基于FPGA的HDMI实时图像压缩技术研究

发布时间：2020-11-18 19:04

　　 目前,视频在实时处理方面的应用越来越广泛,例如视频会议,视频直播,视频电话等。HDMI接口是目前使用最广泛的视频接口,可以传输超高清视频,具有音视频同时传输、传输速度高等优点。随着图像质量的提高,需要传输的数据量越来越大,图像压缩技术也得到了快速发展,本课题基于FPGA对HDMI传输的视频图像进行了实时压缩的研究。首先,针对视频传输的实时性要求,设计了一种改进型的小波变换压缩算法。该算法中将图像分块处理,对每块单独进行压缩,采用三级9/7小波变换,对小波变换后的系数进行改进的SPIHT编码。在改进的SPIHT编码中,高频系数先经过舍弃低位无效数据的处理再进行阈值判决,减小了冗余,提高了压缩效率。本设计中还实现了DCT变换压缩算法。将改进后的小波变换压缩算法与DCT变换压缩算法的性能进行比较,实验仿真结果说明改进的小波变换压缩算法的压缩图片质量和压缩比均高于DCT变换。其次,基于实时压缩算法和FPGA设计了实时压缩系统,其中FPGA芯片选择了Altera公司Cyclone IV系列的EP4CE6。系统将压缩和解压缩两部分别在两块FPGA芯片上实现。整个系统分为FPGA控制模块,SDRAM存储模块,HDMI视频解码模块,VGA显示模块四个部分。FPGA芯片负责实现整个压缩和解压缩系统的控制和实现图像的压缩解压算法,是系统的核心。HDMI视频解码模块选用了ADI公司的HDMI解码芯片ADV7611,利用STM32的IIC接口实现ADV7611的寄存器配置。SDRAM存储设计中采用先图像分块再乒乓缓存的方式,相较于传统实时图像的帧缓存缩短了时间,再将分块的图像送入压缩模块处理。对解压缩后的数据采用VGA接口进行显示,VGA的控制芯片为ADV7123。通过分析DCT变换压缩和小波变换压缩两个系统压缩解压缩的实验数据,对比了两种方法的延时、压缩率和压缩质量,证明两种方法的压缩系统均有良好的压缩性能和实时性。
【学位单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;TN791
【部分图文】：

沈阳工业大学硕士学位论文102 (2 1)( , ) ( ) ( , ) cos2Mmn uX u n C u X m nMM = 102 (2 1)( , ) ( ) ( , ) cos2Nnn vY u v C v X u nNN = 要是使图片数据由空间域转换为频域，并没有压缩的部分较大数据保存着重要信息，这部分数据在左上角 0。DCT 变换后进行量化，量化处理就是 DCT 变换系。量化步长的选择是非常重要的，它决定了图像的压量化，其他较小系数粗量化，这样就可以较少的影响化可以使用固定量化表或自适应量化，设计中根据 DC中数据的特点建立了一个量化表，如图 3.2 所示。

g Peppers 原图 h Peppers DCT 恢复图片 i Peppers 小波恢复图片图 3.7 不同图片下 DCT 压缩和小波变换压缩后的恢复图片Fig. 3.7 Image restoration of DCT compression and wavelet transform under different images从图 3.7 可以看出，两种压缩算法都没有明显的失真，但是小波变换压缩算法在处理上要比 DCT 变换算法更好。接下来对两种压缩算法进行客观评价，用PSNR评价压缩质量，压缩比来评价压率。表 3.4 表示了 DCT 变换压缩和小波变换压缩的 值。表 3.4 两种算法对不同图像压缩的 值Tab. 3.4 values of two algorithms for different image compression压缩算法 Lena 图(dB) Baboon图(dB) Peppers 图(dB) 平均值(dB)DCT 变换 28.459 28.106 27.830 28.132小波变换 30.705 29.990 30.254 30.316由表 3.4 可以看出 DCT 变换压缩的 平均值为 28.132dB，小波变换压缩平均值为 30.316 dB，小波变换压缩的 值较高。表 3.5 表示了两种算法对三幅测试图片的压缩比的值。

图 4.4 Quartus II 界面图Fig. 4.4 Quartus II Interface figureQuartus II 中包含很多工具，这些工具全面实现了 FPGA 开发流程中的各个步4.1 是各部分设计工具对应的功能。表 4.1 Quartus II 工具及功能Tab.4.1 Quartus II tools and functions工具 功能New Project Wizard 建立新工程，指定目标器件Text Editor 硬件描述语言代码设计Assignment Editor、Pin Planner 指定初始设计约束Analysis &Synthesis 对设计进行综合Fitter 对设计进行布局布线Power Play Power Analyzer 对设计进行功耗分析和计算Timing Analyzer 对设计进行时序分析
【参考文献】

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本文编号：2889084