PROJETO DE ARQUITETURA DE CODIFICADOR DE ENTROPIA PARA COMPRESSÃO JPEG DE IMAGENS EM TONS DE CINZA

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1 PROJETO DE ARQUITETURA DE CODIFICADOR DE ENTROPIA PARA COMPRESSÃO JPEG DE IMAGENS EM TONS DE CINZA Luciano Volcan Agostini Ivan Saraiva Silva* *Universidade Federal do Rio Grande do Norte DIMAp - Natal - Brasil Universidade Federal do Rio Grande do Sul Grupo de Microeletrônica Caixa Postal Porto Alegre Brasil Sergio Bampi bampi@inf.ufrgs.br ABSTRACT This paper presents the design of an architecture to be used in the last stage of the JPEG compression: the entropy coding. This paper focuses in the compression of gray scale images, but the proposed architecture can be easily adapted to the compression of color images. The entropy coder architecture was described in VHDL and was synthesized for an Altera Flex10kE FPGA. This architecture reaches a processing rate of 76 images per second, for 640 x 480 pixels images. This performance is larger than the performance demanded by real time applications and it encourages the use of the entropy coder architecture in a JPEG compressor designed in hardware. RESUMO Este artigo propõe e desenvolve uma arquitetura para a última etapa da compressão JPEG: a codificação de entropia. O foco do artigo é dado na compressão de imagens em tons de cinza, mas a arquitetura proposta pode facilmente ser adaptada à compressão de imagens coloridas. A arquitetura do codificador de entropia foi completamente descrita em VHDL e sintetizada para FPGAs Altera da família Flex10kE, atingindo uma taxa máxima de processamento de 76 imagens por segundo, para imagens de 640 x 480 pixels. Este desempenho é superior ao exigido para aplicações de tempo real e encoraja o seu uso em um compressor JPEG completamente desenvolvido em hardware. 1. INTRODUÇÃO A compressão JPEG é a compressão mais utilizada para imagens fotográficas, dada a sua elevada taxa de compressão e as perdas não muito significativas inseridas na qualidade da imagem pelo processo de compressão. Os compressores JPEG em software estão amplamente difundidos, mas a restrição de tempo de processamento acaba por inviabilizar o seu uso em várias aplicações onde o desempenho é o fator crítico. Para satisfazer os requisitos destas aplicações foi necessário o desenvolvimento de hardwares dedicados para partes e mesmo para todo o compressor JPEG. Como o processo para a compressão JPEG é bastante complexo, o desenvolvimento de um compressor em hardware não é uma atividade simples. Este artigo apresenta uma arquitetura para a codificação de entropia, que é o último passo da compressão JPEG. Esta arquitetura está inserida em um conjunto de arquiteturas já desenvolvidas que realizam todas as etapas da compressão JPEG [1] [2] [3] [4]. A arquitetura desenvolvida no artigo é direcionada para a codificação de entropia de imagens em tons de cinza, mas esta arquitetura pode ser facilmente adaptada para ser usada na compressão de imagens coloridas. As principais aplicações alvo para o compressor JPEG em hardware em desenvolvimento são a monitoração e controle de tráfego automotivo e a segurança predial. O item 2 do artigo apresenta, resumidamente, a compressão de imagens JPEG, enquanto que o item 3 apresenta em maiores detalhes a codificação de entropia. O item 4 apresenta a arquitetura desenvolvida, subdividindo-a em suas sete partes principais: codificação diferencial, codificação RLE, cálculo de tamanho, codificação VLC, codificação de Huffman, pre-montagem e montagem. O item 5 apresenta os resultados de síntese obtidos e, por fim, o item 6 apresenta as conclusões do artigo. 2. A COMPRESSÃO JPEG O padrão de compressão de imagens JPEG foi proposto originalmente em 1987 pelo Join Photographic Expert Group [5]. Rapidamente este padrão passou a ser o mais utilizado para imagens fotográficas, mantendo este status até os dias de hoje. Existem quatro modos básicos de operação previstos no padrão JPEG: sem perdas, hierárquico, progressivo e seqüencial [6]. Os três últimos modos de operação realizam uma compressão com perdas, isto é, parte da informação contida na imagem original é perdida durante o processo de compressão. Estas perdas podem ser

