literature. To provide high compression rates for the irreversible transform, these coefficients – originally proposed in their floating-point representation – are used. In this work, they are implemented as fixed-point rounded coefficients, incurring in errors that we estimate and control. In this work, various hardware architectures for the two dimensional irreversible discrete wavelet transform were implemented to evaluate the tradeoff between the type of description, area consumption and delay. The architecture for the best trade-off requires 2,090 logic cells of a FPGA device, being able to operate up to 78.72 MHz, providing a processing rate of 28.2 million of samples per second. This architecture resulted in 0.41% of mean quadratic error for each transformed octave. The architecture implemented for the block of the entropy encoder was synthesized from a behavioral description, generating the hardware able to process up to 843 thousands of input coefficients per second. The results indicate that the lossy image compressor following JPEG2000 standard, using the blocks implemented in this dissertation and operating in the maximum clock frequency can codify, in average, 1.8 million coefficients per second, or conversely, up to 27 frames of 256x256 pixels per second. The rate-limiting step in this case is the entropy encoder, which has a more complex algorithm that needs further work to be sped up with more parallel hardware.