CN108900844B - 一种jpeg解码装置、方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种JPEG解码装置，包括：图像分发单元，用于向各数据预处理单元发送图像处理任务；与图像分发单元连接的若干数据预处理单元，用于对待处理图像进行预处理，得到待解码数据；分别与数据预处理单元对应连接的Huffman解码单元，用于对接收的待解码数据进行解码，得到解码后的数据；与各Huffman解码单元连接的仲裁单元，用于根据反变换单元的数据量处理规则对Huffman解码单元进行通道切换，将多路Huffman解码单元发送的数据发送至反变换单元。该装置通过多路Huffman解码单元并行实现提高JPEG解码的吞吐率，降低图像处理成本；本发明还公开了一种JPEG解码方法及***，具有上述有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及图像数据处理领域，特别涉及一种JPEG解码装置、方法及***。
背景技术
JPEG图像压缩算法由于其能够在提供良好的压缩性能的同时，具有比较好的重建质量成为存储***中存储最多的图像格式。
JPEG解码算法可以分为数据预处理、Huffman解码、反量化及反DCT变换三个阶段，如图1所示。目前的JPEG解码过程效率较低，吞吐率低，对于目前每天需要对几十亿图像进行处理的数据中心来说，JPEG解码过程成为图像处理过程的性能瓶颈。
因此，如何提高JPEG解码的吞吐率，降低JPEG图像处理成本，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种JPEG解码装置，该方法可以通过多路Huffman解码单元的并行实现提高JPEG解码的吞吐率，降低JPEG图像处理成本；本发明的另一目的是提供一种JPEG解码方法及***，具有上述有益效果。
为解决上述技术问题，本发明提供一种JPEG解码装置，包括：
图像分发单元，用于向各数据预处理单元发送图像处理任务；其中，所述图像处理任务包括待处理图像；
与所述图像分发单元连接的若干数据预处理单元，用于对所述待处理图像进行预处理，得到待解码数据；
分别与所述数据预处理单元对应连接的Huffman解码单元，用于对接收的所述待解码数据进行Huffman解码，得到解码后的数据；
与各所述Huffman解码单元连接的仲裁单元，用于根据反变换单元的数据量处理规则对所述Huffman解码单元进行通道切换，分别将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元；
所述反变换单元，用于对接收到的数据进行反变换处理。
优选地，所述数据预处理单元包括：处理子单元以及处理回馈子单元；
其中，所述处理子单元，用于对所述待处理图像进行预处理后发送至对应连接的Huffman解码单元；
所述处理回馈子单元，用于若当前的图像处理任务完成时，向所述图像分发单元发送结束标志；
则所述图像分发单元具体用于：当接收到结束标志时，向空闲的预处理单元发送图像处理任务。
优选地，所述数据预处理单元包括：第一预处理子单元、第二预处理子单元以及第三预处理子单元；
则与所述数据预处理单元连接的Huffman解码单元包括：与所述第一预处理子单元连接的第一解码子单元；与所述第二预处理子单元连接的第二解码子单元；与所述第三预处理子单元连接的第三解码子单元。
优选地，所述仲裁单元包括：传输子单元以及切换子单元；
其中，所述传输子单元，用于将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元；
所述切换子单元，用于接收到单个Huffman解码单元的数据量达到单次处理门限值时，切换至其它Huffman解码单元进行数据传输。
优选地，所述仲裁单元还包括：
异常切换子单元，用于当接收单个Huffman解码单元的数据传输时间超过时间阈值，且获取的数据量未达到单次处理门限值时，进行通道切换。
本发明公开一种JPEG解码方法，基于上述JPEG解码装置，包括：
图像分发单元向各数据预处理单元发送图像处理任务；其中，所述图像处理任务包括待处理图像；若干数据预处理单元对所述待处理图像进行预处理，得到待解码数据；与所述数据预处理单元对应连接的Huffman解码单元对接收的所述待解码数据进行Huffman解码，得到解码后的数据；仲裁单元根据反变换单元的数据量处理规则分别将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元；所述反变换单元对接收到的数据进行反变换处理。
