低功耗JPEG编码器模块的设计

摘要

无线传感器网络(WSNs)是目前国际上无线领域的研究热点，而无线多媒体传感器网络是在WSNs基础上发展起来的能够感知图像、音频、视频等大数据量多媒体信息的新型传感器网络。由于无线多媒体传感器网络(WMSNs)节点体积微小、由电池供电，功耗问题一直是WMSNs研究中至关重要的问题。因此，在WMSNs中实现一种低功耗、高压缩率、较好图像压缩质量的JPEG编码器具有重要意义。
　　本文在深入分析了国内外JPEG编码器的发展状况后，确定以算法改进为切入点，对整个JEPG编码器进行重新设计和实现。首先采用NEDA算法和行列分解法实现了FDCT变换，然后从低功耗的角度对NEDA算法进行优化，采用扇出数目较少的加法器同时进一步减少所需的加法器数目，并引入了流水线技术，使用基于华莱士树结构的乘法实现了量化操作中的除法操作，并采用MJPEG-B格式实现图像压缩数据的存储，以提高压缩率。
　　本文利用系统仿真工具和FPGA对研究成果进行了仿真验证。结果表明该JPEG编码器的峰值信噪比大于30dB，能够保证较好的图像质量，同时在最高工作频率为100M时，测得该编码器的总功耗为29.660mW，占用的逻辑门数为72583，其中NEDA DCT模块的功耗仅为16.639mW，相比传统算法实现的离散余弦变换降低了35％的功耗。此课题给WMSNs中的多媒体处理器芯片的设计提供了参考，具有广泛的应用价值。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 国内外数字图像压缩编码技术的研究现状

1．3 本文的设计指标

1．4 论文的结构安排

第二章 JPEG标准原理分析

2．1 JPEG标准概述

2．2 JPEG基本系统实现原理

2．2．1 Forward离散余弦变换(FDCT)

2．2．2 量化

2．2．3 熵编码

2．2．4 JPEG文件格式

2．3 WMSNs中JPEG压缩算法的应用

2．4 本章小结

第三章 JPEG编码器的算法设计

3．1 低功耗JPEG编码的算法设计

3．1．1 传统的DCT算法结构

3．1．2 改进的NEDA DCT算法结构

3．2 低功耗JPEG编码的算法验证

3．2．1 基于DCT的JPEG编码MATLAB实现

3．2．2 基于NEDA DCT的JPEG编码MATLAB实现

3．2．3 图像压缩算法性能的评价与度量

3．2．4 两种算法结构的性能对比与分析

3．3 本章小结

第四章 JPEG编码器的硬件设计

4．1 JPEG编码器的整体架构与结构划分

4．2 正向离散余弦变换模块的设计

4．3 之字扫描模块的设计

4．4 量化模块的设计

4．5 熵编码模块的设计

4．6 数据封装模块的设计

4．7 JPEG编码器的低功耗技术

4．8 本章小结

第五章 JPEG编码器的验证及结果分析

5．1 JPEG编码器模块级仿真验证

5．1．1 NEDA DCT模块的仿真验证

5．1．2 之字扫描及量化模块的仿真验证

5．1．2 熵编码模块的仿真验证

5．2 JPEG编码器系统级仿真验证

5．3 FPGA仿真验证

5．4 功耗测试和结果分析

5．4．1 PTPX功耗测试过程

5．4．2 功耗测试结果分析

5．4．3 设计指标对比

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文