基于FPGA的JPEG图像压缩编码的仿真开题报告

 2021-08-14 02:08

1. 研究目的与意义(文献综述)

目的:随着现代摄像机等图像采集设备的不断发展,图像质量不断提高,同时实际应用中对图像处理的实时性要求也进一步增加,这就对软件方法的串行处理造成了很大的挑战,于是具有并行处理能力的fpga开始引起人们的注意,其在高速运算中的巨大优势使它在图像处理中应用越来越多。本文将以jpeg图像压缩格式为仿真对象,探究fpga在图像压缩方面的优势。

意义:现代图像采集设备采集的图像均为数字图像,相比老式设备采集的模拟图像,它更易处理、传输、理解,但同时伴随一个明显的问题——图越精细数据量越大。以分辨率为1024×720的图片为例,若用24bit来表示一个像素,则图片的大小将达到2200kb,如果以25帧每秒的速度来播放,那么实时的通信带宽需要55mb/s,对图像的存储、传输、处理都有极高的要求。而采用jpeg的压缩格式,可以将图像压缩十倍甚至几十倍,同时图像的质量在人眼中不会发生太大的变化,极大的降低了图像的加工成本与难度。本文将使用fpga仿真jpeg压缩算法,实现图像的高品质压缩。

国内外研究现状:自二十世纪五十年代提出了数字电视信号开始,人们对数字信号的压缩编码进行了深入研究,到目前为止图像压缩已经形成了比较成熟完善的系统理论。图像压缩理论的发展可划分为两个阶段,第一阶段指二十世纪四十年代至九十年代,主要有以pcm、变换编码、dpcm等为代表的以去除冗余为基础的编码方法、以金字塔编码、fractal编码为代表的变换编码以及以lz77、lz78为代表的字典式编码等;第二阶段指九十年代至今,人们突破传统的信源编码理论,在小波变换、视觉仿真、分形、人工神经网路等理论的基础上发展了小波编码、分形编码等。在国际标准化组织领导下,目前已经建立了一套完整的压缩编码标准,如jpeg、jpeg-ls、jpeg2000等静止的色调连续图像的压缩标准以及h.261、h.263、mpeg-1、mpeg-3等视频压缩标准。

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2. 研究的基本内容与方案

目标:本文目标是在FPGA硬件平台上,对JPEG图像压缩基本算法进行模拟编码并仿真实现。

基本内容:JPEG图像压缩算法可分为五个步骤:一、对原始图像进行从RGB(红蓝绿)到YCrCb(亮度、红色差、蓝色差)的颜色空间变换,同时将其分割为8×8的方块形矩阵数据;二、使用2D-DCT变换分别对每个8×8数据块进行处理;三、使用Zig-zag串联表对DCT处理过的数据进行串联;四、对上两步中已经集中了能量的数据进行量化处理,将能量很少、人眼不敏感的高频部分去除,这是唯一造成JPEG压缩算法产生失真的原因,也是高压缩比的关键;五、将量化过的数据拆分出直流分量与交流分量,对前者做差分编码,对后者做行程编码,最后都做熵编码。本文将对各个步骤依次进行编码仿真,实现各部分的功能,最后再仿真整体算法流程。

方案与措施:本文拟采用Quartus II开发工具,在其集成环境中完成编码、布局布线以及仿真实现。对上段中相应步骤采取的方案:一、YCrCb三个分量与RGB三个分量之间有固定的公式可以转换,再使用图像子采样的方法抽取样本;二、2D-DCT变换在实际中运算量特别大,在使用硬件结构来实现的时候一般将其分解为两次一维DCT变换;三、量化过程让每个DCT系数除以各自的量化步距然后四舍五入得到整的量化系数,实际操作可以8×8的量化表为模板对8×8的数据块求模运算,结果就是量化系数;四、8×8块中有63个是交流系数,为使“0”量集中方便压缩数据,采用Zig-zag顺序排列;五、JPEG本身建议的熵编码有Huffman编码和自适应二进制算数编码,这里采用算法相对简单的前者。

3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,明确研究内容,了解研究所需图像压缩编码基本知识。确定方案,完成开题报告。

第4周:熟悉fpga开发环境。

第5-6周:完成2d-dct变换模块编码。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]徐洁.基于fpga的jpeg图像压缩系统的实现 [d]. 大连:大连理工大学,2013.

[2] 罗强.图像压缩编码方法 [m].西安:西安电子科技大学出版社,2013.

[3] guo,huimin.face recognition and verification in unconstrained environments[d]. universityofmaryland,2012

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