JPEG图像压缩算法的IP核设计
JPEG标准下图像压缩算法的研究与实现
【２】ＷＵ Ｄ，ｗ１Ｊ Ｓ，ｕＭ Ｋ Ｐ，ＰＡＮ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｂｌｏｃｋ ｉｎｔｅｒ ｍｏｄｅ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒ ｆ碡ｔ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｏｆ Ｈ．２６４ 【Ｃ１，，Ｐｒｏｃ ｏｆ ２００４ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ ＣｏＩｌｆｅｒ． ｅｎｃｅ ｏｎ Ａｃｏｕｓｌｉｃｓ，Ｓｐｅｅｃｈ，ａｎｄ Ｓｉ印ａｌ Ｐｍｃ舒８ｉｎｇ．Ｍｏｎｔｒｅａｌ：【８．ｎ．】， ２００４．３：１８１．
万方数据
的数学公式
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ｃｏｓ毕】 以ｉＪ）＝丢－ｒｃ（Ⅱ）ｃ（秽）Ⅱ ［２委０＂委＝０ Ｆ（“川ｃ。ｓ望等■ｕ乎旦
式中：茹，ｙ，ｕ，ｔ，＝０，ｌ，…，７。
州僻㈠：！’荔。
为了达到压缩数据的目的．对ＤＣＴ系数需作量化处 理。量化处理是一个多到一的映射，它是造成ＤＣＴ编解 码信息损失的根源。在ＪＰＥＧ中采用线形均匀量化器，量 化定义为对６４个ＤＣＴ系数除以量化步长，四舍五入取 整。如下表达式所示
帧间预测模式的选择仅仅是帧间预测内容的一部
参考文献： 【ｌ】 ＡＨＭＡＤ Ａ，ＫＨＡＮ Ｎ，ＭＡＳＵＤ Ｓ． Ｅｍｃｉｅｎｔ ｂｌｏｃｋ ｓｉｚｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｈ．
２“ｖｉｄｅｏ ｃｏｄｉｎｇ ｓｔａＩｌｄａｒｄ【Ｊ】．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ吕ｋｔｔｅ辟，２００４，４０（１）：１９—
２１．
ＹＵ Ｘｉａｏ—ｙｕ，ＦＵ Ｚｈｉ—ｚｈｏｎｇ，ＴＡＮＧ Ｘｕｅ—ｙｉ
（＆‰ｆ ０，ｃＤＭＭ，如疵如ｎ ｍｄ蜘ｒ７，斌ｉ∽西痧，ｌｅｅ＾，强ｕ嬲７’ｃ’ｃｋｎｇｄ“６知ｎｗ，傩ｉＭ）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａｎ ｉｍａｇｅ ｉｓ ｕ“ｚｅｄ ｗｉｄｅｌｙ黯ｔｈｅ ｃａ而ｅｒ ｏｆ ｉｎｆ０珊ａｔｉｏｎ，ｂｕｔ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｄａｔａ ｉｎ ａ ｄｉ西ｔａｌ ｉｍａｇｅ ｉｓ ｔｏｏ ｈｕｇｅ，ｓｏ ｉｔ咖ｓｔ ｂｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｂｅｆｏｒｅ ｓｔｏｒｅｄ ａｎｄ ｔｍｎｓｍｉｔｔｅｄ． Ｉｎ ｔｌｌｉｓ ｔｅｘｔ， ａｌｇｏ订ｔｈｍｉｃ ｏｆ ＪＰＥＧ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＣＴ ｉｓ ｉｎ咖ｄｕｃｅｄ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ
JPEG解码IP的研究与实现的开题报告
JPEG解码IP的研究与实现的开题报告一、选题背景随着数字化进程的不断深入，图片成为人们生活中不可或缺的一部分，它们应用于各个行业和领域，如广告、媒体、医学、安全监控等。
保存图片常用的格式有JPEG （Joint Photographic Experts Group）格式、PNG（Portable Network Graphics）格式、GIF（Graphics Interchange Format）格式、BMP（Bitmap）等。
其中，JPEG格式因其压缩比高、色彩丰富等特点，被广泛应用，是Web图像中最流行的格式之一。
笔者在此基础上，选择了JPEG解码IP的研究与实现作为毕业设计的选题。
二、选题意义在目前的数字图像处理中，JPEG将图像压缩成为一个“压缩码流”，以此方式缩减图像的存储空间，从而达到快速传输和存储的目的。
JPEG解码器将压缩码流解码，以还原出原始图像。
而JPEG解码IP则是实现JPEG解码算法的硬件设备，可以直接嵌入到系统中，实现高效的图像解码和处理。
通过对JPEG解码IP的研究与实现，可以提升图像处理的效率和质量。
对于数字媒体、安防监控等领域来说，这一技术的应用可以大大减少数据传输的时间和成本；对于医学图像的处理来说，则可以提高图像处理的速度和准确度，有助于医生在诊断中更快、更精准地作出判断。
