基于FPGA的图像处理算法及压缩编码的研究与实现
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摘要
本文以“机车车辆轮对动态检测装置”为研究背景，以改进提升装置性能为目标，研究在Altera公司的FPGA(Field Programmable Gate Array)芯片Cyclone上实现图像采集控制、图像处理算法、JPEG(Joint Photographic Expert Group)压缩编码标准的基本系统。本文使用硬件描述语言Verilog，以RedLogic的RVDK开发板作为硬件平台，在开发工具QUARTUS2 6．0和MODELSIM_SE 6．1B环境中完成软核的设计与仿真验证。
数据采集部分完成的功能是将由模拟摄像机拍摄到的图像信号进行数字化，然后从数据流中提取有效数据，加以适当裁剪，最后将奇偶场图像数据合并成帧，存储到存储器中。数字化及码流产生的功能由SAA7113芯片完成，由FPGA对SAA7113芯片初始化设置、控制，并对数字化后的数据进行操作。
图像处理算法部分考虑到实时性与算法复杂度等因素，从装置的图像处理流程中有选择性地实现了直方图均衡化、中值滤波与边缘检测三种图像处理算法。
压缩编码部分依据JPEG标准基本系统顺序编码模式，在FPGA上实现了DCT(Discrete Cosine Transform)变换、量化、Zig—Zag扫描、直流系数DPCM(Differential Pulse Code Modulation)编码、交流系数RLC(Run Length code)编码、霍夫曼编码等主要步骤，最后用实际的图像数据块对系统进行了验证。
With the background of "the dramatic inspect equipment of vehicle wheels" and the aim of improving the performance of the equipment, this paper studies about the realization of image collection and control, image processing algorithm, and JPEG basic system on the chip Cyclone from the Altera company's FPGA. With the hardware platform of the Redlogic's RVDK, it completes the design and the simulative confirmation of the soft core with the hardware descriptive language Verilog in the environment of the exploited tool QUARTUS2 6.0 and MODELSIM_SE6.1B.
The function of the image collection part is to convert the analog data from the analog camera into the digital data, and then to pick up the useful data from the data flow, and finally to incorporate the odd and even field into a frame and save it to a memory after the appropriate cut. The function produced by the digital data flow is completed by SAA7113 chip, however, FPGA chip initializes and controls the SAA7113 chip, and manipulates the digital data as well.
Taking account of some factors such as real time character complexity of algorithm, the image processing algorithm part chose three algorithms to realize, they were histogram equalization, median filter and edge inspection.
According to the order coding mode of the JPEG basic system, the compressed code part realized DCT transform, quantized, Zig—Zag scan, DPCM encoding of direct current coefficient, RLC encoding of alternating current coefficient, Huffman encoding. Finally, an actual image data was used to validate the whole system.
数据采集部分完成的功能是将由模拟摄像机拍摄到的图像信号进行数字化，然后从数据流中提取有效数据，加以适当裁剪，最后将奇偶场图像数据合并成帧，存储到存储器中。数字化及码流产生的功能由SAA7113芯片完成，由FPGA对SAA7113芯片初始化设置、控制，并对数字化后的数据进行操作。
图像处理算法部分考虑到实时性与算法复杂度等因素，从装置的图像处理流程中有选择性地实现了直方图均衡化、中值滤波与边缘检测三种图像处理算法。
压缩编码部分依据JPEG标准基本系统顺序编码模式，在FPGA上实现了DCT(Discrete Cosine Transform)变换、量化、Zig—Zag扫描、直流系数DPCM(Differential Pulse Code Modulation)编码、交流系数RLC(Run Length code)编码、霍夫曼编码等主要步骤，最后用实际的图像数据块对系统进行了验证。
With the background of "the dramatic inspect equipment of vehicle wheels" and the aim of improving the performance of the equipment, this paper studies about the realization of image collection and control, image processing algorithm, and JPEG basic system on the chip Cyclone from the Altera company's FPGA. With the hardware platform of the Redlogic's RVDK, it completes the design and the simulative confirmation of the soft core with the hardware descriptive language Verilog in the environment of the exploited tool QUARTUS2 6.0 and MODELSIM_SE6.1B.
The function of the image collection part is to convert the analog data from the analog camera into the digital data, and then to pick up the useful data from the data flow, and finally to incorporate the odd and even field into a frame and save it to a memory after the appropriate cut. The function produced by the digital data flow is completed by SAA7113 chip, however, FPGA chip initializes and controls the SAA7113 chip, and manipulates the digital data as well.
Taking account of some factors such as real time character complexity of algorithm, the image processing algorithm part chose three algorithms to realize, they were histogram equalization, median filter and edge inspection.
According to the order coding mode of the JPEG basic system, the compressed code part realized DCT transform, quantized, Zig—Zag scan, DPCM encoding of direct current coefficient, RLC encoding of alternating current coefficient, Huffman encoding. Finally, an actual image data was used to validate the whole system.
