基于FPGA的無損圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　控制單元負(fù)責(zé)產(chǎn)生控制信號(hào)以協(xié)調(diào)各電路模塊的工作順序;上下文模型選取單元將像素值輸入存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)，產(chǎn)生當(dāng)前像素、相鄰像素和上下文預(yù)測(cè)值Δ;預(yù)測(cè)單元根據(jù)不同的上下文模型求出像素殘余值;編碼單元對(duì)像素殘余值進(jìn)行修正的二元編碼或GOLOMB-RICE編碼;并串轉(zhuǎn)換單元負(fù)責(zé)將編碼結(jié)果轉(zhuǎn)換為碼流進(jìn)行輸出。

　　圖5所示為各個(gè)電路子模塊的接口定義及連線圖。其中上下文產(chǎn)生模塊和預(yù)測(cè)模塊功能具有連續(xù)性，用一個(gè)模塊表示，像素值以光柵掃描的順序逐行進(jìn)行讀入，需要一個(gè)行存儲(chǔ)器對(duì)像素值進(jìn)行存儲(chǔ)，每完成對(duì)一個(gè)像素點(diǎn)的編碼操作之后，將存儲(chǔ)器中該處的像素值更新為當(dāng)前行當(dāng)前列的像素值，本方案處理的圖像大小為512*512，因此只需要一個(gè)512*8比特的存儲(chǔ)器。修正二元編碼和GOLOMB-RICE編碼模塊算法相對(duì)復(fù)雜一些，為了加快系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，將算法中的計(jì)算步驟進(jìn)行拆分細(xì)化。GOLOMB-RICE編碼模塊需要進(jìn)行參數(shù)K的選取，若K的可能值有4個(gè)，則還需要256*8*4比特大小的存儲(chǔ)器作為累加表。最后，由于編碼后的碼值是變長(zhǎng)的，為了滿足輸出端口的要求，要對(duì)編碼結(jié)果進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換操作，輸出端以碼流的形式進(jìn)行輸出。

　　壓縮系統(tǒng)已集成在XILINX VIRTEX-5 FPGA上，并利用開發(fā)板XUPV5_LX110T進(jìn)行了驗(yàn)證，當(dāng)工作頻率為20MHZ時(shí), 吞吐率可達(dá)45f/s，所需存儲(chǔ)空間僅為13.1Kbits，每幀的功耗僅為13.67毫瓦。經(jīng)過若干經(jīng)典圖像測(cè)試后發(fā)現(xiàn)此壓縮系統(tǒng)的平均壓縮比為2.2，和主流的無損圖像壓縮算法(如JPEG-LS)相當(dāng)，但壓縮效率提升約80%左右。

　　3 結(jié)語

　　科技的發(fā)展和移動(dòng)終端的普及對(duì)圖像壓縮系統(tǒng)的處理效率提出了越來越高的要求。本方案中的無損圖像壓縮系統(tǒng)和傳統(tǒng)壓縮算法(如JPEG-LS, CALIC等)相比，在壓縮比相當(dāng)?shù)那闆r下，算法簡(jiǎn)單，所需的存儲(chǔ)器面積和處理時(shí)間也都大幅度下降，可以很好地兼容到醫(yī)療或航天圖像壓縮系統(tǒng)中。

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