一种基于JPEG2000的图像采集传输系统

摘要

本发明公开了一种基于JPEG2000的图像编码SOPC系统，包括图像采集、基于JPEG2000标准的图像编码和码流传输三个部分，可获得极高的图像编码效率。本发明基于Xilinx Zynq SOPC平台，其实现步骤为：1、根据JPEG2000算法设计图像编码模块，再将此模块封装成兼容AXI协议的通用IP核；2、使用Vivado构建硬件系统环境；3、在Zynq平台上移植Linux；4、基于Linux系统设计符合UVC标准的USB摄像头驱动程序；5、设计JPEG2000处理核的Linux系统驱动；6、设计JPEG2000编码核的控制程序；7、基于Linux系统设计网络传输程序；8、整合各个子系统，实现图像采集、图像编码及码流传输。

说明书

技术领域

本发明涉及一种图片处理领域，特别是基于SOPC设计方法的图片采集和传输。

背景技术

随着多媒体技术的不断运用，图像编码要求更高的性能和新的特征。为了满足图像 在特殊领域编码的需求，JPEG2000作为新一代标准不断得到发展。它不仅提供优于现 行标准的失真率和其他图像压缩性能，而且还可以提供一些现行标准不能有效实现的功 能和特性。JPEG2000标准更加注重图像的可伸缩表述，所以就可以在任意给定的分辨 率级别上来提供一个低质量的图像恢复，或者在要求的分辨率和信噪比的情况下提取图 像的部分区域。

Zynq是Xilinx推出的高性能的可编程片上系统(System on Programmable Chip，简 称SOPC)，由两部分组成：处理器系统(Processing System，简称PS)和可编程逻辑 (Programmable Logic，简称PL)。PS部分以ARM Cortex-A9双核处理器为核心，配有 NEON协处理器、片上存储器、AXI互联矩阵、中断控制器、以太网、USB等通用外设 控制器等，提供了全面的操作系统支持。PL部分基于Xilinx 7系列FPGA架构，采用 28nm技术，提供了通用硬件可编程资源，包括CLB(Configurable Logic Blocks，可配 置逻辑块)、IOB(Input/Output Blocks，输入输出块)、时钟资源、高性能ADC、DSP48E、 Block RAM等。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于JPEG2000的图 片采集传输系统，用于解决现有的图像采集传输系统性能不佳的技术问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于JPEG2000的图像采集传输系统，系统基于Zynq平台，包括图像采集、 基于JPEG2000标准算法的图像编码和码流传输三个部分；上述系统按照如下步骤进行 设计：

步骤1、根据JPEG2000标准算法设计图像编码模块，再根据高级可扩展接口 (Advanced eXtensible Interface，简称AXI)总线协议，将设计好的图像编码模块封装 成兼容AXI总线协议的通用IP核并作为处理器系统的定制外设接入ARM核中，记为 JPEG2000核；

步骤2、使用Vivado软件构建系统的硬件系统，硬件系统包括如下IP核：Zynq7 处理系统、AXI数据传输核、AXI互联核、JPEG2000核、块随机存储器(Block Random  Access Memory，简称BRAM)和BRAM控制器即块随机存储器控制器；

步骤3、移植Linux系统至Zynq平台；配置Linux内核，使其包含USB视频类(USB  Video Clas，简称UVC类)设备驱动、网络通信驱动等内容，编译内核；编译生成u-boot 启动文件；构建需要的文件系统；

步骤4、基于Linux内核提供的Linux系统视频设备接口(Video 4Linux 2，简称V4L2) 类驱动程序，开发USB摄像头动态采集图像的驱动程序；

步骤5、基于杂项设备(Miscellaneous，简称Misc)类，开发JPEG2000核的Linux 系统驱动程序，进而设计JPEG2000核的Linux系统控制程序；

步骤6、使用Zynq开发板的千兆以太网并基于Linux系统实现网络通信编程，实现 数据的传输工作。

步骤7、将USB摄像头动态采集图像的驱动程序、JPEG2000核的Linux系统控制 程序和网络数据传输程序整合验证，完成图像的动态采集、编码处理及码流传输；

所述Zynq7处理系统中包括图像信号接收接口、图像信号输出接口和内部数据传输 接口，摄像头与图像信号接收接口连接接收摄像头采集到的图像信号，为了保证图像质 量，可以通过UVC标准的高清USB摄像头实现图像采集，相应的图像信号接收接口为 USB控制器。Zynq7处理系统通过内部数据传输接口种的高速接口HP0接口连接AXI 互联核将图像信号传递至AXI数据传输核，AXI数据传输核与JPEG2000核进行交互处 理将图像信号通过JPEG2000核传递至BRAM存储器中，BRAM存储器受BRAM控制 器控制再将通过AXI互联核连接Zynq7处理系统中的内部数据传输接口中的一般接口 GP0接口将图像信号传输至Zynq7处理系统中，并最后通过图像信号输出接口将图像信 号输出。