引文
[1]西南交通大学．机车车辆轮对动态检测装置技术成果鉴定资料．2003年8月
[2]潘松 黄继业 王国栋．现代DSP技术．西安电子科技大学出版社．2004年5月
[3]刘禾．数字图像处理及应用．中国电力出版社．2006年1月
[4]Sadayuki Tsugawa.Vision-Based Vehicles in Japan: Machine Vision Systems and Driving Control Systems.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRAL ELECTRONICS vol41
[5]刘文耀．光电图像处理．电子工业出版社．2002年
[6]黄爱民等．数字图像处理与分析基础．中国水利水电出版社．2005年
[7]胡栋．静止图像编码的基本方法与国际标准．北京邮电大学出版社．2003年
[8]黎洪松．数字图像压缩编码技术及其C语言程序范例．学苑出版社．1994年
[9]吴炜煜．多媒体技术开发指南．大连理工大学出版社．1994年
[10]张春田 苏育挺 张静．数字图像压缩编码．清华大学出版社．2006年1月
[11]李小平．多媒体网络通信．北京理工大学出版社．2001年12月
[12]简弘伦．精通Verilog HDL：IC设计核心技术实例详解．电子工业出版社．2005年10月
[13]夏宇闻．Verilog数字系统设计教程．北京航空航天大学出版社．2003年7月
[14]黄宁 张家谋．图像中值滤波的硬件实现．电视技术．1998年第8期
[15]王伟 张覃平 王敬儒．实时电视测量系统中值滤波器设计．光电工程．1996年2月第23卷第1期
[16]徐欣等．基于FPGA的嵌入式系统设计．机械工业出版社．2005年1月
[17]任爱锋等．基于FPGA的嵌入式系统设计．西安电子科技大学出版社．2005年2月
[18]W.-H.Fang N.-C.Hu S.-K.Shih.Recursive fast computation of the two-dimensional discrete cosine transform.IEE Proc.-vis.Image Signal Process.Vol.146, No.1, February 1999:25～33
[19]Weiping Li.A New Algorithm to Compute the DCT and its Inverse.IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL.39, NO.6, JUNE 1991:1305～1312
[20]李雷鸣 张焕春 张波．一种基于FPGA的图像中值滤波器的硬件实现．电子工程师．2004年2月第30卷第2期
[21]孙宏琦 施维颖 巨永锋．利用中值滤波进行图像处理．长安大学学报．2003年3月第23卷第2期
[22]Ming Che Li.Source Coding-JPEG and JPEG2000.Department of Electrical Engineering National Tsing Hua University
[23]Shaw-Min Lei.An Entropy Coding System for Digital HDTV Applications.IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEO TECHNOLOGY, VOL.1,NO.1, MARCH 1991
[24]林莉 刘延伸．基于VHDL的哈夫曼编码器的IP核设计．《现代电子技术》2004年第13期总第180期
[25]张天序 邹胜 曾永慧．基于FPGA的图像无损压缩算法的实现．《系统工程与电子技术》2004年10月第26卷第10期
[26]王镇道 陈迪平 文康益．JPEG图像压缩算法的IP核设计．《计算机应用》2005年5月第25卷第5期
[27]向晖 腾建辅 王承宁．基于FPGA和2位串行分布式算法的实时高速二维DCT/IDCT处理器研制．电子科学学刊．1999年11月第21卷第6期
[28]尹伟．基于FPGA的JPEG编解码器芯片设计．大连理工大学硕士学位论文．2004年3月
[29]贺军．基于FPGA的JPEG图像压缩芯片设计．电子科技大学硕士学位论文．2003年6月
[30]郝春艳．基于CPLD/FPGA技术的视频图像处理系统的设计与实现．武汉科技大学硕士学位论文．2005年5
[31]杨宁．静态影像压缩编码标准JPEG基本模式研究与FPGA实现．电子科技大学硕士学位论文．2004年6月
[32]姜勇．基于FPGA的实时图像处理系统的研究．长春科技大学硕士学位论文．2002年12月
[33]陈旭昀．基于FPGA的实时高速二维DCT/IDCT处理器．微电子学．1996年2月第26卷第1期
[34]成海．JPEG、MPEG标准简介．太原师范学院学报(自然科学版)．2006年6月第5卷第2期
[35]洪明吉．有效面积使用二维离散余弦转换及反转换架构之超大规模集成电路实现．台湾逢甲大学自动控制工程研究所硕士论文．2001年6月
[36]谢青青 石爱军．一种高效的分布式的离散余弦变换的硬件结构．北京大学软件与 微电子学院．2006年
[37] ISO/IEC IS 10918-1:1993(E) | ITU-T Rec.T.81(1992E), Information technology Digital compression and coding of continuous-tone still images: Requirements and guidelines
[38] 刘德良．多分辨率图像实时采集系统的FPGA逻辑设计．电子技术应用．2003年
[39] SAA7113H Product specification / Data sheet.PHILIPS, 1999
[40] 张晓健．视频解码芯片SAA7113的初始化与控制．电子设计应用．2005年
[41] Intersil.BT.656 Video Interface for ICs.Application Note.AN9728.2.July 2002
[42] SAA7113H 9-bit video input processor.Product data sheet.Rev.02-9 May 2005
[43] 国际电信联盟无线电通信部门656号建议
[44] The digital Video Standard according to ITU-R BT.601/656.Application Note
[45] IS61LV25616AL Data Sheet.ISSI.MARCH 2005
[46] ALTERA.Single-&Dual-Clock FIFO Megafunction User Guide.September 2005
[47] ALTERA.Altpll Megafunction User Guide.December 2004
[48] ALTERA.Lmp_add_sub Megafunction User Guide.May 2006
[49] ALTERA.Lmp_rom Megafunction User Guide.March 2005
[50] ALTERA.Lmp_ram Megafunction User Guide.September 2004
[51] ALTERA.Lmp_mult Megafunction User Guide.June 2006
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