2 controladas para causarem efeitos minimamente perceptíveis ao olho humano. O modo seqüencial possui um subgrupo chamado de baseline. O modo baseline é aquele que possui o número mínimo de requisitos para considerar um processo de compressão como sendo JPEG [7]. Por sua simplicidade e eficiência, é o modo de operação mais utilizado em compressores JPEG em hardware ou software [8]. O modo baseline é o alvo da arquitetura proposta por este artigo, por isso não serão dados maiores detalhes dos demais modos de operação. A compressão JPEG com perdas tem como núcleo o uso da Transformada Discreta do Coseno em duas dimensões (DCT 2-D). A DCT 2-D transforma a informação da imagem do domínio tempo para o domínio das freqüências. Então toda a manipulação dos dados, com o objetivo de reduzir o número de bits necessários para representar a imagem, é realizado neste domínio. A imagem de entrada é dividida em blocos de 8x8 pixels para serem comprimidos e cada elemento destes blocos possui 8 bits. A compressão JPEG baseline para imagens em tons de cinza pode ser dividia em três operações principais, de acordo com a Fig. 1: DCT 2-D, quantização e codificação de entropia. Figura 1 Operações da compressão JPEG baseline de imagens em tons de cinza. Para a compressão de imagens coloridas, mais duas operações se fazem necessárias: conversão do espaço de cores e dowsampling [7] [8]. Estas operações são realizadas antes da aplicação da DCT 2-D e não serão detalhadas neste artigo. A primeira operação para a compressão JPEG de imagens em tons de cinza é um deslocamento de nível nos dados de entrada. Este deslocamento faz com que o valor médio dos componentes da entrada seja igual a zero, possibilitando uma maior uniformidade no processamento da imagem [8]. Esta operação resume-se a uma simples subtração de 128 em todos os valores de entrada Após o deslocamento de nível as matrizes devem passar pela DCT 2-D. A DCT 2-D não realiza nenhum tipo de compressão, ela apenas prepara os dados para serem comprimidos pelos passos seguintes da compressão JPEG. Não se entrará, neste artigo, em detalhes e definições sobre a DCT 2-D, por este ser um ferramental matemático extremamente difundido. Uma abordagem da DCT 2-D, direcionada para o processamento de imagens, pode ser encontrada em [8] e [9]. Em [2] foi apresentado o projeto de uma arquitetura de DCT 2-D para uso na compressão JPEG, que teve como referência a arquitetura proposta em [10]. Os coeficientes da DCT 2-D passam, então, pela operação de quantização [6] [7]. A quantização é uma divisão inteira dos resultados da DCT 2-D por uma matriz de valores predeterminados, chamada de matriz de quantização. O objetivo da quantização é reduzir a zero a maior parte dos elementos da matriz de coeficientes, sem, no entanto, causar perdas muito perceptíveis na qualidade da imagem. A operação de quantização, por ser uma divisão inteira, é uma operação irreversível, isto significa que as perdas geradas pela quantização não podem ser recuperadas com uma simples operação inversa [8]. A última operação na compressão JPEG é a codificação de entropia [6] [7] [8], que une várias técnicas de compressão sem perdas para diminuir o número de bits necessários para representar as matrizes quantizadas. Estas técnicas são a codificação diferencial, a codificação de comprimento variável (Variable Length Coding - VLC), a codificação por seqüências de ocorrências (Run-Length Encoding - RLE) e a codificação de Huffman. Como a codificação de entropia é o foco deste trabalho, esta operação será abordada em maiores detalhes no próximo item deste artigo. 3. CODIFICAÇÃO DE ENTROPIA NA COMPRESSÃO JPEG Na compressão JPEG para imagens em tons de cinza, a codificação de entropia é a operação onde é efetivamente realizada a redução no número de bits utilizados para representar cada uma das informações de cor da imagem. A codificação de entropia é realizada sobre a matriz 8x8 de coeficientes quantizados da DCT 2-D. Nesta matriz, o primeiro componente (linha 0, coluna 0) é tratado de maneira diferenciada dos demais pela codificação de entropia. Este componente é chamado de componente DC da matriz, enquanto que os demais são chamados de componentes AC [6]. A Fig. 2 apresenta genericamente as etapas da codificação de entropia, onde destaca-se o fluxo diferenciado entre os componentes DC e os componentes AC da matriz de entrada. Este fluxo diferenciado será detalhado a seguir. Figura 2 Etapas da codificação de entropia