优选地，所述若干数据预处理单元对所述待处理图像进行预处理包括：
处理子单元对所述待处理图像进行预处理后发送至对应连接的Huffman解码单元；
若当前的图像处理任务完成时，处理回馈子单元向所述图像分发单元发送结束标志；
则所述图像分发单元向各数据预处理单元发送图像处理任务具体为：当接收到结束标志时，图像分发单元向空闲的预处理单元发送图像处理任务。
本发明公开一种JPEG解码***，包括：
任务发布装置，用于向JPEG解码装置发送JPEG解码任务；
JPEG解码装置，用于接收所述JPEG解码任务，进行JPEG解码处理后生成解码后的数据；
数据接收装置，用于接收进行JPEG解码后的数据。
优选地，所述JPEG解码***具体为：基于FPGA平台的JPEG解码***。
优选地，所述基于FPGA的JPEG解码***具体为：基于FPGA平台OpenCL实现的JPEG解码***。
由于在目前的JPEG解码过程中，反变换(反量化及反DCT变换)单元并行度较高，数据处理速度快，但同时Huffman解码过程由于为变长解码，在解码时需要等待上一个数据解码完成后才可以解码当前数据，算法数据依赖性非常强，并行度低，数据处理速度慢，反变换单元往往需要等待Huffman解码单元生成足够的数据。本发明所提供的JPEG解码装置，将多个数据预处理单元与Huffman解码单元组合后并行实现对图像数据的预处理以及Huffman解码过程，即当每一路的解码速率为a bite/s，反变换单元的处理速度为3a bite/s时，将三路预处理单元与Huffman解码单元并行后，每秒可以产生3a bite的数据通过仲裁单元输入至反变换单元，相对于目前反变换单元需要等待Huffman解码单元产生足够的数据进行处理时浪费的大量时间，可以大大加快JPEG解码的效率，提高单位时间JPEG解码的吞吐率，提高单机JPEG图像处理能力，降低数据中心对服务器数量的需求，降低JPEG图像处理成本。
本发明还公开了“数据预处理单元中处理回馈子单元在当前的图像处理任务完成时，向所述图像分发单元发送结束标志；图像分发单元当接收到结束标志时，向空闲的预处理单元发送图像处理任务”这一技术特征，数据预处理单元在一整幅图片处理完成后，处理回馈子单元发送结束标志到图像分发模块，等待新的处理任务，这样就可以保证每一路Huffman解码完成后能够尽快拿到新的处理任务，避免出现由于单次进行大量任务分配时任务分配不均导致多路Huffman解码状态差异大的情况(比如多路空载，但一路仍有大量人物需要进行处理)，从而达到多路Huffman解码之间的负载均衡，提高JPEG解码效率。
本发明还公开了一种JPEG解码方法及***，具有上述有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为当前JPEG解码算法示意图；
图2为本发明实施例提供的一种JPEG解码装置结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种JPEG解码装置结构示意图；
图4为本发明实施例提供的JPEG解码方法的流程图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种JPEG解码方法，该方法可以提高JPEG解码的吞吐率，降低JPEG图像处理成本；本发明的另一核心是提供一种JPEG解码方法及***，具有上述有益效果。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
JPEG解码流程主要分为数据预处理、Huffman解码、反量化及反DCT三个阶段。其中，数据预处理包括去除数据类型标记以及数据还原(将存储的0xFFFF类型还原为JPEG标准数据类型标记—0xFF)；Huffman解码是将二进制比特流转换为十进制数据；反量化及反DCT变换指进行图像数据格式的转换，比如将频域图像数据转换为时域图像数据等。
数据预处理仅仅用于去除数据类型标志及还原图像数据，基本没有计算任务，因此程序执行会很快。反量化及反DCT变换都是基于8x8的图像宏块进行处理，宏块数据内部没有依赖，并行度较高。而由于Huffman编码是变长编码，因此解码过程需要等待上一数据解码完成才可以解码当前数据，算法数据依赖非常强，并行度低，因此Huffman解码为JPEG解码算法中的性能瓶颈，实测结果与上述结果相同。
反量化及反DCT变换占解码过程中80％以上的计算负载，在并行度较高的情况下会占用大量的逻辑资源和DSP，为充分利用反变换的计算资源，本发明提出如图1所示的JPEG解码装置，通过增加Huffman解码的数据流个数实现Huffman解码的并行，相对提高单位时间内生成的Huffman解码数据量，提升解码速度。
