基于FPGA的JPEG图像压缩编码的仿真开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

目的：随着现代摄像机等图像采集设备的不断发展，图像质量不断提高，同时实际应用中对图像处理的实时性要求也进一步增加，这就对软件方法的串行处理造成了很大的挑战，于是具有并行处理能力的fpga开始引起人们的注意，其在高速运算中的巨大优势使它在图像处理中应用越来越多。本文将以jpeg图像压缩格式为仿真对象，探究fpga在图像压缩方面的优势。

意义：现代图像采集设备采集的图像均为数字图像，相比老式设备采集的模拟图像，它更易处理、传输、理解，但同时伴随一个明显的问题——图越精细数据量越大。以分辨率为1024×720的图片为例，若用24bit来表示一个像素，则图片的大小将达到2200kb，如果以25帧每秒的速度来播放，那么实时的通信带宽需要55mb/s，对图像的存储、传输、处理都有极高的要求。而采用jpeg的压缩格式，可以将图像压缩十倍甚至几十倍，同时图像的质量在人眼中不会发生太大的变化，极大的降低了图像的加工成本与难度。本文将使用fpga仿真jpeg压缩算法，实现图像的高品质压缩。

国内外研究现状：自二十世纪五十年代提出了数字电视信号开始，人们对数字信号的压缩编码进行了深入研究，到目前为止图像压缩已经形成了比较成熟完善的系统理论。图像压缩理论的发展可划分为两个阶段，第一阶段指二十世纪四十年代至九十年代，主要有以pcm、变换编码、dpcm等为代表的以去除冗余为基础的编码方法、以金字塔编码、fractal编码为代表的变换编码以及以lz77、lz78为代表的字典式编码等；第二阶段指九十年代至今，人们突破传统的信源编码理论，在小波变换、视觉仿真、分形、人工神经网路等理论的基础上发展了小波编码、分形编码等。在国际标准化组织领导下，目前已经建立了一套完整的压缩编码标准，如jpeg、jpeg-ls、jpeg2000等静止的色调连续图像的压缩标准以及h.261、h.263、mpeg-1、mpeg-3等视频压缩标准。

2. 研究的基本内容与方案

目标：本文目标是在FPGA硬件平台上，对JPEG图像压缩基本算法进行模拟编码并仿真实现。

基本内容：JPEG图像压缩算法可分为五个步骤：一、对原始图像进行从RGB（红蓝绿）到YCrCb(亮度、红色差、蓝色差)的颜色空间变换，同时将其分割为8×8的方块形矩阵数据；二、使用2D-DCT变换分别对每个8×8数据块进行处理；三、使用Zig-zag串联表对DCT处理过的数据进行串联；四、对上两步中已经集中了能量的数据进行量化处理，将能量很少、人眼不敏感的高频部分去除，这是唯一造成JPEG压缩算法产生失真的原因，也是高压缩比的关键；五、将量化过的数据拆分出直流分量与交流分量，对前者做差分编码，对后者做行程编码，最后都做熵编码。本文将对各个步骤依次进行编码仿真，实现各部分的功能，最后再仿真整体算法流程。

方案与措施：本文拟采用Quartus II开发工具，在其集成环境中完成编码、布局布线以及仿真实现。对上段中相应步骤采取的方案：一、YCrCb三个分量与RGB三个分量之间有固定的公式可以转换，再使用图像子采样的方法抽取样本；二、2D-DCT变换在实际中运算量特别大，在使用硬件结构来实现的时候一般将其分解为两次一维DCT变换；三、量化过程让每个DCT系数除以各自的量化步距然后四舍五入得到整的量化系数，实际操作可以8×8的量化表为模板对8×8的数据块求模运算，结果就是量化系数；四、8×8块中有63个是交流系数，为使“0”量集中方便压缩数据，采用Zig-zag顺序排列；五、JPEG本身建议的熵编码有Huffman编码和自适应二进制算数编码，这里采用算法相对简单的前者。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需图像压缩编码基本知识。确定方案，完成开题报告。

第4周：熟悉fpga开发环境。

第5-6周：完成2d-dct变换模块编码。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]徐洁.基于fpga的jpeg图像压缩系统的实现 [d]. 大连：大连理工大学，2013.

[2] 罗强.图像压缩编码方法 [m].西安：西安电子科技大学出版社，2013.

[3] guo,huimin.face recognition and verification in unconstrained environments[d]. universityofmaryland,2012