3 Após o processo de quantização, a matriz resultante terá muitas ocorrências de zeros. Como a DCT 2-D concentra a maior parte da energia da imagem no canto superior esquerdo da matriz [8], as freqüências localizadas nesta região são as que possuem maior amplitude e, então, são as que têm maior probabilidade de terem valores diferentes de zero após a quantização. Então a matriz resultante da quantização é lida em ziguezague pelo codificador de entropia com o objetivo de agrupar as ocorrências de zeros em grandes seqüências. Este agrupamento das seqüências de zeros potencializa o uso da compressão obtida através da codificação RLE [6] Codificação de Entropia dos Componentes DC A primeira etapa na codificação de entropia dos componentes DC é a codificação diferencial. Como os componentes DC de blocos consecutivos possuem um alto grau de correlação [6], o valor da diferença entre estes dois componentes possui uma amplitude menor do que a amplitude original de um componente DC. A codificação diferencial é efetuada com uma subtração do valor DC do bloco anterior pelo valor DC do bloco atual (DC i DC i-1 ), gerando um campo que será chamado de Amplitude DC neste artigo. Após a codificação diferencial, a codificação de entropia determina qual é o menor número de bits necessários para representar o campo Amplitude DC, através do cálculo de tamanho. Esta operação é realizada tendo como referência a tabela de tamanhos, apresentada no padrão JPEG [6]. De acordo com a faixa de valores do campo Amplitude DC, este campo é classificado em categorias que variam de 0 a 11. Cada categoria informa o tamanho do resultado em bits através do seu identificador. Este resultado será chamado de Tamanho neste artigo. O campo Tamanho é então codificado por Huffman [9]. A codificação de Huffman é uma codificação de comprimento de palavra variável que utiliza a estatística para determinar qual palavra deve ser associada a cada símbolo. Os símbolos com maior número de ocorrências recebem os menores códigos e os símbolos com menor número de ocorrências recebem os maiores códigos. A codificação de Huffman pode ser estática ou dinâmica. Na codificação dinâmica as estatísticas são montadas para cada diferente imagem, gerando um resultado ótimo em termos de compressão. Por outro lado, na codificação estática tabelas predefinidas são utilizadas, diminuindo significativamente a complexidade do processo de codificação, aumentando o seu desempenho, mas reduzindo a taxa de compressão. O padrão JPEG [6] sugere tabelas de Huffman estáticas para uso geral, indicando que estas tabelas possuem desempenho razoável para a maioria das aplicações. Para imagens em tons de cinza a compressão JPEG baseline utiliza apenas duas tabelas de Huffman: uma para os componentes DC e outra para os componentes AC. O codificador de Huffman gera o campo Código de Huffman. A codificação VLC, da mesma forma que a codificação de Huffman, utiliza palavras de comprimento variável para representar os símbolos codificados. A diferença é que a codificação VLC não utiliza dados estatísticos, ela apenas descarta todos os bits que não são significativos no símbolo de entrada. Mesmo o bit de sinal é descartado. Os dados de entrada, para o codificador VLC, são: o campo Amplitude DC, que será codificado; e o campo Tamanho, que define o número de bits que serão considerados pela codificação VLC. A codificação VLC gera o campo chamado de Amplitude. Por fim, o campo Código de Huffman é concatenado com o campo Amplitude, gerando o par Código de Huffman / Amplitude, que é a codificação do componente DC gerada pelo codificador de entropia Codificação de Entropia dos Componentes AC Para os componentes AC, a primeira etapa é a codificação RLE. O princípio básico da codificação RLE é a substituição de um conjunto de símbolos repetidos em uma seqüência de dados pelo número de repetições e o próprio símbolo [9]. Por isso a codificação RLE é indicada para casos onde exista um grande número de repetições de símbolos em seqüência. Na compressão JPEG existem grandes seqüências de zeros após a leitura em zigue-zague da matriz resultante da quantização, por isso a codificação RLE foi simplificada para apenas contar a ocorrência deste símbolo, além disso, como apenas os zeros é que são contados, não é necessário que o símbolo apareça após o número de ocorrências. Então a codificação RLE na compressão JPEG conta quantos zeros existem antes de um componente não zero e gera um par