基于FPGA技术的水下视频压缩编码器的研制

基于FPGA技术的水下视频压缩编码器的研制

论文摘要

近年来,海洋资源的开发和国防建设技术内涵的延伸和功能的扩展给水下探测和信息处理带来了新的应用和发展空间,视频探测作为一种重要的水下目标探测识别的手段受到了广泛的重视,自主水下航行器(AUV)和水声通信技术的飞速发展进一步推动了人们对水下视频图像领域的研究。在视频探测系统中,如何将视频探测数据有效存储,或经由水声信道或无线电信道实时、有效地传输到图像处理系统是其中的基础和关键技术之一。由于水声信道带宽严重受限特性及AUV图像数据存储空间有限等影响,使得视频图像压缩编码成为水下目标视觉识别应用的关键技术。小波变换具有较好的时频局部化性能和与人眼视觉特性相符合的多分辨率分析能力,因而被广泛应用于图像压缩中。而提升小波变换由于不依赖于傅立叶变换,在空间域就能完成小波变换,具有更适合硬件实现的特点。本文根据水下目标视觉探测识别应用的需要,详细比较和论证了水下视频压缩编码器设计和实现方案,并最终确定了采用基于FPGA的DSP开发平台,利用SOPC技术进行软硬件协同设计,以满足数据处理高速、灵活性和通用性的目标。论文首先分析了水下视频图像的特点和水声信道传输的特性,视频图像的采集,介绍了小波变换的基本理论及压缩算法的选取,然后针对选取的小波算法进行压缩系统的搭建。论文的第一个重要研究内容是如何利用FPGA进行视频数据流的实时采集和存储,包括视频图像捕捉、解码、DMA控制器的设计以及软件程序设计等。论文的第二个重要研究内容是基于提升小波变换的视频压缩算法的FPGA实现,运用Altera的DSP Builder开发工具进行设计,包括色度空间转变,提升小波变换,码书生成等模块IP核设计及软件编写等。最后,根据本系统实际研究开发结果,总结分析了系统的特点,并对下一步设计工作进行了展望。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1. 引言
  • 1.1 水下视频压缩系统的研究现状
  • 1.2 课题来源
  • 1.3 水下图象特点及水声信道传输特性
  • 1.4 本文的主要研究内容
  • 1.5 本课题研究的重要意义及系统主要功能
  • 1.5.1 本课题的重要意义
  • 1.5.2 水下视频压缩编码器的主要功能
  • 2 系统总体方案设计
  • 2.1 数字信号处理技术实现的几种方案
  • 2.2 总体方案设计
  • 2.3 硬件平台设计方案
  • 2.3.1 设计原则
  • 2.3.2 处理器选择
  • 2.3.3 压缩编码器硬件系统总体框图
  • 2.4 基于FPGA 的嵌入式系统软核的选择
  • 2.4.1 选择的依据
  • 2.4.2 NIOS II 软核处理器的优点
  • 2.5 系统技术指标分析
  • 2.5.1 水下环境对数据采集的要求
  • 2.5.2 水下无线信道传输能力
  • 2.5.3 水下无线信道传输压缩比的计算
  • 2.6 基于FPGA 的DSP 设计方案
  • 3 SOPC 技术在本设计中的应用
  • 3.1 基于SOPC 的软硬件协同设计思想
  • 3.1.1 软硬件协同设计
  • 3.1.2 水下视频压缩编码器的软硬件设计划分
  • 3.2 系统的软硬件开发环境
  • 3.2.1 Quartus II 5.0
  • 3.2.2 嵌入式逻辑分析仪
  • 3.2.3 SOPC Builder
  • 3.2.4 DSP Builder
  • 3.2.5 Nios II IDE 集成开发环境
  • 3.3 IP 核定制技术
  • 3.3.1 添加通用IP 核
  • 3.3.2 设计自己的IP 核
  • 3.4 逻辑锁定技术
  • 3.4.1 Logic Lock 的目标
  • 3.4.2 Logic Lock 设计流程的步骤
  • 4. 水下视频压缩编码器硬件体系结构
  • 4.1 时钟电路
  • 4.2 电源电路
  • 4.3 配置电路
  • 4.4 存储器电路
  • 4.4.1 SDRAM 存储器
  • 4.4.2 SRAM 存储器
  • 4.5 A/D 电路
  • 4.6 D/A 电路
  • 4.7 日历芯片电路
  • 4.8 USB 控制芯片
  • 5. 视频采集系统设计
  • 5.1 主要功能
  • 5.1.1 前端采集
  • 5.1.2 存储控制
  • 5.1.3 显示输出
  • 5.2 采集系统IP 核设计
  • 5.2.1 视频解码
  • dmac'>5.2.2 视频图像捕捉模块capdmac
  • 5.2.3 SRAM 控制器模块
  • 5.2.4 输出模式选择模块Display
  • 6 水下视频压缩算法选择
  • 6.1 视频图像压缩技术的发展状况
  • 6.2 小波算法概述
  • 6.3 基于小波变换的视频压缩算法选择
  • 6.4 Daub 5/3 的提升小波算法原理
  • 6.4.1 视频图像亮度分量的编码算法
  • 6.4.2 色度分量的处理算法
  • 7. 视频压缩系统设计
  • 7.1 基于FPGA 的DSP 设计流程
  • 7.2 压缩系统搭建
  • 7.2.1 色度空间变换
  • 7.2.2 亮度图像处理
  • 7.2.3 UV 图像处理
  • 7.2.4 码书生成
  • 8 总结与展望
  • 8.1 工作总结
  • 8.2 有待解决的问题及未来展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 个人简历
  • 发表的学术论文
  • 相关论文文献

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