三、研究内容本次毕业设计的主要研究内容是：1.研究JPEG压缩算法原理和解码算法原理；2.研究JPEG解码器的设计和实现方法；3.基于Verilog HDL设计JPEG解码IP；4.在FPGA上进行仿真和验证，对设计进行性能与功耗分析优化。
四、进度安排本次毕业设计的进度安排如下：第一周：确定选题，制定毕业设计计划；第二周至第四周：开始研究JPEG压缩算法原理和解码算法原理，并对其进行总结和归纳；第五周至第七周：开始研究JPEG解码器的设计方法，并进行初步实现；第八周至第十周：基于Verilog HDL设计JPEG解码IP，并进行仿真验证；第十一周至第十二周：对JPEG解码IP的性能进行分析和优化，探索更高效的实现方式；第十三周至第十四周：整理材料，准备毕业设计答辩。
基于DSP的JPEG图像压缩的设计与实现
基于DSP的JPEG图像压缩的设计与实现JPEG算法是一种数字图像压缩编码算法，具有压缩比例高、失真小的特点，并已被确定为国际标准。
该标准被广泛应用于数码相机、监视系统、手机、可视电话等等诸多方面。
它的应用与实现不仅限于PC机，更多的则是基于系统。
嵌入式系统有其体积小、成本低、牢靠性高、速度快、环境适应性强等优点。
嵌入式编码实现方式也比较多，有的采纳专用集成芯片，有的基于，有的基于，。
采纳专用芯片的方式实现容易，技术成熟牢靠，但灵便性以及可扩展性差。
基于FPGA的方式，压缩算法纯硬件实现，并行处理速度高，可实现高速处理，但因为JPEG压缩算法比较复杂，开发难度大些，费时费劲。
基于通用DSP实现方式优点是：灵便性强，能满足特别处理需求，具有很好的可扩展性、可升级性和易维护性。
二、系统硬件设计考虑到系统的二次开发性本系统采纳DSP开发计划，选用TMS320C6713芯片作为系统主处理器，该嵌入式系统能完成视频图像信号的采集、处理、压缩、编码、显示、存储等一系列功能。
本图像处理系统由底板与子板两部分组成，底板主要由DSP处理器TMS320C6713、一片256K×16bit Flash，四片4M×16bitSDRAM、外部存储器接口EMIF(External Memory Interface)和其他通用外设接口如RS-232，音频接口等组成。
子板是在底板的EMIF上扩展出来的，主要由视频解码A/D芯片、采集和显示时序控制芯片等。
（一）CCD摄像头用来采集模拟视频图像数据。
（二）视频解码A/D芯片Philips SAA7113将模拟视频电视信号（本系统PAL制）数字化。
输出为符合CCIR.601标准的数字视频码流。
（三）FIFOAL422B作为A/D与C6713DSP之间的数据缓冲，使A/D的转换速度与DSP读取A/D数据的速度匹配。
（四）TMS320C6713DSP为主处理器，实现对视频数据的压缩编码处理。
JPEG2000编码器IP核
JPEG2000编码器IP核设计计划书一、应用前景数码照相机、数字监控系统、数字扫描仪，网路传输、无线通讯、医疗影像。
二、项目背景在过去的十几年来，高质量图像的应用场合越来越多。
但是数字图像的存储和传输的高额费用成为普及其发展的最大障碍。
由此对图像压缩编码的研究提出了很高等要求。
早在1991年，国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）就制定了静止图像压缩标准JPEG（Joint Photographic Experts Group）。
该标准使用离散余弦变换（DCT）作为其核心编码，在中高码率（大于0.25比特/像素）对于连续色调的静止灰度或彩色图像提供了较好的压缩性能。
目前JPEG标准广泛用于数码相机，数字扫描仪等场合，取得了巨大的成功，商用芯片也已经很成熟。
然而随着数字视频捕捉设备和数字相机的普及，以及高清晰度电视（HDTV）和可视电话的应用，对图像压缩编码的要求越来越高，再加上JPEG在低码率下严重的“方块效应”等缺点，新的标准JPEG2000应运而生。
JPEG2000是一种新的静止图像压缩标准（代号ISO15444），于2001年3月正式发布。
JPEG2000的目标是创造一个新的图像压缩系统，能够用于不同类型（双色，灰度，彩色，多基色）、不同特性（自然风景，科学图像，医学影像，遥感图像，文本，绘制图等等）的静止图像，并且在一个统一的体系下允许不同成像模型（客户端/服务器，实时传送，图像图书馆档案，缓冲与带宽受限等等）。
JPEG2000编码系统能够提供低码率条件下（码率小于0.25比特/秒）当前标准JPEG更佳的率失真性能和主观图像质量，同时不牺牲其它方性能。
