基于FPGA的MJPEG编码IC设计

论文摘要

近几年各种消费电子的功能不断增强,图像/视频应用是必不可少的一个功能。压缩处理技术对于图片/视频的存储和传输是必不可少的。JPEG压缩标准是目前应用最广泛的图像压缩技术。该算法根据人眼对于亮度和色度的不同敏感程度将图片的亮度和色度分别进行处理,并且去除人眼不敏感的高频分量,因此JPEG压缩标准既能保证图片的质量,还具有很高的压缩比。该算法基于DCT变换,量化和霍夫曼编码三项技术对图像进行压缩编码。其中前两项技术属于有损压缩,而霍夫曼编码技术属于无损压缩。MJPEG的视频格式基于JPEG的压缩标准,和普通的视频压缩过程不同,MJPEG没有帧间压缩,只在帧内进行JPEG压缩,因此一帧数据的丢失对整个视频的连贯性影响不是太大,特别适合移动传输等信道衰弱的应用环境。本论文实现了PAL制式视频流的MJPEG的实时压缩,并且在FPGA上进行了原型验证。本论文首先对FPGA的基本原理,开发流程和常用工具进行了简单介绍,并且论述了有关的设计思想和代码规范。然后介绍了JPEG编码的算法过程并结合FPGA自身的特点将整个设计进行了合理划分,逐一介绍了各个模块的具体实现过程。最后介绍了整个设计的系统验证。验证主要包括FPGA硬件电路设计,验证所需的模块设计以及详细的验证过程三部分。为了配合验证过程,编写了串口通信模块和网络发送模块,实现FPGA开发板和PC的通信。详细的验证过程包括了静态数据验证和动态数据验证两个部分。前者将待编码的数据下载至FPGA进行验证,而后者实现了视频流的实时编码。在进行各个模块的的设计时,以模块的重用性为指导方向,严格遵循良好的接口规范和代码规则,各个模块对外接口简单实用,可以单独用于其它系统的设计验证之中。本论文提出的一些设计思想和具体实现可以应用在以后的各种视频编码器中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 MJPEG压缩标准及相关技术
• 1.2 MJPEG编码研究现状
• 1.3 论文的主要内容与章节安排
• 第二章 技术背景
• 2.1 FPGA设计流程及开发工具
• 2.2 FPGA基本概念
• 2.3 HDL代码规范
• 2.4 FPGA设计思想
• 第三章 编码算法介绍及实现
• 3.1 编码算法的基本介绍
• 3.2 编码模块整体设计
• 3.3 模块级验证方法
• 3.4 色域转换的实现
• 3.5 DCT实现
• 3.6 量化/ZigZag扫描的实现
• 3.7 熵编码实现
• 3.8 DataMux模块实现
• 3.9 其他辅助模块
• 第四章 系统验证
• 4.1 硬件平台搭建
• 4.1.1 验证平台硬件环境
• 4.1.2 FPGA配置电路
• 4.2 验证所需模块设计
• 4.2.1 UART接口实现
• 4.2.2 网络发送模块实现
• 4.2.3 DDR接口实现
• 4.3 静态数据验证流程
• 4.4 动态数据验证流程
• 4.4.1 IIC配置过程
• 4.4.2 Oddeven模块实现
• 4.5 MJPEG视频文件的生成
• 4.6 调试过程
• 4.7 工程结构
• 第五章 总结展望
• 5.1 本文的工作总结
• 5.2 今后的工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间科研成果及参与项目
• 附录
• 学位论文评阅及答辩情况表