基于FPGA的M-JPEG编解码器的研究与设计

摘要

Motion JPEG 或 M-JPEG（Motion Joint Photographic Experts Group)是一种对视频的每一帧图像都使用JPEG 编码的视频压缩格式。它不仅沿用了JPEG的各种优越性，还将其成功应用于运动图像。目前它被广泛地应用于数码相机、摄像机、手机、远程医疗、桌面视频系统等各种消费类电子产品中。
　　 本文围绕基于FPGA的M-JPEG 编解码器的设计展开研究工作。在简要介绍JPEG 标准和FPGA 设计方法的基础上，从总体规划的角度提出了编、解码器的设计思想，对M-JPEG 编解码器各部分算法进行了深入的研究，接着对各个模块的设计进行了详细的描述，最后采用HDL 硬件描述语言对M-JPEG基本模式硬件编解码器的各主要模块进行设计实现，并给出了功能仿真波形及测试结果。论文的主要研究内容包括以下几个方面：
　　 1、研究了陈氏DCT 快速算法并设计了二维DCT 变换模块。在二维DCT 变换模块的设计中，采用并行、行列分解、乒乓操作、资源共享和流水线技术实现了DCT 变换算法，由仿真结果和编译后资源消耗报告可知，该模块不仅提高了速度，而且还降低了资源消耗，在面积和速度之间取得了平衡，能够快速、高效地完成2D-FDCT的处理；2D-IDCT 采用与此相同的方法设计实现；
　　 2、将量化器和扫描模块集成在一起，不仅减少了对存储器的消耗，还节省了量化扫描时间；使用查找表法完成了熵编码模块的设计，最后将编码后数据按照规范的定长32bits的格式进行输出，并对各模块给出了仿真结果；
　　 3、在熵解码模块的设计中，结合Huffman 码表的规律性，着重研究了CHT算法，并采用该算法设计了熵解码模块，降低了解码的判断时间和存储器的资源消耗；由于反量化本质上只是简单的乘法操作，所以将反量化步骤集成到了熵解码模块中，提高了速度也减少了存储资源；
　　 4、整个设计中所用的乘法器均是使用FPGA 中内嵌的硬件乘法电路，不但速度比较快，而且不占用逻辑单元，同时为了适应流水线设计的要求，乘法器均选用了pipline 功能。整个设计大量采用了流水线优化设计，提高了系统的工作频率。
　　 本文主要完成了基于FPGA的M-JPEG 编解码器的主要功能模块的设计，为复杂的图像编解码器在FPGA 上实现做了探索性的尝试，对其它的图像编解码的FPGA 设计和实现有着积极的借鉴意义。同时，进一步探索FPGA在数字图像处理上的优势所在，深入了解进行此类硬件模块设计的技术特点，也是本课题的重要学术意义所在。

目录

文摘

英文文摘

1 绪 论

2 JPEG 标准的基本原理和方法

3 FPGA 芯片选型及设计方法

4 M-JPEG 编码器的设计

5 M-JPEG 解码器的设计

6 总结与展望

致 谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录