Ocorrências / Amplitude AC, onde o campo Ocorrências informa o número de zeros que antecedem o valor não zero e o campo Amplitude AC é o próprio valor do componente não zero. O padrão JPEG define em 15 o tamanho máximo do campo Ocorrências, então uma seqüência de 16 ou mais zeros gera um par Ocorrências / Amplitude AC especial, 15/0, que indica a existência de 15 zeros seguidos por mais um zero e que reinicializa o contador de zeros. Outro par especial é gerado quando a matriz de entrada termina com zeros, este par é 0/0. Após a codificação RLE a codificação de entropia do componente AC, de forma similar ao que ocorre na codificação dos componentes DC, determina qual é o menor número de bits necessários para representar o campo Amplitude AC, através da tabela de tamanhos, também gerando o campo chamado de Tamanho. O próximo passo para codificação de entropia dos componentes AC é a concatenação do campo Ocorrências, gerado pela codificação RLE, com o campo Tamanho, gerado a partir da tabela de tamanhos. Esta concatenação gera o par Ocorrências / Tamanho, que

4 deve passar pela codificação de Huffman, de modo similar ao que ocorre com o campo Tamanho na codificação dos componentes DC. A diferença está na tabela de Huffman que será utilizada. O campo gerado também é chamado de Código de Huffman neste artigo. Simultaneamente à codificação de Huffman do par Ocorrências / Tamanho, o campo Amplitude AC passa pela codificação VLC, que é efetuada da mesma forma que para os componentes DC, gerando o campo Amplitude. Por fim o campo Código de Huffman é concatenado com o campo Amplitude, gerado pela codificação VLC gerando o par Código de Huffman / Amplitude, que é a codificação do componente AC gerada pelo codificador de entropia. 4. A ARQUITETURA DESENVOLVIDA A arquitetura proposta e desenvolvida neste artigo está apresentada, genericamente, na Fig. 3. O codificador de entropia recebe como entrada valores de 12 bits gerados pela arquitetura da quantização. A saída do codificador de entropia consiste de palavras JPEG de 32 bits, que são entregues de forma assíncrona. A arquitetura apresentada na Fig. 3 consome um valor de entrada a cada ciclo de clock e opera em um pipeline de quatro estágios. Na Fig. 3 estão destacados os registradores usados como barreira temporal para permitir o uso do pipeline. A entrada da arquitetura do codificador de entropia é síncrona, mas a sua saída é assíncrona. O assincronismo é gerado por dois motivos. O primeiro diz respeito a arquitetura do codificador RLE, que possui uma saída assíncrona (como será visto em detalhes no item 4.2 deste artigo) propagando este assincronismo para os demais blocos da arquitetura. O segundo motivo é causado pelas codificações VLC e de Huffman, que possuem comprimento de palavra variável, fazendo com que os 32 bits da saída sejam entregues em uma taxa completamente dependente do conjunto de entradas consideradas em cada caso. Este assincronismo da saída não dificulta o cálculo do desempenho do codificador de entropia, uma vez que a taxa de consumo de entradas é fixa e que esta taxa pode ser usada na definição do desempenho da arquitetura. A arquitetura apresentada na Fig. 3 está dividida em sete partes principais, abordadas nos próximos itens deste artigo. Estas partes são: codificador diferencial, codificador RLE, cálculo de tamanho, codificador de Huffman, codificador VLC, pré-montador e montador Codificador Diferencial O codificador diferencial é usado apenas para os componentes DC e é a primeira operação na codificação de entropia destes componentes. Como já foi dito, a operação básica realizada pelo codificador diferencial é uma subtração. O resultado gerado por esta operação é chamado, neste artigo, de Amplitude DC. A arquitetura desenvolvida para o codificador diferencial é muito simples e está apresentada na Fig. 4. A arquitetura consiste de um subtrator de 12 bits e de um registrador, para armazenar o código DC do bloco anterior. A escrita no registrador Anterior é habilitada pelo sinal AC/DC, que indica se o valor de entrada é um valor DC e, caso o valor seja AC, a escrita não é permitida. A saída do codificador diferencial terá 12 bits. Figura 4 Arquitetura do codificador diferencial Figura 3 Arquitetura genérica para o codificador de entropia

