基于FPGA的JPEG压缩系统设计与实现

论文摘要

对弓网故障的检测在列车提速的今天显得尤其重要,原始故障图像数据量的巨大使实时存储和传输故障图像极其困难。JPEG作为一种低复杂度、高压缩比的图像压缩标准在多媒体、网络传输等领域得到广泛的应用。和相同图像质量的其它常用文件格式（如GIF,TIFF,PCX）相比,JPEG是目前静态图像中压缩比最高的。FPGA以其设计灵活、高速的卓越特性,逐渐成为许多应用中首先器件,尤其是与Verilog和VHDL等语言的结合,大大变革了电子系统的设计方法,加速了系统的设计进程。本文旨在研究并实现一种实时采集并对特定帧进行压缩传输的方法。通过采用可编程逻辑器件FPGA来实现整个采集、显示、压缩和传输,使系统具有可定制、高速度等优点。本文首先介绍了开发硬件可编程逻辑门阵列FPGA及其开发语言Verilog,并介绍了FPGA的设计方法及开发流程;接着介绍了PAL制视频采集的相关知识及设计,其中主要包括基于I2C总线的模拟视频解码控制、视频的数字化ITU-R BT.601标准介绍及视频同步信号的获取、基于SDRAM的视频帧存储、VGA显示控制设计;随后介绍了JPEG标准,并根据故障检测的特点,设计了针对灰度图像压缩的JPEG编码器,设计中先分别对组成JPEG编码器的二维DCT变换模块、量化模块、Z字扫描模块、变换直流系数的差分脉冲编码模块、交流系数的游程编码模块、哈夫曼编码模块及打包模块进行了仿真测试,然后再对整个JPEG编码器进行了测试;最后设计了单帧视频的SRAM缓存,并将缓存的源图像采用本文设计的JPEG编码器进行压缩,再设计一个仅包含发送功能的UART将压缩后的码流传输到PC机,在PC机上通过将接收的码流以ASCⅡ码的形式还原为采集图片。本文实现了整个采集压缩系统,同时也进一步验证了本文设计的灰度图像JPEG编码器的正确性。相信本文无论是对弓网故障的图像检测,还是对于JPEG编码器的芯片设计都有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 本文的研究工作
• 1.2.1 本文研究内容
• 1.2.2 课题开发环境
• 1.2.3 论文章节安排
• 第2章 开发环境介绍及方案设计
• 2.1 FPGA简介
• 2.1.1 FPGA技术的发展历史
• 2.1.2 FPGA的结构
• 2.2 FPGA的设计方法和流程
• 2.2.1 TOP-DOWN设计方法
• 2.2.2 FPGA设计流程
• 2.2.3 FPGA设计指导原则
• 2.3 VerilogHDL介绍
• 2.3.1 Verilog HDL的历史
• 2.3.2 Verilog HDL的特点
• 2.4 系统方案设计
• 2.4.1 算法设计
• 2.4.2 硬件系统设计
• 2.4.3 器件选型
• 第3章 视频信号的采集及显示
• 3.1 视频解码
• 3.1.1 SAA7113介绍
• 2C总线原理'>3.1.2 I²C总线原理
• 3.1.3 SAA7113初始化配置的模块设计与验证
• 3.2 视频同步
• 3.2.1 PAL制电视的扫描特性
• 3.2.2 ITU-R BT.601标准
• 3.2.3 视频同步的模块设计与验证
• 3.3 视频的SDRAM存储
• 3.3.1 SDRAM存储器原理介绍
• 3.3.2 SDRAM控制器IP核
• 3.3.3 视频的SDRAM存储模块设计与验证
• 3.4 视频的VGA显示
• 3.4.1 颜色空间转换
• 3.4.2 ADV7125简介
• 3.4.3 VGA显示原理
• 3.4.4 VGA显示模块设计与验证
• 第4章 JPEG编码器设计
• 4.1 JPEG介绍
• 4.1.1 JPEG压缩编码标准简介
• 4.1.2 JPEG基本系统编码过程
• 4.2 JPEG算法原理及其FPGA实现
• 4.2.1 离散余弦变换
• 4.2.2 量化
• 4.2.3 Zig-zag扫描
• 4.2.4 直流系数的编码
• 4.2.5 交流系数的编码
• 4.2.6 打包单元
• 4.3 JPEG编码器的整体仿真与综合
• 第5章 单帧视频的JPEG压缩
• 5.1 单帧视频的JPEG压缩及码流传输的模块设计与验证
• 5.1.1 触发控制
• 5.1.2 单帧灰度图像的SRAM存储模块设计与验证
• 5.1.3 压缩控制及码流存储的模块设计与验证
• 5.1.4 UART传输码流的模块设计与验证
• 5.2 系统的时序分析及综合
• 5.3 系统测试及验证
• 5.3.1 软件测试
• 5.3.2 硬件测试
• 5.3.3 测试结果分析
• 总结与展望
• 本文工作总结
• 进一步研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 IS61LV25616AL的时序特性参数
• 附录2 灰度图像JPEG压缩的Matlab源码
• 附录3 JPEG压缩的部分Verilog代码
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果