基于FPGA的视频无损压缩算法研究与实现

摘要

当对医疗视频或航拍视频归档存储时，使用普通的视频有损压缩算法会造成数据的损失从而影响病情的判断或目标的侦查，而视频无损压缩技术可以解决这个问题。由于FPGA具有独特的并行处理方式，若将FPGA用于视频处理，工作效率会比较高。目前基于FPGA的视频无损压缩的研究成果还不多见。因此，基于FPGA的视频无损压缩算法的研究与实现具有重要的理论意义和应用价值。
　　已有的视频无损压缩算法通常存在压缩率较低或算法过于复杂不利于FPGA实现的问题，本文在充分研究传统的图像无损压缩算法及FPGA的基本结构和开发流程后，提出一种基于平滑度的自适应视频无损压缩算法并在以FPGA为核心的硬件平台上实现，完成的主要工作和取得的成果如下:
　　(1)分析了常用图像无损压缩算法CALIC、JPEG-LS、JPEG2000的工作原理，通过实验在压缩时间和压缩率两个方面进行比较，分析了这三种算法各自的优缺点。以JPEG-LS为基础，结合前后帧差技术与视频的平滑度，提出了一种基于平滑度的自适应视频无损压缩算法。该算法以视频的平滑度为依据，自适应地选择对原数据或帧差数据进行压缩。该算法复杂度较低，利于硬件实现。实验结果表明，该方法对运动不剧烈的视频具有较好的压缩效果。
　　(2)在分析视频无损压缩系统的需求后，提出了总体的硬件平台方案。该系统以Xilinx Spartan-6为核心，包括两路HDMI输入和两路HDMI输出，DDR2 SDRAM，SD卡等，可以实现两路视频的编码存储或解码输出。
　　(3)将提出的视频无损压缩算法在硬件平台实现，其中HDMI接收模块与DDR2控制器之间通过VFBC(Video Frame Buffer Controller)接口连接，视频的编码与存储由MicroBlaze软核完成，采用SPI模式对SD卡进行读写，并移植了FatFs文件系统。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 视频压缩标准发展历史

1．2．2 视频无损压缩研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．4 本文的结构安排

第2章 基于平滑度的自适应视频无损压缩算法

2．1 图像无损压缩算法介绍

2．1．1 CALIC

2．1．2 JPEG-LS

2．1．3 JPEG2000

2．2 图片无损压缩算法实验比较

2．2．1 压缩时间比较

2．2．2 压缩率比较

2．3 基于平滑度的自适应视频无损压缩算法

2．3．1 数据选择部分

2．3．2 数据编码部分

2．3．3 算法分析与实验结果比较

2．4 本章小结

第3章 视频无损压缩系统硬件平台设计

3．1 视频无损压缩系统需求分析及方案设计

3．1．1 总体需求

3．1．2 平台选择

3．1．3 视频接口选择

3．1．4 系统方案设计

3．2 FPGA基本结构

3．3 FPGA相关电路设计

3．3．1 时钟及复位电路设计

3．3．2 FPGA配置电路及JTAG电路设计

3．4 HDMI电路设计

3．4．1 HDMI介绍

3．4．2 HDMI电路设计

3．5 DDR2 SDRAM存储电路设计

3．5．1 DDR2 SDRAM电路设计

3．5．2 DDR2 SDRAM PCB信号完整性仿真

3．6 SD卡电路设计

3．7 系统电源电路设计

3．8 硬件功能测试

3．9 本章小结

第4章 视频无损压缩算法在FPGA上的实现

4．1 FPGA开发流程

4．1．1 FPGA开发流程

4．1．2 MicroBlaze软核

4．2 XPS IP核开发

4．2．1 DDR2 SDRAM控制器模块

4．2．2 HDMI输入模块

4．2．3 SD卡控制器模块

4．3 SDK软件开发

4．3．1 视频数据编码

4．3．2 SD卡文件读写

4．4 验证与设计分析

4．4．1 验证方式与验证结果

4．4．2 设计的功耗分析

4．4．3 设计的资源使用分析

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 研究工作总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果