5 4.2. Codificador RLE A codificação RLE é realizada somente nos componentes AC da entrada, sendo simplificada para atuar como um contador de zeros, como já foi exposto anteriormente. A arquitetura desenvolvida para o codificador RLE está apresentada na Fig. 5, onde os registradores Amp. AC e Ocorrências são os mesmos apresentados na arquitetura global (Fig. 3). A linha tracejada na Fig. 5 delimita o bloco chamado de Codificador RLE na Fig. 3. Figura 5 Arquitetura do codificador RLE Esta arquitetura opera de forma assíncrona. Os valores são consumidos na entrada a uma taxa constante de um valor por ciclo de clock, mas a saída não respeita nenhuma forma predeterminada de sincronismo. Se o valor de entrada é zero a escrita nos registradores de saída fica desabilitada. Esta escrita só é permitida quando o valor de entrada for não zero. Como não é possível prever quando um valor não zero irá aparecer na matriz de entrada, é necessária a existência de um sinal de sincronismo que indica que o valor na saída é um novo valor válido. Este sinal está apresentado na Fig. 5 como OK e é utilizado para habilitar a operação dos demais estágios da arquitetura global. Existem duas situações especiais no padrão JPEG, previstas pela arquitetura proposta, em que o valor de entrada é zero e é permitida a escrita na saída. Como o campo Ocorrências tem o tamanho fixo de 4 bits, seqüências de mais de 16 zeros não são permitidas, então caso existam 15 zeros seguidos de mais um zero na entrada, uma nova saída válida deve ser escrita, no caso o registrador Ocorrências recebe o valor 15 e o registrador Amp. AC o valor zero. Esta situação é controlada pela arquitetura proposta através do carry out do contador de zeros que, quando tem valor igual a um (16º zero), habilita a escrita na saída. Desta forma o par Ocorrências / Amplitude AC é gerado corretamente porque a entrada é zero e é armazenada no registrador Amp. AC e o conteúdo do registrador ACC é 15 e este valor é armazenado no registrador Ocorrências. A outra situação onde a entrada é zero e a escrita nos registradores de saída deve ser habilitada é quando a matriz de entrada termina com uma seqüência de zeros, neste caso o valor escrito deve ser zero para os registradores Ocorrências e Amp. AC. Esta situação é controlada pelo sinal Last na Fig. 5, que indica que o componente na entrada é o último componente da matriz. Se este for o caso e a entrada for zero, então os registradores de saída são resetados. Quando o codificador RLE está operando em modo normal (em nenhuma das situações acima), uma entrada igual a zero inicia a operação no contador, desabilita a escrita na saída e mantém o flag OK em zero, indicando que a saída não está pronta. Se a entrada for não zero, o conteúdo do registrador ACC é copiado para o registrador Ocorrências, o registrador ACC é resetado e o valor não zero da entrada é escrito no registrador Amp. AC. Sempre que uma nova saída válida é gerada, o flag OK é posto em nível lógico um, habilitando a operação das demais arquiteturas do codificador de entropia. O codificador RLE está no mesmo estágio de pipeline que o codificador diferencial Por isso as operações realizadas pelos dois codificadores devem consumir exatamente o mesmo número de ciclos de clock, para possibilitar uma ligação transparente com o estágio seguinte do pipeline. As saídas dos codificadores diferencial e RLE passam por um multiplexador, que seleciona qual das duas saídas deve ser utilizada pelo próximo passo da arquitetura. Este multiplexador está apresentado na Fig. 3 e é controlado pelo sinal AC/DC, que indica se o valor em processamento é AC ou DC. A saída deste multiplexador é chamada de Amplitude do Coeficiente neste artigo Cálculo de Tamanho O campo Amplitude do Coeficiente passa por um cálculo de tamanho, que indica quantos bits são significativos (sem contar como o bit de sinal) nos 12 bits deste campo. A arquitetura desenvolvida para este cálculo foi feita através de uma simples lógica combinacional, similar com a proposta em [10]. Esta arquitetura gera a saída chamada Tamanho do Coeficiente, que possui 4 bits. A saída Tamanho do Coeficiente será usada para controlar o codificador VLC e o pré-montador e como entrada para o codificador de Huffman Codificador VLC O codificador de tamanho de palavra variável ou Variable Length Coder (VLC) é usado para identificar os bits significativos da entrada Amplitude do Coeficiente e para descartar os bits não significativos, incluindo o bit de sinal.