图2为本实施例提供的JPEG解码装置示意图，该JPEG解码装置主要包括：图像分发单元、数据预处理单元、Huffman解码单元、仲裁单元以及反变换单元。
其中，图像分发单元主要用于向各数据预处理单元发送图像处理任务；其中，图像处理任务包括待处理图像。
若干数据预处理单元并行连接于图像分发单元，用于对待处理图像进行预处理，包括负责去除数据类型标志及还原图像数据等，得到待解码数据。
Huffman解码单元与数据预处理单元连接，负责解码二进制比特流。通过多路Huffman解码单元并行，有效利用了JPEG解码过程中反量化、反DCT变换的并行度和算力，基于多路Huffman的JPEG解码并行加速，能够充分利用FPGA的并行性，极大的提高JPEG解码的吞吐率。
在此对预处理单元以及对应的Huffman解码单元的数量不做限定，可以根据反变换单元的处理速度进行设定。其中，经过大量检测，目前反变换单元的处理速度大约是Huffman解码单元处理速度的三倍，因此，优选地，可以设置三条并行通道，具体地，数据预处理单元包括：第一预处理子单元、第二预处理子单元以及第三预处理子单元；则与数据预处理单元连接的Huffman解码单元具体为：与第一预处理子单元连接的第一解码子单元；与第二预处理子单元连接的第二解码子单元；与第三预处理子单元连接的第三解码子单元，可以实现减少装置成本的前提下保证解码速度。
仲裁单元与Huffman解码单元连接，用于根据反变换单元的数据量处理规则对Huffman解码单元进行通道切换，分别将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元。JPEG图片格式中，8x8的宏块为最小处理单元，若干个8x8宏块组成一个MCU，JPEG解压时需要以MCU为基本处理单元，因此仲裁单元需要等待一个完整的MCU Huffman解码完才切换到另外一路Huffman解码。在此对切换方式不做限定，可以根据传输数据的时间或者传输的数据量作为判定条件进行通道的切换。其中，优选地，可以通过发送的数据量作为判定条件，则仲裁单元具体包括：传输子单元以及切换子单元；传输子单元，用于将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元；切换子单元，用于接收到单个Huffman解码单元的数据量达到单次处理门限值时，切换至其它Huffman解码单元进行数据传输。
例如，反变换单元需要同时对4个宏块数据进行处理，当第一Huffman解码单元将生成的4个宏块数据通过仲裁单元传输至反变换单元后，对第一Huffman解码单元向仲裁单元传输数据的通道关闭，切换至其他Huffman解码单元进行数据传输。其中，通道关闭的Huffman解码单元仍然处于工作状态，仍然会产生解码后的数据。
另外，可选地，仲裁单元可以还包括，用于当接收单个Huffman解码单元数据传输超过时间阈值，但获取的数据量仍未达到单次处理门限值时，可能该条数据通道或者Huffman解码单元数据异常，此时进行通道切换，切换至其他通道进行数据传输，避免陷入死循环。
当每一路的解码速率为a bite/s，反变换单元的处理速度为3a bite/s时，将三路预处理单元与Huffman解码单元并行后，每秒可以产生3a bite的数据通过仲裁单元输入至反变换单元，相对于目前反变换单元需要等待Huffman解码单元产生足够的数据进行处理时浪费的大量时间，可以大大加快JPEG解码的效率。
反变换单元主要用于对接收到的数据进行反变换处理，主要完成反量化及反变换的操作。反变换单元的具体工作流程请参照现有技术，在此不再赘述。
当然，JPEG解码装置也可以为如图3所示的结构，只要可以实现Huffman解码单元的并行即可。在此对图3所示的结构不做赘述，可参照图1对应的介绍。
基于上述技术方案，本实施例所提供的JPEG解码装置，将多个数据预处理单元与Huffman解码单元组合后并行实现对图像数据的预处理以及Huffman解码过程，相对于目前反变换单元需要等待Huffman解码单元产生足够的数据进行处理时浪费的大量时间，可以大大加快JPEG解码的效率，提高单位时间JPEG解码的吞吐率，提高单机JPEG图像处理能力，降低数据中心对服务器数量的需求，降低JPEG图像处理成本。
