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基于SOPC的视频图像压缩编码系统硬件设计

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基于SOPC的视频图像压缩编码系统硬件设计 (毕业设计73页、33176字)

摘要: 视频图像的海量数据给通讯带宽和存储介质带来了巨大的负担,因此对其进行压缩编码一直是国内外研究的热点。本文采用基于可编程逻辑器件(FPGA)的片上可编程系统(SOPC)设计技术,提出了小波图像压缩编码的软硬件协同设计方案。
本文主要研究了图像的5/3提升小波变换算法,设计了5/3提升小波变换算法的VLSI硬件结构。基于SOPC设计技术,完成了图像压缩编码系统的硬件设计。在EP2C70F672C6型号FPGA芯片上,采用QuartusⅡ软件对系统进行了综合、仿真,结果显示系统共占用1%的片上资源,耗时163.85us。论文给出了编码系统的总体设计硬件结构,并概叙了SPHIT压缩编码算法在NiosⅡ微处理器中的软件实现。设计的小波图像压缩编码系统实现了系统功能,并根据实际情况对系统进行了优化,减少了器件资源的耗用,提高了系统运行的速度。

关键词: 视频图像压缩; 提升小波变换; SOPC系统

 

The Hardware Design of
Video Image Compression Coding System Based on SOPC

Abstract:The large amount of data of video images brings heavy burden on communication bandwidth and storage media huge, therefore to compress and code it always is the focus of domestic and international research. This paper presents a hardware and software co-design scheme of wavelet compression image coding by using The System on Programmable Chip (SOPC) design method based on the Field Programmable Gate Array (FPGA).
In this paper, the image 5/3 wavelet transform algorithm has been maily studied, and the VLSI hardware structure of the 5/3 wavelet transform algorithm has been designed. Based on SOPC design technology, the image compression coding hardware system is designed. the system has been implemented through sythesis and simulation on FPGA EP2C70F672C6 chip with QuartusⅡ software. The results shows that the system occupies 1% of on-chip resources and costs 163.85us time-comsumption. In this paper, the hardware structure design of the compression coding system is presented, the implementation of the SPHIT coding algorithm in NiosⅡmicroprocessor in the software is overviewed. The design of wavelet image compression coding system implements the whole function, and the system is optimized according to the actual situation, and the consumption of device resources is reduced, and the speed of operation of the system is improved.

Key Words: video image compression coding, the lifting wavelet transform, SOPC system

 

 

 

目  录

第1章  绪  论 1
1.1  课题的目的和意义 1
1.2  国内外研究现状 1
1.3  本文主要研究内容 3
第2章  系统相关技术、设计原理和设计方案 4
2.1  基于SOPC的现代电子系统设计 4
2.1.1  现场可编程门阵列FPGA 5
2.1.2  硬件描述语言简介 8
2.1.3  可复用IP核 9
2.1.4  NiosⅡ嵌入式处理器 10
2.1.5  Avalon总线 10
2.1.6  SOPC开发工具及其设计流程 11
2.2  小波变换图像压缩编码 15
2.2.1  小波及小波变换的数学理论基础 15
2.2.2  小波变换的典型实现方法 18
2.2.3  小波变换在图像压缩编码中的应用 22
2.2.4  小波图像编码 25
2.3  系统方案选择 32
第3章  提升小波变换的FPGA实现与仿真 34
3.1  5/3提升小波变换算法原理 34
3.2  对5/3提升小波变换硬件实现特点的分析 35
3.3  对图像进行二维提升小波变换方案的选择 36
3.4  图像灰度值的提取 37
3.5  一维5/3提升小波变换的FPGA实现及QUARTUSⅡ仿真 39
3.6  二维5/3提升小波变换的FPGA实现 44
3.6.1  主要功能模块的设计及QuartusⅡ仿真分析 44
3.6.2  顶层原理图文件的搭建 51
3.6.3  顶层文件调试 52
第4章  构建SOPC系统 57
4.1  系统总体设计方案 57
4.2  系统硬件实现 57
4.2.1  系统相关组件简介 58
4.2.2  构建Nios处理器系统 61
4.2.3  建立系统顶层文件 64
总  结 66
致  谢 67
参考文献 68


 

