基于JPEG2000编码芯片的图像监控的原型系统设计

论文摘要

在对安全要求比较高的领域,如银行、ATM柜员机等,需要基于单帧压缩的数字图像监控系统,主要是看重了其每一帧都可以独立恢复的特性。JPEG和JPEG2000都是关于单帧压缩的静态图像编解码标准。JPEG2000利用时频域局部化分析性能良好的离散小波变换（DWT）的优点改进了原JPEG标准中离散余弦变换（DCT）编码所固有的许多不足之处,如方块效应等。本论文利用本实验室自行研制的JPEG2000图像编码芯片THUJ2K01,以测试芯片为主建立了一个芯片的演示系统。在芯片能够工作的基础上建立了一个数字图像监控的原型系统。为了方便地建立原型系统,在演示系统的设计中最大限度地考虑了各功能模块的可扩展性。论文在演示系统板采用的FPGA是Xilinx公司的XC2VP7 6C FF672,它有约100万逻辑等效门,在原型系统板中采用的是XC3S1000 -4 FT256,也有约100万等效门。演示系统在芯片能够正常工作后完成从PC端下载512×512×8Bits的标准灰度图像进行压缩并将压缩码流上传回PC解压显示的功能,下载和上传都经由USB总线完成。原型系统在演示系统的基础上增加了图像采集模块,能够将采集到的1024×1024×24Bits的彩色图像完成下载、压缩、回传码流、显示和存储等操作。原型系统中采用了动态存储器来储存帧图像。图像的压缩编码过程采用了ping-pong操作方式,当存储器A正在储存一帧采集到的图像时,存储器B中的图像数据正在压缩编码,当采集和编码都结束后,存储器B转为储存新采集的图像,而存储器A的图像则开始编码。论文对演示系统和原型系统中所用到的软件进行了研究,包括单片机中程序和PC端的控制软件。在PC端的控制软件采用了多线程设计技术。在工作频率为50MHz时,演示系统每秒可以完成12帧1024×1024×24Bits彩色图像符合ISO/IEC 15444-1的JPEG2000编码。原型系统的成功设计为建立基于局域网的高清晰数字图像监控系统积累了经验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 背景
• 1.2 论文工作概述
• 1.3 论文内容安排
• 第2章 JPEG2000 编码芯片的测试
• 2.1 芯片封装
• 2.2 芯片测试参数
• 2.2.1 传统测试方法
• 2.2.2 测试设备
• 2.3 芯片测试与可测性设计的关系
• 2.4 内建自测试技术（BIST）
• 2.5 测试管脚
• 2.6 测试结果
• 2.7 问题分析
• 2.8 问题的解决方案
• 2.9 小结
• 第3章 图像监控的原型系统硬件设计
• 3.1 硬件系统总体设计
• 3.2 硬件实现电路的选择
• 3.2.1 FPGA 选型
• 3.2.2 存储单元选型
• 3.2.3 USB 选型
• 3.2.4 MCU 选型
• 3.2.5 差分芯片选型
• 3.3 各功能块设计
• 3.3.1 FPGA 配置方案
• 3.3.2 时钟电路设计
• 3.3.3 实时图像采集电路
• 3.3.4 USB 总线
• 3.3.5 多电平系统电路设计
• 3.3.6 电路设计中的抗干扰问题
• 3.4 硬件系统的PCB 实现
• 3.5 小结
• 第4章 FPGA 接口逻辑设计
• 4.1 SDRAM 控制器设计
• 4.1.1 SDRAM 存储原理
• 4.1.2 SDRAM 控制器结构设计
• 4.1.3 SDRAM 控制器功能
• 4.2 图像采集模块设计
• 4.2.1 采集模块结构设计
• 4.2.2 颜色插值恢复与转换
• UV 图像写入模块'>4.2.3 Y_UV 图像写入模块
• 4.3 单片机接口通信模块设计
• 4.3.1 单片机读写译码单元
• 4.3.2 读写控制单元
• 4.4 DCM 的使用
• 4.5 逻辑设计的实现、仿真和调试
• 4.6 异步系统通信问题
• 4.6.1 建立和保持时间
• 4.6.2 两极锁存防止亚稳态
• 4.7 小结
• 第5章 图像监控的原型系统软件设计
• 5.1 原型系统单片机程序设计
• 5.1.1 USB 通信协议的实现
• 5.1.2 单片机与PC 主机通信协议
• 5.2 PC 端控制程序设计
• 5.2.1 同USB 设备的通信
• 5.2.2 多线程程序结构设计
• 5.3 小结
• 第6章 JPEG2000 编码芯片综合验证技术
• 6.1 动态仿真
• 6.2 形式验证
• 6.3 静态时序分析
• 6.3.1 静态时序分析的定义
• 6.3.2 静态时序分析的工作原理
• 6.3.3 时序异常
• 6.3.4 综合前STA
• 6.3.5 综合后STA
• 6.3.6 静态时序分析和动态仿真的不同点
• 6.4 信号完整性分析
• 6.4.1 入侵者和受害者
• 6.4.2 SI 和串扰效应
• 6.5 小结
• 第7章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 声明
• 附录
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果