6 A arquitetura proposta identifica os bits significativos e prepara o campo Amplitude do Coeficiente para ser montado pelo pré-montador, gerando a saída Amplitude VLC. Esta saída possui 12 bits portanto não possui um tamanho de palavra variável. Os bits não significativos são descartados a posteriori, quando da operação de prémontagem. O codificador VLC é um barrel shifter controlado pelo campo Tamanho do Coeficiente. O valor do campo Amplitude do Coeficiente é deslocado para a esquerda para que o seu primeiro bit significativo ocupe a posição mais significativa da palavra. A Tab. 1 apresenta o número de deslocamentos à esquerda para cada valor do campo Tamanho do Coeficiente. bits. Então a saída das memórias e do próprio codificador de Huffman será formada por dois campos: o Código de Huffman e o Tamanho de Huffman. O campo Tamanho de Huffman é necessário para a montagem das palavras JPEG, uma vez que o campo Código de Huffman deve ser montado em conjunto com o campo Amplitude VLC e como ambos possuem comprimento de palavra variável, o pré-montador necessita do tamanho do Código de Huffman e do tamanho da Amplitude VLC para poder realizar a sua função. Tabela 1 Deslocamentos para a esquerda gerados pelo VLC para cada valor do campo Tamanho do Coeficiente Tamanho Codificador de Huffman Nº de deslocamentos O valor Tamanho do Coeficiente (para os coeficientes DC) e a concatenação entre o campo Tamanho do Coeficiente e o campo Ocorrências (para os coeficientes AC) são codificados por Huffman. Este artigo utiliza as tabelas de Huffman estáticas propostas pelo padrão JPEG [6]. A arquitetura do codificador de Huffman está apresentada na Fig. 6. Como o codificador de entropia foi desenvolvido para ser utilizado para imagens em tons de cinza, existem apenas duas tabelas de Huffman [6]: uma para os elementos DC e outra para os elementos AC. As tabelas de Huffman foram projetadas utilizando memórias ROM internas ao FPGA. Os próprios valores a serem codificados por Huffman são usados como endereços para estas memórias. Além do código de Huffman, também está armazenado nestas memórias, o tamanho deste código em números de Figura 6 Codificador de Huffman O uso das memórias foi otimizado ao máximo e uma das operações realizadas neste sentido foi inverter o par Ocorrências / Tamanho, proposto pelo padrão JPEG, o que exigiu uma inversão equivalente no conteúdo da tabela de Huffman utilizada. Esta inversão possibilitou o uso direto do par Tamanho / Ocorrências como endereço para a memória que contém a tabela de Huffman de componentes AC usando o menor número possível de posições de memória. Com o uso do par, tal qual proposto pelo padrão, várias posições de memória reservadas não seriam usadas. Este enfoque diferenciado em relação ao padrão não implica em nenhuma incompatibilidade, uma vez que a diferença reside no processo e não no produto, no caso as palavras JPEG, que são idênticas às propostas pelo padrão. Ainda assim foram inseridas 14 posições vazias, referentes àqueles valores de entrada que possuem probabilidade de ocorrência igual a zero. São 162 possíveis códigos de Huffman referentes aos elementos AC. Foram usadas 176 posições de memória para esta tabela, com 8 bits de endereço. São 12 os possíveis códigos de Huffman relativos aos elementos DC, sendo que nesta memória não foram inseridas palavras vazias. São usados 4 bits de endereço para esta memória. O comprimento de palavra de cada memória também foi otimizado. A tabela de Huffman DC utiliza 9 bits para os códigos de Huffman e 4 bits para o tamanho do código. A tabela AC usa 16 bits para o código de Huffman e 5 para o tamanho do código. Como o tamanho dos códigos de Huffman é variável, optou-se por colocar o primeiro bit significativo de cada código, no bit mais significativo de cada palavra de memória, de forma similar ao que ocorre na codificação VLC.