JPEG2000包含下列优于JPEG的特性：1、低码率压缩：当前标准，如JPEG，在中高码率提供较好的率失真性能，但在低码率（如低于0.25比特/秒情况下的高分辨率灰度图）失真严重，主观上不可接受；2、无损与有损压缩：当前所有标准都不能在单一码流内提供无损和有损压缩；大图像：当前JPEG标准不能直接压缩规模大于64K的图像，必须进行拼接；3、单一解码架构：当前JPEG标准包含44种模式，其中很多是面向特定的应用而不被大多数JPEG解码器使用。
JPEG图像压缩算法的IP核设计
第 25卷第 5期 2005年 5月
计算机应用 C ompu ter App lications
第 5期
王镇道等: JPEG 图像压缩算法的 IP核设计
107 7
Y= CZ
( 4)
Z = X CT
( 5)
C为系数矩阵:
a aaa aa aa
b d e g -g - e -d - b
c f -f -c - c -f -f c
C= d -g - b -e a - a -a a
e b g -d a -a -a a
用了这种结构。但是速度较慢, 可测试性较低, 不适合高速 的
实时应用 [3] 。
由式 ( 1)可知, 二维 DCT 是一个可分离的二重求 和, 可 以
把二维 DCT 分解成两个一维的 DCT:
y ( u, v) =
2 N
N -1 i= 0
c( u) z ( v,
i) cos
( 2i + 1)u 2N
K ey words: JPEG; 2D DCT; IP core; im ag e compress ion
0 引言
以网络通信、软件和微 电子技术 为主要 标志的 信息产 业 的快速发展, 不仅推动了信息的传输媒介、传输技术和传输手 段的变革, 同时 也使 通信 的内 容从 文字、语 言转 向高 清晰 图 像、动画和实时视频信息。 日常生 活的许 多领域也 都用计 算 机来把许多类复杂信息转化为 图像。因 为通常图像的容量很 大, 图像的广泛 应用 对图 像的 存储 和传 输提 出巨 大了 挑战。 一幅分辨率为 1 024 1 024的 24位图像要 占用 3M B, 用这种 分辨率存储 1分 钟长 度的 电影 需要 4 320M B。因 此, 有限 的 存储容量和传输带宽 不能直 接对图 像进行存 储与传 输, 而需 要先对图像进行压缩。图像压缩技术是 数字时代的产物和重 要组成部分, 它的进步对整 个社会 的数字 化和信 息化都 有着 不可估量的推进作用。在众多静态图像 压缩算法中, JPEG 压 缩算法因其优异的压 缩性能逐步成为了存储和传输压缩图像 的主要工具 [ 1], 在压缩比为 0. 5甚 至更低 时仍能 保持较 高画 质。
JPEG图像压缩原理简介
JPEG图像压缩原理简介JPEG（发音：[ˈdʒeɪpɛg]）是一种针对照片视频而广泛使用的有损压缩标准方法。
这个名称代表 Joint Photographic Experts Group（联合图像专家小组）。
联合图像专家小组1992年发布了JPEG的标准而在1994年获得了ISO 10918-1的认定。
JPEG与视频音频压缩标准的MPEG （Moving Picture Experts Group）很容易混淆，但两者是不同的组织及标准。
其实JPEG不是一种文件格式，它是由联合图像专家小组推出的一种图像压缩方法（类似于视频中的H.264等编解码标准）。
而JPG或者JFIF格式仅仅是一种数据的包装容器（类似于视频中MP4、MOV等封装格式）。
1. 概述JPEG编码的主要流程是：色彩空间转换 (Color Conversion)、下采样（Downsampling）、分块(Dividing Patch) 、离散余弦变换（Discrete cosine transform）、量化（Quantization）、熵编码技术（Entropy coding）。
2. 色彩空间转换(Color Conversion)我们使用传感器采集到的原始（RAW）图像使用的是RGB色彩空间来表示的。
也就是说，按照每一个像素的RGB（Red, Green, Blue）值填充到对应的像素位置。
首先，我们将RGB（红绿蓝）转换为一种称为YCrCb (YUV)的不同色彩空间。
·Y成分表示一个像素的亮度(luminance) ·U成分表示色度（饱和度）(Chrominance）·V成分表示色度（饱和度）RGB空间到YUV空间转换公式为：下图为分解开的Y、U、V的示例：3. 采样（Downsampling）下采样、也就是减少人类视觉系统不敏感的色度（U和V的成分）。
虽然减少了颜色数量，但是人眼并不会察觉到图像质量有任何的差异。
MotionJPEG视频压缩IP核的设计与实现.
