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基于FPGA的JPEG硬件解码器设计与实现

作　者: 王艳
导　师: 张玲
学　校: 重庆大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: JEPG解码 FPGA verilog硬件描述语言 RTL 集成电路
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


21世纪,人类进入信息化时代,图像作为信息传播的主要载体,在社会发展中的作用尤为重要。凭借良好的压缩性能,JPEG静态图像压缩标准在图像领域中得到了广泛的应用。与此同时,随着集成电路技术的逐渐成熟,采用FPGA硬件实现图像处理算法也成为信息产业的研究热点,使用硬件方式实现图像处理算法具有实际应用价值。本文围绕JPEG基本系统解码器的硬件设计与实现展开研究,旨在提供一个源代码支持的JPEG解码器。在分析研究JPEG编解码原理及常用的JFIF格式的基础上,从总体规划的角度提出了整个解码器的硬件结构。整个解码器采用自顶向下和模块化的设计方法,使用verilog硬件描述语言实现,各个模块相互独立并可重复利用。论文的主要工作包括以下几个方面:1深入研究JPEG基本系统编解码原理,对系统包含的各部分的现有算法进行分析比较,选择出适合于硬件实现的最优算法,进而提出解码器的整体硬件设计方案;2基于所提出的方案,采用verilog硬件语言对各个模块进行描述,用modelsim仿真工具对其进行RTL级功能仿真,将仿真结果与理论值进行对比。在各模块功能仿真正确的基础上,进行RTL级联合调试,并在Altera公司CycloneII系列的EP2C35芯片上进行FPGA原型验证。仿真和验证结果表明,解码器基本符合预期要求,在保证图片不失真的前提下,达到了较高的工作频率;3针对FPGA实现的特点,对解码算法进行优化。在熵解码阶段,结合哈夫曼树的构建规律,改进熵解码算法,使得各码字解码时间不因码长的大小而改变。在IDCT运算阶段,通过引入流水线技术,提高了解码速度并减小乘法器的个数。开发具有自主知识产权的集成电路芯核是当前发展的趋势所在,通过对JPEG基本解码系统解码器的硬件设计与实现,进一步推动集成电路技术在我国的发展,同时对其他的图像解码系统的硬件设计也有着积极的借鉴意义。

全文目录


中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-12
  1.1 课题研究背景及意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-10
  1.3 论文的主要工作和章节安排  10-12
2 JPEG 图像编码原理  12-24
  2.1 JPEG 标准  12-13
  2.2 JPEG 图像编码原理  13-21
    2.2.1 色彩空间变换及采样  14-15
    2.2.2 前向离散余弦变换  15-17
    2.2.3 量化和Z 字扫描  17-19
    2.2.4 熵编码  19-21
  2.3 JFIF 图像格式  21-23
  2.4 本章小结  23-24
3 JPEG 图像解码原理  24-32
  3.1 标记段解码  24-25
  3.2 哈夫曼解码  25-30
    3.2.1 数据流组成结构  25-27
    3.2.2 数据单元huffman 解码  27-29
    3.2.3 CHT 解码算法  29-30
  3.3 反量化和反Z 扫描  30
  3.4 IDCT 变换  30-31
  3.5 本章小结  31-32
4 JPEG 解码器的硬件设计与实现  32-62
  4.1 JPEG 解码器的总体结构设计  32-33
  4.2 输入缓冲模块设计  33-36
    4.2.1 冗余信息处理  34-35
    4.2.2 输出数据  35-36
  4.3 头文件解析模块  36-44
    4.3.1 头文件解析状态机  36-42
    4.3.2 头文件存储单元  42-44
  4.4 熵解码模块设计  44-50
    4.4.1 熵解码硬件实现  44-48
    4.4.2 解码状态机  48-50
  4.5 反量化与反ZigZag 模块设计  50-51
    4.5.1 反量化模块设计  50
    4.5.2 反ZigZag 模块设计  50-51
  4.6 IDCT 模块设计  51-57
    4.6.1 2D-IDCT 模块的结构设计  51-53
    4.6.2 1D-IDCT 单元的设计  53-56
    4.6.3 转置单元的设计  56-57
  4.7 色彩空间转换模块设计  57-59
    4.7.1 存储器单元设计  57-59
    4.7.2 YUV2RGB 单元设计  59
  4.8 本章小结  59-62
5 JPEG 解码器的仿真与验证  62-80
  5.1 JPEG 解码器各模块仿真分析  62-69
    5.1.1 输入缓冲模块仿真分析  62-63
    5.1.2 头文件解析模块仿真分析  63-65
    5.1.3 熵解码模块仿真分析  65-66
    5.1.4 反量化与反ZigZag 模块仿真分析  66-67
    5.1.5 IDCT 模块仿真分析  67-68
    5.1.6 色彩空间转换模块仿真分析  68-69
  5.2 JPEG 解码器顶层仿真分析  69-72
  5.3 JPEG 解码器的FPGA 验证  72-78
  5.4 本章小结  78-80
6 工作总结与展望  80-82
  6.1 工作总结  80
  6.2 存在的问题与展望  80-82
致谢  82-84
参考文献  84-88
附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  88

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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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