基于JPEG标准的图像处理及其在MCF5329上的实现

论文摘要

本文研究JPEG编解码算法在DSP上的实现技术。随着网络和嵌入式产品的飞速发展,数字图象在人们生活中的应用也越来越广泛,由于图像文件尺寸庞大,需要存储和传输的图像库数据也迅速增加。为解决日益增长的数据量与存储空间及网络传输带宽之间的矛盾,在图像数据存储和传输时必须对其进行压缩处理。在数字图像压缩领域,由于JPEG优良的品质,其应用是最为广泛的。随着数字信号处理器(DSP)的功能的逐渐增强和价格的不断下降,DSP已经被广泛应用到各种领域。DSP比通用的CPU更适合做数字信号处理,在DSP上实现JPEG实时编解码具有内在的优势和一定的现实意义。本文首先介绍了图像压缩技术的原理、JPEG标准和基于DSP的实时信号处理系统,然后在Freescale ColdFire 32位微处理器MCF5329上设计并实现了JPEG编解码算法。JPEG编码算法主要由色彩空间转换、亚抽样、DCT变换、DCT系数量化和哈夫曼编码等几个部分组成。重点结合MCF5329的流水线操作和并行操作特征及离散余弦变换算法原理,利用乘累加器合并加法运算和乘法运算高效快速地实现了一种基于DSP乘法累加单元的DCT快速算法,并对几个关键模块进行了优化。整个编码算法能够达到实时压缩的目标。相应地,JPEG解码算法主要由哈夫曼解码、DCT系数反量化、IDCT变换、内插和色彩空间转换等几个部分组成。利用EMAC单元实高效地实现了反离散余弦变换快速算法,并对几个关键模块进行了优化。整个解码算法能够达到实时解压显示的目标。编解码完成后,对编解码器的功能和性能作了测试和对比分析。对一幅大小为240×320的24位图片进行编解码,所需时间分别为0.23s和0.12s,达到了实时编解码的目的。分析结果表明对DCT算法和IDCT算法部分实现和优化较为成功,对哈夫曼编解码部分的优化则相对欠缺,这也是JPEG编解码软件需要加以改进的地方。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 图像压缩编码技术
• 1.2.1 图像数据压缩的原理
• 1.2.2 图像数据压缩编码技术的分类
• 1.2.3 图像压缩系统的性能评价和度量
• 1.3 图像压缩技术的国际标准及发展
• 1.3.1 静止图像压缩标准
• 1.3.2 图像压缩系统的应用和发展
• 1.4 主要工作及论文结构
• 第二章 JPEG 标准的算法分析
• 2.1 JPEG 算法与JPEG 小组简介
• 2.1.1 基于DCT 的基本系统
• 2.1.2 基于DCT 的扩展系统
• 2.1.3 JPEG 算法中的空间域预测编码
• 2.2 JPEG 算法分析
• 2.2.1 离散余弦变换
• 2.2.2 DCT 系数的量化及排序
• 2.2.3 熵编码
• 2.3 JPEG 中数据的亚抽样与内插
• 第三章 JPEG 编解码算法实现的软硬件平台
• 3.1 硬件开发平台COLDFIRE MCF5329 概述
• 3.1.1 MCF5329 的特点
• 3.1.2 MCF5329 的结构
• 3.1.3 ColdFire V3 内核
• 3.2 软件开发平台LTIB 工具简介
• 3.2.1 LTIB 简介
• 3.2.2 μCLinux 操作系统
• 第四章 JPEG 编码器在MCF5329 上的软件实现及优化
• 4.1 JPEG 算法中的数据结构及文件格式
• 4.1.1 JPEG 的编码单元
• 4.1.2 最小编码单元MCU 的结构
• 4.1.3 JPEG 压缩数据格式及标记介绍
• 4.2 编码软件的总体结构
• 4.2.1 基于MCF5329 的编码流程
• 4.2.2 编码器的默认参数设置
• 4.3 色系变换和亚抽样算法的实现与优化
• 4.4 DCT 变换的DSP 快速实现
• 4.5 DCT 系数量化的实现及优化
• 4.6 哈夫曼编码的实现与优化
• 4.6.1 直流系数的哈夫曼编码
• 4.6.2 交流系数的哈夫曼编码
• 4.6.3 哈夫曼编码的优化
• 4.7 测试及结果分析
• 4.7.1 压缩前后图像对比分析
• 4.7.2 算法复杂度的测试与分析
• 4.7.3 压缩比和压缩质量评价
• 第五章 JPEG 解码器在MCF5329 上的软件实现及优化
• 5.1 基于MCF5329 的JPEG 压缩图像解码流程
• 5.2 哈夫曼解码及反量化的实现
• 5.2.2 直流DCT 系数的哈夫曼解码
• 5.2.3 交流DCT 系数的哈夫曼解码
• 5.2.4 哈夫曼解码与反量化结合的优化
• 5.3 IDCT 算法的DSP 快速实现
• 5.4 内插算法的实现
• 5.5 色彩空间转换的实现与优化
• 5.6 测试及结果分析
• 5.6.1 算法复杂度的测试与分析
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介