基于上述实施例，如果一批JPEG图片有分辨率比较大的图片，有分辨率比较小的图片，如果一路Huffman解码分到的全是大图片，另外一路Huffman解码分到全是小图片，怎会最导致分到小图片的那路Huffman解码会很快完成任务，然后处于空载状态，进而影响算法整体性能，为尽量避免任务分配不均导致解码效率降低的情况，优选地，数据预处理单元具体可以包括：处理子单元以及处理回馈子单元；处理子单元，用于对待处理图像进行预处理后发送至对应连接的Huffman解码单元；处理回馈子单元，用于若当前的图像处理任务完成时，向图像分发单元发送结束标志；则图像分发单元具体用于：当接收到结束标志时，向空闲的预处理单元发送图像处理任务。
数据预处理单元在一整幅图片处理完成后，处理回馈子单元发送结束标志到图像分发模块，等待新的处理任务，通过数据预处理单元与图片分发单元进行信息反馈，根据处理情况进行任务的分发，对Huffman解码单元进行负载均衡，这样就可以保证每一路Huffman解码完成后能够尽快拿到新的处理任务，避免出现由于单次进行大量任务分配时任务分配不均导致多路Huffman解码状态差异大的情况(比如多路空载，但一路仍有大量人物需要进行处理)，从而达到多路Huffman解码之间的负载均衡，提高JPEG解码效率。
具体地，加入负载均衡的JPEG解码的工作过程具体可以为：图片分发模块发送需要处理的JPEG图片信息到数据预处理模块，数据预处理模块收到信息后开始进行去数据类型标志及还原图像数据的任务，等到一整幅图片处理完成后，发送结束标志到图像分发模块，等待新的处理任务。
本实施例中通过对待处理图片进行负载均衡，大大提高了JPEG解码效率。
请参考图4，图4为本实施例提供的JPEG解码方法的流程图；该方法可以包括：
步骤s410：图像分发单元向各数据预处理单元发送图像处理任务；其中，图像处理任务包括待处理图像。
步骤s420：若干数据预处理单元对待处理图像进行预处理，得到待解码数据。
步骤s430：与数据预处理单元对应连接的Huffman解码单元对接收的待解码数据进行Huffman解码，得到解码后的数据。
步骤s440：仲裁单元根据反变换单元的数据量处理规则分别将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元。
步骤s450：反变换单元对接收到的数据进行反变换处理。
优选地，若干数据预处理单元对待处理图像进行预处理具体可以包括：
处理子单元对待处理图像进行预处理后发送至对应连接的Huffman解码单元；
若当前的图像处理任务完成时，处理回馈子单元向图像分发单元发送结束标志；
则图像分发单元向各数据预处理单元发送图像处理任务具体为：当接收到结束标志时，图像分发单元向空闲的预处理单元发送图像处理任务。
优选地，仲裁单元根据反变换单元的数据量处理规则分别将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元具体可以包括：
仲裁单元中传输子单元将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元；
当接收到单个Huffman解码单元的数据量达到单次处理门限值时，仲裁单元中切换子单元切换至其它Huffman解码单元进行数据传输。
本实施例提供的JPEG解码方法可与上述JPEG解码装置可相互对照，可以达到多路Huffman解码之间的负载均衡，提高JPEG解码效率。
本实施例提供一种JPEG解码***，包括：任务发布装置，用于向JPEG解码装置发送JPEG解码任务；JPEG解码装置，用于接收JPEG解码任务，进行JPEG解码处理后生成解码后的数据。具体地，JPEG解码装置可参照图一对应实施例的介绍，在此对具体工作过程不再赘述；以及数据接收装置，用于接收进行JPEG解码后的数据。
JPEG格式编解码以及处理中都是大量的数据计算，FPGA较于CPU具有强大的数据并行计算能力，而且CPU+FPGA作为一种新的异构计算平台正在被广泛的研究和探讨，优选地，可以采用基于FPGA的JPEG解码***进行JPEG解码。
传统的FPGA开发一般会采用Verilog或VHDL语言进行RTL级的***设计，这种方式门槛高、难度大、开发周期非常长。而OpenCL是一种的新的专门面向“异构计算”的类C编程语言，可极大的缩短开发周期。目前Intel和Xilinx均提供了面向OpenCL的FPGA编程开发环境。因此，优选地，可以基于FPGA的OpenCL实现的JPEG解码***。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的JPEG解码装置、方法及***进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种JPEG解码装置，其特征在于，包括：
