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基于FPGA图像采集及JPEG压缩系统实现

作　者: 张吉烈
导　师: 李一民
学　校: 昆明理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: FPGA 图像采集 JPEG
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


JPEG压缩编码采用压缩效率很高的编码技术,又经过JPEG标准委员会的优化,因此JPEG压缩的图像可以在很好的视觉效果下实现很高的压缩比。近年来,随着计算机速度的不断提高与JPEG压缩算法的不断完善、成熟。它被广泛应用于互连网图像传输以及许多图像资料的存储。但是,大多是使用软件算法实现,这样在对压缩速度要求非常高的情况下,软件实现压缩就无法满足人们的需要。这就需要提出利用硬件实现JPEG压缩算法,来解决速度不足的问题。本设计题目——基于FPGA视频采集及JPEG压缩系统实现,就是为了解决这个问题而提出的。本系统采用XILINX公司的Spartan3E系列的XCS500器件,在ISE8.1及EDK8.1软件环境下实现从CCD采集图像数据到PEG压缩编码的全过程。功能模块设计使用硬件描述语言(Verilog)。为了以后对本系统进行改进与升级,能够实现完全的片上系统,还使用了SOPC设计方案,采用C语言编写软件驱动。本论文主要从数据采集到JPEG压缩设计进行了详细的介绍,并且在每一部分都对逻辑功能进行了功能仿真,论文最后还对整个系统进行了总结。数据采集模块主要完成CCD图像数据的采集、RAW到RGB的转换以及利用EDK中开放的IP核完成数据传输和存储功能,还设计出了使用异步FIFO的总线解决方案。JPEG压缩模块主要采用的压缩编码技术有图像采样,离散余弦变换,量化,Z字形编码,差分脉冲编码调制,游程编码,以及哈夫曼编码。本设计并不是提出JPEG的新算法与改进。但是,利用硬件逻辑对视频采集及JPEG算法的实现无疑解决了一直困扰人们的压缩速度不足的问题,为图像的传输与处理都提供了方便。在嵌入式图像处理领域里有着实际的意义。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
缩略词  7-8
第一章 绪论  8-12
  1.1 FPGA设计背景概述  8-10
    1.1.1 FPGA设计趋势的变化  8-9
    1.1.2 FPGA设计发展趋势  9-10
  1.2 JPEG压缩背景概述  10
  1.3 课题的提出  10-11
  1.4 论文结构  11-12
第二章 JPEG压缩基本原理及开发平台介绍  12-22
  2.1 JPEG压缩基本原理  12-15
    2.1.1 去除视觉上的多余信息  12-14
    2.1.2 去除数据本身的多余信息  14
    2.1.3 JPEG原理详细分析  14
    2.1.4 人眼视觉的特点  14-15
  2.2 硬件平台介绍  15-20
    2.2.1 开发板资源介绍  15-16
    2.2.2 Spartan-3E器件结构描述  16-20
  2.3 软件平台介绍  20-22
    2.3.1 ISE开发软件  20
    2.3.2 EDK开发软件  20-21
    2.3.3 ChipScope Pro逻辑仿真仪  21
    2.3.4 Model Sim仿真软件  21-22
第三章 系统结构设计  22-45
  3.1 CCD采集系统的设计  22-28
    3.1.1 定制CCD原理介绍  22-24
    3.1.2 采集系统设计方案  24-28
  3.2 数据存储系统设计  28-32
    3.2.1 异步乒乓FIFO机制  28-29
    3.2.2 OPB Central DMA Controller介绍  29-31
    3.2.3 OPB_SDRAM IP核介绍  31-32
    3.2.4 Microblaze的中断控制  32
  3.3 JPEG压缩功能模块的设计和实现  32-45
    3.3.1 rgb2ycrcb模块功能的实现  33-35
    3.3.2 fdct模块功能的实现  35-38
    3.3.3 jpeg_qnr模块功能的实现  38-39
    3.3.4 jpeg_rle模块功能的实现  39-41
    3.3.5 huffman_enc模块功能的实现  41-45
第四章 FPGA的配置系统的设计  45-50
  4.1 SPI配置介绍  45-47
    4.1.1 Spartan-3E SPI配置流程  45-46
    4.1.2 SPI Flash存储器的复用  46-47
  4.2 bootloader引导程序的设计  47-48
  4.3 SPI FLASH软件引导过程及SPI FALSH编程  48-50
    4.3.1 编译用户应用程序的二进制文件  48-49
    4.3.2 bootloader引导程序与硬件配置文件的生成  49
    4.3.3 编写SPI PROM文件  49-50
第五章 结果分析与展望  50-53
  5.1 结果分析  50-51
    5.1.1 系统资源情况分析  50
    5.1.2 压缩速度及面积分析  50-51
    5.1.3 压缩效果分析  51
  5.2 系统现状及展望  51-53
致谢  53-54
参考文献  54-56
附录A:攻读硕士学位期间发表的论文  56-57
附录B:硬件实物照片  57-58
附录C:AC系数编码表  58-62
附录D:自定义组建模块顶层程序  62-63
附录E:系统软件主程序模块  63

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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