圖像壓縮編解碼的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
發(fā)布時(shí)間：2021-03-08 13:30
隨著計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,圖像處理在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、遙感監(jiān)測(cè)、信息安全等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用,尤其是高分辨率圖像的實(shí)時(shí)處理對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展尤為關(guān)鍵。鑒于僅僅使用純軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的處理需要耗費(fèi)大量的時(shí)間,并不能達(dá)到快速和實(shí)時(shí)性的要求,而采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）與高效率硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL相結(jié)合的方法,可以充分發(fā)揮其流水線的并行處理能力,進(jìn)而大大加速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)程,提供了硬件支持和軟件保障。目前,圖像壓縮算法的優(yōu)化及其硬件實(shí)現(xiàn),仍有很大的研究和發(fā)展空間。論文以Cyclone II系列FPGA作為中央處理器,選用DE2開發(fā)平臺(tái),并在Quartus II中采用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行編程,最終設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的圖像壓縮編解碼系統(tǒng)。系統(tǒng)集圖像采集、JPEG圖像壓縮以及數(shù)據(jù)傳輸功能為一體。其中,圖像采集模塊選用以CMOS傳感器MT9P001芯片為核心的D5M開發(fā)套件,實(shí)現(xiàn)圖像捕獲并實(shí)時(shí)地將Bayer格式轉(zhuǎn)換成便于操作的RGB格式。圖像壓縮模塊完成了基于FPGA的JPEG編碼器的實(shí)現(xiàn)。為此,先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,將RGB格式轉(zhuǎn)換為YCbCr格式。然后在Chen算...
【文章來(lái)源】：南京林業(yè)大學(xué)江蘇省
【文章頁(yè)數(shù)】：62 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
JPEG實(shí)現(xiàn)流程圖
6圖2-1JPEG實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.2-1FlowchartofJPEGimplementation2.2.1圖像分塊和色彩空間的轉(zhuǎn)換常見的數(shù)字圖像有兩種：由紅色、綠色和藍(lán)色組成的彩色圖像以及沒(méi)有色度只具備亮度分量的灰度圖像。如果對(duì)彩色圖像進(jìn)行壓縮，首先需要對(duì)其進(jìn)行色彩空間的轉(zhuǎn)換。鑒于每一個(gè)色彩空間都存在著自身的亮度和色度分量，我們可以根據(jù)不同的需求來(lái)選擇適合的色彩空間。而為了獲取最好的壓縮效果，應(yīng)該選擇YCbCr色彩空間，即在進(jìn)行后續(xù)操作前，需要將原本的RGB格式轉(zhuǎn)換為適合圖像壓縮的YCbCr格式。其中，RGB與YCrCb空間轉(zhuǎn)換的公式如下：（2-1）同時(shí)，為了后面編碼操作的方便，需要在現(xiàn)有信號(hào)數(shù)值基礎(chǔ)上減去128，將數(shù)值范圍變?yōu)閇-128，127]。而在解碼操作時(shí)，需要相應(yīng)的加上128，從而恢復(fù)成無(wú)符號(hào)數(shù)[10]。2.2.2離散余弦變換在空域，難以獲取圖像特征，直接壓縮圖像有一定的困難。因此，需對(duì)圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換。常見的圖像變換算法有DCT、DWT等。圖像經(jīng)2D-DCT變換后，其能量將主要往低頻部分集中，這使得圖像可以呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。一個(gè)8x8的數(shù)據(jù)塊，它的直流分量往往集中處于左上側(cè)。圖2-2是對(duì)源圖像做離散余弦變換后的結(jié)果，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，它的絕大多數(shù)能量都聚集在左上角。圖2-2DCT變換能量分布圖Fig.2-2EnergydistributionofDCTtransformation
8頻分量來(lái)降低圖像的數(shù)據(jù)量是最直接有效的途徑，而量化便可以實(shí)現(xiàn)這一步。量化表由變換后的數(shù)據(jù)除以常量組成，選取不同的常量將得到不同的量化表，通常需要在圖像品質(zhì)和壓縮比之間做出選擇。理論上，圖像之間是具有很大差異性的，想要達(dá)到最好的壓縮效果，應(yīng)該采取不同的量化表來(lái)適應(yīng)他們的特性。通過(guò)專家組成員大量的實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)了可以滿足絕大多數(shù)圖像特性的量化表。如圖2-3所示，分別是JPEG專家組推薦的亮度和色度量化表。想要獲得與測(cè)試圖像理論上最為符合的量化表，往往需要對(duì)圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，而采用標(biāo)準(zhǔn)量化表便會(huì)省略這一運(yùn)算，從而大大提高了效率。此外，通過(guò)大量測(cè)試表明，采用理論上最適合的量化表和采用官方推薦的量化表進(jìn)行操作，其結(jié)果基本沒(méi)有差別。