MotionJPEG视频压缩IP核的设计与实现引言随着多媒体技术及通信技术的快速发展，在嵌入式平台上实现连续图像压缩的需求已变得日益广泛。
常用的系统结构是独立处理器配和专用图像压缩芯片或者是只用一个高主频的数字信号处理器完成主要功能。
但随着大规模集成电路技术的发展及市场对产品低成本的要求不断提高，一种新的在嵌入式平台上实现连续图像压缩的系统结构正逐步成为上述两种系统结构的替代者。
这种新的结构就是Altera公司提出的基于Avalon总线的SOPC结构。
SOPC结引言随着多媒体技术及通信技术的快速发展，在嵌入式平台上实现连续图像压缩的需求已变得日益广泛。
常用的系统结构是独立处理器配和专用图像压缩芯片或者是只用一个高主频的数字信号处理器完成主要功能。
但随着大规模集成电路技术的发展及市场对产品低成本的要求不断提高，一种新的在嵌入式平台上实现连续图像压缩的系统结构正逐步成为上述两种系统结构的替代者。
这种新的结构就是Altera公司提出的基于Aval on总线的SOPC结构。
SOPC结构可以把处理器，图像压缩IP核，通讯单元及控制单元集成到一块FPGA芯片上。
较之以往的结构，不但极大地节约了系统资源和成本，更是减少了系统的复杂度。
尤其是可以用硬件电路实现软件处理极为耗时的运算功能，使得在低主频，低功耗的嵌入式平台上实现连续图像实时压缩变为可能。
连续图像压缩IP核也成为整个SOPC系统的一个关键部件。
现有的MPEG系列，H26X系列IP 核对FPGA的芯片资源及性能要求极高，难以满足系统对低成本，低功耗的要求。
所以设计一个适合低成本，低功耗的FPGA芯片的视频压缩IP核变得极为重要。
这即要求压缩算法的复杂度不能太高，又要求有适当的压缩效果，Motion JPEG算法恰好满足上述要求。
1.Motion JPEG压缩算法简介Motion JPEG是一种基于静态图像JPEG压缩标准的动态图像压缩标准，压缩时将连续图像的每一个帧视为一幅静止图像进行压缩，从而可以生成序列化运动图像。
JPEG图像压缩编码原理及格式
图像灰度级gray(x,y)
JPEG中的余弦变换
对pic2进行DCT：
pic2
DCT:高频系数很小
JPEG中的余弦变换
pic3：
pic3
图像灰度级gray(x,y)
JPEG中的余弦变换
对pic3进行DCT：
pic3
DCT:高频系数较大一些
JPEG中的余弦变换
在JPEG进行余弦变换后，由8x8像素图像块获 得8x8个频域系数C(u,v)，如果存储64个频域系 数，则图像数据并不能压缩。
(DCT系数x1000)
DCT:高频系数很小
JPEG中的余弦变换
对pic0进行DCT：
pic0
DCT:高频系数很小
JPEG中的余弦变换
pic1：
pic1
图像灰度级gray(x,y)
JPEG中的余弦变换
对pic1进行DCT：
pic1
DCT:高频系数很小
JPEG中的余弦变换
pic2：
pic2
0
0
0
0
0
0
2
0
0
0
ห้องสมุดไป่ตู้
0
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0
0
{74,33,31,-1,-2,-1,2,-2,-2,2,0,0,……,0};
由于大量的0连续排列，可以用“行程编码(Run Length Coding)”方法节约存贮空间。
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到’ 并且只需要存储一个 系 数 矩 阵 # 或#Q ’就 可 以 通 过 转 置 求出另外一个系数 矩 阵 ( 因 此 ’ 可以通过矩阵乘法与查找系 数表的方法实现二维 / 6(