进一步的，在本发明中，步骤1中，JPEG2000核运行在Zynq平台的可编程逻辑部 分，包括存储器映射到数据流命令模块(缩写为MM2S STS)、存储器映射到数据流状 态模块(缩写为MM2S STS)、JPEG2000模块和寄存器读写控制模块，以及用于通信 的M00_AXIS_CMD、S00_AXIS_STS、S01_AXIS_DATA、BRAM_PORT0、S00_AXI_Lite 共5条总线；这里的AXIS是AXI Stream的缩写，表示AXI流接口；

所述存储器映射到数据流命令模块用于产生AXI数据传输核传输需要的命令，其生 成的命令字通过M00_AXIS_CMD总线传输到AXI数据传输核。

所述存储器映射到数据流状态模通过S00_AXIS_STS总线接受AXI数据传输核传输 数据状态字，通过判断数据状态字，给出当前的传输状态；

所述JPEG2000模块通过S01_AXIS_DATA总线接收AXI数据传输核传输的数据， 同时对数据进行处理，然后将处理后的数据通过BRAM_PORT0传输到BRAM存储器 中，供后续处理；

所述寄存器读写控制模块中设有寄存器，用于存储JPEG2000模块需要的参数以及 AXI数据传输核传输数据中需要的参数和传输状态；所述寄存器读写控制模块通过 S00_AXI_Lite总线接到Zynq7处理系统的AXI_GP0接口，供处理器系统中的ARM核 读取或写入寄存器的值。

有益效果：

本发明提供的使用Zynq平台实现基于JPEG2000的图像编码系统，可充分发挥 JPEG2000核的高速处理能力，加速了系统的集成，简化了设计方法，降低了设计成本、 系统功耗，使得设计更加灵活。具体包括如下几个方面：

1、使用Xilinx的Zynq作为SOPC平台构建系统，加速了系统的集成，简化了设 计方法，降低了设计成本、系统功耗，使得设计更加灵活。

2、使用Zynq平台的PL部分开发可定制外设，将复杂的算法使用FPGA实现，提 高了系统是运行速度，以及流畅度。

3、相比其他图像编码算法，JPEG2000算法可在更低码率下获得同样甚至更优的重 建图像质量，在提升整个编码系统性能及减少码流传输等方面意义重大。

4、基于Zynq开发板的千兆以太网接口，使用Linux系统提供的网络通信功能传输 码流，保证数据的实时传输。

附图说明

图1为编码系统框图；

图2为封装后JPEG2000核的内部框图；

图3为软件分层框图；

图4为系统运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例：

本实施例使用ZC702评估板作为实施平台，其载有Xilinx Zynq 7020，并包含多个 USB和千兆网络接口。

将USB摄像头接入ZC702评估板，连接上位机与评估板的网络连接线，实现图片 数据的动态采集、编码和码流传输。设置USB摄像头采集速度为每秒钟30帧，图片大 小为640*480，PL部分的工作时钟设为100Mhz。实现流程如下：

1、使用Verilog硬件描述语言(Verilog Hardware Description Language，简称Verilog  HDL)根据JPEG2000标准算法设计图像编码模块，进行功能时序验证，确保图像编码 模块正常工作；

2、对设计好的图像编码模块封装成兼容AXI总线协议的通用IP核；

3、使用Vivado软件构建系统的硬件系统，硬件系统包括：Zynq7处理系统、AXI 数据传输核、AXI互联核、JPEG2000核、BRAM控制器和BRAM存储器；

4、对第3步构建的硬件系统验证综合实现，导出软件系统需要的*.bit等文件；

5、使用第4步中产生的*.bit等文件制作Zynq平台Linux启动文件；

6、对Zynq平台移植Linux系统，包括：编译u-boot、Linux内核，包含对千兆以 太网、UVC类USB摄像头驱动支持，然后制作文件系统；

7、基于Linux内核提供的Video 4 Linux 2类驱动程序开发USB摄像头动态采集图片 的驱动程序；

8、基于Linux系统提供的网络功能，开发网络数据传输程序；

9、基于Miscellaneous设备类型，开发JPEG2000核的Linux系统驱动程序；

10、在JPEG2000核驱动程序测试通过后，设计JPEG2000系统的Linux系统控制 程序；

11、将USB摄像头驱动程序，JPEG2000核控制程序和网络数据传输程序整合验证， 完成图片的动态采集、编码和码流传输。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。