7 Como as saídas das duas memórias possuem tamanhos de palavra diferentes, para padronizar o número de bits na saída do codificador, na saída da memória com a tabela de Huffman para os códigos DC são inseridos, entre o código e o tamanho, 8 zeros. A seleção de qual saída da memória deve ser entregue na saída do codificador de Huffman é feita por um multiplexador controlado pelo sinal AC/DC1, que indica se o valor que está sendo processado é AC ou DC. A saída do codificador entrega, para o pré-montador, dois valores, o Código de Huffman e o Tamanho de Huffman, que são obtidos com uma simples separação entre os bits da saída do multiplexador. Os 16 bits mais significativos formam o Código de Huffman, enquanto que os 5 bits menos significativos formam o Tamanho de Huffman. A saída Amplitude utilizará 28 bits e a saída Tamanho utilizará 5 bits Montador A montagem final das palavras JPEG é realizada pela arquitetura do montador. Esta arquitetura, apresentada na Fig. 8, monta as palavras JPEG considerando apenas os bits significativos do valor Amplitude, efetivando a codificação de comprimento variável realizadas pelo codificador VLC e indicadas pelo campo Tamanho, gerado por estas arquiteturas e adicionados pelo prémontador. A arquitetura do montador foi inspirada na arquitetura proposta por [11] Pré-Montador A arquitetura do pré-montador, apresentada na Fig. 7, recebe quatro valores na entrada: Amplitude VLC, Tamanho do Coeficiente, Código de Huffman e Tamanho de Huffman. Na saída são entregues dois valores para o montador: Amplitude e Tamanho. Figura 8 Arquitetura do montador Figura 7 Arquitetura do pré-montador Os bits da Amplitude do VLC são deslocados para a direita por um barrel shifter controlado pelo Tamanho de Huffman. Nenhum bit é perdido nesta operação. Este valor deslocado é montado com o Código de Huffman por uma operação lógica ou, sendo que o Código de Huffman é concatenado com zeros à direita, que servem de máscara para os valores deslocados da Amplitude do Coeficiente. Esta operação de montagem preserva apenas os bits significativos do código Huffman, realizando, de fato, a codificação de comprimento variável referente ao codificação de Huffman. O resultado da operação lógica ou é a saída Amplitude que será entregue ao montador. O número de bits significativos da Amplitude é dado pela soma do Tamanho de Huffman com o Tamanho do Coeficiente. Esta soma gera a saída Tamanho. A operação realizada pelo montador é similar à operação realizada pelo pré-montador, consistindo de um barrel shifter controlado pelo campo Tamanho e uma operação lógica ou para montar e agrupar os bits significativos das diferentes entradas. A montagem das palavras é controlada por um somador que acumula os diferentes tamanhos das amplitudes de entrada. O montador usa dois registradores para montar as palavras JPEG. O registrador High armazena os primeiros 32 bits da saída e, quando estes 32 bits estão prontos, este valor é enviado para a saída. O registrador Low é usado para armazenar o overflow quando o valor gerado tiver mais que 32 bits. Este overflow é armazenado no registrador High quando uma nova palavra JPEG começa a ser montada. O flag OK indica que uma nova palavra JPEG válida está pronta na saída do montador e, por conseqüência, na saída da arquitetura do codificador de entropia. 5. RESULTADOS DA SÍNTESE A Tab. 2 apresenta os resultados de síntese da arquitetura proposta e desenvolvida para o codificador de entropia. A família de dispositivos utilizados para a síntese foi Flex10KE [12] da Altera e o dispositivo usado foi um EPF10K30ETC144-1.