图像分发单元，用于向各数据预处理单元发送图像处理任务；其中，所述图像处理任务包括待处理图像；
与所述图像分发单元连接的若干数据预处理单元，用于对所述待处理图像进行预处理，得到待解码数据；
分别与所述数据预处理单元对应连接的Huffman解码单元，用于对接收的所述待解码数据进行Huffman解码，得到解码后的数据；
与各所述Huffman解码单元连接的仲裁单元，用于根据反变换单元的数据量处理规则对所述Huffman解码单元进行通道切换，分别将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元；所述仲裁单元包括：传输子单元、切换子单元以及异常切换子单元；其中，所述传输子单元，用于将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元；所述切换子单元，用于接收到单个Huffman解码单元的数据量达到单次处理门限值时，切换至其它Huffman解码单元进行数据传输；所述异常切换子单元，用于当接收单个Huffman解码单元的数据传输时间超过时间阈值，且获取的数据量未达到单次处理门限值时，进行通道切换；
所述反变换单元，用于对接收到的数据进行反变换处理。
2.如权利要求1所述的JPEG解码装置，其特征在于，所述数据预处理单元包括：处理子单元以及处理回馈子单元；
其中，所述处理子单元，用于对所述待处理图像进行预处理后发送至对应连接的Huffman解码单元；
所述处理回馈子单元，用于若当前的图像处理任务完成时，向所述图像分发单元发送结束标志；
则所述图像分发单元具体用于：当接收到结束标志时，向空闲的预处理单元发送图像处理任务。
3.如权利要求1所述的JPEG解码装置，其特征在于，所述数据预处理单元包括：第一预处理子单元、第二预处理子单元以及第三预处理子单元；
则与所述数据预处理单元连接的Huffman解码单元包括：与所述第一预处理子单元连接的第一解码子单元；与所述第二预处理子单元连接的第二解码子单元；与所述第三预处理子单元连接的第三解码子单元。
4.一种JPEG解码方法，其特征在于，基于权利要求1-3任一项所述的JPEG解码装置，包括：
图像分发单元向各数据预处理单元发送图像处理任务；其中，所述图像处理任务包括待处理图像；若干数据预处理单元对所述待处理图像进行预处理，得到待解码数据；与所述数据预处理单元对应连接的Huffman解码单元对接收的所述待解码数据进行Huffman解码，得到解码后的数据；仲裁单元根据反变换单元的数据量处理规则分别将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元；所述反变换单元对接收到的数据进行反变换处理；
所述仲裁单元根据反变换单元的数据量处理规则分别将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元包括：将多路Huffman解码单元发送的数据依次发送至反变换单元；所述切换子单元接收到单个Huffman解码单元的数据量达到单次处理门限值时，切换至其它Huffman解码单元进行数据传输；当接收单个Huffman解码单元的数据传输时间超过时间阈值，且获取的数据量未达到单次处理门限值时，所述异常切换子单元进行通道切换。
5.如权利要求4所述的JPEG解码方法，其特征在于，所述若干数据预处理单元对所述待处理图像进行预处理包括：
处理子单元对所述待处理图像进行预处理后发送至对应连接的Huffman解码单元；
若当前的图像处理任务完成时，处理回馈子单元向所述图像分发单元发送结束标志；
则所述图像分发单元向各数据预处理单元发送图像处理任务具体为：当接收到结束标志时，图像分发单元向空闲的预处理单元发送图像处理任务。
6.一种JPEG解码***，其特征在于，包括：
任务发布装置，用于向JPEG解码装置发送JPEG解码任务；
如权利要求1至3任一项所述的JPEG解码装置，用于接收所述JPEG解码任务，进行JPEG解码处理后生成解码后的数据；
数据接收装置，用于接收进行JPEG解码后的数据。
7.如权利要求6所述的JPEG解码***，其特征在于，所述JPEG解码***具体为：基于FPGA平台的JPEG解码***。
8.如权利要求7所述的JPEG解码***，其特征在于，所述基于FPGA平台的JPEG解码***具体为：基于FPGA平台OpenCL实现的JPEG解码***。
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