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%! o D E *ຫໍສະໝຸດ 压缩算法的模块设计先对图像样本! 进 o D E * 算法的基 本 过 程 为 $ 1^ 4 N精 度 " 行彩色空间变换和直 流 位 移 # 接下来分别对亮度和色差信号 进行 / 均匀量化 # 再分别对 / 6 变换 % - 部分进行 / D -b 编 码和 X 编码 # 对 部 分 进 行 形 扫 描 % 编 B Q Q < = : . r a Y - 码和 最终得到图像样本压缩后的比特流 & X B Q Q < = : 编码 #
由于进行彩色空间变换 % 直流位移 % r形扫描和均匀量化 部分相对比较简单 # 本 文 不 再 赘 述&下 面 介 绍 其 他 各 模 块 的 设计 & %0 %! 二维 / 6 变换 离散余弦变换是一 种 正 交 变 换 # 实现从时域到频域的转 换# 从而去掉时域中数据的相关性 # 使变换后系数的能量相 对 集中 # 有利于量化后对变换 系 数 采 用 游 程 编 码 和 X B Q Q < = :编 码# 实现数据压缩 & 在 o D E * 中# 1y1/ 6 变换公式为 $ ! 3" 4" b’! # " U! 3# 4"H ’ 0 P 4 4W! # 0 H" PH" ! " ! " ! 0D% 3 ! D% 4 , , ! " @ 5 A @ 5 A P % % ‘ % ‘ 传统的二维 / 可 知$ 6 采 用 间 接 方 法 实 现&根 据 式! %" 二维 1y1 的 / 6 可以转化 为 % ‘次一维 / 6& 方 法 为 先 对 再对图像块的1列作1 1y1图像块的 1 行分 别 作 一 维 / 6# 次一维 / & 这种 方 法 所 对 应 的 硬 件 结构一般包括有限状 6 态机 % 一维 / 处理单元和转置存储器三个部分 & 由于其 算 6 法简单 # 控制方便 # 芯片 布 局 布 线 规 整# 很多视频处理芯片都 采用了这种结构 & 但是速度较慢 # 可测试性较低 # 不适合高 速 ’( 的实时应用 ’ & 由式 ! " 可知 # 二维 / 可以 % 6 是一个可分离的二重求和 # 把二维 / 6 分解成两个一维的 / 6$
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修订日期 ! ! " " #$% "$% ’" ! " " &$" %$% ! !! 收稿日期 ! 万方数据 ! 王镇道 ! 男# 湖南长沙人 # 主要研究方向 $ 图像压缩 % 数字信号处理 0 % ) ( #$ " !! 作者简介
+ 6 3 ) $ / 4 ) 7 6 M 9+ D5 3 95 Qo D E *+ < = 9@ 5 < 3 9 A A 4 5 := > 5 3 4 N M <O = A7 9 A 4 : 9 7^ = A 9 75 :N M 9! H // 6= > 5 3 4 N M < ; 2 ; ; ; = 7 5 N 4 : M 9< = N 3 4 f7 9 @ 5 < 5 A 4 N 4 5 : R 6 M 9 + D5 3 9= : 7= > > 5 Q N M 9< 5 7 B > 9 AO 9 3 97 9 A @ 3 4 ^ 9 7= : 7A 4 < B > = N 9 7^ 9 3 4 > 5 H X/ Y 2 ;N 2 Ta ; > = : B = 9= NW 6 Y> 9 U 9 > R E f 9 3 4 < 9 : N 3 9 A B > N AA M 5 ON M = N N M 97 9 A 4 :5 Q N M 92 3 5 5 A 9 7< 9 N M 5 7 4 AU = > 4 7 = N 9 7 R ; ; 2 ; 2 8 ’ % $ . 3 7 o D E *V ! / H / 6V + D@ 5 3 9 V 4 < = 9@ 5 < 3 9 A A 4 5 : ; 2 9:
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