8 Tabela 2 Resultados de síntese Arquitetura Células lógicas Bits de Período Memória (ns) Codificador Diferencial ,5 Codificador RLE ,1 Cálculo de Tamanho ,6 Codificador de Huffman ,6 Codificador VLC Pre-montador e montador ,2 Codificador de Entropia ,5 Como pode ser calculado a partir da Tab. 2, a freqüência de operação do codificador de entropia atingiu 23,5MHz. Desta maneira, uma matriz de entrada de 8x8 elementos é completamente processada em 2,9µs e uma imagem de 640 x 480 pixels é processada em 13,1ms. Esse tempo de processamento para imagens de 640 x 480 pixels permite a codificação de entropia a uma taxa de 76 imagens em tons de cinza por segundo. 6. CONCLUSÕES Este artigo apresentou a proposta e desenvolvimento de uma arquitetura para a codificação de entropia, última etapa da compressão JPEG. A compressão JPEG considerada no artigo é a compressão para imagens em tons de cinza no modo baseline. O artigo preocupou-se com a contextualização do codificador de entropia inserido na compressão JPEG para então apresentar a arquitetura desenvolvida e seus resultados. Os resultados obtidos através da síntese em FPGAs da Altera indicam que uma imagem de 640 x 480 pixels é completamente codificada em 13,1ms pela arquitetura desenvolvida, o que permitiria uma taxa de processamento de 76 imagens por segundo. É importante salientar que a taxa de processamento obtida pelo codificador de entropia é cerca de duas vezes superior à obtida pela arquitetura de cálculo da DCT 2-D [2], que é o principal gargalo na compressão JPEG e no compressor que está sendo desenvolvido em hardware. Deste modo o uso da arquitetura do codificador de entropia para o compressor JPEG em hardware é encorajado pelos resultados obtidos. REFERÊNCIAS [1] L. Agostini; S. Bampi. Integrated Digital Architecture for JPEG Image Compression. In: ECCTD 01 European Conference on Circuit Theory and Design 2001, 2001, Epoo - Finlândia. Vol. III, p [2] L. Agostini; I. Silva; S. Bampi. Pipelined Fast 2-D DCT Architecture for JPEG Image Compression. In: SBCCI XIV Symposium on Integrated Circuits and System Design, 2001, Pirenópolis - GO - Brasil. p [3] L. Agostini; S. Bampi. Projeto de uma Arquitetura de DCT 1D para a Compressão de Imagens JPEG. In: VII Workshop IBERCHIP, 2001, Montevidéo Uruguai. [4] L. Agostini; S. Bampi. Arquitetura Integrada para Conversor de Espaço de Cores e Downsampler para a Compressão de Imagens JPEG. In: VII Workshop IBERCHIP, 2001, Montevidéo Uruguai. [5] Home site of the JPEG and JBIG committees < [6] The International Telegraph and Telephone Consultative Committee (CCITT). Information Technology Digital Compression and Coding of Continuous-Tone Still Images Requirements and Guidelines. Rec. T.81, [7] W. Pennebaker and J. Mitchell. JPEG Still Image Data Compression Standard, Van Nostrand Reinhold, USA, [8] V. Bhaskaran and K. Konstantinides. Image and Video Compression Standards Algorithms and Architectures Second Edition, Kluwer Academic Publishers, USA, [9] J. Miano. Compressed Image File Formats JPEG, PNG, GIF, XBM, BMP. Addison Wesley Longman Inc, USA, [10] M. Kovac and N. Ranganathan. JAGAR: A Fully Pipeline VLSI Architecture for JPEG Image Compression Standard. Proceedings of the IEEE, vol. 83, n. 2, 1995, pp [11] S. Lei; M. Sun. An Entropy Coding System for Digital HDTV Applications. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. 1991, pp [12] Altera Digital Library 2001 version 1, Altera Corporation, 2001.