圖2-3JPEG標(biāo)準(zhǔn)亮/色度量化表Fig.2-3JPEGstandardbrightness/chromaquantizationtable2.2.4Zigzag掃描經(jīng)過(guò)量化后的頻率分量系數(shù)大部分變?yōu)椤?”值，或者說(shuō)非常接近于“0”，這樣可以為后續(xù)的編碼奠定更為高效的基矗同時(shí)，為了獲得更多的連續(xù)零值，需要通過(guò)Zigzag掃描對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行有效重排，從而更好的達(dá)到壓縮目的。如圖2-4所示，其作用是將一個(gè)8×8的系數(shù)矩陣掃描排序成長(zhǎng)度為64的一維數(shù)據(jù)鏈，其中，頻率較低的系數(shù)被放置在前面部分。完成Zigzag掃描后的數(shù)據(jù)，其第一位系數(shù)被稱為直流分量，剩下的63個(gè)系數(shù)均為交流分量。每個(gè)經(jīng)過(guò)DCT變換后的矩陣都需要進(jìn)行Zigzag編碼重新排序，從而在不改變第一個(gè)數(shù)據(jù)系數(shù)（DC）的情況下，盡可能地使交流系數(shù)中連續(xù)“0”的個(gè)數(shù)增多。最終得到的含有更多連續(xù)重復(fù)的數(shù)字組合將為后續(xù)游程編碼提供便利，使壓縮比有顯著提高。
本文編號(hào)：3071127
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【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
JPEG實(shí)現(xiàn)流程圖
6圖2-1JPEG實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.2-1FlowchartofJPEGimplementation2.2.1圖像分塊和色彩空間的轉(zhuǎn)換常見的數(shù)字圖像有兩種：由紅色、綠色和藍(lán)色組成的彩色圖像以及沒(méi)有色度只具備亮度分量的灰度圖像。如果對(duì)彩色圖像進(jìn)行壓縮，首先需要對(duì)其進(jìn)行色彩空間的轉(zhuǎn)換。鑒于每一個(gè)色彩空間都存在著自身的亮度和色度分量，我們可以根據(jù)不同的需求來(lái)選擇適合的色彩空間。而為了獲取最好的壓縮效果，應(yīng)該選擇YCbCr色彩空間，即在進(jìn)行后續(xù)操作前，需要將原本的RGB格式轉(zhuǎn)換為適合圖像壓縮的YCbCr格式。其中，RGB與YCrCb空間轉(zhuǎn)換的公式如下：（2-1）同時(shí)，為了后面編碼操作的方便，需要在現(xiàn)有信號(hào)數(shù)值基礎(chǔ)上減去128，將數(shù)值范圍變?yōu)閇-128，127]。而在解碼操作時(shí)，需要相應(yīng)的加上128，從而恢復(fù)成無(wú)符號(hào)數(shù)[10]。2.2.2離散余弦變換在空域，難以獲取圖像特征，直接壓縮圖像有一定的困難。因此，需對(duì)圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換。常見的圖像變換算法有DCT、DWT等。圖像經(jīng)2D-DCT變換后，其能量將主要往低頻部分集中，這使得圖像可以呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。一個(gè)8x8的數(shù)據(jù)塊，它的直流分量往往集中處于左上側(cè)。圖2-2是對(duì)源圖像做離散余弦變換后的結(jié)果，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，它的絕大多數(shù)能量都聚集在左上角。圖2-2DCT變換能量分布圖Fig.2-2EnergydistributionofDCTtransformation
8頻分量來(lái)降低圖像的數(shù)據(jù)量是最直接有效的途徑，而量化便可以實(shí)現(xiàn)這一步。量化表由變換后的數(shù)據(jù)除以常量組成，選取不同的常量將得到不同的量化表，通常需要在圖像品質(zhì)和壓縮比之間做出選擇。理論上，圖像之間是具有很大差異性的，想要達(dá)到最好的壓縮效果，應(yīng)該采取不同的量化表來(lái)適應(yīng)他們的特性。通過(guò)專家組成員大量的實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)了可以滿足絕大多數(shù)圖像特性的量化表。如圖2-3所示，分別是JPEG專家組推薦的亮度和色度量化表。想要獲得與測(cè)試圖像理論上最為符合的量化表，往往需要對(duì)圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，而采用標(biāo)準(zhǔn)量化表便會(huì)省略這一運(yùn)算，從而大大提高了效率。此外，通過(guò)大量測(cè)試表明，采用理論上最適合的量化表和采用官方推薦的量化表進(jìn)行操作，其結(jié)果基本沒(méi)有差別。圖2-3JPEG標(biāo)準(zhǔn)亮/色度量化表Fig.2-3JPEGstandardbrightness/chromaquantizationtable2.2.4Zigzag掃描經(jīng)過(guò)量化后的頻率分量系數(shù)大部分變?yōu)椤?”值，或者說(shuō)非常接近于“0”，這樣可以為后續(xù)的編碼奠定更為高效的基矗同時(shí)，為了獲得更多的連續(xù)零值，需要通過(guò)Zigzag掃描對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行有效重排，從而更好的達(dá)到壓縮目的。如圖2-4所示，其作用是將一個(gè)8×8的系數(shù)矩陣掃描排序成長(zhǎng)度為64的一維數(shù)據(jù)鏈，其中，頻率較低的系數(shù)被放置在前面部分。完成Zigzag掃描后的數(shù)據(jù)，其第一位系數(shù)被稱為直流分量，剩下的63個(gè)系數(shù)均為交流分量。每個(gè)經(jīng)過(guò)DCT變換后的矩陣都需要進(jìn)行Zigzag編碼重新排序，從而在不改變第一個(gè)數(shù)據(jù)系數(shù)（DC）的情況下，盡可能地使交流系數(shù)中連續(xù)“0”的個(gè)數(shù)增多。最終得到的含有更多連續(xù)重復(fù)的數(shù)字組合將為后續(xù)游程編碼提供便利，使壓縮比有顯著提高。
本文編號(hào)：3071127
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