基于FPGA的图像压缩JPEG基本模式研究与实现

论文摘要

多媒体技术的快速发展,对数据存储、传输和处理提出了挑战。本文针对多媒体技术中的静态图像压缩进行了研究。JPEG静态图像压缩算法(ISO/IEC 10918)因其对连续色调、多级灰度的静止图像具有优良的压缩特性得到了广泛使用,已成为目前多媒体通信中的图像压缩标准之一。本文在简要介绍JPEG基本模式标准及FPGA设计流程的基础上,针对JPEG基本模式硬件编码器传统结构的缺点,提出了一种新的改进结构,从总体规划的角度介绍了整个系统改进结构的设计思想、设计结构和Verilog设计实现,接着对各个模块的设计进行了详细的描述,并给出了功能仿真波形图及测试结果。本文在系统方案设计过程中,对模块如何合理划分及各个模块之间如何协同上做了仔细的推敲,按照自上而下的设计方法将各个模块逐一细化;在JPEG编码器设计中,改进了传统的DCT变换算法,采用流水线优化算法解决时间并行性问题,提高了DCT模块的运算速度;在代码架构时,尽量贴近硬件的实现方式,充分考虑FPGA芯片内部资源的合理开销及Verilog语言的可并发执行的设计理念,力求做到面积小而速度快,以满足产品成本、性能和实用性的要求。整个设计及其各个模块都在Altera公司的EDA工具QuartusⅡ平台上进行了逻辑综合及仿真验证。综合和仿真结果表明,基于FPGA的JPEG图像编码芯片消耗很少的FPGA硬件资源,达到了较高的工作频率,在速度和资源利用率方面均达到了较优的状态,可满足实时JPEG图像编解码的要求。本课题的JPEG编码器设计,为复杂片上系统(SoC)的设计技术做了有益的探索性尝试,对今后大规模片上系统的设计有着积极的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 静态图像压缩技术简介
• 1.2.1 图像压缩编码技术的发展
• 1.2.2 静止图像压缩技术标准
• 1.3 论文主要研究内容与章节安排
• 第二章 静态图像压缩编码技术及JPEG标准
• 2.1 静态图像压缩理论算法基础
• 2.1.1 图像数据压缩的信息论基础
• 2.1.2 变换编码（Transform Coding）
• 2.1.3 预测编码（Predictive Coding）
• 2.1.4 哈夫曼编码（Huffman Coding）
• 2.1.5 游程编码（RLE,Run Length Encoding）
• 2.2 JPEG标准概述
• 2.2.1 JPEG标准
• 2.2.2 JPEG图像压缩编码原理
• 2.3 JPEG算法的基本系统详述
• 2.3.1 色度空间转变
• 2.3.2 离散余弦变换（DCT）
• 2.3.3 量化（Quantization）
• 2.3.4 熵编码（Entropy Coding）
• 2.4 JPEG文件格式
• 2.5 本章小结
• 第三章 FPGA技术及其设计方法
• 3.1 实现图像压缩算法的技术手段
• 3.2 FPGA/ASIC介绍
• 3.2.1 FPGA简介
• 3.2.2 FPGA器件的选择
• 3.3 FPGA软件开发工具
• 3.4 Verilog HDL硬件描述语言
• 3.5 FPGA的设计方法与流程
• 3.6 本章小结
• 第四章 JPEG编码器各模块的软核设计与实现
• 4.1 系统结构分析与总体方案设计
• 4.1.1 自顶向下模块化设计方法
• 4.1.2 流水线（pipelining）设计方法
• 4.1.3 整体设计思想
• 4.2 二维离散余弦变换模块（DCT）
• 4.2.1 一维快速DCT运算模块
• 4.2.2 DCT算法控制模块
• 4.3 量化排序模块（Quantize）
• 4.3.1 前端控制模块
• 4.3.2 量化运算模块
• 4.3.3 Zig-Zag排序扫描模块
• 4.4 熵编码模块（Entropy Encode）
• 4.4.1 差分编码模块（DPCM）
• 4.4.2 游程编码模块（RLE）
• 4.4.3 Huffman编码模块
• 4.5 编码整理模块（packer）
• 4.6 本章小结
• 第五章 JPEG编码器系统的仿真与分析
• 5.1 FPGA的设计验证流程
• 5.2 FPGA芯片简介
• 5.3 实验综合结果分析
• 5.3.1 DCT模块及量化模块综合验证结果
• 5.3.2 熵编码及输出编码模块综合与验证
• 5.3.3 整个编码器综合验证结果
• 5.4 FPGA实验开发体会
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的工作总结
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文目录
• 致谢
• 附录（部分程序代码）