JPEG2000算法的VLSI实现及系统集成

论文题目: JPEG2000算法的VLSI实现及系统集成

论文类型: 博士论文

论文专业: 微电子学与固体电子学

作者: 黄全平

导师: 洪志良

关键词: 离散小波变换,算术编码,数码相机

文献来源: 复旦大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着多媒体技术和互联网的快速发展,信息量越来越大,给有限的存储空间和传输带宽带来了困难,因而需要对数据进行有效的处理和压缩。JPEG2000是ISO最新提出的图像编码算法,具有较好的压缩效率,并且能实现质量和分辨率的累进传输,非常适合网络传输,因而具有广阔的应用前景。 论文在详细研究JPEG2000的核心编码部分(Part-1)的基础上,提出了一种低缓存、全集成的JPEG2000编解码器的VLSI架构。首先,采用MATLAB语言对JPEG2000的算法进行了软件实现,并对硬件设计进行了Verilog实现。在离散小波变换的VLSI实现中,采用了行-列基的二维离散小波变换VLSI架构,并提出了一种正反向小波变换均可复用的一维离散小波变换的VLSI架构;在位平面编码的硬件实现中,采用了一种特殊的中间缓存架构,数据和通道跳过的加速方法大大减少了缓存读取和处理时间;在算术编解码器的硬件实现中,提出了一种重整化和读写I、Q表并行操作的流水线架构:在打/解包模块的硬件实现中,采用了量化作为码率控制策略,实现了EBCOT Tier-2编码的硬件集成。最后,整个JPEG2000 Codec硬件系统在Xilinx公司的VirtexE 1000e FPGA上验证通过,并作为数码相机专用芯片的一部分分别在TSMC0.25um和SMIC 0.18um CMOS数字工艺进行流片,测试功能正确,能满足数码相机等消费类电子产品的要求。 论文另一个研究重点是数码相机系统架构的设计。论文分析了SoC设计的定义、架构和流程,讨论了其中三个核心部件:微处理器、IP核设计和片上总线。并提出了一种基于AMBA总线的数码相机系统的SoC架构。 论文最后给出了工作的总结和对未来工作的展望。

论文目录:

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 论文的工作背景和意义

1.2 论文的主要工作及创新

1.3 论文的内容安排

2 图像压缩理论和数码相机系统概述

2.1 图像压缩基础

2.1.1 图像的数字表示和压缩质量的评价

2.1.2 信息冗余和信息编码理论

2.1.3 熵编码技术

2.1.4 预测和变换编码技术

2.1.5 量化技术和码率控制理论

2.2 静动态图像压缩标准介绍

2.2.1 静态图像压缩标准

2.2.2 动态(视频)图像压缩标准

2.3 数码相机系统概述

2.4 本章小结

3 JPEG2000 IP核的系统设计

3.1 JPEG2000系统设计的软件仿真

3.1.1 JPEG2000的基本工作原理

3.1.2 系统级设计语言

3.1.3 JPEG2000压缩解压缩系统的MATLAB实现

3.2 JPEG2000的硬件系统

3.2.1 系统设计目标和系统架构

3.2.2 系统工作流程

3.2.3 系统设计中的码率控制

3.2.4 总体控制和量化的设计

3.2.5 JPEG2000 VLSI架构性能分析

3.3 本章小结

4 离散小波变换的VLSI实现

4.1 小波变换的基本原理

4.1.1 付立叶变换的局限和小波变换的产生

4.1.2 小波变换的多分辨率分析

4.1.3 小波的重构

4.2 离散小波变换的快速算法

4.2.1 Mallat的金字塔算法

4.2.2 提升算法

4.3 JPEG2000中采用的小波

4.4 一维离散小波变换的VLSI架构

4.4.1 基于数码相机系统的离散小波变换有限精度分析和输入缓存(IBF)

4.4.2 提升算法中的专用优化算法

4.4.3 本文的一维离散小波变换的VLSI架构

4.5 二维离散小波变换的VLSI架构

4.5.1 常见的二维离散小波变换的架构

4.5.2 本文提出的二维DWT的VLSI架构

4.6 小结

5 嵌入式块编码的VLSI实现

5.1 基于小波变换的图像编码

5.2 EBCOT的算法介绍

5.2.1 位平面编码

5.2.2 算术编解码

5.2.3 Tier-2编码

5.3 位平面编码的VLSI实现

5.3.1 位平面编码的VLSI实现的具体现状

5.3.2 本文提出的BPC编解码架构

5.4 自适应算术编解码器的VLSI实现

5.4.1 算术编码器VLSI架构的流水线实现

5.4.2 算术解码器VLSI架构的流水线实现

5.5 Tier-2编解码的VLSI实现

5.5.1 OBF及其地址生成器

5.5.2 主包头的编解码

5.5.3 数据包头编解码

5.6 EBCOT性能分析

5.7 小结

6 基于JPEG2000数码相机系统的SoC研究

6.1 SoC简介

6.2 SoC的设计流程

6.3 SoC中的关键部件

6.3.1 嵌入式处理器

6.3.2 IP核的设计

6.3.3 片上总线

6.4 一种用于数码相机的AMBA总线设计

6.4.1 AHB、APB总线简介

6.4.2 主从多路选择器和从主多路选择器的设计

6.4.3 地址译码器的设计

6.4.4 仲裁器的设计

6.4.5 APB桥的设计

6.4.6 一种基于AMBA总线的数码相机SoC架构

6.5 小结

7 JPEG2000数码相机系统验证与测试

7.1 基于JPEG2000的数码相机系统的FPGA验证

7.1.1 FPGA验证方法

7.1.2 验证方案

7.1.3 FPGA验证结果

7.2 基于JPEG2000的数码相机系统的ASIC实现

7.2.1 综合策略的方法学

7.2.2 DC2000-1的ASIC实现和测试结果

7.2.3 DC2000-2的ASIC实现和测试结果

7.2.4 芯片性能分析

7.3 小结

8 结论与展望

8.1 总结

8.2 未来工作展望

参考文献

附录(一)

附录(二)

攻读博士学位期间发表论文和取得的成果

致谢

论文独创性声明

论文使用授权声明

发布时间: 2005-09-19

参考文献

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