第1章  绪  论

1.1  课题的目的和意义
信息交换是人类生活的基本条件。人们在自然界中获取信息的载体主要有语音、图像和数据三种形式,依靠人类的听觉、视觉器官获取。据统计,由视觉得到的信息约占全部信息的80%。研究表明,和其它信息相比,图像包含的信息量更大、更直观、更确切,更具有较高的使用率和更广泛的适应性,是人类最重要的信息载体。而图像信息的表示需要大量的数据,高质量的数字图像保存和传输需要很大的空间和网络带宽,这给信息的存储和传输造成很大的困难,成为阻碍人类有效获取和使用信息的瓶颈问题之一。
    从存储的角度看:图像存储往往会带来海量的数据。例如在不压缩的条件下, 640*480像素、30帧/s的24位彩色序列图像的数据流量为210.9Mb/s,这样的数字图像若用650MB的CD存放只能存25s;而一幅2291*2190*8bit的气象卫星红外云图占4.9MB,如果一颗卫星每半小时发一次全波段数据(5个波段),每天的数据量就高达1.2GB;视频监控要求进行连续不间断的摄像,需要同时存储一段时间的多路视频图像,若采用PAL制式625*576数字图像,25帧/s,一路视频的一个小时存储量为92.7GB。
从传输的角度看:图像稳定传输对图像编码技术提出了更高的要求。数字电视已经发展到HDTV阶段,若不采用压缩技术,将要求占用1.16Gb的带宽,而使用MPEG2编码技术后,可以在现有的6M的模拟电视线路上传输。未来网络电视IPTV发展前景良好,在互联网上,特别是在无线网络上传输数字图像编码技术要求很高。
因此,新的更有效的图像压缩编码方法不断开发出来,以便适应不断增长的需要。小波图像压缩编码具有压缩率高,图像恢复质量好,可实现渐进式编解码等优点。但图像二维小波变换软件实现计算量大,需要较多的存储器,小波变换速度慢、功耗大,不适应多媒体技术的迅速发展,随着适合硬件实现的提升小波变换算法的出现和基于FPGA的SOPC技术的高速发展,将小波图像编码算法用SOPC实现已成为可能。小波图像编码的SOPC系统的实现对小波变换算法提出了更高的要求,带动了小波分析理论的研究,也拓展了SOPC技术的应用,两者相互促进,共同发展。
1.2  国内外研究现状
国际上,在图像压缩标准方面,先后诞生了JPEG和JPEG2000两个标准。其中JPEG2000因为采用了小波变换和嵌入式小波编码的思想,整体性能有很大的提高。因而JPEG2000图像压缩标准被采纳为国际数字影院的图像压缩格式。在视频方面,最早是1988年开始起草,1990年通过的ITU-T H.261标准,它是后来相继提出的混合编码MPEG-1、MPEG-2、H.263和H.264/AVC(Advanced Video coding)的基础。其中H.264标准为最新的视频标准,并融入到MPEG-4标准的第十部分。因为H.264采用了许多新的编码技术,如4*4的整形DCT变换,多帧和多模式运动估计,帧间预测和环路去块滤波,所以与MPEG-4比较在同样的图像质量的情况下码率下降了一倍。MPEG-4是第一个将面向对象编码和小波变换编码思想引入视频编码的国际标准。在MPEG-4标准中,静态纹理是采用小波变换和零树编码压缩的。目前,H.264的可伸缩编码(Scalable Video Coding , SVC)标准正在制定中,有两个议案最有希望获得通过,一个是微软提出的3D小波视频编码方案,另外一个是德国HHI提出的H.264标准扩展的方案。后者采用了基于小波提升算法的运动补偿时域滤波技术,整体上与H.264兼容。国际上正在酝酿新的视频标准H.265,将在未来大致5年内诞生,它将主要依靠挖掘人的视觉特性将压缩性能再提高一倍。因为小波在图像和视频编码方面已表现出来的突出优势,所以估计它在H.265中也会有所体现。
从整个国际图像视频标准发展的脉络看,小波编码己经得到了成功的应用,并显现出勃勃生机,因而研究基于小波的图像和视频压缩算法也具有重要的理论意义。
近年来随着可编程逻辑器件的迅速发展,高逻辑密度及大内存容量的FPGA芯片已经十分容易获得,而且有较高的性价比,如Altera公司的Cyclone系列等。随着FPGA内部LE(逻辑单元)集成度越来越高,生产商开发出了强大的软件包,使得在FPGA内部可以由用户根据需要,十分方便地集成一至多个CPU及用户逻辑电路,这也就构成了SOPC系统。如今SOPC技术已被广泛应用于许多领域。首先,SOPC在极大提高了许多电子系统性能价格比的同时,还开辟了许多新的应用领域,如高端的数字信号处理、通信系统、软件无线电系统的设计、微处理器及大型计算机处理器的设计等等;同时,由于SOPC具有基于EDA技术标准的设计语言与系统测试手段、规范的设计流程与多层次的仿真功能以及高效率的软硬件开发与实现技术,使得SOPC及其实现技术无可争议地成为现代电子技术最具时代特征的典型代表。与基于ASIC的SOC相比,SOPC具有更多的特点与吸引力:开发软件成本低,硬件实现风险低,产品上市效率高,系统结构可重构及硬件可升级等,它还具有设计者易学易用、高附加值、产品设计成本低等优势。
本文正是采用了Altera公司的SOPC解决方案,通过软硬件协同设计实现了提升小波变换图像压缩编码的SOPC系统。
1.3  本文主要研究内容
本论文主要包含以下研究内容:
(1)详细阐述了小波图像压缩编码算法的理论知识。
(2)深入研究了小波提升框架,实现了基于提升算法的图像二维离散小波变换,给出了二维图像5/3小波提升分解硬件结构设计方案,建立了VHDL硬件模型,并进行了仿真和逻辑综合。   
(3)详细分析了SPHIT零树编码机理,对图像小波变换系数用C++语言进行了SPHIT编码算法实现。
(4)详细阐述了SOPC技术原理,深入研究了SOPC系统开发流程,采用Altera公司的SOPC解决方案构建了小波图像压缩编码系统。

 

 

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